1 項(xiàng)目背景

塔式起重機(jī)俗稱塔機(jī)，由于工作重心高、起重載荷 大、運(yùn)行速度快，工作過程中頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，具有較 大的動(dòng)載荷，特別是在大型建筑工地，多塔機(jī)協(xié)同工作 的情況更加復(fù)雜，容易發(fā)生惡性事故。早在上世紀(jì) 90 年 代，歐洲、美國(guó)已普遍開始應(yīng)用起重機(jī)安全監(jiān)控管理系 統(tǒng)和塔群防碰撞系統(tǒng)，并被列入強(qiáng)制性法規(guī)。2008 年， 我國(guó)頒布 GB/T5031-2008《塔式起重機(jī)》新標(biāo)準(zhǔn)，建 議塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng) ；2010 年 7 月，我國(guó)明確提出 “大型起重機(jī)械要安裝監(jiān)控管理系統(tǒng)”。

20 世紀(jì) 80 年代初，我國(guó)一些大專院校、研究院所 開始對(duì)塔機(jī)超載保護(hù)裝置進(jìn)行了研究，當(dāng)塔機(jī)運(yùn)行到極 限或超載時(shí)，安全裝置能夠自動(dòng)切斷塔機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)電源， 對(duì)塔機(jī)實(shí)施保護(hù)。但現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，現(xiàn)有的塔機(jī)安 全監(jiān)控裝置存在以下兩個(gè)主要問題 ：裝置不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，司機(jī)只能憑經(jīng)驗(yàn)操作，塔機(jī)運(yùn)行過程容 易產(chǎn)生較大沖擊，誘發(fā)事故 ；已有的塔機(jī)安全監(jiān)控裝置 是以保護(hù)塔機(jī)為著眼點(diǎn)，然而，強(qiáng)調(diào)“以人為本”的安 全生產(chǎn)要求塔機(jī)安全監(jiān)控裝置不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)的保 護(hù)，更要保障施工現(xiàn)場(chǎng)的人員生命安全。

隨著國(guó)家相關(guān)要求的出臺(tái)，現(xiàn)有的塔機(jī)安全監(jiān)控裝 置已不能滿足要求，特別是施工環(huán)境越來越復(fù)雜的情況 下，開發(fā)功能齊全的塔機(jī)智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)司機(jī)危 險(xiǎn)行為進(jìn)行監(jiān)控，避免操作失誤造成的嚴(yán)重危害，具有 重要的意義。

2 項(xiàng)目所獲成果及創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目提出了基于行為的三維控制避障控制算法以 及基于時(shí)分調(diào)度、可重構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)通訊機(jī)制，構(gòu)建了 基于分布式多 agent 技術(shù)的離散塔群協(xié)同作業(yè)模型，最 終開發(fā)了塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔機(jī)司機(jī)行為的 安全監(jiān)控，取得了一系列的創(chuàng)新成果。

（1）提出采用分布式多 Agent 技術(shù)，構(gòu)建離散塔群 協(xié)同作業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)模型 分布式多 Agent 塔群安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)嵌 入式控制器（一個(gè) Agent 體）包含感知單元、決策單元、 輸出控制單元以及無線傳輸單元 4 個(gè)模塊，各 Agent 之 間通過無線通訊實(shí)現(xiàn)信息交互，整個(gè)系統(tǒng)的安全監(jiān)控任 務(wù)被分散到各個(gè)塔機(jī)子 Agent 中，各個(gè)塔機(jī) Agent 選擇 有利于自己局部利益的控制策略和決策目標(biāo)，自主地做 出決策，決策的制定和任務(wù)的執(zhí)行表現(xiàn)出并行的特點(diǎn)， 這種并行處理機(jī)制大大提高了問題求解效率，實(shí)現(xiàn)了塔 機(jī)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高效的安全監(jiān)控。分布式塔群多 Agent 模型結(jié)構(gòu)如圖所示，當(dāng)個(gè)別 Agent 出現(xiàn)故障，不會(huì)影響 其他 Agent 的正常行為，也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的控制要 求。同時(shí)，只要配置相應(yīng)的通信協(xié)議和控制策略，以及 相應(yīng)的知識(shí)和數(shù)據(jù)，新的 Agent 就可以很容易地加入到 系統(tǒng)中正常運(yùn)行，原有的 MAS 系統(tǒng)不需要做任何改動(dòng)，

（2）首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于行為的三維空間防碰撞 算法 考慮到塔機(jī)的運(yùn)動(dòng)是受人操控的，本項(xiàng)目在塔機(jī)避 障控制中，采用了輔助控制的原則，基本思想是 ：在安 全狀態(tài)下，不干預(yù)人的操作，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)，則截?cái)嗳说?危險(xiǎn)操作。目前，常用的算法是根據(jù)塔機(jī)之間空間最小 距離進(jìn)行危險(xiǎn)程度的判斷。然而，考慮塔機(jī)的三個(gè)運(yùn)動(dòng) 在不同的空間姿態(tài)下，對(duì)空間距離的靈敏度不同，對(duì)于 一個(gè)危險(xiǎn)距離如何控制塔機(jī)的行為，這是一個(gè)不可逆的 過程。于是，我們采用了基于行為控制的思路，塔機(jī)工 作過程中，空間姿態(tài)復(fù)雜，利用塔機(jī)機(jī)械臂直線運(yùn)行以 及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的空間構(gòu)型，通過計(jì)算空間線與線、線與面 以及線與圓柱體、圓錐體的干涉，實(shí)現(xiàn)三維空間的精確 防碰撞問題。

