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基于传感器的塔机防碰撞监控工具网站建设
让-皮埃尔苏莱曼；埃米尔；希亚姆库利；布尔
- 研究助理、机械工程系、美国贝鲁特大学、11-0236信箱，贝鲁特，黎巴嫩。邮箱：jjs08@mail.aub.edu
- 研究助理，土木与环境工程系、美国贝鲁特大学、11-0236信箱，贝鲁特，黎巴嫩。邮箱：efz00@mail.aub.edu
- 助理教授，土木与环境工程系、美国贝鲁特大学、11-0236信箱，贝鲁特，黎巴嫩。邮箱：hiam.khoury@aub.edu.lb
- 助理教授，土木与环境工程系、美国贝鲁特大学、11-0236信箱，贝鲁特，黎巴嫩。邮箱：fh35@aub.edu.lb
摘要：
施工现场总是容易延误或发生事故，特别是当涉及到塔式起重机的时候。当一个以上的起重机工作时这种情况会恶化，因为在交叉作业区域发生碰撞的可能性越来越高。因此，早期规划的联合塔式起重机作业前的工作的执行有助于防止项目进度延误和进入瓶颈期，提高现场安全性。这反过来又降低了运营成本。然而冲突在规划阶段是难以量化和评估的。根据对建筑施工计划、现场管理、仿真、传感的最新进展的研究，本文的目的是开发一个自动化的监控建筑工地塔吊防碰撞的规划工具。本项研究的目的基于以下三点：（1）起重机不同部位传感器类型及位置的研究，（2）从传感器获得假定的综合数据，（3）将收集到的数据的4D计划来避免起重机冲突和减少操作时间。一个用来避免碰撞的优化联合起重机操作的传感与仿真技术案例的初步结果已经突出了规划的潜力。
绪论与相关文献
在建筑中，尤其是高层建筑中塔式起重机是一种非常重要的设备。事实上塔式起重机对我们已相当重要，因为其几乎被用于所有的将材料从堆放区运输到建筑区的活动。在大型项目中至少有两个塔式起重机同时被分配。在这种情况下，每个起重机的工作覆盖区会与其它起重机交叉重合。这样的情况下需要注重与起重机相关的建设活动的规划，特别是那些位于冲突可能性高的重叠区域。这些在规划阶段是难以量化和评估的，而且在操作过程中可能导致重大问题。
事实上，众多研究人员之前就提起过联合起重机操作的问题。例如Al Hattab等人通过模拟预测的方法着眼于优化两台塔式起重机的联合操作问题。虽然已经简要强调了冲突问题，但关键问题是解决冲突的检测问题而不是预防冲突，因为重点是将不同起重机的配置问题进行优化。其它研究工作致力于利用传感器研究其动力学问题并评估起重机工作时实时采集的数据，或是加强起重机操作员的培训工作，模拟他们的可见距离来减少有限态势感知下的风险。此外，之前的工作研究了专门解决塔式起重机潜在碰撞问题的相关传感器。事实上，Lichen等人在起重机上放置接近传感器或距离传感器以检测接近他们的物体。研究结果显示，在起重机吊臂上使用多个超声波传感器的效率和精度比只使用一个要高。然而这种方法所使用的分布在起重机上的传感装置的数量是不确定的，因此可能会导致大量传感器的应用。同样Nadar等人建立了一个基于远程无线传感器网络的自动化系统，通过安装在不同位置的各种专用传感器实时获得起重机的信息(如温度、风速、距离等)。在另一种基于传感器的方法中，Zhong等人使用有限数量的传感器生成了起重机的实时模型。这种方法比之前的更加系统化，因为传感器的数量和位置很容易根据起重机的三个自由度来确定。然而为了简单起见，后者的研究把起重机的配件看成线而不是三维棱柱。此外，它没有考虑到所有类型的冲突（如加载对象为起重机1和起重机2的吊车线）。
因此，本文的主要目的为：（1）确定传感器的最佳类型和位置，以协助操作人员和现场人员检测起重机的运动以及检测和避免起重机冲突；（2）建立一个不同起重机部件和设计算法的详细的数学模型，提供起重机定位和运动的精确数据；（3）将所有数据整合到一个4D仿真预测模型中，预测潜在的碰撞风险；（4）创建一个能清楚描述起重机定位、移动和到其它起重机距离的友好的图形用户界面，识别障碍，避免潜在冲突。
方法论
在这项研究中采用的方法分为以下几个任务：（1）起重机运动和定位的说明，（2）选择传感器并确定其最佳安装位置，（3）描述起重机各种潜在冲突及其相应的算法，（4）起重机在4D中不同的表述与可视化。
起重机运动及位置
起重机运动描述
起重机的运动可分为三个子运动，即回转、变幅和起重。回转由旋转或吊臂的角运动组成。牵引运动与起重机吊钩沿工作臂来回径向运动有关。在三维笛卡尔坐标系中，前两个动作都是二维的，假设其在X-Y平面上。起重是吊钩的垂直运动，通过拉动或降低吊索改变它沿Z轴的位置。任何一个起重机的运动都至少包括一个子运动。
起重机定位参数
鉴于起重机的运动，本研究的一个关键部分是能确定起重机在任何时候的位置。由于运动是动态的，一些所需的动态参数就是随时间变化的，而另一些是恒定不变的。每个动态和常量参数如图1和表1所示。此外我们知道，起重机通常搬运不同大小的货物，由此获得其尺寸以监测整个施工过程同样是十分重要的。
表1.起重机定位参数
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动态参数 |
静态参数 |
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-theta;：由起重机吊臂和坐标系的水平轴形成的角度 -R ：起重机吊钩与起重机塔架的径向距离 -Z ：水平面与吊钩的垂直距离 -X ：起重机吊钩的X坐标 -Y ：起重机吊钩的Y坐标 |
