CN101780921A - 一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法，所述方法实时获得相对于垂直参考坐标系的浮吊姿态初始数据；判断浮吊起重作业工作姿态；进行浮吊的方位偏移控制；进行浮吊的纵倾控制；进行浮吊的横倾控制。根据上述技术方案得到的浮吊起重作业工作姿态监控方法能够实现对浮吊的工作姿态进行实时精确的监测，同时控制相应的装置对浮吊进行相应的调整，以保证浮吊的起重施工作业质量和作业安全。

Description

一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法

技术领域：

本发明涉及一种起重作业工作姿态安全的监测方法，特别涉及一种浮吊起重作业工作姿态安全的监测方法。

背景技术：

大型浮吊是一种能够在航道或近岸海域进行定点施工作业的水上起重装备，如进行大桥桥梁安装、石油平台大件吊装、沉船打捞等。在进行定点起重施工作业时，必须监控浮吊的工作姿态，使浮吊的起重作业安全和稳定。

浮吊的工作姿态包括相对于正北的艏向方位角、艏艉纵倾角和左右舷横倾角。通过调节安装在浮吊船艏和船艉的大功率电动侧推装置的侧推力，来调整浮吊的方位角；通过调节浮吊左右二舷及艏艉的若干个压载舱的压载水量，来调整浮吊的纵倾角和横倾角。从而达到控制浮吊定位及工作姿态的目的。

由于浮吊的作业情况以及海上风浪流等原因，浮吊的工作姿态时常发生大幅波动，严重影响到浮吊的起重施工作业质量和作业安全。因此实时监测和控制浮吊的工作姿态，是保证浮吊的正常起重作业和作业安全性的重要环节。

现有浮吊的工作姿态监测方法，不能够实现实时精确的监测，同时也不能够及时的根据监测到的信息控制相应的装置对浮吊的定位及工作姿态进行调整，从而使得浮吊的起重施工作业质量和作业安全受到严重的影响。

发明内容：

本发明针对上述现有浮吊的监控方法所存在的不能够实现实时准确的监测，同时也不能够及时的根据监测到的信息控制相应的装置对浮吊的定位及工作姿态进行调整，从而影响浮吊的起重施工作业质量和作业安全的问题，而提供一种浮吊起重作业工作姿态监控方法。该方法能够实现实时精确的对浮吊的工作姿态进行监测，同时对浮吊工作姿态进行相应的调整，以保证浮吊的起重施工作业质量和作业安全。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法，浮吊的监控装置实施，该方法包括以下步骤：

(1)通过电罗经、垂直陀螺仪、以及GPS定位仪，实时获得相对于垂直参考坐标系的浮吊姿态初始数据：浮吊方位角ψ、浮吊纵倾角θ、浮吊横倾角φ，以及浮吊位置[N，S]；

(2)通过实时比较浮吊姿态初始数据：浮吊方位角ψ、浮吊纵倾角θ、浮吊横倾角φ，以及浮吊位置[N，S]，判断浮吊起重作业工作姿态：若浮吊方位发生偏移，转入步骤(3)；若浮吊发生纵倾，转入步骤(4)；若浮吊发生横倾，转入步骤(5)；若当前所检测的浮吊姿态与初始姿态相同，则等待下一次检测；

(3)根据发生偏移情况，控制艏、艉侧推装置、以及浮吊的主推装置运行，纠正偏移，实现浮吊的方位偏移控制；

(4)根据浮吊纵倾的情况，对浮吊艏艉的压载水舱进行压载水平衡控制，实现浮吊的纵倾控制；

(5)根据浮吊横倾的情况，对浮吊左右舷的压载水舱进行压载水平衡控制，实现浮吊的横倾控制。

所述步骤(3)进行方位偏移控制时：

若艏向方位偏移，即检测到的浮吊方位角较初始浮吊方位角发生偏移，为了纠偏艏向方位角，控制浮吊的艏、艉侧推装置应一正一反向着消除艏向方位角偏移的方向发出推进力；

若船位偏移，即检测到的浮吊位置较初始浮吊位置发生偏移，为了纠偏船位，控制浮吊的主推装置和艏、艉侧推装置共同作用，向着消除船位偏移的方向发出推进力；

若综合偏移，即浮吊的艏向方位偏移和船位偏移共同作用，结合上述两种纠偏方案进行联合纠偏控制。

所述步骤(4)进行纵倾控制时，当船艏下沉时，减少艏舱的压载水，增加艉舱的压载水；当船艏上翘时，增加艏舱的压载水，减少艉舱的压载水。

所述步骤(5)进行横倾控制时，当船左舷下倾时，减少左舱的压载水，增加右舱的压载水；当船右舷下倾时，减少右舱的压载水，增加左舱的压载水。

所述方法中还具有浮吊姿态越限报警步骤，由预先设定浮吊船艏向角、纵倾角和横倾角的偏差允许变动阈值，当检测到的浮吊姿态偏差值超过允许变动阈值时，将发出警报。

根据上述技术方案得到的浮吊起重作业工作姿态监控方法能够实现对浮吊的工作姿态进行实时精确的监测，同时控制相应的装置对浮吊进行相应的调整，以保证浮吊的起重施工作业质量和作业安全。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中基于实时的监控装置的结构示意图。