（3）采用了時(shí)分調(diào)度算法，建立可重構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)通 訊機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了多達(dá) 16 臺(tái)塔機(jī)的自治、可重構(gòu)通訊網(wǎng)絡(luò) 本系統(tǒng)從三方面解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性以及局 域網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu) ：①采用 ISM 的 433MHz 頻段設(shè)計(jì)無線 模塊，解決 2.4GHz 頻段繞射能力差的缺陷，而且以 Cortex-M3 平臺(tái)為核心，解決普通無線模塊處理速度和 存儲(chǔ)資源不足的缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的無線傳感網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議 ；②采用基于分時(shí)調(diào)度的通訊機(jī)制，主節(jié)點(diǎn)擁 有分配各個(gè)塔機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙，大大提高了頻段 利用率，解決無線數(shù)據(jù)的沖突問題 ；③采用節(jié)點(diǎn)序號(hào)選 舉法產(chǎn)生主節(jié)點(diǎn)，當(dāng)由于塔機(jī)停機(jī)或者其它原因?qū)е轮?節(jié)點(diǎn)不能正常工作時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)以序號(hào)排序重新選擇新 的主節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)其余節(jié)點(diǎn)的有序傳輸，保證整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)的正常運(yùn)行。 （

（4）采用人工智能的控制策略，實(shí)現(xiàn)了大慣性塔機(jī) 起重臂的平穩(wěn)回轉(zhuǎn)控制 考慮不同工況下風(fēng)速、載荷不同，為了實(shí)現(xiàn)大慣性 塔機(jī)起重臂轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)控制，避免對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，本 項(xiàng)目采用人工智能控制策略，借鑒塔機(jī)司機(jī)的回轉(zhuǎn)控制 經(jīng)驗(yàn)，對(duì)塔機(jī)的慣性進(jìn)行自學(xué)習(xí)，利用危險(xiǎn)距離及當(dāng)前 速度的對(duì)塔機(jī)回轉(zhuǎn)進(jìn)行智能控制。 本項(xiàng)目獲得授權(quán)發(fā)明專利 3 件（ZL 201310219078.8 ； ZL 201210567519.9；ZL 201210235692.9）和實(shí)用新型 3 件 （ZL 201220716363.1 ；ZL 201220161515.6 ；ZL 200620078 9526.6），另外，獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán) 5 件。本項(xiàng)目經(jīng)過 國(guó)內(nèi)外公開技術(shù)資料查新：分布式多 Agent 的塔群安全監(jiān) 控系統(tǒng)的研究以及基于行為分解的三維空間避障算法都 未見公開報(bào)道。經(jīng)陜西省科技主管部門組織的專家鑒定， 結(jié)論為 ：該成果在塔機(jī)安全監(jiān)控方面取得了一系列的新 成果，總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，極大地提高了建筑施工 現(xiàn)場(chǎng)的安全性。

3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

目前，施工現(xiàn)場(chǎng)塔吊的智能化安全管理已經(jīng)成為行 業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，本項(xiàng)目研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適 合我國(guó)建筑行業(yè)需求的監(jiān)控產(chǎn)品，不但打破了國(guó)外相關(guān) 技術(shù)及產(chǎn)品的壟斷，而且為社會(huì)提供就業(yè)崗位近百個(gè)， 取得了顯著的社會(huì)效益，為推動(dòng)建筑安全行業(yè)的科技進(jìn) 步、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全做出了巨大貢獻(xiàn)。

本項(xiàng)目由西安理工大學(xué)提供技術(shù)，西安豐樹電子科 技發(fā)展有限公司投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)及生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過研發(fā)、 試驗(yàn)、定型等一系列程序，于 2007 年開始小批量試生產(chǎn)， 2008 年完成產(chǎn)品的國(guó)家質(zhì)量鑒定，2009 年開始大批量生 產(chǎn)，產(chǎn)品銷售至陜西、浙江、內(nèi)蒙古、云南等全國(guó)多個(gè)省、 市、自治區(qū)，并出口至新加坡、馬來西亞等東南亞地區(qū)。 截止 2012 年底，公司所生產(chǎn)的 MT105、MT200 兩個(gè)系列 5 個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá) 40% 以上，近三年累 計(jì)銷售額達(dá) 6419.6 萬元，利稅 513.5 萬元，為社會(huì)提供 就業(yè)崗位上百個(gè)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

由于公司產(chǎn)品過硬的質(zhì)量，MT105 系列于 2008 年 獲得了歐盟 CE 認(rèn)證，成為國(guó)內(nèi)獨(dú)家終端監(jiān)控設(shè)備出口 供應(yīng)商。新加坡是一個(gè)國(guó)際化都市，我們的產(chǎn)品同時(shí)面 臨 4 家同類產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，其中兩家是法國(guó)的 SIME 以及 AGS，但我們產(chǎn)品在新加坡市場(chǎng)占有率超過 60%，新加 坡 ZLX 公司對(duì)我們產(chǎn)品評(píng)價(jià)如下 ：產(chǎn)品是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn) 的，個(gè)別功能超過歐洲同類產(chǎn)品。中建八局第三建設(shè)有 限公司經(jīng)過使用后，評(píng)價(jià)如下 ：自使用該系統(tǒng)，我工地 沒有發(fā)生碰撞事故，大大提高建筑作業(yè)的工作效率，具 有相當(dāng)好的性價(jià)比。 分