建筑塔机吊装作业GNSS精准定点放样

周命端，罗德安，丁克良，周乐皆，王 坚

(北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616)

建筑塔机因其具有变幅长、塔身高、吊装重、全方圆、作业效率高等特点，在现代化装配式建筑施工中得到极广泛应用[1]。然而建筑塔机成群在狭小的施工场地高密度布放、重强度作业、大重量承载、全方圆范围内进行吊装作业，属于一种安全事故发生概率较大的机械设备[2-3]。为满足建筑塔机吊装作业安全需求，近年来状态安全监控与预警已成为保证塔机可靠工作的重要手段和研究热点[4-5]，对建筑塔机监测点位精准定位及运行状态安全性保障提出了更高要求[6]。

GNSS是建筑塔机状态安全监控与预警的重要传感器之一，基于伪距的位置定位因精度低将不适应智能化塔机发展要求[7-8]。然而监测点精准定位是建立塔机状态安全监控与预警管控系统关键技术之一[9-12]，GNSS方法又具有先天独特的优势[13]。针对塔机状态安全监控与预警的复杂工作环境，为进一步提高塔机GNSS定位精度和可靠性，探讨一种基于GNSS载波相位观测值的塔机精准定位技术，应用于建筑塔机吊装作业定点放样，开发相应的程序模块，适应于智能化塔机发展需求，对于提高塔机智能安全管理的现代化水平具有重要的促进作用。

1 GNSS精准定点放样方法

本文基于GNSS载波相位观测值的精密定位方法，提出一种GNSS精准定点放样方法，算法流程如图1所示。

根据图1，具体实施步骤如下[14]：

(1) 步骤S1：根据所述GNSS流动站自身采集的导航卫星观测值及设置于地面的GNSS基准站通过数据通信链发送的经导航卫星间差分处理后的综合误差改正信号，计算得到所述GNSS流动站的厘米级天线相位中心三维空间坐标，计算原理见文献[1,13]。

(2) 步骤S2：根据所述GNSS流动站的天线相位中心三维空间坐标计算得到所述塔机吊钩上方的所述动滑轮中心的三维空间坐标，所述动滑轮中心的三维空间坐标的计算公式为

X=XG+XN，Y=YG+YE，H=HG+HU+f(α1,A)-H1-r

(1)

式中，(X,Y,H)为动滑轮中心的三维空间坐标；(XG,YG,HG)为GNSS流动站的天线相位中心的三维空间坐标；(XN,YE,HU)为GNSS流动站的天线相位中心与天线几何中心的偏差，为由GNSS接收机天线校准机构提供的依据每隔5°卫星方位角和每隔5°卫星高度角校出的网格天线模型，然后随导航卫星的实际方位角α1及实际高度角A进行双线性内插计算获得插值[15]；H1为GNSS流动站的天线几何中心到动滑轮中心对应的顶部的垂高；r为动滑轮的半径。

(3) 步骤S3：设置于吊绳段上的偏摆感应测量装置跟踪并测量吊绳段的偏摆参数，偏摆感应测量装置包括激光信号发射器和水平圆形偏摆测量单元(铟瓦圆条码数字水平度盘)，激光信号发射器设置于从吊绳段的首端起算长度l处，水平圆形偏摆测量单元的中心与吊绳段的首端连接，水平圆形偏摆测量单元设置于支撑架的底部，当塔机吊钩发生摆动时，激光信号发射器感应吊绳段的摆动，并在吊绳段的摆动时垂直向上发送激光信号至水平圆形偏摆测量单元；水平圆形偏摆测量单元根据激光信号发射在水平圆形偏摆测量单元的标定点S，自动测量出激光信号发射器的水平面偏摆角α、水平面偏摆距离R，如图2所示。水平圆形偏摆测量单元的半径c与长度l、动滑轮的半径r满足如式(2)所示的关系式

(2)

式中，L为吊绳段的长度；k为吊绳段的安全系数；k=0.7～1.0。由图2所示，判断吊绳段偏摆角度β是否超出预警角度χ，若是，则发出用于提示暂停作业的报警信号。吊绳段偏摆角度β和预警角度χ计算公式为

(3)

式中，R为激光信号发射器的水平面偏摆距离；l为激光信号发射器的位置到吊绳段首端的长度；c为水平圆形偏摆测量单元的半径。

(4) 步骤S4：根据动滑轮中心的三维空间坐标和吊绳段的偏摆参数，计算得到塔机吊钩的三维空间坐标,塔机吊钩的三维空间坐标的计算公式为

(4)

式中，(Xg,Yg,Hg)为塔机吊钩的三维空间坐标；(X,Y,H)为动滑轮中心的三维空间坐标；L为吊绳段的长度；l为激光信号发射器的位置到吊绳段首端的长度；r为动滑轮的半径；H2为动滑轮中心对应的底部到水平圆形偏摆测量单元的垂高；α、R分别为激光信号发射器的水平面偏摆角和水平面偏摆距离。

