一种建筑施工塔吊机群防碰撞中央处理装置的制作方法

本发明涉及建筑施工塔吊机群吊装作业防碰撞预警。

背景技术：

目前城市建筑楼宇的密集型施工使得塔吊机作业环境变得复杂。建筑施工塔吊机群吊装作业时存在两台及以上塔吊机交叉重叠作业，而指挥塔吊机群吊装作业现有系统是采用“操作员+吊装员”组合方式来实现的。这种系统，对人的综合素质要求严格，需要操作员与吊装员建立统一关系、密切配合才可完成吊装作业，操控流程复杂，智能化程度低且不经济；另外，人为操作或指挥失误容易引发安全事故，比如塔吊机之间碰撞或塔吊机与周围建筑物之间的碰撞等。为避免塔吊机群在交叉重叠区域进行吊装作业中发生碰撞事故，急需一类能够实时监控塔吊机吊装运行且能发出预警信号的建筑施工塔吊机及其吊装作业防碰撞预警系统。

技术实现要素：

本发明鉴于以上情况，提出用于缓解或消除现有技术中存在的一项或更多的缺点，至少提供一种有益的选择。

为实现以上目的，本发明公开了一种建筑施工塔吊机群防碰撞中央处理装置，用于包括多台建筑施工塔吊机的塔吊机群，各所述建筑施工塔吊机具有报警装置，所述防碰撞中央处理装置包括：第一塔吊机横臂高度确定单元模块，确定第一建筑施工塔吊机的横臂高度h1；第二塔吊机横臂高度确定单元模块，确定第二建筑施工塔吊机的横臂高度h2；横臂高度比较单元模块，比较h1和h2，将横臂高度较低的建筑施工塔吊机确定为低高度塔吊机，将横臂高度较高的建筑施工塔吊机确定为高高度塔吊机；吊绳位置确定单元模块，确定所述高高度塔吊机的吊绳的位置；横臂位置确定单元模块，确定所述低高度塔吊机的横臂的位置；空间距离确定单元模块，确定所述吊绳与所述横臂的空间距离；报警指示单元模块，当所述空间距离小于防碰撞距离时，指示所述第一塔吊机和所述第二塔吊机的报警装置进行报警。

依据本发明的技术方案，能够减少人工值守体系方法的过程环节，提高建筑施工塔吊机群吊装作业的安全性。

附图说明

结合附图，可以更好地理解本发明。但是附图仅仅是示例性的，不是对本发明的保护范围的限制。

图1示出了一种建筑施工塔吊机群防碰撞预警辅助系统的示意图；

图2示出了依据本发明一种实施方式的建筑施工塔吊机群防碰撞预警辅助系统的防碰撞中央处理装置内部运算的示意性方框图；

图3示出了交叠预判断单元模块的工作原理示意图；

图4示出了依据本发明又一种实施方式的建筑施工塔吊机群防碰撞预警辅助系统的防碰撞中央处理装置内部运算的示意性方框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详述，但不构成对本发明的任何限制。

图1示出了一种建筑施工塔吊机群的示意图。尽管图1仅示出了两台建筑施工塔吊机，但本领域技术人员应该理解，本发明的建筑施工塔吊机群可以包括更多的建筑施工塔吊机，各塔吊机上均安装有报警装置。如图1所示，依据本发明的一种建筑施工塔吊机群防碰撞预警辅助系统包括两台或更多台建筑施工塔吊机以及防碰撞中央处理装置。各建筑施工塔吊机具有报警装置和信息发送接收装置，传送防碰撞中央处理装置所需的信息，如吊臂的角速度、速度等，并接收来自防碰撞中央处理装置的指示，如进行报警的指示等。防碰撞中央处理装置也具有信息发送接收装置，用于从各建筑施工塔吊机接收所需的信息以及向各建筑施工塔吊机发送指令。尽管图中示出的防碰撞中央处理装置为具有显示装置的ipad形式的装置，但是本领域的技术人员应该意识到，该防碰撞中央处理装置可以为计算机、芯片、现场可编程门阵列等，可以具有或不具有显示装置，可以具有鼠标、键盘、触摸屏等输入装置。防碰撞中央处理装置可以安装在某个塔吊机上，也可以和各塔吊机相独立。

