核电工程群塔智能化防碰撞管理方法探究

周 毅，刘成刚，杨云斐，齐亚宾，乐林紫，原瑞婧

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314303)

塔式起重机又称塔机、塔吊，是建筑施工中不可缺少的大型机械设备，主要吊运施工用的设备、设施、钢筋、木楞、混凝土、钢管等物项，在建筑施工中已被广泛使用。由于塔式起重机的工作高度高、作业空间大、底部轮廓小、吊臂长、速度快等特征，一旦发生事故，后果非常严重。据不完全统计，2016—2020年我国塔机安全生产事故达605起，其中塔机作业过程中发生107起。核电工程建设中的塔机高峰期约有20多座，而群塔作业主要通过人工指挥、调度，群塔之间的统筹协作亦是通过人为判断的方式，存在一定的人因失误风险，缺乏科学的预警机制。随着信息化技术的发展，尤其是超级物联网技术结合智能算法、大数据、云计算使得现场作业、管理期望及安全管理深度融合成为可能。通过智能化方法替代人工指挥调度方式，减少人因失误，降低塔机群塔作业过程风险，利用智能化控制方法提升塔机群塔作业管理安全性，消除人因指挥调度协调不到位而导致的作业风险，实现工程建设塔机群塔统一智能化调度控制。

1 建设工程起重机械政策要求

建设工程起重机械管理方面，我国建立了一整套法律、法规、安全技术规范和标准体系，初步形成了“人大法律、行政法规、行政规章、技术规范、标准”五个层次的法规体系结构，目前起重机械标准共有234项，其中国家标准83项、行业标准151项[1]。建设工程起重机械法律法规、技术规范如表1所示。

表1 建设工程起重机械法律法规、技术规范表(节选)

其中，GB/T 5031—2019《塔式起重机》中规定，塔式起重机必须安装安全监控装置，进行塔机工作数据的记录和警报[2]；GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》中规定了起重机械安全监控管理系统的构成、监控、性能要求和检验。建设工程起重机械政策要求对工程建设行业提出了塔机监控系统功能配置要求和系统平台需求，需要建设方结合工程建设业务需求重点分析。

2 塔机监控系统功能配置要求及系统平台需求

塔机监控系统应当符合相关质量技术标准，经省或省级以上行业专业机构检验合格或评估认证，系统主要构配件经专业检验机构检验合格，且应至少具有对塔机的起重量、起重力矩、起升高度、幅度、回转角度、运行行程信息进行实时监视和数据存储功能。当塔机有运行危险趋势时，塔机控制回路电源应能自动切断。

2.1 系统功能的基本配置要求

系统功能主要包括显示警示、自检、超载(力矩)报警和控制、限位报警和控制、风速报警、离线状态检测、区域保护、防碰撞系统等，如表2所示。

表2 系统功能的基本配置要求表

2.2 塔机监控系统平台

塔机监控系统平台包括运行数据查询和存储、数据传输下载、数据传输、故障诊断、数据统计等功能要求，如表3所示。

3 塔机可视化监控系统研究现状

运用可视化吊装系统，以消除塔机作业人员传统意义上的视觉盲区，通过安全监控系统从技术上规避群塔交叉作业的碰撞，切实提升施工现场的吊装作业安全性、高效性。将塔式起重机群安全监控系统与可视化吊装系统结合使用，以实现施工单位通过显示屏实时监控所有的吊装作业过程，总包、业主单位通过授权账号进行远程浏览[4]。

在塔机可视化监控系统领域，国内开展了一系列的研究工作。如罗晓庆等提出塔机智能驾驶室的设计需求层次分析模型，其基于用户需求和塔机未来发展趋势设计一款集智能监控系统、智能交互系统、智能卫生系统、智能玻璃界面等功能[5]的塔机智能驾驶室方案，并得以应用；又如崔康基运用智能遥控系统，使工作人员可根据施工现场的状况，可控地选择最佳的操作位置，避开视野盲区，实现物料升降作业的高效便利，保证工作人员的人身安全[6]；再如杨伟强以传感器技术、嵌入式计数、ZigBee技术和短消息技术为基础，设计了一种基于ZigBee/GSM的塔机智能安全预警系统。对于塔机智能化应用研究已然逐步成熟，但是对于群塔智能化管理的研究现有成果较少，特别是基于核安全文化特性和防人因失误机理的智能化群塔管理系统或方法持续迭代中。

