門塔機(jī)碰撞預(yù)警方法研究

李永山 劉發(fā)永 周新志

(1.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066；2.四川大學(xué)，四川 成都 610065)

門座起重機(jī)(門機(jī))和塔式起重機(jī)(塔機(jī))是水利水電工程中的重要施工設(shè)備，主要用于物料運(yùn)輸。但是，在建設(shè)施工過程中，狹窄的作業(yè)空間內(nèi)往往布置較多的門塔機(jī)運(yùn)輸設(shè)備，設(shè)備間交叉作業(yè)率高，容易造成運(yùn)輸設(shè)備之間碰撞。因此，預(yù)防設(shè)備間的碰撞已成為水利水電工程施工中亟待解決的問題。

隨著數(shù)字傳感技術(shù)、嵌入式處理技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化的門塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)已逐漸應(yīng)用于水利水電工程運(yùn)輸設(shè)備上，以解決傳統(tǒng)的信號員指揮或設(shè)備作業(yè)區(qū)域限制[1]的低效率防碰撞問題。針對機(jī)群之間的智能防碰撞，令召蘭[2]應(yīng)用多Agent系統(tǒng)理論，建立了實時性和抗干擾性較強(qiáng)的塔機(jī)群防碰撞控制系統(tǒng)；朱宏堂[3]采用激光測距技術(shù)，解決塔機(jī)的碰撞問題，該方法對應(yīng)用周期較短的塔吊作業(yè)適應(yīng)性較好；徐景波等[4]基于超聲波測距原理，設(shè)計了塔機(jī)的防碰撞探測器，能有效避免碰撞事件發(fā)生。在運(yùn)輸設(shè)備與構(gòu)筑物的防碰撞中，文獻(xiàn)[5]和[6]利用圖形識別等多種技術(shù)解決吊裝物本身與固定或移動目標(biāo)的碰撞問題。在監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和處理方面，賈永峰等[7]針對塔機(jī)起重量采集時存在非線性問題，采用數(shù)據(jù)擬合理論建立軟測量模型，對起重量數(shù)據(jù)監(jiān)測具有一定的應(yīng)用價值；在防碰撞控制算法方面，李達(dá)等[8]提出機(jī)群防碰撞時等待時間最短算法，既保障了設(shè)備之間不發(fā)生碰撞，又提升了設(shè)備運(yùn)輸效率。

目前，門塔機(jī)的防碰撞方法中，通常以兩種設(shè)備之間的距離作為決策依據(jù)。但是，缺乏對距離數(shù)據(jù)的處理，存在錯誤數(shù)據(jù)點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備制動介入太晚，造成碰撞。因此，為了能夠提高避碰的有效性，提出了基于時間連續(xù)、狀態(tài)離散的馬爾可夫過程的門塔機(jī)機(jī)群碰撞預(yù)警方法。該方法根據(jù)門塔機(jī)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移關(guān)系，建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移強(qiáng)度值與門塔機(jī)機(jī)群間相對位置的聯(lián)系，作出門塔機(jī)機(jī)群防碰撞的最優(yōu)決策，從而提高避碰系統(tǒng)的魯棒性。

1 碰撞類型與預(yù)警等級劃分

水利水電工程中，門塔機(jī)是具有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一類的設(shè)備，且大量布置于施工現(xiàn)場，是常見的垂直運(yùn)輸設(shè)備。施工過程中，設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與構(gòu)筑物時常處于碰撞的危險區(qū)域，因此，需要明晰可能發(fā)生碰撞的情況以及預(yù)警等級。

1.1 碰撞類型

1.1.1 高位門機(jī)或塔機(jī)吊繩與低位門機(jī)或塔機(jī)起重臂或平衡臂的碰撞

碰撞如圖1所示，陰影部分為交叉作業(yè)的危險區(qū)域，吊繩位于低位機(jī)起重臂或者平衡臂的下側(cè)。對于塔機(jī)，lA和lB分別表示高位機(jī)和低位機(jī)的臂長，而對于門機(jī)，lA和lB分別表示高位機(jī)和低位機(jī)臂長在水平方向的投影。

圖1 高低位垂直運(yùn)輸設(shè)備碰撞區(qū)域注：TC1:高位機(jī)；TC2:低位機(jī)；β1：高位機(jī)轉(zhuǎn)動夾角；β2：低位機(jī)轉(zhuǎn)動夾角；lA：高位機(jī)臂長； lB：低位機(jī)臂長；P1：高位機(jī)大臂頂端在當(dāng)前時刻的位置；P2：低位機(jī)大臂頂端在當(dāng)前時刻的位置。

高位機(jī)的吊繩與低位機(jī)的起重臂或平衡臂發(fā)生碰撞時：

a.高位機(jī)和低位機(jī)具有交叉的作業(yè)區(qū)域，且都在交叉區(qū)域內(nèi)作業(yè)。

b.吊繩與大臂的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.1.2 高度相同的門機(jī)或塔機(jī)與其他具有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)備起重臂的碰撞