经过发明人的观察和走访，发明人发现，如图1所示，建筑施工塔吊机群中各塔吊机出现相互碰撞的重要情况是一台塔吊机的吊绳与另一台塔吊机的横臂发生碰撞和纠缠。

图2示出了依据本发明一种实施方式的建筑施工塔吊机群防碰撞预警辅助系统的防碰撞中央处理装置内部运算的示意性方框图。

如图2所示，依据本发明一种实施方式的建筑施工塔吊机群防碰撞预警辅助系统的防碰撞中央处理装置包括第一横臂高度确定单元模块201、第二横臂高度确定单元模块202、横臂高度比较单元模块203、吊绳位置确定单元模块204、横臂位置确定单元模块205、空间距离确定单元模块206、报警指示单元模块207。在工作时，首先第一横臂高度确定单元模块201确定第一建筑施工塔吊机的横臂高度h1；然后第二横臂高度确定单元模块202确定第二建筑施工塔吊机的横臂高度h2；然后横臂高度比较单元模块203比较h1和h2，将横臂高度较低的建筑施工塔吊机确定为低高度塔吊机，将横臂高度较高的建筑施工塔吊机确定为高高度塔吊机；接着，吊绳位置确定单元模块204，确定所述高高度塔吊机的吊绳的位置；同时或先后地，横臂位置确定单元模块205确定所述低高度塔吊机的横臂的位置；然后，空间距离确定单元模块206确定所述吊绳与所述横臂的空间距离；最后，如果所述空间距离小于防碰撞距离，则报警指示单元模块207指示第一建筑施工塔吊机和第二建筑施工塔吊机的报警装置进行报警。这些报警装置例如是能够发出音频、视频、或光或声的任何报警装置。

根据一种实施方式，本发明的系统的防碰撞中央处理装置还包括交叠预判断单元模块208，判断第一建筑施工塔吊机和第二建筑施工塔吊机的工作范围是否交叠，该交叠预判断可以是由实现该判断单元模块的处理器自行进行判断，也可以是从外部接收判断结果。

在进行自行判断时，根据一种实施方式，该交叠预判断单元模块208包括分别以所述第一建筑施工塔吊机的塔身和第二建筑施工塔吊机的塔身为圆心，分别以所述第一建筑施工塔吊机的横臂长度和第二建筑施工塔吊机的横臂长度为半径画圆，如果这两个圆在塔身所在的地平面上相交，则判断第一建筑施工塔吊机和第二建筑施工塔吊机的工作范围交叠。

图3示意性示出了这种交叠预判断的工作原理。建筑施工塔吊机在进行作业时，塔身基本上长时间不动，而横臂围绕塔身旋转，其活动范围在地面的投影形成了圆形。受到转动范围的限制，也可能是半圆或弧形。因而本发明的画圆应该理解为包括画弧。吊绳不一定总是在横臂的端部，可能随着横臂上的小车沿横臂运动，但是作为预判断则将横臂的端部作为具有交叠风险的度量点。横臂经常会支在塔身上，即横臂作为一个整体通常并不以塔身为起点，但是为了陈述的方便，根据上下文，横臂可能指代从塔身到横臂的端部这一段，该段上具有吊绳悬垂处，用于下放和收起吊绳。如果所画的两个圆没有交集，则这两个建筑施工塔吊机没有工作交叠区域，不会发生碰撞，此时可以结束判断。如果有交叠区域，则进行单元模块201以及其后的各单元的工作。

根据一种实施方式，交叠预判断单元模块包括分别以所述第一建筑施工塔吊机的塔身和第二建筑施工塔吊机的塔身为圆心，分别以所述第一建筑施工塔吊机的横臂长度与大于1的第一系数的乘积，与第二建筑施工塔吊机的横臂长度为半径画圆，如果这两个圆在塔身所在的地平面上相交，则判断第一建筑施工塔吊机和第二建筑施工塔吊机的工作范围交叠。这种实施方式和上段描述的实施方式的不同是将某个横臂的长度利用大于1的第一系数进行了延长，以延长后的长度作为半径进行画圆，所述第一系数的计算公式如下：

式中：n为大于1的第一系数；l、l绳分别为高高度塔吊机的横臂长度及吊绳长；ω1、a1分别为高高度塔吊机的运动角速度和正常制动加速度；v风、a风分别为风的运动速度与加速度，风速和风的加速度可以从外部输入，可以在建筑施工塔吊机上进行测量。当在建筑施工塔吊机上进行测量时，可在建筑施工塔吊机上设置风速测量装置。

这是考虑到由于惯性或者由于风的影响，吊绳有时候不会带着吊钩垂直地位于横臂的下方，而可能向外飘出一段距离，因而为了更为安全、更为稳妥地进行预判断，将某个横臂的长度利用大于1的第一系数进行了延长。本领域的技术人员应该清楚，这里所说的画圆可以是虚拟画圆，并不要求一定是实地的画圆，而可以是电子的模拟或者电子的运算。