图2a为浮吊姿态中浮吊艏向角的示意图。

图2b为浮吊姿态中浮吊纵倾角的示意图。

图2c为浮吊姿态中浮吊横倾角的示意图。

图3a为浮吊艏向方位偏移示意图。

图3b为浮吊船位偏移示意图。

图3c为浮吊综合偏移示意图。

图4a为浮吊纵倾示意图。

图4b为浮吊纵倾控制示意图。

图5a为浮吊横倾示意图。

图5b为浮吊横倾控制示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

为了实现对浮吊的工作姿态进行实时精确的监测，同时对浮吊进行相应的调整，以保证浮吊的起重施工作业质量和作业安全的目的，本发明提供了一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法。

该方法基于一全数字式浮吊起重作业工作姿态监控装置实施，如图1所示，该装置是以x86CPU101为核心的嵌入式控制器。

主板102上包括有2个独立的CAN现场总线通信端口103a、103b，同时还包括不少于6个RS-232/485串行端口104a-104f。应用CAN现场总线节省了大量的信号电缆，提高了系统的可靠性。为了能够直观的显示浮吊当前的工作姿态，以及相应的数据，该装置中还设有状态显示与报警面板105。

在使用该控制装置的浮吊上设有M台(M＝2～6)船艏及船艉的电动侧推装置控制器106、N台(N＝4～28)压载水阀及水泵控制器107、GPS定位仪108、电罗经109、垂直陀螺仪110、浮吊起重控制系统111、浮吊主推进控制系统112。

x86CPU作为嵌入式控制器的核心器件，分别与上述的CAN现场总线通信端口103a、103b，以及RS-232/485串行端口104a-104f相接，通过这些端口CPU可与外围的设备进行数据信号的交换。

该x86CPU可以是386、486、或586芯片。为了达到实时数据处理要求，支持x86CPU运行的操作系统是可剪裁的实时操作系统，可以是Linux、WinCE、VxWorks等。

如图1所示，在具体连接时，CUP通过CAN现场总线通信端口103a连接M台(M＝2～6)船艏及船艉的电动侧推装置控制器。CUP可以根据浮吊的艏向方位偏移程度，对船艏及船艉的电动侧推装置控制器发出侧推控制指令；同时获取侧推控制状态。

CUP通过CAN现场总线通信端口103b连接N台(N＝4～28)压载水阀及水泵控制器。CUP可以根据浮吊的纵倾和横倾程度，对压载水阀及水泵控制器发出压载水控制指令；同时获取压载水控制状态。

CUP通过通过RS-232/485串行端口104a连接GPS定位仪，CUP通过GPS定位仪获得浮吊当前的经纬度位置坐标。

CUP通过通过RS-232/485串行端口104b连接电罗经，CUP通过电罗经获得浮吊当前的船艏向方位角。

CUP通过通过RS-232/485串行端口104c连接垂直陀螺仪，垂直陀螺仪作为浮吊的垂直参考系统，CUP通过其可以获得浮吊当前的纵倾角和横倾角。

CUP通过通过RS-232/485串行端口104d连接状态显示与报警面板。此面板是触摸式液晶显示屏，通过触摸翻屏可以查看浮吊工作姿态的状态数据。

CUP通过通过RS-232/485串行端口104e连接浮吊起重控制系统，浮吊起重控制系统可从本装置获取浮吊工作姿态的实时状态信息。

CUP通过通过RS-232/485串行端口104f连接浮吊主推进控制系统，浮吊主推进控制系统可从本装置获取浮吊工作姿态的实时状态信息，与艏艉侧推控制器联合实施浮吊工作姿态的调节。

基于上述装置实施的监控方法如下：

第一步，由于浮吊在起重施工作业过程中不可避免将出现纵倾、横倾和方位偏移。在进行监控时，通过电罗经和垂直陀螺仪，获得相对于垂直参考坐标系的浮吊姿态数据如图2a-2c：浮吊艏向角ψ(如图2a所示)、浮吊纵倾角θ(如图2b所示)和浮吊横倾角φ(如图2c所示)。

