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    大規模群塔作業中多頻道分組通訊方案的應用

    作者:文閱期刊網 來源:文閱編輯中心 日期:2022-03-04 17:30人氣:
      摘    要: 無線通訊效果與通訊頻率、通訊距離、遮擋以及數據量有關系,考慮到施工現場的特點,為了保證大規模群塔防碰撞無線通訊的可靠性,本文提出了多頻道分組通訊方案,在保證通訊效果的前提下,解決大規模群塔作業無線通訊數據沖突問題,并通過一個實際工程案例的應用證明了該方案的有效性。
      
      關鍵詞 :     群塔;防碰撞;無線通訊;多頻道分組技術;
      
      塔式起重機(簡稱塔機)是建筑施工必不可少的起重運輸設備。由于工作重心高、起重載荷大、運行速度快,工作過程中頻繁啟動、制動,產生較大的動載荷,因此,塔機工作中蘊藏較多的安全隱患[1]。隨著建筑規模的增大,需要大規模集群化塔機作業,塔機之間的碰撞風險越來越大。為了保證塔機運行的安全,早在20世紀90年代,歐洲、美國已普遍應用起重機安全監控管理系統和塔群防碰撞系統,并在90年代末列入強制性法規。我國近年來也開始應用推廣群塔作業的防碰撞系統[2]。
      
      1 、分布式群塔防碰撞工作原理
      
      考慮施工現場多塔機協同作業的特點,群塔機防碰撞監控采用了分布式控制技術[3],系統組成如圖1所示。每臺塔機上安裝一個嵌入式塔機安全監控系統(以下簡稱監控系統),該監控系統負責監控本塔機的轉角、小車變幅、吊重高度以及吊重等運行狀態,并利用無線通訊[4]發送本機運行狀態,獲取相關塔機(根據施工現場的分布以及塔機的類型,我們將存在碰撞可能的塔機稱為相關塔機)的當前運行狀態。在此基礎上,監控系統利用本塔機的狀態以及其他塔機的狀態進行主動避障的判斷與控制。
      
      2、 群塔防碰撞系統的通訊
      
      由于塔機防碰撞的控制算法比較復雜,涵蓋了多種類型塔機之間以及塔機與建筑物之間的計算,因此,對群塔防碰撞系統之間無線通訊的速度、通訊的正確率以及通訊的穩定性都提出了較高的要求[5]。目前,常用的無線通訊方式有:無線廣域網與無線局域網,但無線廣域網一般滯后比較嚴重,工地現場防碰撞通訊適合用433MHz或2.4GHz的無線局域網模式[6]。2.4G的頻率傳輸數據快,但在現場無線信號的繞射能力差,考慮施工現場環境比較復雜,不適合2.4G的無線通訊。433MHz頻率的無線通訊,信號的繞射能力強,但信號空中數據傳輸速度低。為了保證塔機防碰撞計算的實時性,一般要求塔機在200ms內完成一次數據的發送,在防碰撞技術中,塔機之間需要傳遞塔機的編號、轉角、幅度以及高度等信息,發送的數據包長度大概15個字節左右,于是,433MHz無線通訊的數據傳輸速率限制了施工現場群塔防碰撞的數量。一般無線通訊的空中數據傳輸速率越高,通訊距離越近,為了保證群塔無線通訊的效果,根據現場經驗設無線通訊空中速率為9600kbps,在這種情況下,對于15臺以上塔機集群作業的項目場景,采用433MHz無線頻率組網,將會導致無線數據的空中沖突,無法保證數據輸出的有效性,不能滿足群塔防碰撞控制的要求[7]。
      
      3、 無線通訊的多通道分組技術
      
      為了保證大規模群塔作業的防碰撞通訊的可靠性,本文提出了多頻道分組技術,將一個大規模的群塔分為多個組,每個組內采用一個通訊頻道,于是,同一個通訊頻道的塔機數量減少,避免了無線通訊數據沖突,但每個組不可能完全無關,組間總是存在少量塔機與多個組都有碰撞關系,稱為組間的交叉塔機,為了保證交叉塔機在不同組內的通訊,可以在這些組間的交叉塔機上采用多個無線通訊頻道,實現在不同組內的塔機間信息傳遞。
      