图4示出了依据本发明又一种实施方式的建筑施工塔吊机群防碰撞预警辅助系统的防碰撞中央处理装置内部运算的示意性方框图。如图4所示，与图2所示的实施方式相对照，依据图4所示的实施方式，增加了交叠判断单元模块209，该交叠判断单元模块根据所述低高度塔吊机的横臂端部的位置和所述高高度塔吊机的吊绳的位置，确定所述低高度塔吊机的工作范围是否与所述高高度塔吊机的吊绳相交叠。例如，在获得了所述高高度塔吊机的吊绳的位置和横臂的位置之后，可以判断横臂与吊绳在竖直平面上的投影是否会相交，如果不相交，则可判断出工作区域不相交，不会发生碰撞。当所述交叠判断单元模块判断为所述低高度塔吊机的工作范围与所述高高度塔吊机的吊绳相交叠时，所述空间距离确定单元模块确定所述吊绳与所述横臂的空间距离。

所述交叠判断单元模块分别以所述高高度建筑施工塔吊机的塔身和低高度建筑施工塔吊机的塔身为圆心，分别以所述高高度建筑施工塔吊机的横臂沿线至吊绳悬垂处的长度与外延长度的和，与低高度建筑施工塔吊机的横臂长度为半径画圆；如果这两个圆在塔身所在的地平面上相交，则判断高高度建筑施工塔吊机和低高度建筑施工塔吊机的工作范围交叠，所述外延长度的计算公式如下：

式中：lk为外延长度；l绳为高高度塔吊机的吊绳长；l为高高度塔吊机的横臂沿线至吊绳悬垂处的长度；ω1、a1分别为高高度塔吊机的运动角速度和正常制动加速度；v风、a风分别为风的运动速度与加速度。

根据另一实施方式，交叠判断单元模块以所述高高度塔吊机的塔身和低高度塔吊机的塔身为圆心，分别以所述高高度塔吊机的横臂沿线至吊绳悬垂处的长度与一大于1的预定系数的乘积，与低高度建筑施工塔吊机的横臂长度为半径画圆；如果这两个圆在塔身所在的地平面上相交，则判断高高度塔吊机和低高度塔吊机的工作范围交叠，所述预定系数的计算公式如下：

式中：m为大于1的预定系数；l绳为高高度塔吊机的吊绳长；l为高高度塔吊机的横臂沿线至吊绳悬垂处的长度；ω1、a1分别为高高度塔吊机的运动角速度和正常制动加速度；v风、a风分别为风的运动速度与加速度。

另一方面，如图4所示，本发明的该实施方式的防碰撞中央处理装置还增加高高度塔吊机吊钩变化判断单元210，检测所述高高度塔吊机吊钩的位置的变化，在所述高高度塔吊机吊钩的位置的变化符合预定条件时，所述交叠判断单元进行所述低高度塔吊机的工作范围是否与所述高高度塔吊机的吊绳相交叠的判断。例如如果高高度塔吊机吊钩的位置快速变化，其变化率超过了预定阈值，则原来不相交叠的工作范围可能变得交叠，吊绳和横臂之间的原来未到预定阈值的距离可能变化得短于预定距离，因而此时交叠判断单元应立刻进行所述低高度塔吊机的工作范围是否与所述高高度塔吊机的吊绳相交叠的判断。另外，如果所述高高度塔吊机吊钩的位置的变化显示吊钩出现了特殊的轨迹，这可能预示出现了特别的情况，例如吊绳飞出、塔吊坍塌等。这是可以计算吊钩和横臂的距离来取代，对吊绳和横臂的距离的计算。即此时所述空间距离确定单元确定所述吊钩与所述横臂的垂线距离；当所述垂线距离小于预定距离时，所述报警单元进行报警。

在这种情况下，本发明的系统的各建筑施工塔吊机包括与高高度塔吊机吊钩变化判断单元模块210相配合工作的吊钩位置确定装置。

依据一种实施方式，所述横臂位置确定单元可包括：

方位角确定单元，确定所述横臂的方位角，横臂围绕塔身转动，因而可以根据横臂绕塔身相对正北基准方向顺时针转动的角度确定方位角；在此情况下，各塔吊机包括横臂方位角测量单元，测量各横臂的方位角并发送给该方位角确定单元。横臂方位角测量单元可以是机械测量装置也可以是电子测量装置；

横臂端点坐标确定单元，根据所述方位角和所述低高度塔吊机的塔身与所述横臂端点之间的垂直距离确定所述横臂端点的坐标；公式可以为其中αi为方位角，(xti,yti,hri)为塔身位置坐标，si为横臂长，即塔身与所述横臂端点之间的垂直距离，与图中的r2对应。(xbi,ybi,hbi)是所述横臂端点的坐标；