第二步，通过实时比较浮吊姿态初始数据：浮吊方位角ψ、浮吊纵倾角θ、浮吊横倾角φ，以及浮吊位置[N，S]，判断浮吊起重作业工作姿态：若浮吊方位发生偏移，转入第三步；若浮吊发生纵倾，转入第四步；若浮吊发生横倾，转入第五步。若当前所检测的浮吊姿态与初始姿态相同，则等待下一次检测。

第三步，根据发生偏移情况，控制艏、艉侧推装置、以及浮吊的主推装置运行，纠正偏移，实现浮吊的方位偏移控制。

浮吊作业中，由于起重载荷及风浪流等原因，发生艏向方位偏移、船位偏移、以及上述二种情况下的综合偏移。

(1)如图3a所示，艏向方位偏移：

从电罗经获得的第k次检测浮吊方位角ψ_k与初始方位角ψ₀比较，得到的艏向方位角偏移量Δψ，如果Δψ超过一个给定的阈值ε_ψ，即

|Δψ＝ψ_k-ψ₀|≥ε_ψ

则说明浮吊艏向方位角发生了偏移。为了纠偏艏向方位角，浮吊的艏、艉侧推装置应一正一反向着消除艏向方位角偏移的方向发出推进力。因此在进行具体控制时，根据Δψ值的正负，向浮吊的艏、艉侧推装置发出正转或反转动车信号；根据Δψ值的大小，向浮吊的艏、艉侧推装置发出转速调节信号。

(2)如图3b所示，船位偏移：

从GPS定位仪获得的第k次检测浮吊位置[N_k，S_k]与浮吊初始位置[N₀，S₀]比较，得到的船位偏移量[ΔN，ΔS]，如果船位偏移距离ΔD大于一个给定的阈值ε_Δ，即

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔN}=N_k-N_0\\ \mathrm{\ΔS}=S_k-S_0\\ \mathrm{\ΔD}=\sqrt{\mathrm{\Δ}{N}^2+\mathrm{\Δ}{S}^2}\≥{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}}\end{array}\right.$

则说明浮吊船位发生了偏移。为了纠偏船位，需通过浮吊的主推装置和艏、艉侧推装置共同作用，向着消除船位偏移的方向发出推进力。因此在进行具体操作时，根据[ΔN，ΔS]值的正负，向浮吊的主推装置和艏、艉侧推装置发出正转或反转动车信号；根据ΔD值的大小，向浮吊的主推装置和艏、艉侧推装置发出转速调节信号。

(3)如图3c所示，综合偏移：

综合偏移是指浮吊的艏向方位偏移和船位偏移的共同作用。即

$\left\{\begin{array}{c}|\mathrm{\Δ\ψ}={\mathrm{\ψ}}_0-{\mathrm{\ψ}}_k|\≥{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\ψ}}\\ \mathrm{\ΔD}=\sqrt{{\mathrm{\ΔN}}^2+\mathrm{\Δ}{S}^2}\≥{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\Δ}}\end{array}\right.$

由于这种偏移是由上述(1)和(2)两种情况共同作用产生，所在纠偏时，需要结合上述的(1)和(2)的两种方法实施联合纠偏控制。

第四步，根据浮吊纵倾的情况，对浮吊艏艉的压载水舱进行压载水平衡控制，实现浮吊的纵倾控制，如图4a-4b所示。

从垂直陀螺仪获得的相对于垂直参考坐标系的第k次检测浮吊纵倾角θ_k，如图4a所示。如果θ_k超过一个给定的阈值ε_θ，即

|θ_k|≥ε_θ

则说明浮吊在船艏艉方向上发生的倾斜(纵倾)已影响到了浮吊的正常作业，如图4a所示。为了纠正纵倾，须对浮吊艏艉的压载水舱进行压载水平衡控制。如图4b所示，当船艏下沉时，减少艏舱的压载水，增加艉舱的压载水；当船艏上翘时，增加艏舱的压载水，减少艉舱的压载水。因此在具体控制时，根据θ_k值的正负及大小，对相应的压载水舱阀门发出开闭信号，起动相应的压载水泵。