門塔機(jī)起重臂之間的碰撞如圖2所示。

圖2 同高度垂直運(yùn)輸設(shè)備碰撞區(qū)域

高度相同，發(fā)生碰撞時：

a.有交叉作業(yè)區(qū)域，且兩臺垂直運(yùn)輸設(shè)備同時處在交叉作業(yè)區(qū)域。

b.設(shè)備的起重臂的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.1.3 門塔機(jī)吊繩與構(gòu)筑物之間的碰撞

如圖3所示，這種情形碰撞時：

圖3 垂直運(yùn)輸設(shè)備吊繩與構(gòu)筑物碰撞區(qū)域注： l；門塔機(jī)大臂長度；l′：門塔機(jī)距構(gòu)筑物的水平距離；s：門塔機(jī)吊鉤水平距離；h：門塔機(jī)吊鉤高度；h′：構(gòu)筑物高度；d：吊繩到構(gòu)筑物的最小距離

a.吊鉤的位置低于構(gòu)筑物的位置。

b.吊繩到構(gòu)筑物的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

1.2 預(yù)警等級

設(shè)備不在交叉區(qū)域內(nèi)作業(yè)，最小距離d大于安全距離dSafe，此時不會發(fā)生碰撞，相應(yīng)的設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)不會發(fā)出碰撞警告。隨著設(shè)備之間的距離縮短，設(shè)備采取相應(yīng)的行為進(jìn)行碰撞預(yù)警，如圖4所示。

圖4 碰撞區(qū)域預(yù)警與評估

其中，dBreaking、dAlarm、dWarning和dSafe為對應(yīng)預(yù)警距離，門塔機(jī)防碰撞系統(tǒng)實時獲取設(shè)備間最小距離d，然后根據(jù)d與其他4個位置之間的關(guān)系，將危險等級的劃分如下：

a.當(dāng)d?dSafe時，設(shè)備間沒有交叉作業(yè)的情況，各設(shè)備間不會產(chǎn)生干擾，因此，設(shè)備處于綠色安全狀態(tài)。

b.當(dāng)dWarning

c.當(dāng)dAlarm

d.當(dāng)dBreaking

e.當(dāng)d≤dBreaking時，設(shè)備發(fā)生碰撞，造成施工安全事件。

設(shè)備進(jìn)入了交叉工作區(qū)域，且最小距離到達(dá)設(shè)定的預(yù)警距離以后，將采取相應(yīng)措施預(yù)警。因此，保證設(shè)備間的最小距離的正確性對提升防碰撞系統(tǒng)安全性具有重大意義。

2 基于馬爾可夫過程的門塔機(jī)碰撞預(yù)警方法

本文利用馬爾可夫過程將最小距離轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的碰撞概率，以保證系統(tǒng)的魯棒性。馬爾科夫過程是一個隨機(jī)過程，主要表示了狀態(tài)空間中各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。該變化過程與前一時刻的狀態(tài)有關(guān)，即使最小距離出現(xiàn)錯誤，設(shè)備也不會因為最小距離的突然改變而使得當(dāng)前狀態(tài)發(fā)生跳變，只會根據(jù)前一時刻的狀態(tài)向下一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移或者保持當(dāng)前的狀態(tài)不變，也就是說，從一級預(yù)警跳變?yōu)榘踩珷顟B(tài)等情況不會發(fā)生，這與實際設(shè)備的作業(yè)情況吻合。具體實現(xiàn)如下：

門塔機(jī)與其他輔助設(shè)備在進(jìn)行作業(yè)時，根據(jù)相互之間的位置關(guān)系，通?？梢苑譃樗姆N不同狀態(tài)：安全態(tài)(S)、預(yù)警態(tài)(W)、報警并減速態(tài)(A)和碰撞態(tài)(B)。

交叉作業(yè)時，相距太近，到達(dá)了初始設(shè)置的預(yù)警距離，設(shè)備就會從安全態(tài)轉(zhuǎn)為預(yù)警態(tài)，處于預(yù)警態(tài)的設(shè)備離開了預(yù)警距離就會轉(zhuǎn)為安全態(tài)。同理，當(dāng)設(shè)備進(jìn)一步靠近了制動距離時，就會進(jìn)入報警并減速態(tài)，同樣，離開了制動距離，設(shè)備狀態(tài)就會朝著預(yù)警狀轉(zhuǎn)移。若減速不及時或者其他因素干擾可能造成設(shè)備碰撞，此時，處于碰撞的設(shè)備就是碰撞態(tài)，碰撞態(tài)是吸收態(tài)，一旦進(jìn)入碰撞態(tài)，就會一直處于這個狀態(tài)，不會轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)，實際中，只有通過人工作用，將處于碰撞態(tài)的設(shè)備分開到安全的位置。

