基于多点位的三维空间群塔防碰撞算法

摘 要工地塔机安全监控系统中防碰撞功能是其核心功能之一，市场上大多数塔机监控产品的群塔防碰撞性能不够完善和稳定。本文采用基于多点位的三维空间群塔防碰撞算法，通过实时状态更新，系统会自动生成群塔的三维模型，通过计算水平相关性、高度相关性得出防碰撞关系。实际操作中，只需要通过相对距离和塔机参数设定，即可完成群塔防碰撞预警设置。规模使用结果表明，该算法大大提高了工地塔机监控系统的群塔防碰撞预警性能。

【关键词】多点位 塔机 防碰撞 相关性

1 区域防碰撞

塔吊碰撞分为区域碰撞和塔间碰撞。

区域防碰：即单台塔机在其作业半径范围内有障碍物，例如高压线，楼宇等。

1.1 有限/无限高度禁行区

禁行区防碰撞中，存在有限/无限高度的角度禁行区，比如高楼、电线杆等。无限高度禁行区，则塔吊大臂不能到达起始角度-终止角度之间的区域，设定右转报警角度和左转预警角度，则检测到塔吊大臂进入报警区域后，设备报警。

1.2 两点确定的直线禁行区

实际工地现场，常出现两点确定的直线禁行区，如图1中禁行区AB。塔吊大臂为OC，C点为当前小车的位置，当C点碰到禁行区AB时，将发生预警。

首先已知塔吊中心点的坐标：

禁行区起始和终止角度：

禁行区起始和终止幅度：

确定起始点坐标：

（1）

同理，确定终点坐标：

（2）

最后确定碰点C的坐标：

（3）

根据A点和B点的坐标可以计算出AB确定的直线：； （4）

计算碰点C到直线禁行区AB的距离：，判断计算出来的dist与预警和报警值的大小，得出是否预警。

2 塔间防碰撞

塔间防碰撞，即两台及两台以上塔机共同使用时，存在重叠的作业半径，使得塔机与塔机间发生碰撞的可能。在符合布塔规范的情况下，只存在高塔机的吊钩碰低塔机的大臂或平衡臂。

实际情况下，可能存在布塔不规范，导致更多碰撞的情况，例如大臂碰大臂，大臂碰塔身等。

主动防碰和非主动防碰的区别：

非主动防碰撞，即为当两台塔机中任何一台塔机的大臂进入阴影区域，就开始报警。这个实现方式，可以省去塔机间的通讯模块，降低成本，但是存在误警漏警。

主动防碰，即两个大臂靠近到一定角度时，再根据小车位置等参数计算是否报警。该方式需要有塔机通讯模块。

2.1 群塔坐标确定

群塔防碰撞算法，通过本塔和相关塔的“静态参数”和“实时数据”来计算。其中，静态参数主要包括：静态坐标，大臂长度、平衡臂长度、塔身高度、塔頂高度。实时数据包括：回转角度、吊钩高度和幅度。

每一台塔吊以自身为本塔，其他塔吊作为相关塔。防碰撞关系的确定，首先要计算出每台相关塔吊相对于自身的相对坐标。本塔坐标都是默认值，利用极坐标方法，通过回转传感器测量出来的回转角度和各塔到本塔的间距，自动计算相关塔的相对坐标。

2.2 水平相关性

水平相关性，指的是在水平面上两塔之间是否具有碰撞关系。

当两个塔机中心点的距离d

2.3 高度相关性

当两塔具备水平相关性时，才考虑高度相关性。高度相关性是指，塔机之间存在空间上的高度差异，存在碰撞区域。

如果“本塔塔身高度”>“相关塔塔顶高度”，则本塔是高塔机；如果“本塔塔顶高度”< “相关塔塔身高度”，则本塔是低塔机；除上述条件外，则本塔机是等高塔机。

塔吊防碰撞的三维立体模型依赖于三点坐标：前点、后点和吊钩坐标点。前点即大臂最前端位置；后点即塔吊平衡臂最尾端点，吊钩坐标点为当前吊钩的位置点。

2.4 防碰撞计算

在群塔运动过程中，各塔机发生碰撞时，只需要从上述三点来计算碰撞关系，需要分别从碰撞距离和碰撞角度两个方面去计算。

首先根据塔吊静态参数和实时状态数据，确定本塔相对于相关塔的类型。然后分别计算出各碰点的坐标，得出对应的碰撞角度和距离。

以“本塔机为低塔机时，本塔机大臂（前点）碰相关塔机吊钩”为例：

（1）计算本塔中心坐标点到相关塔吊钩坐标点的距离d1，当d1<本塔大臂长+预警距离时，吊钩进入本塔机大臂的碰撞范围；然后分别计算角度预警和距离预警；

（2）根据相关塔机吊钩坐标点相对于本塔机的角度P_angle；当|P_angle-本塔实时角度|< 角度预警值时，触发预警；

（3）实时计算相关塔吊钩到本塔大臂的距离，当距离到达预警/报警范围后，发生预警/报警。

3 算法实际使用效果

本文所阐述的防碰撞算法，其应用在具体监控系统中时，整体系统的性能还取决于回转传感器以及幅度、高度传感器的精度，这些数据的采集在此不作讨论。

4 结束语

本文针对现有市场上塔吊监控产品中群塔防碰撞性能的不足，提出覆盖全面的群塔防碰撞算法，实用性强。已广泛应用于全国多个工地的塔机安全监控系统中，性能稳定可靠，为工地塔机安全作业提供更好的保障。

参考文献

[1]杭州市建设工程塔式起重机安全监控管理系统技术规定（试行）.

[2]GBT 5031-2008，塔式起重机.

[3]杨高伟.塔式起重机远程安全监控系统的应用与发展[J].工程技术（全文版），2016（11）：00251-00251.

作者简介

龚结龙（1988-），男，安徽省安庆市人。硕士研究生学历、工程师。主要研究领域为工地安全监控、电梯物联安全监控、物联网技术研发、智能传感器技术等。

作者单位

中国电子科技集团公司第五十二研究所 浙江省杭州市 310012