CN111170184B - 一种塔式起重机的实时监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及塔式起重机施工技术领域，具体来说是一种塔式起重机的实时监测预警系统及方法，实时采集塔式起重机的各项参数，所述的传感器组件包括旁压式传感器和位置采集设备；通过通讯组件将传感器组件所实时采集的各项参数传输至云端处理器；通过云端处理器依据各项参数进行处理，以获得处理结果，并将处理结果传输至移动终端；通过移动终端可视化地展示所述的处理结果。优选地，整个防碰撞方法条理清晰，通过对数据处理方法的独创性设计，实现了运算简便、处理快捷的防碰撞方法，并且能精确判断塔式起重机之间的具体碰撞情况和位置，有助于及时有效地对塔式起重机的运作进行调整，并防止安全事故的发生。

Description

一种塔式起重机的实时监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及塔式起重机施工技术领域，具体来说是一种塔式起重机的实时监测预警系统及方法。

背景技术

塔式起重机是建筑工地上最常用的一种起重设备，用于起吊施工用的钢筋、木楞、混凝土、钢管等施工的原材料。其通过塔臂上的滑轮实现起吊，并通过回转塔架实现塔臂及吊装材料的旋转。而在实际使用过程中，建筑工地上往往布置有多台塔式起重机同时进行工作，容易导致各塔式起重机之间的相互碰撞摩擦，从而引发一系列安全事故。为此，我国专利CN107285206B公开了一种基于塔式起重机避碰预警系统的防碰撞方法，通过摄像头获取建筑施工现场的参数特征而后一一映射至图像现场，通过图像现场的几何模型进行防碰撞算法计算，这种方式处理流程较为复杂，对云端处理器性能有一定要求，成本较高。

此外，塔式起重机的起吊力矩值＝起吊重量*小车距离，力矩值过大则可能导致倾覆，因此每一台塔式起重机都设定有正常运行情况下的最大安全力矩值即额定力矩值。传统塔式起重机需要根据外部传感器检测塔式起重机的小车位置和起吊重量，可靠性较低。

而本申请的申请人在此前的一系列在先申请中，已经涉及了一系列相关的工业设备运行方法和装置，如在我国专利申请号：201710669875.4中公开的工业设备实时可视化数据中心及其运行方法，在我国专利申请号：201810423385.0中公开的双主机的多协议通讯方法及系统，在我国专利申请号：201910359029.1中公开的一种通过陀螺仪和磁场传感器精确检测回转的方法等，本次即基于本申请人的相关在先技术方案，进一步提供一种塔式起重机的实时监测预警系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种塔式起重机的实时监测预警系统及方法，实时采集塔式起重机的各项参数，经云端处理器统一处理后，由移动终端进行可视化展示。

为了实现上述目的，设计一种塔式起重机的实时监测预警方法，通过传感器组件实时采集塔式起重机的各项参数，所述的传感器组件包括旁压式传感器和位置采集设备；通过通讯组件将传感器组件所实时采集的各项参数传输至云端处理器；通过云端处理器依据各项参数进行处理，以获得处理结果，并将处理结果传输至移动终端；通过移动终端可视化地展示所述的处理结果；其中，依据各项参数进行的处理包括基于旁压式传感器的力矩测量和三维防碰撞处理。

本发明还具有如下优选的技术方案：

所述的基于旁压式传感器的力矩测量通过下述步骤实现：对塔式起重机进行标定测试，记录塔式起重机无载重时的旁压式传感器的输出值和若干不同起吊重量时旁压式传感器的输出值，从而获得若干旁压式传感器的输出值与塔式起重机的起吊力重量之间的对应关系，进而通过曲线拟合获得若干连续区段的塔式起重机的起吊重量与旁压式传感器的输出值之间的关系曲线，从而通过所述的关系曲线对起吊重量进行表征。

