海上采油生产设施基座式起重机防碰撞技术分析

海上采油生产设施起重机是海上石油平台人员和物资上下的重要设备，使用频率极高，风险系数极大。由于海上环境恶劣、平台顶层甲板空间狭小、修井设备多等因素，吊车司机受操作环境的影响，在进行部分吊装作业时，常会出现视觉盲区，有可能导致吊臂与其他设备或平台结构发生碰撞，出现安全事故。

1 基座式起重机防碰撞技术现状

在渤海油田三十多年的生产作业过程中，发生过多起平台起重机吊臂碰撞事故，造成了事故起重机瘫痪、平台结构受损及设备毁坏等严重后果，在其中一些案例中，后续进行起重机修复的费用甚至超过了起重机的一次购置费用。目前基座式起重机的防碰撞技术主要有以下几类。

1)测距雷达防碰撞技术。在吊臂上布置适当数量的测距雷达，当吊臂运行到距离障碍物一定距离后，通过声光报警的方式及时通知吊车司机。

2)超声波传感器防碰撞技术。在吊臂上布置超声波传感器并对障碍物进行距离测量，通过坐标变换等确定障碍物相对于吊臂的位置，并利用Kal-man滤波、最优Kal-man融合估计、神经网络数据融合、模糊聚类空间融合及曲线拟合预测等技术分析，对障碍物的运动方向及运动趋势进行预测，为吊车司机提供障碍物的空间位置信息。

3)基于数字信号处理器(DSP)的视觉防碰撞技术。在吊臂上安装双目测距系统，根据双目成像的几何原理，通过左右2幅图像的算法匹配出相应像点，再利用三角测量的方法计算出双目摄像机的安装处与障碍物之间的距离。当检测到这个距离小于起重机防碰撞的安全距离时，系统发出报警或采取制动措施。

2 3D区域限制防碰撞基本理念

碰撞的本质实际上是空间位置与空间位置的重合，因此如能准确计算出起重机在任意时刻的空间位置(吊臂角度/幅度、回转角度、吊钩起升高度)，并且起重机的控制系统能获取平台作业区域障碍物的空间信息，那么就能够通过空间位置的对比来防止起重机与障碍物之间发生碰撞。与传统防碰撞技术相比较，基于3D区域限制防碰撞技术对恶劣海况及作业环境的容忍度非常高，抗干扰能力强，系统构成简洁且可靠性高。另外，该技术方案可在起重机设计阶段统筹考虑，将数据处理及用户界面等功能统一集成到可编程逻辑控制器(PLC)中，避免了在吊臂上进行传感器布设可能存在的不合理以及带来的电缆敷设或无线通讯干扰等一系列问题，在工程实践中较为简单、实用，可实施性很强。因此，按照这一技术路线开展了渤海油田某中心平台起重机的防碰撞系统的研发与应用。

3 3D区域限制防碰撞模型的建立

3D区域限制防碰撞技术，即对于起重机回转工作时的吊臂防撞，以起重机基柱中心为坐标原点建立三维坐标系，输入平台固定障碍物的坐标位置(x，y，z)，则可以计算出在不同高度(z坐标)下吊臂回转的限制角度θ1、θ2、θ3、θ4等，建立数学模型θ=f(x，y，z)，可以确定吊臂的俯仰角度值α：

α=arcsin(z/L),

(1)

式中，z为障碍物的高度坐标，L为吊臂长度。

最后，根据俯仰角度来限制吊臂进入禁止工作区域，可防止吊臂与平台固定障碍物相撞。由于一般平台起重机的控制精度需求较低，为了减小起重机控制系统的复杂程度及系统的故障率，可以将起重机的工作区域进行三维网格的划分，3D区域限制网格划分示意图如图1所示，根据平台环境，对不同网格起重机吊高进行不同限制，可以动态测量运动部件位置信息，与静态环境位置信息进行实时比较，以发出报警和关断信号，避免碰撞事故的发生。系统可以保护一个或者几个形状不同的区域，区域可以覆盖栈桥管线、修井设备等。

图1 3D区域限制网格划分示意图

4 3D区域限制防碰撞技术应用设计步骤

通常情况下，用回转角度、变幅角度(幅度)和起升高度这3个维度来表示起重机在平台上的绝对空间位置。通过编码器记录的初始位置和瞬时位置，以及编码器的信号放大比值等信息依次实现如下参数精准空间测量：①回转角度；②变幅绞车卷入的钢丝绳的长度；③起升高度。

在起重机的起升卷筒、变幅卷筒和回转齿圈上分别增加绝对值编码器,用于分别检测起升、变幅钢丝绳伸出长度和回转位置。通过PLC计算出吊钩高度、变幅角度和回转角度，并以此3个维度形成起重机在空间坐标空间中的唯一坐标位置。

理论上讲，基于3D区域限制技术的防碰撞系统能够大幅降低平台起重机与其它障碍物发生碰撞的概率，提高吊装效率及吊装安全性。