山东博硕电子有限公司 山东济南市
摘要：建筑工地周围情况复杂，受客观环境的制约，在同一工地经常需要同时布置多台近距离交叉作业的塔机，而且钢筋工操作棚，木工操作棚可能都在塔机臂的覆盖之下，这就会存在安全隐患。本文提出了一种基于Xbee无线模块通信的塔机群防碰撞模型，经过现场应用测试表明，该模型可以很好的实时有效的预防塔机的碰撞问题。
关键词：无线模块；塔机群防碰撞；实时性
1.引言
随着我国经济建设的快速发展，城市化进程也在加快，建筑工地日趋繁忙，对塔机的依赖性也越来越大。施工现场受客观环境的制约，为了提高施工效率，在同一建筑工地经常需要同时布置多台近距离交叉作业的塔机；而且城市建筑工地环境复杂，临近高压线、街道或者附近楼宇，就连工地内部也错综复杂：钢筋工操作棚、木工操作棚、办公室和宿舍等都处在塔机臂的运转区域内。
塔机的运行完全依靠操作员的肉眼和地面人员对讲机的引导，无法完全避免盲区。目前现有的塔机保护装置往往都还停留在限位的程度上，即：力矩、小车变幅、吊钩高度、回转角度，也就是采集吊物重量和小车的幅度计算力矩，再根据采集的吊钩高度和回转角度判断是否超出范围，有的塔机甚至只有机械的限位，在这种条件下，施工人员的安全根本无法得到保障。国外在塔机的防碰撞方面有很多的研究，像法国的A30系统；国内也有很多科研人员提出了相应的解决方案，像GPS技术、zigbee技术、WIFI技术，但是这些都有局限性：GPS只能确定具体的位置，不能通信；zigbee技术实时性不高；WIFI不具备自组网功能。因此设计一套方便实施、实时性又高的防碰撞模型是很有必要的，在这个的模型的基础上依靠无线通信和防碰撞算法能够有效的避免防碰撞事故。
2. Xbee模块自组网技术
有线控制网络的局限性也越来越突出，施工现场的复杂性给布线带来了诸多困难，在这种环境下建立一个可靠的无线通信系统已成为一个迫切的需求。
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee采用动态路由进行组网，所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。XBee模块是美国DIGI的Zigbee模块，是一种远距离低功耗的数传模块，频段有2.4G、915M、868M三种同时可兼容802.15.4协议。可组Mesh网络，每个模块都可以做为路由节点，协调器，以及终端节点。Xbee通过串口与主机通信，主机不需要知道底层协议，直接发送数据即可。Xbee又不同于传统的Zigbee模块，它的实时性更高，发送速率更快，发送间隔可降到50ms，在通信防冲突方面也比传统的Zigbee模块好很多。塔机群的实时预警要依靠快速的通信网络，Xbee模块能够很好的解决这一问题。
3. 防碰撞模型的研究
建筑工地都有完整的施工图纸，上面有准确的位置信息，包括塔机的安装位置、钢筋棚、木工棚、办公区和宿舍区，在图纸上都有标注。我们可以把图纸看成一个二维坐标平面图，以工地最西南角的位置为坐标零点，向东为X轴的正方向，向北为Y轴的正方向。塔机看成一个个的圆形，钢筋棚灯看成一个个多边形，圆形有圆心和半径，多边形有N条线段组成，圆心和线段的顶点都有准确的坐标。最终的等效图如下所示：
绿色的代表塔机，紫色的代表钢筋棚、木工棚、办公区或者宿舍区。碰撞分为两大类：塔机和区域之间、塔机和塔机之间。在实际计算中塔机的中心坐标、小车的幅度、塔臂的回转角度都是已知的，根据这3个量我们可以计算出塔臂两端的坐标、吊钩的坐标。依托Xbee模块的自组网，每个终端都定时的发送自己的中心坐标、小车的幅度、塔臂的回转角度，其他塔机收到数据后保存并计算自己的坐标。
1）塔机和区域之间的碰撞
如上所述区域可能是一条线也可能是是一个多边形，根据区域的高度和塔臂的高度，我们又将塔机和区域分为两种情况：
a) 塔臂高度低于区域高度
由于塔臂高度低于区域高度，塔臂是不能跨过区域的，在二维坐标图上，相当于是计算塔臂到区域的距离，把塔臂看成一条线段，实际上就是计算线段到线段的距离，根据数学公式我们能很快的计算出。
b) 塔臂高度高于区域高度
由于塔臂高度高于区域高度，塔臂是可以跨过区域的，但是吊钩却不可以跨过，在二维坐标图上，相当于是计算吊钩到区域的距离，把吊钩看成一个点，实际上就是计算点到线段的距离。
2）塔机和塔机之间的碰撞
塔机和塔机的之间的关系有3种：本机低于对方、本机高于对方、本机和对方等高，下面我们依次分析这3种情况：
a) 本机低于对方
当本机低于对方时，本机可能与对方的吊钩发生碰撞，也可能与对方的塔身发生碰撞。本机与对方吊钩的距离就是本机的塔臂与对方吊钩的距离，在坐标图上实际就是线段与点的距离；本机与对方塔身的距离就是本机塔臂与对方塔身的距离，在坐标图上实际也是线段到点的距离；依次计算出这两个距离，我们就知道离对方还有多远。
b) 本机高于对方
当本机高于对方时，本机的塔臂是可以跨过对方的，可能发生的碰撞只有与对方的塔臂发生碰撞，这时本机与对方的距离，就是本机吊钩与对方塔臂的距离，在坐标图上就是点到线段的距离，根据公式也能很容易计算出。
c) 本机与对方等高
当本机与对方等高时，本机可能与对方发生碰撞，只有本机的塔臂和对方的塔臂发生碰撞，在坐标图上也就是线段到线段的距离，根据数学公司也能计算出。
综合上述两种情况，总的来说就是先根据区域或对方塔机的高度确定出可能发生的碰撞，然后再根据数学公式计算出距离，同时向操作员发出报警，这样就能很好的避免碰撞事故。
4. 系统的性能与实施
对于防碰撞系统而言最主要的指标就是距离和时间，这两者都取决于通信的时间，在实际应用中每个终端每隔200ms发送一次本机数据，由于Xbee有防冲突功能，本机在1秒内最多能收到5次对方塔机的数据，也就是1s内能计算5次距离。如果CPU带FPU单元，那么计算速度可以忽略，距离的精度可达0.1m，按照小车1m/s的移动速度，当两塔机的距离不到0.5m时就可以发生报警，在实际运用中由于塔机的运动惯性一般将报警距离设置为5m。
参考文献：
[1]顾小洪,吴秋峰. 无线网络在工业企业中应用的一些探讨. 工业控制计算机, 2006, 19( 11) : 1-2.
[2]周怡,凌志浩,吴勤勤. Zi gBee无线通信技术及其应用探讨. 自动化仪表, 2005, 26( 6) : 5-9.
[3]杨辉,周文海,刘海龙。基于ZigBee技术的塔机群防碰撞控制系统. 制造业自动化?, 2012 , 34 (24) :70-73
论文作者:王宜广,张永涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第22期
论文发表时间:2018/1/5
标签：本机论文; 塔机论文; 距离论文; 线段论文; 吊钩论文; 坐标论文; 模块论文; 《建筑学研究前沿》2017年第22期论文;