以及横臂勾画单元，利用所述横臂端点的坐标和所低高度塔吊机的塔身的坐标确定所述横臂的位置。很显然这两个坐标已经能够勾画出一条线段或直线。

根据另一种实施方式，各塔吊机的横臂上具有gnss流动站，所述横臂位置确定单元包括：流动站坐标获取单元，获得低高度塔吊机的gnss流动站的坐标；横臂表达确定单元，利用所述gnss流动站的坐标和所述低高度塔吊机的塔身的坐标确定所述横臂的直线表达；横臂勾画单元，根据所述横臂的直线表达和所述低高度塔吊机的塔身与所述横臂端点之间的垂直距离确定所述横臂的位置。

在这种情况下，该系统还可以包括与gnss流动站配合的gnss基准站。gnss流动站从gnss基准站接收差分改正信号，提高定位精度。

对于确定吊绳的位置，可以确定吊绳在横臂上开始悬垂的位置的坐标和吊钩的位置的坐标。根据一种实施方式，可以在吊钩上以及横臂的与吊绳开始悬垂的位置对应处设置gnss流动站，从而可以获得吊钩的坐标以及吊绳开始从横臂上悬垂的位置的坐标，实现对该吊绳的限定。

根据本发明的另一种实施方式，可以在塔吊机上安装高精度里程计，里程计可以安装在进行吊绳收放的某一静滑轮上。该高精度里程计可用于高精度地测量出吊绳收、放长度量(称为吊绳的里程数据)，从而可以计算出吊钩升降量。可以简单地根据高精度里程计的里程与gnss流动站的高程进行加减计算确定塔吊机吊钩的高程位置。塔吊机吊钩的平面位置可以用gnss流动站的坐标来代替。根据这种实施方式，可以不用在吊钩上安装gnss流动站等，降低了吊钩的复杂度，避免吊钩碰撞对gnss仪器设备的损害。

根据一种实施方式，报警指示单元模块207如下地确定所述防碰撞距离：

式中：d为防碰撞距离；lxd、lzg分别为两台塔吊机之间处于相对运动或追赶运动情况下的预警距离；v1、a1分别为第一塔吊机的运动速度和正常制动加速度，a1是第一塔吊机的固定参数，是已知量；v2、a2分别为第二塔吊机的运动速度与正常制动加速度，a2是第二塔吊机的固定参数，是已知量，v1、v2可以由第一塔吊机和第二塔吊机传递给防碰撞预警中央处理装置；v3、a3分别为被追赶塔吊机的运动速度与加速度；t0为驾驶员反应时间，该时间可以是经验值或针对各驾驶员所确定的值；t1为追赶塔吊机正常制动过程总时间，包括驾驶员反应时间和设备正常制动时间，v风、a风分别为风的运动速度与加速度。

根据另一种实施方式，报警指示单元模块207还可以如下地确定所述防碰撞距离：

式中：d为防碰撞距离；lxd、lzg分别为两台塔吊机之间处于相对运动或追赶运动情况下的报警距离增量；l为高高度塔吊机的横臂沿线至吊绳悬垂处的长度；l为低高度塔吊机的横臂沿线至所述高高度塔吊机的吊绳与所述低高度塔吊机的横臂之间的空间距离在横臂上正交点处的长度；ω1、a1分别为高高度塔吊机的运动角速度和正常制动加速度；ω2、a2分别为低高度塔吊机的运动角速度与正常制动加速度；ω3、a3分别为被追赶塔吊机的运动角速度与加速度；t0为驾驶员反应时间；t1为追赶塔吊机正常制动过程总时间，包括驾驶员反应时间和设备正常制动时间，v风、a风分别为风的运动速度与加速度，ω1、ω2可以由第一塔吊机和第二塔吊机传递给防碰撞预警中央处理装置。

根据本发明的这一实施方式，可以提高建筑施工塔吊机群吊装作业时，能够实时监控每台塔吊机的吊钩及横臂的空间位置，避免建筑施工塔吊机群因密集重叠交叉吊装作业而发生碰撞事故，智能化确保建筑施工塔吊机群安全运行。

本发明系统地提供了一种科学、简便、高精度、全天候、无通视、智能化的建筑施工塔吊机群防碰撞预警辅助系统，适用于安装在两台及以上的各品牌塔吊机设备上且吊装作业存在交叉重叠的建筑施工现场，为辅助塔吊机之间在吊装作业时快速、精准、高效完成吊装任务的同时，提高设备使用及技术工人在作业过程中的安全性。

本发明的各单元模块可以以处理器执行软件实现，也可以以现场可编程门阵列等硬件实现。

本发明的上述详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和单元的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。