      以圖2的16臺群塔作業分布為例,從圖中相對位置關系來看,通過碰撞關聯關系,16臺塔機不可能完全分離,超過了防碰撞無線通訊的最大數量。利用多頻道分組技術,可以從圖中的虛線位置將該群塔分為兩組,A組有10臺塔機TC1、TC2、…TC10;B組有7臺塔機TC11、TC13、…、TC17;兩個塔機組之間有TC1、TC4以及TC12,TC17 4臺相互有碰撞的交叉塔機。利用多通道分組技術,在A組內采用f1的無線通訊頻道,B組內采用f2的頻道,因此,兩組之間的無線信號不會干擾。對于4臺交叉塔機則同時具有兩個通訊頻道,負責組間塔機的通訊。比如塔機TC1上,通訊頻率f1負責在A組中進行信息交互,通訊頻率f2負責在B組中進行信息交互。利用上述分組技術后,有12臺塔機利用通訊頻道f1進行通訊,有9臺利用通訊頻道f2進行通訊,都能滿足通訊效率要求,同時,也實現了16臺群塔的防碰撞控制。
      
      4、 案例描述與分析
      
      西安交大創新港項目為交通大學新校區,位于西咸新區灃西新城曹家灘村西北部,渭河以南。項目建設用地規模約4376畝,建成為“校區、園區、社區”三位一體的創新體。項目一期占地1750畝,主要包括4個巨構(教學樓),文科樓、理科樓,醫學化工板塊,學生宿舍、食堂等,共計48個單體。其中17~22的6棟樓需用19臺塔機,如圖3所示。
      
      利用項目部提供的現場塔機參數以及塔機之間的地理位置關系,可以得到群塔分布如圖4所示。從分布圖中可以看出19臺塔機不能完全分離開,采用一個433MHz的無線通訊頻道無法保證塔機之間的通訊效果。根據圖4的塔機分布關系,我們采用了多頻道分組技術,將該項目的19臺塔機分為兩組,從圖中虛線位置處分開,1組包括塔機TC1~TC8,組2包括塔機TC9~TC19;兩組的交叉塔機有6臺,分別為TC5、TC6、TC8以及TC12、TC18、TC19。在1組中采用f1的通訊頻道,2組內采用f2的通訊頻道,在兩組的交叉塔機上配備f1與f2的無線雙通道通訊模塊。
      
      從最終應用效果看,在交大創新港該標段采用雙通道分組通訊方案,滿足現場群塔防碰撞控制的通訊要求。
      
      5 、結 語
      
      利用多通道分組通訊技術,解決大規模群塔防碰撞通訊的數據沖突問題,保證了無線通訊的速度、通訊的正確率以及通訊距離,為群塔防碰撞提供了實時、穩定、準確的數據,該技術的應用為大規模群塔作業的防碰撞提供了技術方案。
      
      參考文獻
      
      [1]陸紀法塔式起重機安全事故及隱患分析和預防[J]建設機械技術與管理, 2012 , (6) : 69-72.
      
      [2]陳建宇,郭鵬,周晨光,等塔機多機交叉作業安全控制系統設計[J]建設機械技術與管理, 2019 , (4) : 58-60.
      
      [3]令召蘭基于MAS的多塔機防碰撞控制系統研究[D].西安:西安理工大學, 2007.
      
      [4]馬東方.基于無線通信的塔機群防互碰智能避讓系統[D].杭州:浙江工業大學, 2011.
      
      [5]王興權,王勇,羅建國,等塔機防碰撞通訊技術的適用性研究[J]建筑機械, 2019 , (7) : 55-57.
      
      [6]劉兩軍無線通訊技術在I業領域中的應用研究[J]數字技術與應用, 2011,(5): 53.
      
      [7]王勇,王興權, 羅建國起重機防碰撞通訊關鍵要素研究[J].石油化工建設, 2019,(1): 33-35.
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