从而，在通过关系曲线由旁压式传感器的输出值求得起吊重量后，通过以下公式计算出当前塔式起重机的力矩值：

F＝j·m·l

式中，F为当前塔式起重机的力矩值，j为当前倍率，m为起吊重量，l为变幅值。

所述的三维防碰撞处理通过下述步骤实现：通过位置采集设备实时采集塔式起重机的塔臂外端的位置，并通过云端处理器对任意两个塔式起重机进行碰撞解析，并返回解析结果至处理终端，所述的碰撞解析具体包括如下步骤：步骤a.判断当前两个塔式起重机的半径是否相交，若相交，则由云端处理器返回正处于碰撞状态的解析结果；若不相交，则进行步骤b；步骤b.计算两个塔式起重机所构成的轨迹圆的位置关系，并由云端处理器根据两个塔式起重机的轨迹圆的位置关系返回解析结果。

所述的步骤a具体包括：步骤a1.快速排斥算法，若快速排斥算法的结果有一个为真，则代表两个塔式起重机的半径必然不相交；所述的快速排斥算法是指，对于两个塔式起重机的半径，通过云端处理器计算每个塔式起重机的半径当在前所处位置所达到的最大的横坐标和最大的纵坐标，是否分别小于另一个塔式起重机的半径在当前所处位置所达到的最小的横坐标和最小的纵坐标的数值。

所述的步骤a还包括步骤a2.跨立算法；若经过快速排斥算法，没有任一结果为真，则需要进行步骤a2的处理，即构建两个分别由一个塔式起重机的半径的两个端点至另一个塔式起重机的半径的同一端点的判断向量和由另一个塔式起重机的两个端点所构成的半径向量，而后判断判断向量与另一个塔式起重机的半径向量的叉乘乘积，若两个叉乘乘积的结果同号，则说明目前两个塔式起重机的半径未相交；若异号或任意叉乘乘积的结果为0，则说明两个塔式起重机的半径正在碰撞，则由云端处理器返回正处于碰撞状态的解析结果。

所述的步骤b具体包括：若两个塔式起重机的轨迹圆相离，则云端处理器返回不会碰撞的解析结果；若两个塔式起重机的轨迹圆相切，则进一步计算当前两个塔式起重机的塔臂的外端点之间的距离是否小于等于安全距离，若是，则由云端处理器返回会碰撞的解析结果；若否，则由云端处理器返回不会碰撞的解析结果；若两个塔式起重机的轨迹圆不相切也不相离，则进一步计算每一塔式起重机的半径的两个端点至另一塔式起重机的半径的距离，并根据距离与安全距离的比较结果由云端处理器返回解析结果。

设一个塔式起重机的轨迹圆为第一轨迹圆，另一塔式起重机的轨迹圆为第二轨迹圆，第一轨迹圆的半径为R1，第二轨迹圆的半径为R2，两个轨迹圆的圆心距为d，R1、R2和d的长度通过位置采集设备获取，并由云端处理器通过下述条件判断两个轨迹圆是否相离或相切：两个轨迹圆相离，则满足下列条件：R1+R2<d；两个轨迹圆相切，则满足下列条件：R1+R2＝d。

若两个塔式起重机的轨迹圆不相切也不相离，则首先计算塔式起重机的两个端点与另一塔式起重机的半径之间是否存在垂足点，若存在垂足点，则计算该端点到另一塔式起重机的半径的距离；若不存在垂足点，则将该端点到另一塔式起重机的半径的距离设置为无穷大；取分别求得的四个端点到另一塔式起重机的半径的距离中的最小值，若所述的最小值小于等于安全距离，则由云端处理器返回某一端点与另一塔式起重机的半径相碰撞的解析结果。

计算端点与另一塔式起重机的半径之间是否存在垂足点的方法具体如下：分别计算每个端点与另一塔式起重机的任一端点所构成的相连及另一塔式起重机的两个端点所构成的向量之间的内积，若内积小于零，则存在垂足点；若没有任一内积大于零，则判断存在垂足点。