2 GNSS吊装作业定点放样系统(GNSS_PLS)

2.1 系统组成

GNSS_PLS系统包括：①GNSS基准站，设置于地面观测卫星视域较为宽阔的地方。②GNSS流动站，设置于支撑架的顶部。③激光信号发射器，激光信号发射器设置于第二吊绳段上，用于感应第二吊绳段的摆动，并在第二吊绳段的摆动时垂直向上发送激光信号。④偏摆测量装置，偏摆测量装置与塔机支撑架的底部连接，偏摆测量装置用于接收激光信号，并根据激光信号测量并计算激光信号发射器的偏摆参数，偏摆测量装置包括连接于支撑架底部的铟瓦圆条码数字水平度盘，铟瓦圆条码数字水平度盘由激光信号触发，并根据激光信号发射在铟瓦圆条码数字水平度盘的标定点S，自动测量出激光信号发射器的水平面偏摆角α和水平面偏摆距离R。⑤数据处理装置，用于根据GNSS流动站的天线相位中心三维空间坐标计算得到动滑轮中心的三维空间坐标，并根据动滑轮中心的三维空间坐标以及激光信号发射器的偏摆参数，计算得到吊钩的三维空间坐标。⑥报警装置，用于根据报警信号发出鸣叫声的声音报警器装置以及用于根据报警信号发出闪烁灯光的灯光报警器装置。

2.2 开发思路

对于单台建筑塔机而言，GNSS建筑塔机吊装作业定点放样辅助系统(GNSS_PLS)开发思路如图3所示。

如图3所示，在施工场地视野开阔地方架设1台GNSS基准站，同时在塔臂移动车正下方的动滑轮顶部安装1台GNSS流动站，地面吊装员甲、乙各手持1台高精度GNSS流动站定位的观测手簿，3台GNSS流动站实时接收来自GNSS基准站的综合误差改正信号，构成“1+3”GNSS RTK定位模式，实现厘米级的高精度定位功能。

2.3 定点放样元素计算

吊装定点(P)元素与吊装放样(L)元素的计算方法类似[16]。以吊装定点(P)元素计算为例进行阐述。建筑施工塔吊机在吊装作业过程中，吊装定点元素分两步实施：

第一步，粗定点工作。粗定点元素包括吊钩实时位置(N,E,U)与吊装物定点坐标(NP,EP,UP)之间的平面距离元素ΔD和吊钩实时位置与吊装物定点坐标之间的垂向高差元素ΔH，计算公式为

(5)

第二步，精定点工作。精定点元素包括吊钩实时位置(N,E,U)与吊装物定点坐标(NP,EP,UP)之间的横向坐标元素ΔE、纵向坐标元素ΔN和垂向高差元素ΔH，计算公式为

(6)

监控平台实时显示粗定点工作的平面距离元素ΔD和垂向高差元素ΔH，建筑塔机驾驶员根据平面距离元素ΔD和垂向高差元素ΔH操控塔机实施吊装粗定点工作。当监控平台提示粗定点工作的平面距离元素ΔD小于1 m时，监视平台实时将粗定点元素显示页面切换为精定点元素显示页面，此时，监控平台实时显示精定点工作的横向坐标元素ΔE、纵向坐标元素ΔN和垂向高差元素ΔH，建筑塔机驾驶员根据横向坐标元素ΔE、纵向坐标元素ΔN和垂向高差元素ΔH操控塔机实施吊装精定点工作。

2.4 GNSS_PLS系统实现

将卫星导航定位方法(GNSS)应用于塔机吊装定点放样定位中，基于载波相位观测值的高精度GNSS单历元技术，利用VS2010开发平台，运用C#编程语言，设计并实现了一套基于高采样率(≤1 s)卫星导航定位方法(GNSS)的塔机吊装定点放样辅助系统(GNSS_PLS)。GNSS_PLS系统主界面设计视图分两种：一种为基于Google Map地图的界面设计(如图4所示)；一种为基于人机交互监视的界面设计(如图5所示)。

3 试验测试与分析

为测试与分析塔机吊装作业定点放样定位系统(GNSS_PLS)的智能指挥功能(定点、放样)的可行性和有效性，在周口店遗址第1地点(猿人洞)保护建筑工程项目部所使用的某大型塔机开展了试验测试工作。为分析GNSS_PLS系统的智能指挥(定点、放样)监控的精度情况，任意选取连续5 min的GNSS流动站(rover_1366)的智能指挥监测数据进行精度分析，如图6所示。

如图6所示，对于GNSS流动站(rover_1366)所统计的连续300个历元里，在N方向的中误差最小值为0.009 m，最大值为0.015 m，平均值为0.013 m；在E方向的中误差最小值为0.008 m，最大值为0.014 m，平均值为0.011 m；在U方向的中误差最小值为0.021 m，最大值为0.036 m，平均值为0.029 m。经数值统计分析表明：GNSS_PLS系统的智能指挥(定点、放样)监控的精度为厘米级，这说明本文算法可为塔机吊钩位置精准定位提供一种高精度的实时算法。

4 结 语

针对塔机吊装作业复杂工作环境，为提高塔机监测点GNSS定位精度和可靠性，本文利用基于GNSS载波相位观测值的精密定位方法，提出了一种GNSS精准定点放样方法，应用于建筑塔机精准定位放样中，并详细地给出了塔机吊钩位置精密定位算法思想及公式推导。基于VS2010开发平台，运用C#编程语言，建立了本文算法的功能模块，设计、开发了一套基于GNSS的塔机吊装作业定点放样辅助系统(简称GNSS_PLS)，并在某遗址保护建筑工程所使用的某大型塔机吊装作业过程中进行了试验测试与分析，GNSS_PLS系统的智能指挥监控精度为厘米级，验证了本文算法的正确性和可行性，进而对GNSS_PLS系统在保障塔机智能指挥的精准监控效果方面获得了初步试验验证。