第五步，根据浮吊横倾的情况，对浮吊左右舷的压载水舱进行压载水平衡控制，实现浮吊的横倾控制，如图5a-5b所示。

从垂直陀螺仪获得的相对于垂直参考坐标系的第k次检测浮吊横倾角φ_k，如果φ_k大于一个给定的阈值ε_φ，即

|φ_k|≥ε_φ

则说明浮吊在左右二舷发生的倾斜(横倾)已影响到了浮吊的正常作业，如图5a所示。为了纠正横倾，须对浮吊左右舷的压载水舱进行压载水平衡控制。如图5b所示，当船左舷下倾时，减少左舱的压载水，增加右舱的压载水；当船右舷下倾时，减少右舱的压载水，增加左舱的压载水。因此在具体控制时，根据φ_k值的正负及大小，对相应的压载水舱阀门发出开闭信号，起动相应的压载水泵。

在整个监控步骤中，可通过监控装置中的状态显示与报警面板浮吊工作姿态的显示和浮吊姿态越限报警。

1、状态显示

浮吊工作姿态监控装置的状态显示，是通过液晶显示屏以可视化方式实现。可以查看浮吊工作姿态的状态数据。

(1)当前参数列表显示。列表显示浮吊姿态参数条目，包括参数当前值和报警值；显示艏艉侧推装置工作状态条目；显示压载水控制装置工作状态条目。

(2)模拟图显示。以图形方式显示当前的浮吊姿态、艏艉侧推器、压载水舱的状态，并显示当前的相关数据。

(3)历史数据列表显示。选择历史时间，列表显示所保存的浮吊姿态、艏艉侧推器、压载水舱等所有被监测参数条目的历史数据。

2、状态报警

浮吊姿态越限报警。设定浮吊船艏向角、纵倾角和横倾角的允许变动阈值分别为ε_ψ、ε_θ和ε_φ。则：

当|ψ_k-ψ₀|≥ε_ψ时，艏向角越限报警；

当|θ_k|≥ε_θ时，纵倾角越限报警；

当|φ_k|≥ε_φ时，横倾角越限报警。

式中，ψ_k、θ_k和

分别为浮吊船艏向角、纵倾角和横倾角的第k次检测值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法，浮吊的监控装置实施，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)通过电罗经、垂直陀螺仪、以及GPS定位仪，实时获得相对于垂直参考坐标系的浮吊姿态初始数据：浮吊方位角ψ、浮吊纵倾角θ、浮吊横倾角φ，以及浮吊位置[N，S]；

(2)通过实时比较浮吊姿态初始数据：浮吊方位角ψ、浮吊纵倾角θ、浮吊横倾角φ，以及浮吊位置[N，S]，判断浮吊起重作业工作姿态：若浮吊方位发生偏移，转入步骤(3)；若浮吊发生纵倾，转入步骤(4)；若浮吊发生横倾，转入步骤(5)；若当前所检测的浮吊姿态与初始姿态相同，则等待下一次检测；

(3)根据发生偏移情况，控制艏、艉侧推装置、以及浮吊的主推装置运行，纠正偏移，实现浮吊的方位偏移控制；

(4)根据浮吊纵倾的情况，对浮吊艏艉的压载水舱进行压载水平衡控制，实现浮吊的纵倾控制；

(5)根据浮吊横倾的情况，对浮吊左右舷的压载水舱进行压载水平衡控制，实现浮吊的横倾控制。

2.根据权利要求1所述的一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法，其特征在于，所述步骤(3)进行方位偏移控制时：

若艏向方位偏移，即检测到的浮吊方位角较初始浮吊方位角发生偏移，为了纠偏艏向方位角，控制浮吊的艏、艉侧推装置应一正一反向着消除艏向方位角偏移的方向发出推进力；

若船位偏移，即检测到的浮吊位置较初始浮吊位置发生偏移，为了纠偏船位，控制浮吊的主推装置和艏、艉侧推装置共同作用，向着消除船位偏移的方向发出推进力；

若综合偏移，即浮吊的艏向方位偏移和船位偏移共同作用，结合上述两种纠偏方案进行联合纠偏控制。

3.根据权利要求1所述的一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法，其特征在于，所述步骤(4)进行纵倾控制时，当船艏下沉时，减少艏舱的压载水，增加艉舱的压载水；当船艏上翘时，增加艏舱的压载水，减少艉舱的压载水。

4.根据权利要求1所述的一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法，其特征在于，所述步骤(5)进行横倾控制时，当船左舷下倾时，减少左舱的压载水，增加右舱的压载水；当船右舷下倾时，减少右舱的压载水，增加左舱的压载水。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种浮吊起重作业工作姿态安全监测方法，其特征在于，所述方法中还具有浮吊姿态越限报警步骤，由预先设定浮吊船艏向角、纵倾角和横倾角的偏差允许变动阈值，当检测到的浮吊姿态偏差值超过允许变动阈值时，将发出警报。

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