若所述的最小值大于安全距离，则再分别计算两个塔式起重机的外端点之间的距离及外端点至另一塔式起重机的圆心之间的距离，并取其中的最小值为距离最小值，再与安全距离相比较，若存在小于安全距离的距离最小值，则由云端处理器返回分别代表两个塔式起重机的端点相互碰撞的解析结果。

所述的方法还包括运动补偿方法，当当前位置信息无法获知时，根据最后获得的运动信息，进行当前位置的计算，所述的运动信息包括时间戳、与时间戳相对应的角速度以及与时间戳相对应的位置；当当前位置的角速度无法获知时，则取最后获得的角速度为默认值，进行运动补偿；或者使角速度由最后获得的角速度匀速递减至零。

本发明还涉及一种用于所述的塔式起重机的实时监测预警方法的实时监测预警系统，包括：用于实时采集塔式起重机的各项参数的传感器组件，所述的传感器组件包括旁压式传感器和位置采集设备；用于将传感器组件所实时采集的各项参数传输至云端处理器的通讯组件；用于依据各项参数进行处理，以获得处理结果，并将处理结果传输至移动终端的云端处理器，其中，依据各项参数进行的处理包括基于旁压式传感器的力矩测量和三维防碰撞处理；用于可视化地展示所述的处理结果的移动终端。

本发明同现有技术相比，组合结构简单可行，各类传感器易于安装与拆卸，其优点在于：由感器组件实时采集塔式起重机的各项参数，经云端处理器统一处理后，由移动终端进行可视化展示，便于现场管理人员和操作人员以及后台管理人员方便地全面了解和监控施工现场的运行状况，且当发生安全隐患时，还能由移动终端发出提示；优选地，还对塔式起重机进行标定测试，通过曲线拟合获得若干连续区段的塔式起重机的起吊重量与旁压式传感器的输出值之间的关系曲线，从而通过所述的关系曲线对起吊重量进行表征，可靠性高于直接采用传感器直接获取起吊重量，且互换性好，解决了直接获取起吊重量时传感器易于损坏的问题；优选地，还通过位置采集设备获取位置信息、通过云端处理器进行数据处理并通过处理终端进行反馈，整个防碰撞方法条理清晰，通过对数据处理方法的独创性设计，实现了运算简便、处理快捷的防碰撞方法，并且能精确判断塔式起重机之间的具体碰撞情况和位置，有助于及时有效地对塔式起重机的运作进行调整，并防止安全事故的发生。

附图说明

图1是本发明中二维防碰撞方法的流程示意图；

图2是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(1)；

图3是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(2)；

图4是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(3)；

图5是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(4)；

图6是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(5)；

图7是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(6)；

图8是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(7)；

图9是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(8)；

图10是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(9)；

图11是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(10)；

图12是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(11)；

图13是本发明跨立实验中两个轨迹圆之间的具体位置关系的示意图(12)；

图14是存在垂足点时的示意图；

图15是不存在垂直点时的示意图；

图16是本发明的三维防碰撞方法的流程示意图；

图17是两个塔式起重机的纵向状态示意图(1)；

图18是两个塔式起重机的纵向状态示意图(2)；

图19是两个塔式起重机的纵向状态示意图(3)；

图20是两个塔式起重机的纵向状态示意图(4)；

图21是两个塔式起重机的纵向状态示意图(5)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种方法及设备的原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施方式提供一种塔式起重机的实时监测预警系统，其包括：传感器组件，用于实现各项参数的实时采集；通讯组件，用于接收传感器组件所实时采集的各项参数，并将各项参数传输至云端处理器；云端处理器，用于接收通讯组件传输的各项参数，并依据各项参数进行处理，以获得处理结果；移动终端，用于接收云端处理器所传输的各项参数及数据处理结果，并可视化地展示所述的处理结果。

