基于馬爾可夫過程的水電工程門塔機(jī)群防碰撞預(yù)警分析技術(shù)

李永山，劉發(fā)永，梁 勇，李桂英，周新志

(1.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都，610066；

2.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都，610065)

1 引言

門座起重機(jī)(門機(jī))和塔式起重機(jī)(塔機(jī))是水電開發(fā)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)用于水電工程運(yùn)輸設(shè)備上，以解決傳統(tǒng)的信號(hào)員指揮或設(shè)備作業(yè)區(qū)域限制的低效率防碰撞問題[1]。針對(duì)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(shí)時(shí)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(cè)距技術(shù)，解決塔機(jī)的碰撞問題，該方法對(duì)應(yīng)用周期較短的塔吊作業(yè)適應(yīng)性較好；許景波[4]等基于超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)了塔機(jī)的防碰撞探測(cè)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，相關(guān)研究人員利用圖形識(shí)別等多種技術(shù)解決吊裝物本身與固定或移動(dòng)目標(biāo)的碰撞問題[5-6]。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和處理方面，賈永峰等[7]針對(duì)塔機(jī)起重量采集時(shí)存在非線性問題，采用數(shù)據(jù)擬合理論建立軟測(cè)量模型，對(duì)起重量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)具有一定的應(yīng)用價(jià)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(shí)等待時(shí)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(duì)距離數(shù)據(jù)的處理，存在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備制動(dòng)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(shí)間連續(xù)、狀態(tài)離散的馬爾可夫過程的門塔機(jī)機(jī)群防碰撞方法。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(duì)位置的聯(lián)系，做出門塔機(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。

2 碰撞類型與預(yù)警等級(jí)劃分

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(chǎng)，是常見的垂直運(yùn)輸設(shè)備。施工過程中，設(shè)備之間以及設(shè)備與構(gòu)筑物之間會(huì)時(shí)常進(jìn)入碰撞的危險(xiǎn)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(jí)。

2.1 碰撞類型

(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

碰撞示意如圖 1所示，陰影部分為交叉作業(yè)的危險(xiǎn)區(qū)域，吊繩位于低位機(jī)起重臂或者平衡臂的下側(cè)。對(duì)于塔機(jī)，lA和lB分別表示高位機(jī)和低位機(jī)的臂長(zhǎng)；而對(duì)于門機(jī)，lA和lB分別表示高位機(jī)和低位機(jī)臂長(zhǎng)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

高位機(jī)的吊繩與低位機(jī)的起重臂發(fā)生碰撞時(shí)：

①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)。

②吊繩與大臂的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

(2)高度相同的門機(jī)或者塔機(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)起重臂之間的碰撞示意見圖 2。

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(shí)：

①有交叉作業(yè)區(qū)域，且兩臺(tái)垂直運(yùn)輸設(shè)備同時(shí)處在交叉作業(yè)區(qū)域

②設(shè)備的起重臂的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

(3)門塔機(jī)吊繩與構(gòu)筑物之間的碰撞見圖 3，這種情形碰撞時(shí)：

圖 3 垂直運(yùn)輸設(shè)備吊繩與構(gòu)筑物碰撞區(qū)域

①吊鉤的位置低于構(gòu)筑物的位置，

②吊繩到構(gòu)筑物的最小距離d小于碰撞距離dBreaking。

2.2 預(yù)警等級(jí)

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(shí)不會(huì)發(fā)生碰撞，相應(yīng)的設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)不會(huì)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，見圖 4所示。

圖4 碰撞區(qū)域預(yù)警與評(píng)估

其中，dBreaking、dAlarm、dWarning和dSafe為對(duì)應(yīng)預(yù)警距離，門塔機(jī)防碰撞系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取設(shè)備間最小距離d，然后根據(jù)d與其他4個(gè)位置之間的關(guān)系，將危險(xiǎn)等級(jí)的劃分如下：

①當(dāng)d>dSafe時(shí)，設(shè)備間沒有交叉作業(yè)的情況，各設(shè)備間不會(huì)產(chǎn)生干擾，因此，設(shè)備處于綠色安全狀態(tài)；

②當(dāng)dWarning

③當(dāng)dAlarm

④當(dāng)dBreaking

⑤當(dāng)d≤dbreaking時(shí)，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(duì)提升防碰撞系統(tǒng)安全性具有重大意義。

