全方位起重吊裝周界立體報(bào)警系統(tǒng)

趙國(guó)航

（國(guó)網(wǎng)冀北北京送變電有限公司，北京 房山 102408）

1 選題理由

近些年，各類施工安全事故頻發(fā)，安全形勢(shì)如履薄冰，尤其吊車方面的事故頻頻發(fā)生，為避免和減少事故發(fā)生，電力行業(yè)出臺(tái)了“三驗(yàn)四算五禁止”和專項(xiàng)施工方案制定的管理要求。尤其變電大修技改和改擴(kuò)建工程都是在運(yùn)行站內(nèi)，均為三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，且有周期短、任務(wù)重、臨電作業(yè)、交叉作業(yè)、作業(yè)面多等特點(diǎn)，在人力物力一定的前提下，亟須通過(guò)增加先進(jìn)的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)來(lái)提升安全把控能力，大大降低安全風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

在運(yùn)行站內(nèi)施工吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)等都離不開起重吊車配合，又臨近帶電體，存在一定的安全隱患，尤其是吊車在進(jìn)行高空轉(zhuǎn)臂、申臂等環(huán)節(jié)，沒有更精確的數(shù)據(jù)來(lái)支撐，只能靠人眼觀察，容易與帶電體過(guò)近造成安全事故的發(fā)生。同時(shí)，施工人員隨意跨越安全圍欄，更是各個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生頻率較高的違章行為，因其行為隱蔽，持續(xù)時(shí)間短，很難發(fā)現(xiàn)和糾正，不容易監(jiān)管和保存違章證據(jù)。目前，吊車防護(hù)技術(shù)目前大部份研究基于激光雷達(dá)技術(shù)，此種技術(shù)不僅成本過(guò)高，而且存在較大的誤報(bào)，因此需要通過(guò)一些成本低并且準(zhǔn)確度高的技術(shù)來(lái)解決吊車防護(hù)問題。

3 課題目標(biāo)及研究?jī)?nèi)容

研制一種吊車吊裝作業(yè)周界探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，提高安全工作管理效率，降低施工過(guò)程當(dāng)中的安全風(fēng)險(xiǎn)，排除相關(guān)安全隱患。

隨著施工安全的重要性日益得到重視，各式各樣的安全防護(hù)措施得到廣泛開發(fā)，以確保施工作業(yè)過(guò)程中的安全，減少各種人身傷害。并且基于各種傳感器的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在工程建設(shè)中得到了廣泛的使用。本項(xiàng)目利用UWB 實(shí)時(shí)測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)吊車吊臂的位置測(cè)算，保證吊車在安全距離內(nèi)施工作業(yè)。

4 提出并選擇方案

4.1 UWB 定位技術(shù)

UWB 技術(shù)始于20 世紀(jì)60 年代興起的脈沖通信技術(shù)，當(dāng)時(shí)主要用于軍用雷達(dá)。2002 年2 月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)發(fā)布了民用UWB 設(shè)備使用頻譜和功率的初步規(guī)定，之后UWB 技術(shù)便在民用方面蓬勃發(fā)展。

UWB 技術(shù)目前在工業(yè)制造、化工、電廠、地下建設(shè)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、公檢司法、醫(yī)院等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。

UWB 定位技術(shù)通過(guò)布設(shè)固定位置的基站，然后測(cè)量各基站與標(biāo)簽間的距離，通過(guò)距離值與基站坐標(biāo)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位[1]。如圖1 所示，已知4 個(gè)基站的坐標(biāo)與各個(gè)基站到標(biāo)簽的距離，可以通過(guò)計(jì)算標(biāo)簽坐標(biāo)。

圖1 基站與標(biāo)簽計(jì)算圖示

相對(duì)于傳統(tǒng)的定位技術(shù)，UWB 模塊具有極高的定位精度。UWB 能在間距識(shí)別水平上超出其他傳統(tǒng)的系統(tǒng)，復(fù)雜環(huán)境下其精準(zhǔn)度幾乎能實(shí)現(xiàn)Wi-Fi、藍(lán)牙等傳統(tǒng)系統(tǒng)的10 倍甚至100 倍左右。

此外GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)，而且定位精度受可通信衛(wèi)星數(shù)量影響；UWB 定位系統(tǒng)的定位依賴于場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)的基站，對(duì)衛(wèi)星無(wú)要求。與此同時(shí)，UWB 模塊擁有低功耗、抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

UWB1000 模塊各個(gè)信道的通信帶寬皆大于499.2 MHz，極大的帶寬能帶來(lái)非常大的擴(kuò)頻增益，讓UWB 通信系統(tǒng)性能較高。這象征著對(duì)于電池供電設(shè)備，系統(tǒng)的運(yùn)作時(shí)間能極大增長(zhǎng)，亦或同等發(fā)射功率要求下，覆蓋范圍比傳統(tǒng)的技術(shù)大得多[2]。

表1 為各種設(shè)備發(fā)射功率比較，從表中可看出UWB 的發(fā)射功率低，信號(hào)帶寬寬，并且不單獨(dú)占用現(xiàn)在被手機(jī)等通信設(shè)備占用的已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，故此不容易受到電磁干擾，同時(shí)也能避免對(duì)其余通信設(shè)備造成的干擾。

