基于北斗卫星定位技术的塔机群在线监控与控制系统

基于北斗卫星定位技术的塔机群在线监控与控制系统

刘海龙;张敏三;吴海波;张蕾

【摘 要】工程建设行业中应用了大量的塔式起重机,尤其在比较大型的工程建设中,

往往采用多台塔机群,提高工作效率,因此也带来了极大的安全隐患.本文针对塔式起

重机的作业特点,设计开发了一种基于北斗卫星定位技术的塔式起重机群在线监控

与控制系统,系统利用北斗卫星定位进行精确定位后,利用S3C2440微控制器微核

心,WinCE7操作系统平台,实现了对塔式起重机的运动重要参数实施在线监控.现场

测试表面,该系统可有效预防塔式起重机的碰撞危险,提高作业效率.

【期刊名称】《黑龙江科技信息》

【年(卷),期】2017(000)033

【总页数】2页(P29-30)

【关键词】北斗卫星定位;塔知道英语 机群防碰撞;在线监控;控制系统

【作 者】刘海龙;张敏三;吴海波;张蕾

【作者单位】湖南铁道职业技术学院,湖南 株洲 412001;湖南铁道职业技术学院,湖

南 株洲 412001;湖南铁道职业技术学院,湖南 株洲 412001;湖南铁道职业技术学院,

湖南 株洲 412001

【正文语种】中 文

我国建筑行业和基础工程建设行业快速发展，而塔式起重机是工程施工中必不可少

的起重设备，其在工程施工应用中越来越广泛。为了提高工作效率和满足工地建设

面积全覆盖的要求，经常在同一个施工现场内使用多台塔式起重机进行同时交叉作

业。这样在塔吊与塔吊之间发生碰撞的风险性就大大提高，甚至导致严重的塔吊倒

塌的危煎牛排 险事故，因此研究塔式起重机的在线监控、故障诊断和控制具有重要的意义。

针对塔式起重机机群的潜在风险性因素，主要为机群间的碰撞风险猪的网名 以及塔吊与周边

障碍物的碰撞风险，在早期的文献中有提出了通过比较两台塔吊之间吊重与各自中

心基座之间之和，与两台塔吊回转时中心直线距离的关系来判断是否会发生潜在碰

撞风险，实际上当高位塔机吊重到其中心的距离与低位塔机吊臂之和大于两台塔机

回转中心之间的好用的粉饼 距离时塔机就有碰撞危险，这种方法在多台塔吊群作业时会有比较

大的重叠盲区，数据的有效性有一定的问题，在盲区内还是可能会发生碰撞风险。

也有文献提出一种基于超声传感器和Kalman滤波算法计算塔吊群之间的风险系

数，并引入模糊算法进行估算是否进行危险控制等，然后在三台以上塔吊同时作业

时由于建模算法过于复杂导致可行性不高，且在远距离的测算中误差会相对较大。

北斗卫星定位系统为我国最新的卫星定位系统，在实现对塔吊距离位置精确定位的

基础上，联合ZigBee双向无线通信技术，采用无线通讯ZigBee模块实现塔吊群

运行关键状态信息和位置定位信息的交互，建立塔吊机群三维立体模型和在线监控

运行控制算法，实现了对塔吊及群的实时安全监控和安全防护功能。采用自主进入

与自主退出技术，满足了大型建筑工程塔机群高效协同作业又区域交叉重叠的需要，

又极大降低了作业的潜增强英语 在风险因素。

本系统采用分散式控制结构模式，由中央控制计算机统一调度监控管理，各个子系

统分散式分布于各个塔吊，由于中央计算机系统采用GPRS无线网络传输，因此

各个子系统不限固定的施工工地。其结构图如图1所示。

各个独立的子系统获得塔吊本身的运行参数，主要包括回转角度、塔吊自身工作范

围、中心坐标位置参数、吊钩吊线距离位置信息等重要参数，经过处理后再通过实

时无线网络传输给相邻可能发生发生碰撞风险的塔吊子系统，存在碰撞风险因素的

判断通过北斗卫星对其中心坐标定位后由后台计算机计算，并对其进行相应的标号

通过无线传输网络发送给对应的子系统。从而建立机群三维立体模型，系统在运行

时实时监控各个子系统的状态信息，实现在线监控、诊断和控制功能。

在这种分布式结构中，整个系统由远程监控中心统一监控与管理，各2022山东高考 个子系统负责

监控自身塔吊重要参数，并参与控制自身系统下局部风险冲突时的控制决策，如在

