CN109584504B - 一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法 - Google Patents

Abstract

一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，包括以下步骤：1）通过计算机仿真模拟程序预设预警级别对应的预警空间参数；2）设备运行过程中，定位信号处理程序通过GPS/RFID组合定位装置计算各种机械的最终精确定位；3）然后根据设备的参数、现场测得的时间数据，以及测风仪和压力传感器的实时数据，计算缆机的影响空间，并确定安全预警区域；4）最后整个系统不间断的动态仿真模拟和实时监测缆机的影响空间，判断设备的运动状况及施工机械是否处在安全预警区域内，本发明一种缆机吊罐与仓面机械风险冲突预警方法，涉及高拱坝建设混凝土浇筑技术领域。

Description

一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法

技术领域

本发明一种缆机吊罐与仓面机械风险冲突预警方法，涉及高拱坝建设混凝土浇筑技术领域。

背景技术

国内外已建或在建的高拱坝工程中，混凝土浇筑不可或缺。其中缆机以其起吊高度高、作业幅度大、工作时间长、吊装效率高等优点在整个大坝建设期间发挥重要作用。当前我国拟建在建的水电工程大多处于干热河谷地带。干热河谷气候导致气流越过高山下沉造成焚风，同时山谷地区热力性质不均匀形成局地环流─山谷风。焚风和山谷风的综合作用，易形成灾害性大风，造成高坝常用垂直运输机械——缆机吊罐偏移，甚至会导致高空坠落事故，对工程施工安全带来了较大影响。然而，当前我国在建水电工程大多处于干热河谷地带，焚风和山谷风效应显著，大风天气增大了高空坠物的危险，增加了缆机运输作业对仓面作业的影响范围，提高了空间冲突强度。鉴于此，研究干热河谷地带缆机吊罐工作立体交叉作业空间预警方法，对于降低空间冲突致灾风险的损失具有重要意义。

中国专利申请“融合D-GPS与RFID的缆机吊罐致灾风险预警方法”(专利申请号：201711268690.9)该申请公开了一种缆机吊罐致灾风险预警方法，基于GPS/RFID对大坝混凝土浇筑中缆机吊罐对施工人员的安全进行预警。该专利对运行中的吊罐进行受力分析，计算吊罐与施工人员间的安全距离，从而提高施工过程中作业人员安全性，仅考虑缆机吊罐下方施工人员的安全，没有考虑风荷载对吊罐的影响，也没有从施工机械的角度考虑安全风险因素，导致预警区域不准确，施工机械撤离不及时。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种在不断变化的重力和风荷载作用下，缆机吊罐与仓面施工机械的风险冲突预警方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，包括以下步骤：

1)通过计算机仿真模拟程序预设预警级别对应的预警空间参数；

2)设备运行过程中，定位信号处理程序通过GPS/RFID组合定位装置计算各种机械的最终精确定位；

3)然后根据设备的参数、现场测得的时间数据，以及测风仪和压力传感器的实时数据，计算缆机的影响空间，并确定安全预警区域；

4)最后整个系统不间断的动态仿真模拟和实时监测缆机的影响空间，判断设备的运动状况及施工机械是否处在安全预警区域内。

在步骤1)中，在计算机仿真模拟程序中预设预警级别对应的预警空间s。

在步骤2)中，根据施工设备参数：缆机的吊绳l,运行速度v₁,吊罐的质量m，施工机械运行速度v₂，施工机械的长b₁、宽b₂；现场测算设备的反应迟滞时间t₁,施工机械操作人员反应时间t₂,计算吊罐预警级别下的预警空间s。

在步骤3)中，还包括在吊罐和施工机械上布置的GPS/RFID组合定位装置、在缆机轮滑顶部布置的测风仪、在缆机吊钩上布置的压力传感器，在初始化定位系统后，定位信号处理程序根据GPS/RFID组合定位装置的GPS信号强度，计算并确定精准的设备距离。

在步骤4)中，实时监控测量缆机吊罐的实时空间位置坐标(X1,Y1,Z1)，风速v₃,吊罐的质量m，下落高度h；施工机械空间位置坐标(X2,Y2,Z2)，动态仿真模拟并计算判断施工机械是否处于各项预警空间s内，采取区域预警的形式，对施工机械发出必要的预警指令。