表1 各種設(shè)備發(fā)射功率表

UWB 能使用小于1 mW 的發(fā)射功率完成通信，低功率大大延長(zhǎng)了電源的工作時(shí)間，同時(shí)，較小的功率使其電磁輻射對(duì)人體及電子設(shè)備的影響也會(huì)很小，這樣，UWB 技術(shù)的應(yīng)用面就很廣。

4.2 角度測(cè)量技術(shù)

MPU6050 角度、加速度測(cè)量傳感器，多用于智能型手機(jī)，平板裝置設(shè)備，手持型游戲產(chǎn)品，游戲機(jī)，3D 遙控器，可攜式導(dǎo)航等設(shè)備。

將MPU6050 模塊結(jié)合至UWB 模塊，可通過(guò)UWB 采集MPU6050 模塊測(cè)得的加速度值，并將加速度值通過(guò)數(shù)據(jù)流發(fā)送至上位機(jī)。放置模塊在要測(cè)設(shè)備上后，通過(guò)水平校準(zhǔn)及其他校準(zhǔn)方式上位機(jī)將校準(zhǔn)水平加速度向量，測(cè)量過(guò)程中，上位機(jī)獲得當(dāng)前加速度后可以通過(guò)算法與水平加速度向量做計(jì)算，獲取當(dāng)前吊臂仰角角度值。

5 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 融合角度實(shí)現(xiàn)全方位三維立體定位

傳統(tǒng)的UWB 定位技術(shù)多應(yīng)用于室內(nèi)或工廠內(nèi)部[3]， 原因是UWB 定位須滿足所定位標(biāo)簽處于分布放置的基站內(nèi)部的條件，否者定位將產(chǎn)生極大的誤差。對(duì)于高處難以放置基站的施工場(chǎng)地而言，精確定位高處的物體將難以實(shí)現(xiàn)。

為了解決高度定位的問題，本定位系統(tǒng)融合了角度-高度定位技術(shù)，解決了標(biāo)簽高度無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)UWB 定位系統(tǒng)精確計(jì)算的困難。

如圖2 所示，通過(guò)UWB 模塊可獲得x的值，h0的值可通過(guò)校準(zhǔn)計(jì)算得出，獲得角度模塊測(cè)量的角度φ之后，高度可通過(guò)下述公式計(jì)算：

圖2 UWB 定位系統(tǒng)精確計(jì)算示意圖

式中：h為吊車臂頂端距離地面高度；x為吊車臂長(zhǎng)度；φ為吊車臂與水平距離夾角；h0為吊車臂水平時(shí)與水平地面高度。

5.2 可移動(dòng)、自定位基站布置

傳統(tǒng)UWB 定位系統(tǒng)需在固定位置安裝基站并對(duì)各基站坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)，布設(shè)成本較高，適合室內(nèi)、工廠等一次布置無(wú)須移動(dòng)的項(xiàng)目。本系統(tǒng)采用可移動(dòng)支架實(shí)現(xiàn)基站的可移動(dòng)式布設(shè)。同時(shí)布設(shè)基站完成后，上位機(jī)系統(tǒng)可通過(guò)自動(dòng)定位獲取各基站坐標(biāo)（如圖3 所示），節(jié)約人力成本，降低基站布設(shè)困難，實(shí)現(xiàn)快速布設(shè)。

圖3 操作演示界面圖

5.3 多方式快捷設(shè)置電子圍欄

系統(tǒng)可通過(guò)物理標(biāo)簽及虛擬標(biāo)簽2 種方式指定圍欄標(biāo)簽。物理標(biāo)簽可直接放置到安全區(qū)域邊界，系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)圍欄標(biāo)簽并通過(guò)其位置自動(dòng)計(jì)算電子圍欄。對(duì)于不方便放置物理標(biāo)簽的位置，可通過(guò)上位機(jī)界面程序設(shè)置電子圍欄。

5.4 智能可視化上位機(jī)、多標(biāo)簽融合定位

可視化圖像實(shí)時(shí)顯示基站、圍欄、標(biāo)簽位置，上位機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊電量。多標(biāo)簽融合定位算法，減小測(cè)量誤差，連續(xù)定位檢測(cè)，反應(yīng)迅速單次定位時(shí)長(zhǎng)小于1 s。

5.5 聲光報(bào)警指示

報(bào)警燈綠黃紅三色分別表示安全、警惕、危險(xiǎn)，配備80 dB 危險(xiǎn)狀態(tài)聲音報(bào)警。

5.6 內(nèi)置鋰電池配合太陽(yáng)能充電板，增加續(xù)航

模塊內(nèi)部配有可充電鋰電池，滿電狀態(tài)可持續(xù)工作8 h 以上。配備太陽(yáng)能充電部件，布置方便，充電便捷，支持隨用隨充。

5.7 強(qiáng)力磁吸、牢靠穩(wěn)定

標(biāo)簽配有強(qiáng)力磁吸，可直接將標(biāo)簽吸附在吊車吊臂等金屬物體，方便安裝，節(jié)約時(shí)間成本。

6 效果確認(rèn)

全方位起重吊裝周界立體報(bào)警系統(tǒng)研制成功后，取得了良好的應(yīng)用效果，該系統(tǒng)在運(yùn)行的變電站內(nèi)施工吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)等作業(yè)時(shí)，對(duì)于吊車進(jìn)行高空轉(zhuǎn)臂、申臂等環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位、立體周界報(bào)警，有效降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)為該系統(tǒng)整理出一套技術(shù)文件，便于該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，并制定了全方位起重吊裝周界立體報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)說(shuō)明書，便于裝置維護(hù)。