基于GPS定位技術(shù)的水利工程大型施工機(jī)械安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急指揮

1、第十三章 基于 GPS 定位技術(shù)的水利工程大型施工機(jī)械安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急指揮概述在龍灘工程建設(shè)中，采納了兩臺(tái)纜機(jī)、兩臺(tái)塔機(jī)和一臺(tái)塔帶機(jī)和一臺(tái)頂帶機(jī)共6 空域,極有可能出項(xiàng)機(jī)械設(shè)備之間的相互碰撞，而這些機(jī)械多為國外整機(jī)進(jìn)口、曾對(duì)此問題進(jìn)行了研究，但并沒取得具有實(shí)際意義的結(jié)果.西龍灘水利工程中已驗(yàn)證 GPS 技術(shù)完全可以用于水利工程大型機(jī)械施工的安全GPS氣條件的影響，可實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)、觀測(cè)速度快、效率高,可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化安全1/31/6,可大力推廣使用。大型施工機(jī)械安全監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)及重要意義水利工程大型施工設(shè)備，具有作業(yè)區(qū)域廣、設(shè)備集中、環(huán)境惡劣、流淌性大雖然各個(gè)施工設(shè)備相對(duì)獨(dú)立操作，但是工作區(qū)域重合，

2、吊臂縱橫交錯(cuò),如何依據(jù)實(shí)際的水利工程的施工特點(diǎn),認(rèn)真認(rèn)真地制定切實(shí)有效的安全預(yù)防措施，保證這些大型設(shè)備的安全運(yùn)行,是關(guān)系到整個(gè)工程能否圓滿完成各項(xiàng)施工任務(wù)的一項(xiàng)重中之重的問題,對(duì)人身財(cái)產(chǎn)安全及水利工程項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)度具有十分重要的意義。13。3 大型施工機(jī)械安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法13。3。1 傳統(tǒng)的人工值守方法在水利工程大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工過程中,專門安排人員在施工地面上調(diào)度施工機(jī)械,與機(jī)械司機(jī)通過通信設(shè)備和預(yù)警標(biāo)志建立其共同意識(shí)，進(jìn)行工程型施工設(shè)備運(yùn)行安全為例,對(duì)其所實(shí)行的安全措施加以介紹。安全監(jiān)護(hù)人員、信號(hào)指揮人員以及設(shè)備操作人員在內(nèi)的施工設(shè)備防碰撞安全體系。（2）生產(chǎn)調(diào)度部門必須了解相關(guān)設(shè)

3、備的使用性能，在制定生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)應(yīng)盡值班調(diào)度24小時(shí)值班,以便及時(shí)溝通起重設(shè)備工況信息，協(xié)調(diào)設(shè)備安全運(yùn)行。(3）設(shè)備操作人員及信號(hào)指揮人員,必須經(jīng)過培訓(xùn)并取得有關(guān)部門頒發(fā)的資相關(guān)安全知識(shí)后方可上崗。（4）建立三級(jí)通報(bào)制度。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)限定各臺(tái)施工設(shè)備的作業(yè)區(qū)域，一般情況下各臺(tái)設(shè)備只能在限定的區(qū)域內(nèi)作業(yè)，因生產(chǎn)需要,需進(jìn)入相鄰標(biāo)段或其行項(xiàng)目二級(jí)機(jī)構(gòu)的許可，以及相關(guān)設(shè)備的回應(yīng)后，方可進(jìn)入。（5)包括雙方的生產(chǎn)調(diào)度部門、設(shè)備運(yùn)行項(xiàng)目二級(jí)機(jī)構(gòu)、相關(guān)的起重設(shè)備運(yùn)行班組,雙方的同級(jí)部門必須進(jìn)行通報(bào)。(6）在起重設(shè)備交叉作業(yè)的部位（如:MD2200和MD1800塔機(jī)，1 號(hào)、2 號(hào)纜TB2號(hào)頂帶機(jī)，2號(hào)纜機(jī)和

