大型施工机械防撞控制的研究.doc

大型施工机械防撞控制的研究Crashworthiness control of large-scale construction machinery张友湖，乔清合ZHANG You-hu, QIAO Qing-he(武汉工程职业技术学院，湖北 武汉 430415）大型建筑施工设备作业过程中，存在相互碰撞的安全隐患，从施工机械的定位、数据的采集和分析计算，作出对施工机械的运动预判，以运动预判的结果为依据，由主控计算机向操作台发出预警和控制信号。本文对大型建筑施工设备预警控制系统的开发作了一定的研究。大型施工机械；定位；预警；控制在大型工程建设中，为了保证工程进度，常会使用多台施工机械同时进行作业，这些大型机械的运动空间往往会出现互相重叠现象，如图1所示。如果正在作业的大型施工机械发生两两碰撞事故，后果将不堪设想。传统的管理方式是：各施工机械单独工作，靠现场的指挥人员通过对讲机和指示旗来指挥各机械的运转。如遇阴雨和能见度较差的天气，这些高效的施工机械几乎不能正常作业。另外，指挥人员不可能长期处于高度紧张状态，这些客观和人为因素给安全施工带来巨大隐患。1方案设想现以某一正在建设的大型水坝施工现场为例，如图2所示，左岸进水口坝段布设了1台移动式MD1800塔机、1台固定式MD2200塔机，右岸坝中设置了1顶带机、1台塔带机，沿大坝坝体走向安装了2台缆机。如何让这些施工过程中毫无运动规律可循的大型工程机械紧密地联系在一起，成为一个有机的作业体，高效地为大坝施工服务，是大坝施工建设一个急需解决的问题。首先定出施工设备群中个体的绝对位置，再定位每一时刻各个体施工机械中其运动部分相对自身母体的具体位置。将采集到的位置数据分析计算，可以得出有干涉可能的各运动体之间的相互位置，判断它们是否都处于干涉区内；若在干涉区内，再判断它们之间是否有碰撞的可能；对有可能发生相撞的运动体，向其母体操控台发出警告，若操控台没有作出避免碰撞的反应，再自动采取制动措施。2方案实施2.1施工机械定位施工机械采用有线传感器进行定位。定位施工机械的有线传感器分两类，一类是GPS，另一类是角度传感器。传感器的布置在施工机械定位中处于非常重要地位，如布置不当，可能得不到各运动体的正确位置，或是采集不到正确数据。为了不给中央计算主机带来处理数据过多的负担，应尽可能少的安放传感器，但又不能有遗漏之处。经过周密分析和试验之后，传感器的布置情况如下：每个缆机各在其吊罐上安装1个GPS；移动塔机在机体和吊罐上各布置1个GPS；固定塔机只在吊罐上安放1个GPS；顶带机和塔带机情况较复杂，其伸出的支撑臂上有可以折叠的伸缩臂，在它们的吊罐上各自安装1个GPS，同时在它们可以折叠的伸缩臂的转折关节处各自装上1个角度传感器。这样，在6台大型施工设备上安装了7个GPS和2个角度传感器。这些传感器把各自采集到的数据按规定间隔时间段，源源不断的通过电缆传送给中央计算主机。通过这些传感器和预先测量得出的各施工机械个体自身的绝对坐标，就可以较为准确地定位施工机械中的运动部分。2.2数据预处理以中央处理主机所在位置为总的空间坐标系的原点位置，各施工机械所在位置又分设数个相对小坐标系。中央处理机接收到各传感器传来的数据，是相对于施工机械主体的小坐标系的位置，数据处理主机要对这些数据进行坐标转换。从传感器过来的数据并不能直接使用，因为这些数据存在一定的误差，而且跳跃性比较大，把传感器输送过来的数据用相应的数学方法拟合处理之后，剔除掉无用的数值，缩减误差范围，使数据变得平顺，然后再按规定时间，分组送至下一阶段。2.3分析计算这个过程是整个预警控制系统的核心所在。分析计算是通过编制一个大型程序来完成的。经过预处理的数据根据分析计算程序单次计算所需时间，每次送进一组数据，前后数据送进间隔时间要根据数据处理主机的处理能力来决定。