在步骤3)中，在吊罐上安装GPS/RFID芯片，缆机运行区域用RFID天线进行布置，通过RFID芯片的实时数据计算判断施工机械安全状况并进行预警。

在步骤4)中，考虑风荷载对缆机吊罐的影响，安全区域预警包括以下步骤：

(1)、缆机在运行过程中，吊罐整个运动过程的影响空间范围近似为一个长方形，x轴的长度l_x为缆机从进入待浇仓面的左仓面边缘点x₁至实时监测点X1吊罐在水平方向上移动的距离，

l_x＝X₁-x₁；

(2)、吊罐在y轴方向受到风荷载的作用，风荷载在不同的高程大小不一样，高度越高，风荷载越大。如果吊罐从缆索上脱落，在y轴方向上的偏移量可用一种易于应用的方法获得：

(a)根据伯努利方程，计算出风压：

wp＝0.5ρ·v₃ ²，

式中：wp是风压，ρ是空气密度，v₃是实时监测的风速；

(b)使用以下等式转换风力：

F＝wp·S_w，

式中：F是风力，S_w是迎风面积；

(c)计算吊罐在y轴上的偏移量：

式中：l_y为吊罐在风力作用下的偏移量，m为吊罐的质量，g为重力加速度，h是下落高度；

(3)、故缆机的影响空间：

s₁＝l_x·l_y，

式中：s₁为缆机吊罐在某一时刻的影响空间；

(4)、施工机械在安全撤离时会有一个反应距离，在本发明中设备的反应迟滞时间t₁,施工机械操作人员反应时间t₂，则反应距离为：

l′＝(t₁+t₂)·v₂，

式中：v₂为施工机械运行速度，l′为施工机械的反应距离；

(5)、由于施工机械的任何部位进入吊罐影响空间，都会产生交叉作业，故预警空间为：

s＝(l_x+b₁+l′)·(l_y+2b₂)，

式中：b₁是施工机械的长、b₂是宽，s为预警空间；

(6)、比较判断施工机械是否处在预警空间s内，如果是，那么将对施工机械进行蜂鸣警示，直到施工机械撤离至预警空间；如果否，施工机械继续运行。

用于警示在不断变化的重力和风荷作用下大坝浇筑立体交叉作业施工机械的安全撤离。

本发明的有益效果是：

1：本发明在了缆机轮滑底部安装测风仪，在缆机吊钩处安装压力传感器，实时监控吊罐的总重量，计算风荷载对吊罐影响空间的影响，使得缆机吊罐的影响空间更加精确。

2：本发明利用RFID技术，明确划分出在风力作用下的干热河谷地区高拱坝混凝土施工过程中的预警区域，通过RFID芯片筛选出位于预警区域内的施工机械，提高预警的精确性。

3：本发明利用D-GPS技术，精确提供缆机吊罐的空间位置坐标，能够动态仿真模拟并计算判断施工机械是否处于各项安全预警区域内，为施工机械有效安全撤离提供依据。

4：本发明考虑了施工机械操作人员的反应时间和设备的反应迟滞时间，为机械的安全撤离预留更多时间。

5：本发明能够通过语音提示和蜂鸣警示及时预警，提高了施工安全性，有效降低空间冲突致灾风险。

附图说明

图1为本发明交叉作业示意图；

图2为本发明缆机吊罐影响空间示意图；

图3为本发明装置安装位置示意图；

图4为本发明待浇仓面预警区域示意图；

图5为本发明流程示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，包括以下步骤：

1)首先预设预警级别对应的预警空间参数；

2)设备运行过程中，定位信号处理程序通过GPS/RFID组合定位装置计算各种机械的最终精确定位；

3)然后根据设备的参数、现场测得的时间数据，以及测风仪和压力传感器的实时数据，计算缆机的影响空间，并确定安全预警区域；

4)最后整个系统不间断的动态仿真模拟和实时监测缆机的影响空间，判断设备的运动状况及施工机械是否处在安全预警区域内。

在步骤1)中，在计算机仿真模拟程序中预设预警级别对应的预警空间s。

在步骤2)中，根据施工设备参数：缆机的吊绳l,运行速度v₁,吊罐的质量m，施工机械运行速度v₂，施工机械的长b₁、宽b₂；现场测算设备的反应迟滞时间t₁,施工机械操作人员反应时间t₂,根据这些参数计算吊罐预警级别下的预警空间s。

在步骤3)中，在吊罐和施工机械上布置GPS/RFID组合定位装置，在缆机轮滑顶部布置测风仪(kestrel3000风速仪)，缆机吊钩布置压力传感器(LLLBM微型拉压力传感器拉力传感器压力传感器称重测力传感器0～1T)，初始化定位系统，定位信号处理程序根据GPS/RFID组合定位装置的GPS信号强度，计算并确定精准的设备距离。