4、MD1800塔機(jī)，1號(hào)、2號(hào)纜機(jī)和MD2200塔機(jī)，左岸進(jìn)水口壩段施工承包人自帶的起重設(shè)備和MD2200和MD1800塔機(jī)等以確保設(shè)備運(yùn)行安全。(7）傳遞信號(hào)的指揮人員之間應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行交接哨規(guī)定,在交接哨未完成前,信號(hào)指揮人員嚴(yán)禁停止信號(hào)指揮.間斷，不留死角,保證設(shè)備指揮通暢.（9)大型起重設(shè)備當(dāng)班操作人員應(yīng)不少于231負(fù)責(zé)操作、1 人負(fù)責(zé)監(jiān)護(hù)、1 人負(fù)責(zé)巡視。設(shè)備相鄰工作范圍交叉時(shí)，兩機(jī)任意部位（含工作臂、平衡臂、轉(zhuǎn)臺(tái)后部配重、供料線等)之間的水平或垂直安全距離必須大于10m，否則應(yīng)停止動(dòng)作，實(shí)行特別措施妥善處理,但實(shí)行特別措施后的最小安全距離不應(yīng)小于2 m.施工標(biāo)段內(nèi)的設(shè)備，作業(yè)中除應(yīng)執(zhí)行本

5、規(guī)定外，還應(yīng)執(zhí)行本單位內(nèi)部備防碰撞安全運(yùn)行規(guī)定或修改專門規(guī)定，并及時(shí)報(bào)送設(shè)備監(jiān)理，以便協(xié)調(diào).流淌設(shè)備進(jìn)入起重設(shè)備的作業(yè)區(qū)域作業(yè)時(shí),必須配備通訊工具。使用單位應(yīng)安排指揮人員并負(fù)責(zé)設(shè)備的協(xié)調(diào)、通報(bào)及通知避讓等工作.（13）施工承包人必須為各臺(tái)大型起重設(shè)備配備足夠相應(yīng)規(guī)格的通訊工具.而影響設(shè)備運(yùn)行安全。(14）設(shè)備進(jìn)行大件吊裝作業(yè)（包括兩機(jī)抬吊）時(shí)，使用單位在制定作業(yè)指避讓的協(xié)調(diào)工作。完善設(shè)備的各種警示裝置及警示牌，如:纜機(jī)、塔機(jī)的行走報(bào)警裝置、加強(qiáng)夜間照明、掛設(shè)霓虹燈警示等。(16）設(shè)備運(yùn)行單位應(yīng)定期檢查設(shè)備的安全限位和安全保護(hù)裝置，如：制動(dòng)位保護(hù)裝置的安全可靠.（17）嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備操作規(guī)程，雨天

6、、霧天能見度不足時(shí)，應(yīng)停止作業(yè)。六級(jí)以上（含六級(jí)）大風(fēng)和雷雨等惡劣天氣時(shí)，應(yīng)實(shí)行相應(yīng)措施,作好防護(hù)措施。原因還是調(diào)度、協(xié)調(diào)上的問題，都應(yīng)盡全力及時(shí)處理，避開事故的發(fā)生。（19）設(shè)備避讓原則,運(yùn)動(dòng)的讓靜止的，快的讓慢的，當(dāng)起重設(shè)備間存在干鉤或吊物底部應(yīng)高于路線上所有設(shè)備后方能進(jìn)行變幅操作。13。3。2 GPS定位方法GPS技術(shù)在水利工程大型機(jī)械施工的安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急指揮中迅速得到了推廣,成為一種新的很有前途的安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急指揮的方法之一。13.4GPS技術(shù)在廣西龍灘水電施工機(jī)械防碰撞系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)急指揮中的應(yīng)用13。4.1 廣西龍灘水電施工機(jī)械布置概況為不利，并且龍灘右岸大壩工程主要以碾壓混凝土為主

7、,而碾壓混凝土施工具有高達(dá)到34LT/C1 3條高速皮帶機(jī)供料線，以及在倉面工作的1臺(tái)胎帶機(jī)、大型門機(jī)等，在LT/C-2標(biāo)段還布置有移動(dòng)式塔機(jī)和固定式塔機(jī)各1業(yè)，交叉作業(yè)，相互干擾大，部分區(qū)域的密集程度已經(jīng)超過了三峽工程。規(guī)格上GPS技術(shù)對(duì)這些施工中布置如圖4。11-1圖4。11-2所示。圖13.1 龍灘水電站大壩主要施工設(shè)備平面布置圖圖13。2龍灘水電站大壩起重設(shè)備立面圖圖13。3 防碰撞系統(tǒng)GPS 布置圖的操作運(yùn)行安全,使各個(gè)設(shè)備既獨(dú)立操作又真正做到協(xié)同作業(yè)，有效地防止設(shè)備準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、安全、可維、先進(jìn)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用GPS信息系統(tǒng)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)采集、計(jì)算等，進(jìn)而為設(shè)備操作運(yùn)行提供預(yù)警信號(hào)