有的施工设备运动体运行速度很快，如间隔时间过长，可能会影响预警控制能否及时进行，若间隔时间过短，超出了处理主机处理能力，会造成数据堵塞。每两个相互之间会产生运动干涉的施工机械，都创建一个对象程序，每个对象程序内部又有若干计算函数，计算函数可以被互相调用。这样，根据传感器传输过来的一组组数据，可以预先计算其后某一时刻两个有运动干涉可能的施工机械运动体的预估相对距离，各自预估相对速度、相对加速度，从而预判它们何时有发生碰撞的可能性。编制分析计算程序要考虑到以下情况：即两施工机械进入干涉区内，是否有继续向发生碰撞的方向运动，若都是在干涉区内，但向远离碰撞的方向运动，或是已经在减速停止而没有发生碰撞的可能，则要区别对待，因为两设备常常需要在干涉区内作业，只要没有发生相撞的趋势，就认为其处于正常工作范围，否则会影响工作效率。为了使本套预警控制系统具有通用性，核心的分析计算程序采用的是参数化的编程模式。把施工机械个体的坐标值、支撑臂和平衡臂的长度等值作为可变换参数，在程序开始运行之前，提示是否需要修改参数值，这样，分析计算程序只要作小量修改或是不作改动，就可以应用到其它施工预警控制现场。经过分析计算得出的数值，分三路传输出来，一路进入模拟仿真部分，另一路进入预警系统，还有一路导入控制系统。2.4模拟仿真 这是在中央处理机所在的主控室完成的工作。把整个施工现场，按比例缩小、以立体形状辅助平面三视图投放到大屏幕。经过分析计算的数据，由模拟仿真软件语言的处理，可使得施工现场施工机械的立体图形动态、同步地呈现在大屏幕上。这样的模拟仿真是为了有效地在主控室察看各施工机械的协调工作，也为了此预警控制系统最终升级改造成全自动化的、施工机械上无人操作的、只在中央主控室进行作业调度的高级自动化作业模式而作的尝试。模拟仿真不仅仅只是在主控室可以看到各施工设备的作业情况，而且还可通过控制单元，对施工设备进行远程控制，尤其是当有安全隐患而各施工主体操作台上的操作人员未能及时作出反应时，可在主控室进行紧急制动的操作。2.5预警进入预警系统部分的数值，由定制的D/A数模转换器转换成模拟信号。预警系统接收到的就是经过D/A数模转换器转换后的模拟电信号。进入预警系统的模拟电信号又分两通路，一通路进入各施工机械主体操控台，另一通路进入模拟仿真部分。在预警系统中，进入模拟仿真部分的模拟信号所完成的功能和进入施工机械主控台上的模拟信号功能一样。根据分析计算得出的不同数据值，把模拟电信号分成正常、警报、制动、紧急制动四挡，在每个信号接收器终端，各自相对应的是绿灯亮、黄灯亮、红灯亮、红灯闪烁加警报器响四种模式。绿灯亮表示施工可以正常进行，黄灯亮代表两个有可能发生运动干涉的设备处于警示区，红灯亮则表示需要制动，红灯闪烁外加警报声则需要进行紧急制动。2.6控制控制部分主要是对制动系统进行控制，控制系统的具体执行要对施工机械的制动系统进行改造。我国正在施工的规模较大的大坝，其施工设备大部分都是进口，而且都是采购回来安装调试之后再进行预警控制系统的开发，所以只能对其进行改造，不得破坏原有的使用功能。处理主机分析计算后导入控制系统的数据，只需要接收制动和紧急制动部分，这部分数据值也要经过D/A数模转换器转换成模拟信号。这部分模拟信号根据主处理机分析计算程序得出的不同数据值，有强弱之分，目的是为了对制动器的操作，更近似地接近操作人员的逼真效果，从而使制动更加平滑、柔和。强弱分明的模拟电信号通过放大器等控制器，最后由继电器来执行制动和紧急制动操作，从而可以代替人力的制动和紧急制动。目前我们升级开发的这套系统的控制部分还只是起辅助作用，采用延时处理技术，当制动信号到达之际，操作人员仍未有制动动作，自动制动系统随即开始工作，当有操作人员的制动信息之后，本次自动制动就不再起作用。3结语本套防撞控制系统的开发，经历了两