3 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(gè)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(shí)刻的狀態(tài)有關(guān)，即使最小距離出現(xiàn)錯(cuò)誤，設(shè)備不會(huì)因?yàn)樽钚【嚯x的突然改變而使得當(dāng)前狀態(tài)發(fā)生跳變，只會(huì)根據(jù)前一時(shí)刻的狀態(tài)向下一個(gè)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(jí)預(yù)警跳變?yōu)榘踩珷顟B(tài)等情況不會(huì)發(fā)生，這與實(shí)際設(shè)備的作業(yè)情況吻合。具體實(shí)現(xiàn)如下：

門機(jī)與其他輔助設(shè)備在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，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(bào)警并減速態(tài)(A)和碰撞態(tài)(B)。

交叉作業(yè)時(shí)，相距太近，到達(dá)了初始設(shè)置的預(yù)警距離，設(shè)備就會(huì)從安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為預(yù)警狀態(tài)，處于預(yù)警狀態(tài)的設(shè)備離開了預(yù)警距離就會(huì)轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)。同理，當(dāng)設(shè)備進(jìn)一步靠近了制動(dòng)距離，就會(huì)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，開始報(bào)警并減速，同樣，離開了制動(dòng)距離，設(shè)備狀態(tài)就會(huì)朝著預(yù)警狀態(tài)轉(zhuǎn)移。若減速不及時(shí)或者其他因素干擾可能造成設(shè)備碰撞，此時(shí)，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(huì)一直處于這個(gè)狀態(tài)，不會(huì)轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)，實(shí)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(shí)刻只能處于一種狀態(tài)，且狀態(tài)的轉(zhuǎn)移具有馬爾可夫性，其轉(zhuǎn)移關(guān)系見圖 5，O表示在危險(xiǎn)區(qū)域外的環(huán)境，D表示在危險(xiǎn)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}如下：

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

當(dāng)d≤dSafe時(shí)，垂直運(yùn)輸設(shè)備處在危險(xiǎn)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(shí)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)?？似绽士朔匠逃校?/p>

(2)

式(2)可以通過下式迭代計(jì)算：

(3)

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

對(duì)于危險(xiǎn)環(huán)境，即d≤dSafe，如式(4)：

(4)

對(duì)于危險(xiǎn)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)度值為表 1，dSafe=100，且d=30和d=70處出現(xiàn)傳感器或通信錯(cuò)誤，隨著兩個(gè)設(shè)備的最小距離d增大時(shí)，狀態(tài)概率的變化見圖 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

從圖 6可以看出，當(dāng)d增大，設(shè)備會(huì)從碰撞態(tài)經(jīng)過報(bào)警態(tài)和預(yù)警態(tài)轉(zhuǎn)移到安全態(tài)。在d=30和d=70處，狀態(tài)概率出現(xiàn)變化，但是波動(dòng)范圍較小，設(shè)備狀態(tài)沒有發(fā)生跳變。在報(bào)警態(tài)和預(yù)警態(tài)狀態(tài)概率曲線的頂點(diǎn)處設(shè)置安全狀態(tài)概率閾值，通過檢測(cè)安全態(tài)概率，根據(jù)安全態(tài)概率與閾值即可做出相應(yīng)的決策。

采用馬爾可夫過程的機(jī)群智能防碰撞決策流程見圖 7所示。

圖7 門塔機(jī)防碰撞決策流程

4 防碰撞測(cè)試

為了驗(yàn)證垂直運(yùn)輸設(shè)備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(cè)試。該工程以門塔機(jī)為主，其他設(shè)備為輔的布置方式，施工現(xiàn)場(chǎng)由5臺(tái)門機(jī)和1臺(tái)塔機(jī)組成。測(cè)試過程中選擇下游2臺(tái)30t高架門機(jī)進(jìn)行了防碰撞的測(cè)試，兩臺(tái)垂直設(shè)備的最小距離大于6m時(shí)，屬于安全狀態(tài)；小于4m時(shí)，處于預(yù)警態(tài)；小于3m時(shí)，處于報(bào)警并減速態(tài)。從2017年4月5日起，記錄了一個(gè)校驗(yàn)周期內(nèi)的5組數(shù)據(jù)，見表 2。

表2 預(yù)警狀態(tài)測(cè)試結(jié)果

通過垂直運(yùn)輸設(shè)備的防碰撞試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息做出相應(yīng)的預(yù)警，經(jīng)過多組測(cè)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(jí)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。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)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防碰撞智能決策方法。該方法將距離數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的處理，且依照預(yù)警等級(jí)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(dòng)設(shè)備的相應(yīng)預(yù)警等級(jí)。在實(shí)際施工運(yùn)行過程中，取得了良好的效果。