設(shè)備在某一時刻只能處于一種狀態(tài)，且狀態(tài)的轉(zhuǎn)移具有馬爾科夫性，其轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖5所示，O表示在危險區(qū)域外的環(huán)境，D表示在危險區(qū)的環(huán)境。

圖5 垂直運(yùn)輸設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系

垂直運(yùn)輸設(shè)備的轉(zhuǎn)移強(qiáng)度矩陣Q(t)=[qij(t)],i,j∈{S,W,A,B}。

當(dāng)d>dSafe時，垂直運(yùn)輸設(shè)備處在危險區(qū)域外的環(huán)境，轉(zhuǎn)移強(qiáng)度矩陣為

當(dāng)d≤dSafe時，垂直運(yùn)輸設(shè)備處在危險區(qū)域環(huán)境，轉(zhuǎn)移強(qiáng)度矩陣為：

其中，λij為轉(zhuǎn)移強(qiáng)度，矩陣的每一行滿足：

(1)

若在時刻t的狀態(tài)概率向量為P(t)=[pS(t),pW(t),pA(t),pB(t)]T，根據(jù)?？似绽士朔匠蹋?/p>

(2)

式(2)可以通過下式迭代計算：

(3)

通過記錄兩個位置點(diǎn)的時差和轉(zhuǎn)移強(qiáng)度矩陣，根據(jù)式(3)可以計算當(dāng)前點(diǎn)的狀態(tài)概率向量。時間可以實時記錄，而轉(zhuǎn)移強(qiáng)度矩陣計算采用距離的線性關(guān)系獲得。

對于危險環(huán)境，即d≤dSafe，有

(4)

對于危險環(huán)境以外的區(qū)域，轉(zhuǎn)移強(qiáng)度設(shè)置為相應(yīng)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移強(qiáng)度。

若基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移強(qiáng)度按表1取值，dSafe=100m，且d=30m和d=70m處出現(xiàn)傳感器或通信錯誤，隨著兩個設(shè)備的最小距離d增大，狀態(tài)概率的變化如圖6所示。

表1 不同環(huán)境中的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移強(qiáng)度

圖6 狀態(tài)概率向量的變化(d/m)

從圖6可以看出，當(dāng)d增大，設(shè)備會從碰撞態(tài)經(jīng)過報警并減速態(tài)和預(yù)警態(tài)轉(zhuǎn)移到安全態(tài)。在d=30m和d=70m處，狀態(tài)概率出現(xiàn)變化，但是波動范圍較小，設(shè)備狀態(tài)沒有發(fā)生跳變。在報警并減速態(tài)和預(yù)警態(tài)狀態(tài)概率曲線的頂點(diǎn)處設(shè)置安全態(tài)概率閾值，通過檢測安全態(tài)概率，根據(jù)安全態(tài)概率與閾值即可作出相應(yīng)的決策?；隈R爾可夫過程的門塔機(jī)機(jī)群智能防碰撞決策流程如圖7所示。

3 防碰撞測試

為了驗證本文提出的基于馬爾可夫過程的門塔機(jī)機(jī)群防碰撞決策方法的有效性以及可靠性，在岷江犍為航電樞紐發(fā)電廠工程中進(jìn)行了相應(yīng)的測試。該工程采用門塔機(jī)為主、其他設(shè)備為輔的布置方式，施工現(xiàn)場由5臺門機(jī)和1臺塔機(jī)組成。門塔機(jī)群防碰決策流程見圖7。測試過程中選擇下游2臺30t高架門機(jī)進(jìn)行了防碰撞的測試，2臺垂直設(shè)備的最小距離大于6m時，屬于安全態(tài)，小于4m時，處于預(yù)警態(tài)，小于3m時，處于報警并減速態(tài)，從2017年4月5日起，記錄了一個校驗周期內(nèi)的5組數(shù)據(jù)，見表2。

圖7 基于馬爾可夫過程的門塔機(jī)群防碰撞決策流程

表2 預(yù)警狀態(tài)測試結(jié)果

通過防碰撞試驗結(jié)果可知，本文系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息作出相應(yīng)的預(yù)警，經(jīng)過多組測試，預(yù)警結(jié)果與預(yù)期一致，滿足防碰撞智能控制系統(tǒng)的性能要求。

此外，門塔機(jī)防碰撞智能控制系統(tǒng)運(yùn)行2年以來，一級預(yù)警次數(shù)為15次，未發(fā)生一次碰撞事件，大大地提升了施工過程中的安全性。

4 結(jié) 語

本文針對水利水電工程門塔機(jī)群碰撞問題，提出了基于馬爾可夫過程的門塔機(jī)機(jī)群碰撞預(yù)警方法。該確定為小孔口出流：方法將距離數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的處理，且依照預(yù)警等級劃分了設(shè)備工作的不同運(yùn)行狀態(tài)，依據(jù)安全狀態(tài)的概率啟動設(shè)備的相應(yīng)預(yù)警等級。在實際施工運(yùn)行過程中，取得了良好的效果。