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摘要：工程项目施工建设过程中，多台起重机械（两台及以上）交叉作业的情况非常普遍，而基于这种复杂作业环境，如何确保各吊机运行安全，避免交叉作业过程中发生碰撞等事故，是目前项目关注的重点难题。本文选取新型的防碰撞探测技术应用到起重机械复杂作业环境，取得了较好的实施效果。
关键词：起重机械；防碰撞；毫米波；应用
目前，针对多台起重机械作业的防碰撞措施，社会上常见的为群塔防碰撞系统，但该系统主要应用于房建项目，且主要适用于建筑类塔式起重机在集群作业交叉区域的预防。系统要求塔机位置相对固定，且为臂架状态固定的水平臂塔机，系统通过在每台塔机安装定位及回转角度传感装置以及信号发射装置，在后台系统中确定各塔机定位和各塔机回转覆盖范围，并模拟可能发生碰撞的交叉区域，实时接收各塔机回转角度等数据后，预判塔机臂架的相对距离，发出碰撞分析及预警信号。但该系统在实际应用中，存在如系统可适用机型有限，系统需要建立区域内有效的网络互联，系统不能进行动态智能识别等弊端，而起重机械主动式防碰撞系统的应用，是基于解决上述不足的全新一代起重机械智能防碰撞技术。
1 系统功能和技术原理
1.1 系统的功能需求
根据工程施工中施工特点和对起重机械自身的安全防护要求，起重机械主动式防碰撞系统需要实现的功能为：系统可适用于工程施工常用的起重机械类型，可智能、实时的对起重机械作业范围及作业区域内可能发生的机械碰撞进行探测模拟和预判。可根据起重机械现场实际环境情况，以及分析出的可能碰撞部位设置距离探测装置，并结合起重机械安全防控需要设定安全距离的预警值及极限值，在起重机械作业过程中实时探测并将数据传输至控制室。当起重机械之间距离小于设定的安全距离时，防碰撞系统发出预警信息，向操作人员进行提示，超过设定安全距离时系统可自动启动保护应急动作。
1.2 系统的技术原理及特点
起重机械主动式防碰撞系统，采用最新的毫米波雷达传感器设计，它是对进入检测区的障碍物进行主动探测，向主控室发出报警信息，使操作人员能够及时采取措施进行避让；或者提供控制信号直接对吊装设备做出指令。数据采用 CAN 信号连接，数据连接稳定。探测水平距离的障碍物，通过数据反馈，检测臂杆水平两侧的障碍物，防止碰撞建筑物和其它吊装设备。
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图1：主动式防碰撞系统原理示意图
其中，系统应用的毫米波雷达传感器，其频域为30～300GHz（波长为1～10mm）。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，兼有微波制导和光电制导的优点，可实现在0.7～10m检测Ø15mm 物体，在0.7～30m内可以检测到大型障碍物。探测水平覆盖角度 100°，俯仰面角度 14°。同时，毫米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点。与摄像头、红外、激光等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，抗干扰能力强，具有全天候（大雨天除外）全天时的特点，能够在工程建设施工场地各种环境中较好的应用。
2 主动式防碰撞系统的应用
2.1 系统的部件组成
主动式防碰撞系统主要由系统主机、控制输出下位机、毫米波雷达传感器、线缆及附件等组成。现场安装时，将毫米波雷达传感器通过U 型卡固定在起重机械臂杆上，其可根据各种防碰撞应用环境需要机动灵活的布置毫米波雷达传感器。然后通过线缆与系统操作室内显示主机进行连接，在主机上根据机械安全作业需要设置各雷达传感器安全探测距离、预警距离及保护动作距离，即可测试使用。系统还可根据应用需求安装多个模块，向周围发射低功率电磁波束，捕获回波信号计算障碍物的距离、速度、角度；通过主机的计算，达到实时监测与周边障碍物的距离，并提前预警和采取相应保护动作，防止机械碰撞的发生。
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图2 防碰撞系统安装示意图
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图3 防碰撞系统显示界面（操作室）
2.2 系统的后台应用
系统除单机可完全使用外，还可以与吊机安全监控系统完全兼容，并通过无线（或有线）网络将现场防碰撞系统实时数据上传至网络服务器上，并在企业设备管理平台网页端及手机端进行展示，对起重机械的运行情况和环境状态进行远程网络实时监控和后台智能管理。实现对现场起重机械的远程传输、远程监控、远程管理、远程服务，数据查询，数据、视频分析等功能，进一步完善机械起重机械作业过程的安全风险防控措施，减少安全事故的发生，提升企业设备管理水平。
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图4 主动式防碰撞系统界面（电脑端/手机端）
3 主动式防碰撞系统的性能优势
新一代起重机械主动式防碰撞系统，与传统群塔防碰撞系统在以下几个方面，具备更好的性能优势，主要方面如下：
第一、机型适用性方面：原群塔防碰撞产品只能基本满足安装位置相对固定，且臂架状态固定的水平臂塔式起重机建立群塔防碰撞系统，使用机械的应用环境及适用机型受限。主动式防碰撞系统不限定机械设备作业位置，对所使用机械设备类型没有限制，适用性更广，可满足工程建设中常见的各类机型，如动臂式塔机，履带起重机、汽车起重机、桥门式起重机等。
第二、系统运行条件方面：原群塔防碰撞产品需要建立区域内有效的网络互联。系统需要在现场每台塔机建立无线（或有线）网络连接，通过系统后台处理分析方能发出预警信息。如区域内起重设备未安装传感装置或传感信号未接入系统，则该设备及其他设备不能发挥防碰撞预警功能。主动式防碰撞系统不受网络环境影响，可满足单机或多机使用。系统的信号探测、传输、及报警控制均在本机械设备上完成，无需建立区域网络连接和实时信号传输，系统运行更可靠，安全保障性更高。
第三、智能动态识别方面：群塔防碰撞系统需要在建立系统时手动输入设定的状态值，系统运行过程只能依据存储的设定值进行相应的预警和限制动作，如施工现场机械设备周边环境条件发生变化，如在系统内未及时进行手动的调整设置，则不能有效发挥防碰撞的作用。而主动式防碰撞系统是依据机械设备作业时，对现场实际环境条件的实时动态探测作为系统智能判断依据，而进行的碰撞预防保护，其有效避免了人为疏忽和环境的突变所带来的机械碰撞隐患，能够更有效的发挥防碰撞保障作用。
4、结束语
起重机械主动式防碰撞系统的应用，是针对原有防碰撞产品技术使用中的不足，结合起重机械运行特点和管控需要，借鉴和引进雷达探测技术并开发满足起重机械安全运行的后台智能控制技术，进行的专项研究和成果应用，通过验证取得了良好效果。该系统加强了起重机械对作业环境状态的实时监控，有效完善和提升了机械智能防碰撞功能，对提升起重机械复杂作业环境安全性能能够发挥明显作用，值得推广和应用。
参考文献：
[1] GB/T3811-2008 起重机设计规范[S].北京：中国标准出版社，2008.
[2] GB 6067.1-2010 起重机械安全规程 总则[S].北京：中国标准出版社，2010
[3] ZSC70240水平自升式塔式起重机说明书.中昇建机（南京）重工有限公司