在步骤4)中，实时监控测量缆机吊罐的实时空间位置坐标(X1，Y1，Z1)，风速v₃,吊罐的质量m，下落高度h；施工机械空间位置坐标(X2，Y2，Z2)，动态仿真模拟并计算判断施工机械是否处于各项安全预警区域内，采取区域预警的形式，对施工机械发出必要的预警指令。

在步骤3)中，在吊罐和施工机械安装GPS/RFID芯片，缆机运行区域用RFID天线进行布置，通过RFID芯片的实时数据计算判断施工机械安全状况并进行预警。

在步骤4)中，考虑风荷载对缆机吊罐的影响，安全区域预警包括以下步骤：

(1)、缆机在运行过程中，吊罐整个运动过程的影响空间范围近似为一个长方形，x轴的长度l_x为缆机从进入待浇仓面的左仓面边缘点x₁至实时监测点X1吊罐在水平方向上移动的距离，

l_x＝X₁-x₁；

(2)、吊罐在y轴方向受到风荷载的作用，风荷载在不同的高程大小不一样，高度越高，风荷载越大。如果吊罐从缆索上脱落，在y轴方向上的偏移量可用一种易于应用的方法获得：

(a)根据伯努利方程，计算出风压：

wp＝0.5ρ·v₃ ²，

式中：wp是风压，ρ是空气密度，v₃是实时监测的风速；

(b)使用以下等式转换风力：

F＝wp·S_w，

式中：F是风力，S_w是迎风面积；

(c)计算吊罐在y轴上的偏移量：

式中：l_y为吊罐在风力作用下的偏移量。m为吊罐的质量，g为重力加速度，h是下落高度；

(3)、故缆机的影响空间：

s₁＝l_x·l_y，

式中：s₁为缆机吊罐在某一时刻的影响空间；

(4)、施工机械在安全撤离时会有一个反应距离，在本发明中设备的反应迟滞时间t₁,施工机械操作人员反应时间t₂，则反应距离为：

l′＝(t₁+t₂)·v₂，

式中：v₂为施工机械运行速度，l′为施工机械的反应距离；

(5)、由于施工机械的任何部位进入吊罐影响空间，都会产生交叉作业，故预警空间为：

s＝(l_x+b₁+l′)·(l_y+2b₂)，

式中：b₁是施工机械的长、b₂是宽，s是预警空间；

(6)、比较判断施工机械是否处在预警空间s内，如果是，那么将对施工机械进行蜂鸣警示，直到施工机械撤离至预警空间；如果否，施工机械继续运行。

用于警示在不断变化的重力和风荷作用下大坝浇筑立体交叉作业施工机械的安全撤离。

实施例：

以大岗山水电站14坝段1125m高程的待浇仓面为例，待浇仓面的长和宽为22.6m，10m，安全区域预警包括以下步骤：

(1)、如图2所示，缆机在运行过程中，吊罐整个运动过程的影响空间范围近似为一个长方形，x轴的长度l_x为缆机从进入待浇仓面的左仓面边缘点x₁至实时监测点X1吊罐在水平方向上移动的距离。

l_x＝11.3m

(2)、吊罐在y轴方向受到风荷载的作用，风荷载在不同的高程大小不一样，高度越高，风荷载越大。如果吊罐从缆索上脱落，在y轴方向上的偏移量可用一种易于应用的方法获得，以风速为17.1m/s为例：

(a)根据伯努利方程，计算出风压：

wp＝0.5×1.29×17.1²＝188.604kN/m²

(b)使用以下等式转换风力，吊罐的类型是YL6，直径和高分别为3.05m和3.80m：

F＝188.604×0.5×π×3.05×3.80＝3431.89kN

(c)计算吊罐在y轴上的偏移量，吊罐装混凝土的容积为9m³，混凝土的密度为2400m/s²，吊罐自重6850kg，故m＝28450kg：

(3)、故缆机的影响空间：

s₁＝11.3×15.337＝173.31m²

(4)、施工机械在安全撤离时会有一个反应距离，在本发明中设备的反应迟滞时间t₁＝0.5s,施工机械操作人员反应时间t₂＝1.2s，施工机械运行速度v₂＝0.4m/s,则反应距离为：

l′＝(0.5+1.2)×0.4＝0.68m

(5)、如图4所示，由于施工机械的任何部位进入吊罐影响空间，都会产生交叉作业，施工机械的长b₁＝4.83m、宽b2＝2.331m，故预警空间为：

s＝(11.3+0.68+4.83)·(1.534+2×2.331)＝104.225m²

(6)、比较判断施工机械是否处在预警空间s内，如果是，那么将对施工机械进行蜂鸣警示，直到施工机械撤离至预警空间；如果否，施工机械继续运行。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过计算机仿真模拟程序预设预警级别对应的预警空间参数；