其中，所述的传感器组件，包括旁压式传感器、位置采集设备、陀螺仪和磁场传感器等，用于实施采集塔式起重机的各项参数，所述的各项参数包括旁压式传感器的输出值、当前位置、回转角等。

所述的通讯组件可以优选地采用本申请申请人于我国专利公开号：CN107357251A中所公开的IOT装置，在每台塔式起重机的控制器上设有所述的IOT装置及与IOT装置信号相连的传感器组件，若干所述的IOT装置之间通过局域通讯设备的Zigbee无线通讯技术实现信息传输并将数据信息汇总至一台作为主机的IOT装置上，所述的作为主机的IOT装置与云端处理器通过4G网络信号相连，云端处理器将数据信息编译后输出至移动终端。所述的通讯组件则包括局域通讯设备和远程通讯设备，一个区域的所有IOT装置之间可以通过免费且低功耗的局域通讯设备传送数据，最终将所有数据整合后再由一台作为主机的IOT装置通过远程通讯设备发送到服务器，节省资费和通讯资源。并且所述的IOT设备还能进行主从模式切换和与塔式传感器的控制器进行数据读发，实现这些功能的结构和方法已在申请人的在先申请中详述，此处不再多做赘述。

所述的云端处理器，用于接收通讯组件传输的各项参数，并统一进行相关处理，所述的各项参数，例如构建二维平面地图，并依据每台塔式起重机的当前位置在二维平面地图上标注出每台塔式起重机的位置，包括塔式起重机塔臂外端的位置、塔式起重机的最高端的高度等，且还能包括塔式起重机的旋转中心的位置、塔式起重机的吊绳的底端的高度等，并且优选地，还能标注出塔式起重机的轨迹圆的范围，例如通过区别于二维平面地图底色的颜色标记出每台塔式起重机的轨迹圆的范围，从而可视化地展示塔式起重机的当前状态。又如，根据本申请申请人在其在先申请：CN110081879A中公开的检测回转的方法，通过陀螺仪和磁场传感器所采集的参数，进行回转角的检测。

所述的移动终端，包括智能手机、平板、手表等，其具有一显示器用于对相关参数、及云端处理器的处理结果进行可视化显示，例如对前述的二维平面地图进行可视化显示。并且，其还能包含警报器，在现场发出警报或向相关人员发出消息提示，又或者，移动终端也可与塔式起重机的控制器信号相连，在发生碰撞危险或超重危险时，直接控制塔式起重机停止运作。

而本实施方式所提供的塔式起重机的实时监测预警方法，则主要包括基于旁压式传感器的力矩测量方法和三维防碰撞方法，而用于实现该方法的设备包括用于实时采集塔式起重机的塔臂外端的位置的位置采集设备，用于对任意两个塔式起重机进行碰撞解析、进行力矩测量处理、返回解析结果和力矩测量结果至移动终端的云端处理器，用于将解析结果和力矩测量结果进行展现的移动终端，以下对所述的方法进行介绍。

对于力矩测量方法，需要将所述的旁压式传感器设置于塔式起重机的起吊钢丝绳上，用于测量钢丝绳上张力导致的传感器本身微小形变，但旁压式传感器输出的是无量纲数据，且具备非线性特点，一般应用中仅用于阈值报警，无法直接用于精确计算力矩，因此还需要对其进行标定测试，在标定测试中记录塔式起重机无载重时的旁压式传感器的输出值和若干不同起吊重量时旁压式传感器的输出值，以获得若干旁压式传感器的输出值与塔式起重机的起吊力重量之间的对应关系，从而通过曲线拟合获得若干连续区段的塔式起重机的起吊重量与旁压式传感器的输出值之间的关系曲线，进而通过所述的关系曲线对起吊重量进行表征。