8、,便于操作及指揮人員在設(shè)備安全運(yùn)行提供必要的保障,該開發(fā)項(xiàng)目現(xiàn)已實(shí)施完成并正式應(yīng)用于大壩施工設(shè)備中，正發(fā)揮著越來越重要的作用。其布置如圖13。3 所示.GPS信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的開發(fā)以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大壩施工吊車運(yùn)行防撞系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行介紹。13.4.2 大型水電施工機(jī)械監(jiān)控GPS信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1)GPS 信號(hào)采集系統(tǒng)COM1串行電纜連接COM2COM3COM4COM5COM6串口服務(wù)串口服務(wù)GPS2GPS3GPS4GPS5GPS6（Thales Nivagation）的單頻 7COM1串行電纜連接COM2COM3COM4COM5COM6串口服務(wù)串口服務(wù)GPS2GPS3GPS4GPS5GPS

9、6圖13。4多路GPS信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（2)DG16 GPS OEM 板1)DG16泰雷茲導(dǎo)航定位公司（Thales Navigation）DG16GPS+Beacon+SBAS（SBAS EGNOSMSAS2SBAS2GPS14GPSDG16兩個(gè)雙工 RS232 串口，最高波特率可達(dá) 115200bps，通過可選擇的增強(qiáng)功能件， 20Hz。2)DG16DG16NMEAASCIIDG16NMEAAshtech由于我們?cè)O(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)采納差分的方式實(shí)時(shí)求解被監(jiān)控的機(jī)械設(shè)備的位置坐 (SNV置數(shù)據(jù)（PBN)8GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，且由于實(shí)時(shí)性的要求采樣率為 10Hz，數(shù)據(jù)量非常大，偽距及載波相位觀測(cè)

10、值數(shù)據(jù)采納了相對(duì)較為緊湊的CT2 格式.CT2 格式的具體內(nèi)容如有表1 SNVPBN二進(jìn)制類型長度Long adj_rcvtime4二進(jìn)制類型長度Long adj_rcvtime4Char sv_no1Char chn1Char prn1Doublefull_phase1Double smooth_rng1 Char chn2 Char prn2 Doublefull_phase2Double smooth_rng211內(nèi)容接收時(shí)間，由以下公式計(jì)算而得： adj_rcvtime=rcvtime-navt/vv該歷元還剩下的衛(wèi)星數(shù)。因每一條CT24星的觀測(cè)值數(shù)據(jù)，假如該歷元共鎖定84通道號(hào)(11

11、4）衛(wèi)星編號(hào)8載波相位觀測(cè)值8平滑后的偽距觀測(cè)值11通道號(hào)（114）衛(wèi)星編號(hào)8載波相位觀測(cè)值8平滑后的偽距觀測(cè)值CharChar chn3Char prn3 Double full_phase3Doublesmooth_rng3Char chn4 Char prn4 Double full_phase4Doublesmooth_rng411通道號(hào)（114）衛(wèi)星編號(hào)8載波相位觀測(cè)值8平滑后的偽距觀測(cè)值11通道號(hào)（114）衛(wèi)星編號(hào)8載波相位觀測(cè)值8平滑后的偽距觀測(cè)值Short checksum2）9600,8110Hz115200.3）DG16messageDG16DG16符串“PASHS”作為命

12、令頭；另一類是查詢命令(Query command messages)，DG16$PASHR”作為命令頭。例如： DG16A115200.DG16,DG16到該命令后,將返回當(dāng)前使用的串行口號(hào)及其通信波特率。 A,OFFDG16A以原始觀測(cè)值輸出。（3）GPS 信號(hào)采集軟件的實(shí)現(xiàn)8GPS9 個(gè)串口將計(jì)算出的機(jī)械設(shè)備間0.1CSerialPortm_OID m_nPortNoCSerialPortm_OID m_nPortNom_Thread InitPort StartMonitorStopMonitorClosePort CommThread4.11-5 串口類結(jié)構(gòu)圖 在 VC 中實(shí)現(xiàn)串口通