4 群塔智能化防碰撞管理方法探究

4.1 降低群塔碰撞风险的需要

核电工程建设中的塔机高峰期约有20座，而群塔作业主要通过人工指挥、调度，群塔之间的统筹协作亦是通过人为判断的方式，存在一定的人因失误风险，缺乏科学的预警机制。随着信息化技术的发展，尤其是超级物联网技术结合智能算法、大数据、云计算使得现场作业、管理期望及安全管理深度融合成为可能。通过智能化方法替代人工指挥调度方式，减少人因失误，降低塔机群塔作业过程风险，利用智能化控制方法提升塔机群塔作业管理安全性，消除人因指挥调度协调不到位而导致的作业风险，实现工程建设塔机群塔统一智能化调度控制。

4.2 群塔作业智能化管控方式

智能化群塔作业的管控方式，主要可以分为授权管理系统、智能交接班管理系统、智能语音清场管理系统、智能检测管理系统等九大要素，智能化管控方式管理要素如图1所示。

图1 智能化管控方法管理要素

4.3 群塔智能化防碰撞功能实现途径

工作现场塔机群塔智能化作业方法旨在提高现场智慧化水平，提升多方位检测能力，加强预警机制，降低人员失误带来的风险，让整个作业现场风险无处遁藏，全方位保障作业现场顺利开展。

系统A是通过人脸识别的智能门禁系统控制人员出入授权，对身体状态不适，如发烧、酗酒的人员禁止其进入工作现场，如有问题核对其授权可靠性。人员进入现场后B系统开始作用，该系统可对进入工作现场的人员或变更人员进行交班检查，主要如图2所示，人员完成交接班，启动机器，I系统作用，使群塔之间互联互通。同时D系统投入工作，将现场的设备、环境、作业情况实时通过智能化传感器传送至数据处理服务器，根据提前规划好的任务，此时E系统作用，由D系统传输来的信息自动智能化规划作业。根据D系统的传输信息，G系统投运，可提供可视化的3D工作现场及辅助驾驶，减轻操作人员负担，提高安全性及可靠性。从人员进入工作现场到工作结束，均需要F系统作用，为此，F系统的作用将极大提升工作现场的安全性。

图2 智能化管控设施配置示意图

智能化管控主要流程为：系统A可通过人脸识别，控制进出人员授权及状态，对身体状态不舒服如发烧、酗酒的人员禁止其进入工作现场，如若有问题，需核对其授权可靠性，而该功能主要由图2所示12完成。人员进入现场后B系统开始作用，该系统可对重新进入工作现场的人员或变更人员需要重新进行交班检查，该功能主要由图2所示4完成。人员完成交接班，启动机器，I系统作用，使群塔之间互联互通，该功能主要由图2所示3及9设备完成此项功能。此时D系统也投入工作，将现场的设备、环境、作业情况实时通过智能化传感器传送至数据处理服务器，该功能主要由图2所示1、6、7、8、11等完成。根据提前规划好的任务，此时E系统作用，根据D系统传输来的信息，自动智能化规划作业，该工作主要在图2所示的4设备中完成。根据D系统的传输信息，G系统投运，可提供可视化的3D工作现场及辅助驾驶，减轻操作人员负担，提高安全性及可靠性，该功能主要由图2所示设备3、5、4、10相互配合完成。从B、I、D、E系统作业情况出发，每个工作环节均采用防人因失误的设计理念H，确保所有重要环节，都能够将人员的失误的因素降至最低或没有，该项功能主要由设备4完成。从人员进入工作现场到工作结束，均需要F系统作用，安全是底线，所有工作的开展均以安全为基础，为此，F系统的作用将极大提升工作现场的安全性。该工作主要由图2所示设备1、6、7、8、9、11、12、配合设备4完成此项工作。

5 结束语

塔机群塔作业过程中所面临的各类问题，可以通过智能化、智慧化、数字化、可视化的技术方法得以解决。群塔智能化防误碰管理方法可以提升多方位检测能力，加强预警机制，让整个作业现场风险无处遁藏，全方位保障作业现场顺利开展。群塔智能化防碰撞管理方法与传统的塔吊可视化管理相比，更加注重群塔智能化防误碰，通过新型信息技术部分替代人工调度的功能，可以有效降低人因可能带来的严重后果，使管理人员能够更加充分地掌控现场进度及作业情况，有效降低安全风险和管理成本，助力核电建设高质量发展。