2)设备运行过程中，定位信号处理程序通过GPS/RFID组合定位装置计算各种机械的最终精确定位；

3)然后根据设备的参数、现场测得的时间数据，以及测风仪和压力传感器的实时数据，计算缆机的影响空间，并确定安全预警区域；

4)最后整个系统不间断的动态仿真模拟和实时监测缆机的影响空间，判断设备的运动状况及施工机械是否处在安全预警区域内；

在步骤4)中，实时监控测量缆机吊罐的实时空间位置坐标(X1,Y1,Z1)，风速v₃,吊罐的质量m，下落高度h；施工机械空间位置坐标(X2,Y2,Z2)；

在确定安全预警区域时，考虑风荷载对缆机吊罐的影响，具体步骤如下：

步骤(1)缆机在运行过程中，吊罐整个运动过程的影响空间范围近似为一个长方形，x轴的长度l_x为缆机从进入待浇仓面的左仓面边缘点x₁至实时监测点X1吊罐在水平方向上移动的距离，

l_x＝X₁-x₁；

步骤(2)吊罐在y轴方向受到风荷载的作用，风荷载在不同的高程大小不一样，高度越高，风荷载越大；如果吊罐从缆索上脱落，按照以下步骤获得在y轴方向上的偏移量：

步骤(a)计算出风压：

wp＝0.5ρ·v₃ ²，

式中：wp是风压，ρ是空气密度，v₃是实时监测的风速；

步骤(b)使用以下等式转换风力：

F＝wp·S_w，

式中：F是风力，S_w是迎风面积；

步骤(c)计算吊罐在y轴上的偏移量：

式中：l_y为吊罐在风力作用下的偏移量，m为吊罐的质量，g为重力加速度，h是下落高度；

步骤(3)缆机的影响空间为：

s₁＝l_x·l_y，

式中：s₁为缆机吊罐在某一时刻的影响空间；

步骤(4)施工机械在安全撤离时会有一个反应距离，设反应迟滞时间t₁,施工机械操作人员反应时间t₂，则反应距离为：

l′＝(t₁+t₂)·v₂，

式中：v₂为施工机械运行速度，l′为施工机械的反应距离；

步骤(5)由于施工机械的任何部位进入吊罐影响空间，都会产生交叉作业，故预警空间为：

s＝(l_x+b₁+l′)·(l_y+2b₂)，

式中：b₁是施工机械的长、b₂是宽，s为预警空间；

步骤(6)比较判断施工机械是否处在预警空间s内，如果是，那么将对施工机械进行蜂鸣警示，直到施工机械撤离至预警空间；如果否，施工机械继续运行。

2.根据权利要求1所述的一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，其特征在于，在步骤1)中，在计算机仿真模拟程序中预设预警级别对应的预警空间s。

3.根据权利要求1所述的一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，其特征在于，在步骤2)中，根据施工设备参数：缆机的吊绳l,运行速度v₁,吊罐的质量m，施工机械运行速度v₂，施工机械的长b₁、宽b₂；现场测算设备的反应迟滞时间t₁,施工机械操作人员反应时间t₂计算吊罐预警级别下的预警空间s。

4.根据权利要求1所述的一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，其特征在于，在步骤3)中，还包括在吊罐和施工机械上布置的GPS/RFID组合定位装置、在缆机轮滑顶部布置的测风仪、在缆机吊钩上布置的压力传感器，在初始化定位系统后，定位信号处理程序根据GPS/RFID组合定位装置的GPS信号强度，计算并确定精准的设备距离。

5.根据权利要求1至4其中之一所述的一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，其特征在于，在步骤4)中，动态仿真模拟并计算判断施工机械是否处于各项安全预警区域内，采取区域预警的形式，对施工机械发出必要的预警指令。

6.根据权利要求1或4所述的一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，其特征在于，在步骤3)中，在吊罐上安装GPS/RFID芯片，缆机运行区域用RFID天线进行布置，通过RFID芯片的实时数据计算判断施工机械安全状况并进行预警。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法，其特征在于，用于警示在不断变化的重力和风荷作用下大坝浇筑立体交叉作业施工机械的安全撤离。

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