13、信的方法有三種：一種是采納微軟的MsComm 控件；一種是使用VC 的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)；一種是使用 Windows API 方法?？紤]系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)健性及靈活性Spekreijse有成果的基 礎(chǔ)上， 實(shí)現(xiàn) 了一個(gè)多線程的串口類13。5使用串口前，首先必須用 CSerialPort 對(duì)象的成員函數(shù)InitPort化完成后，即使用 StartMonitor 成員函數(shù)來啟動(dòng)對(duì)應(yīng)串口的后臺(tái)監(jiān)控線程函數(shù)。當(dāng)監(jiān)控線程啟動(dòng)成功后，該線程即開始實(shí)時(shí)監(jiān)控相應(yīng)串口的狀態(tài)，一旦有 GPS 數(shù)據(jù)接收到,該線程函數(shù)即以自定義消息的形式將接收到的數(shù)據(jù)一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)地實(shí)時(shí)發(fā)送給主線程，從而達(dá)到實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)的目的.2) GPS

14、考慮到實(shí)時(shí)性的要求，每臺(tái) GPS 數(shù)據(jù)都是以字節(jié)為單位發(fā)送給主處理線程8的 GPS 的接收數(shù)據(jù)。當(dāng)某臺(tái) GPS 的一個(gè)歷元數(shù)據(jù)全部接收完成時(shí),立即對(duì)其進(jìn)行信息解碼，主要是提取其偽距和載波相位觀測(cè)值數(shù)據(jù)。若當(dāng)前提取的是流淌站GPS 數(shù)據(jù)，即推斷是否已取得了基準(zhǔn)站的觀測(cè)值，若是,即可進(jìn)行差分計(jì)算，否13。6主線程接收一個(gè)字節(jié)主線程接收一個(gè)字節(jié)13.4.3 GPSGPSP？區(qū)2 G4區(qū)6 78 在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)某大壩施工吊車防撞中做第 i 緩沖區(qū)中一個(gè)歷元數(shù)據(jù)已接收完成(i 為i 項(xiàng)目施工要求，達(dá)到了預(yù)期的精度指標(biāo)。系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)方案流程圖1)系統(tǒng)原理該系統(tǒng)總的說來，可以分為兩大塊：第一大塊是通訊系統(tǒng)，其

15、設(shè)計(jì)的目的是GPS（裝在重型施工吊車機(jī)械臂上采集的載波相位和偽距觀測(cè)值，用微波通訊和局域無線網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)時(shí)發(fā)回給基站解算。由于設(shè)置的OEM）10（在解算接收機(jī)坐標(biāo)的時(shí)候,用的是參考站廣播星歷出實(shí)時(shí)三維位置解算結(jié)果。2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案流程圖13.7GPS選丟棄,直接解算下個(gè)歷元的數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性.(2）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)1)無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)（4G）GPS數(shù)據(jù)處理中心的計(jì)算機(jī)的串口相聯(lián)系，并同時(shí)解算數(shù)據(jù),并輸出結(jié)果。2）解算數(shù)學(xué)模型單頻偽距差分相位平滑偽距（主要包括電離層誤差、對(duì)流層誤差、衛(wèi)星鐘差等，從而得到“潔凈”的觀測(cè)值進(jìn)行解算。本項(xiàng)目解算中,采納了兩次求差法，即站間求差（流淌站和

16、基準(zhǔn)站）和相鄰歷元間求差,在不求解整周模糊度的情況下對(duì)流淌站的觀測(cè)值進(jìn)行改正，即利用其數(shù)學(xué)表示為：(13。1）i位觀測(cè)值的差值。為從起始?xì)v元起的總的平滑次數(shù)。逐漸累積增加的（中間有丟歷元的情況)，這個(gè)時(shí)候的平滑修正以的權(quán)以實(shí)際平滑次數(shù)為準(zhǔn)，即。最小二乘的權(quán)的配置衛(wèi)星信號(hào)的信噪比、該衛(wèi)星連續(xù)平滑的次數(shù),模擬一個(gè)閱歷函數(shù)進(jìn)行定權(quán)。數(shù)學(xué)表示如下:2）iiii站的定位精度提高了許多.自適應(yīng)卡爾曼濾波GPS為噪聲是高斯白噪聲.利用自適應(yīng)卡爾曼濾波器對(duì)解算的流淌站坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波.采納的狀態(tài)變量為：（13。3)差，可以把這種誤差看作一階馬爾可夫過程。系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：(13。4)，,系統(tǒng)觀測(cè)方程為：(13.5)陣，直接給出自適應(yīng)卡爾曼濾波方程：記：則:（是可調(diào)節(jié)因子）（13.6）其中： 當(dāng)時(shí)?。?3.1）式，否則，?。?3.2）式。分別是系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲方差陣.（3）系統(tǒng)