发现碰撞风险时及时控制本机停机以保障安全。各个子系统是相互独立作业的与监

控的，参数又可通过无线网络实时共享，这种并行的处理机制可极大提高数据处理

的实时性和准确性。

各个监控子系统是安装在塔吊的驾驶室内，是相互独立运行的子系统，硬件平台以

ARM9微处理器为核心，由传感器系统、无线通讯系统、数据存储模块、控制决

策模块、人机交互触摸屏等几大部分组成，如图2所示。

本系统传感器系统中各个传感器元件也是采用分布式结构，主要是采集与处理塔吊

的高度和回转角度、吊钩高度和吊重等参数。控制系统则主要以继电器控制输出为

主，连接塔吊的PLC控制柜中，对其关键的控制电路进行联动控制。

塔吊群无线通讯系统组网采用动态路由结合网状拓扑结构，数据传输前通过对网络

实时可利用的所有节点进行检索，通讯模块会自动选择附近的节点进行接入，如果

网络由加密设置则需要进行密码校验，验证后就可以进行数据传输了，网络节点组

网方式采用点对点网络拓扑结构，如图3所示。

每个塔吊在线监控系统都是一个独立的网络节点，且相互无缝链接入远程控制中心。

系统之间是通过约定好的通信协议进行无线传输，标准采用MODBUS通信协议，

数据必须包括数据帧头识别大学生必读 号、数据区、数据帧尾CRC校验等信息。由于塔吊在

现场作业时位置坐标系统是随机的，而且数量也非固定，因此在子系统必须链接北

斗卫星定位系统进行塔吊位置坐标精确定位，当系统中任意一个塔机节点失效、移

动位置或增减塔机数量，无线通讯网络能自动愈合重新组网。

在施工现场塔吊运行作业中，工况复杂，特别是当工地有多台塔掉同时交叉有重叠

区域作业时，塔吊实时在线监控与控制系统尤为重要。相互之间发生危险的因素主

要分两种：第一种是塔吊相互碰撞，第二种是与周围固定障碍物的碰撞风险，由于

第二种模式固定障碍物的位置是不变的，因此预防比较简单，只需要设置固定的回

转角火车的英语 度进行继电器控制就可实现，此处主要讨论第一种情况。第一种类型是防止塔

吊之间的碰撞，如图6中塔吊1和塔吊2在交叉重叠区域的碰撞风险。分为塔吊

高度相同时起重臂之间的碰撞、塔吊高度不同时高位塔机的起升绳或吊钩与低位塔

机起重臂之间的碰撞。塔吊之间在线监控与控制算法设计分三部分：

4.1 是对交叉区域的圈定。如图4所示两塔吊的吊臂臂长分别为r1和r2。根据两

塔机的坐标，可以求出。

塔机中心的距离d和根据余弦定理可求出，对肝脏好的食物 这样就可以得到两个夹逼角度当塔机1

的角度大于时就说明塔机1进入了交叉区域。

4.2 第二类考虑的问题是针对两个塔机水平吊臂在运动过程中对地面垂直距离的计

算算法，在上图的模型中，求出AB和CD两台塔吊之间水平吊臂对地的垂直距离

为案列分析得出，假设设BC=a cm，CD=b cm，DB=c cm，根据公式1即可求

出两塔吊重叠区域的面积S，有公式2可算出两台塔吊吊臂到各自钢丝绳垂直的直

线距离，该距离就是两塔吊水平吊臂之间的安全距离。

4.3 根据上述的两点的内容可知，比较两台塔吊之间的最小垂直安全距离，由于塔

吊质量较大，惯性的作用使高速运行状态控制停车比较困难，因此在系统设置中会

设定一定的安全距离，以保证在控制系统控制后，惯性运动距离不会进入交叉重叠

危险区域。安全距离的大小设定和塔吊的配重有直接的关系，不同配重和型号的塔

吊安全距离不同。

本文针对在施工建设中经常使用多台塔吊同时作业，近距离交叉重叠区域可能发生

的碰撞等风险性因素进行分析，提出了一种基于北斗卫星定位的塔吊机群安全监控

和实时控制系统，通过分布在各个塔吊区域的子系统间的相互信息交互，由远程控

制中心建立发送链接指令建立近距离塔吊机群三维立体空间模型和安全防护算法。

通过现场运行测试表明，系统可有效保障塔吊机群的高效作业安全，提高施工的工

作效率，具有广泛的市场应用前景。

【相关文献】

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