-：起重机工作臂的长度 -：起重机平衡臂长度 -：起重机塔高 -w ：吊臂宽度 -h ：吊臂高度 -：载物直径 -：载物高度 |
图1：起重机动态定位参数
传感器选择
在本项目的研究中使用传感器跟踪每个起重机的运动。这就需要获得参数表1中的某些参数。静态参数只取决于起重机的类型，不会随着起重机的运动而改变，因此静态参数容易获得。而动态参数需要利用传感器进行监测。因此，参照表1，需要收集两组动态参数-(theta;，R，z)或（x,y,z）中的其中一组，以便明确定位起重机的位置。对于被载物体，他们的尺寸是动态的，但他们在每个运动中是恒定不变的，因此应由起重机操作员输入而不是通过传感器获得。
在本项目研究中，通过三个传感器获得(theta;，R，z)参数。一个角位置传感器用于采集吊臂旋角theta;，两个直线位置传感器安装在起重机吊钩上，测得与塔的距离R以及与吊臂的距离z。这些传感器的功能基于一定的理论，如由位移引起的电阻的变化(这些被称为电阻式传感器和其他类型传感器，如光学式传感器也可以用来测量位移)，从而导致模拟输出电压的变化。然后将该电压输入到模拟数字转换器，通过从传感器校准过程中产生的校准曲线将其映射到位移值。
值得一提的是，上述传感器是一个可靠的长距离无线传感器网络系统的一部分，安装在特殊的位置，可以和中央枢纽之间传递数据。后者连续监控和管理网络性能，并将传入的数据转发到主机应用程序。
多种起重机冲突
起重机元件近似几何
正如前面所提到的，当两个以上的起重机的工作区域重叠时，要用传感器进行监控并防止碰撞。为此需要确定的是不同的起重机元件在操作过程中可能会发生碰撞(例如吊臂、吊线和被载物体)。可利用传感器收集获取大量的数据。在这种情况下吊臂被模拟为吊线为垂直线的长方体。但不能将被载物体看成平行六面体，因为物体在绕轴自转。这是随机的、不确定的，取决于多个随机变量，如风向、物体晃动、风速等。因此在这项研究中负载或负载对象被视为圆柱形状。基于这些假设，表2给出了数学描述的卷所涵盖的问题中的每一个元素，J1、J2、J3、J4分别对应右上角、左上角、左下角、和右下角的臂。
表2：吊车体积卷积方程
表2中的方程式适用于图1所示的坐标系。
由于本项目研究的目的是检测和防止两个以上的起重机工作时存在的潜在碰撞，第二个起重机的派生方程式需要在第一个起重机的坐标系下进行调整。这是通过表2中的方程式加上X变换和Y变换到各自的第二起重坐标系的。X变换和Y变换是组成从构架1到构架2的向量的分量。
因此利用从传感器获得的数据可以很合理的几何近似为起重机的不同部件，详细的数学描述是笛卡尔坐标系下的整个起重机框架的基础。此外，传感器输出的转化为笛卡尔格式的极坐标的信息允许执行所有不同的数学运算。
碰撞类型与碰撞检测算法
开发的算法主要是为了获得起重机的定位数据，以帮助起重机操作员和现场人员采取预防措施，避免碰撞。该算法基于MATLAB以及各种可能的碰撞类型，包括吊线和载物的碰撞、载物与载物之间的碰撞、吊臂与吊线之间的碰撞、吊臂与吊臂之间的碰撞、吊臂与物体之间的碰撞。更具体的说，两个起重机在不同高度操作的情况下，两者之间可能存在吊臂与吊线、吊臂与载物、载物与载物和单个载物之间的碰撞。起重机在相同高度操作的情况下，吊臂-吊线方案被吊臂-吊臂方案所取代，排除了吊臂-载物方案。图2给出的伪代码是关于吊臂和吊线冲突的。
如果吊臂1的高度在吊线2的垂直距离内
计算吊线与位于4个角的吊臂的水平距离
如果其中一个距离小于指定的阈值
显示警告信息并计算距离
计算吊线和位于4个角的吊臂的水平距离
如果其中一个距离小于指定的阈值
如果吊线位于水平范围内
显示警告信息并计算距离
图2：吊臂-吊线伪代码
吊臂和载物的碰撞是复杂的，样本代码如下：
伪代码和代码段中的数字1和2指上述中的起重机。术语阈值指算法中发送的警告消息与实际距离这两个元素之间的距离。数学公式用到了点与线之间或两点之间的距离计算公式(如)。为了确定P点是否在规定的水平范围内，XXXXX 的点积要大于等于0。
4D仿真模型和图形用户界面
在一个单独的研究中，已经开发了一种使用离散事件逻辑软件模拟两台起重机工作重叠区的仿真模型。以该模型作为输入，将每个活动的坐标（例如协调材料的堆放区及运送地点）、被载物体的大小、不同活动之间的关系、连接或脱钩的持续时间以及每个指定的活动填入MS Excel表格中。根据以上信息运行该模型，并输出除了活动总持续时间之外的每个起重机的利用率。
在这项研究中给出起重机吊钩的坐标，吊臂尺寸和塔的高度，建立整个起重机的三维模型。因为随着时间的推移不断的获得这些参数，所以可以生成起重机的4D模型。此外，在上一节所提到的防撞监测算法中，将4D仿真模型与所有信息在用户图形界面可视化相结合。每当起重机相互接近或是碰撞率较高时，图形用户界面输出警告信息。然后给出潜在碰撞的位置以及两个起重机可能发生碰撞的元件之间的距离，从而使操作者意识到有碰撞的风险并允许其采取相应的措施。4D仿真模型的细节及图形用户界面如下节所示。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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