其具体包括如下步骤，其中测量和校准两步为标定测试的过程，转换和计算两步为根据标定测试获得的结果进行相关力矩值的换算过程。

1)测量

将旁压式传感器安装于塔式起重机主起重钢丝的固定端，由于钢丝绳存在因重物拉扯产生的张力，将产生输出信号，此信号通过采样后以无量纲数字形式输出，其数值记为k。

2)校准

i.将塔式起重机挂钩空置悬挂，记录此时的输出值为k₀。

ii.在默认倍率下，令塔式起重机吊起重量为m₁的重物，记录此时的输出值k₁。

iii.通过点(0，k₀)与(m₁，k₁)可得一条直线，其方程为：

将x记作f(y)，则可得关于y的函数。此函数的输入变量y为传感器的输出值k，函数值即为重量m。

iv.令塔式起重机继续起吊重量为m₂、m₃、……、m_n的重物，记录对应的输出值k₂、k₃、……、k_n。

v.为了方便描述，此处假定一系列重量m₁～m_n是单调递增的。实际可以通过排序的方式使得序列满足此要求，即并不需要严格按照重量的大小顺序进行起吊，只需后续在数据统计时进行排序即可。

vi.对于每一组相邻点(m_p，k_p)与(m_p+1，k_p+1)，参考iii.均可得到一条对应的直线，与对应的函数f_p(y)。

3)转换

i.在实际使用时，对于传感器输出的传感值k，首先查询其落在哪一个区间[kp，kp+1)内。之后，取对应函数f_p(y)，带入k，则得到重量值m＝f_p(k)。

ii.若k值大于前述校准过程中记录的最大值k_max，则取与最大值对应的函数进行计算。

4)计算

i.通过c)中的方式，得到重量值m。将塔式起重机的变幅值记为l，当前倍率记为j，则通过以下公式可以计算出当前塔式起重机的力矩值。默认倍率时令j＝1。单位为千克·米。

F＝j·m·l

ii.通过塔机生产商提供的数据，可得任意型号塔机的额定最大力矩F_max。则最终可得当前力矩百分比n为：

由此即完成了力矩测量步骤，根据力矩测量的结果，可以得知塔式起重机当前的起吊力矩负载，当起吊力矩超重或接近额定最大力矩时，则由云端处理器触发处理终端进行报警或通知操作者或停止塔式起重机的运行。

旁压式传感器具备成本低廉、安装方便的优势，通过本实施方式所提出的方式，可以提升旁压式传感器用于直接测量力矩的精度，将其提升至满足实际应用需求水平，且校正次数越多，则精度越高，最少仅需二次校正。

参见图16，以下对塔式起重机的三维防碰撞方法进行解释说明，三维防碰撞方法是依次对任意两个塔式起重机进行碰撞解析，从而实现所有塔式起重机之间的碰撞解析。塔式起重机在运行过程中，塔臂以回转塔架为旋转中心进行旋转，以移动吊起的重物，即在二维平面上，塔式起重机的活动范围，实际是以回转塔架的中心为圆心，以塔臂最远端与回转塔架的中心之间的距离为半径而形成的圆。故而，在本实施方式中设定塔式起重机的塔臂最远端与塔式起重机的回转塔架的中心的连线为塔式起重机的半径，设定塔式起重机的塔臂的最远端以回转塔架的中心为圆心旋转一周的轨迹为塔式起重机的轨迹圆，而两个塔式起重机的圆心距则是指两个塔式起重机的回转塔架的中心在水平面上的投影之间的距离，塔式起重机的圆心的位置可以实现设定或者通过设置位置采集设备获得，而塔式起重机的半径的外端的位置可以通过设置在半径外端处的位置采集设备获得，对塔式起重机的半径的碰撞解析即相当于对塔臂的碰撞解析。

并且，对于任意的两个塔式起重机，以其中一个为第一塔式起重机，而另一个为第二塔式起重机，设H1为第一塔式起重机的高度，L1为第一塔式起重机的吊绳的长度，H2为第二塔式起重机的高度，L2为第二塔式起重机的吊绳的长度，A为安全高度，其中A为根据实际情况的事先设定值，而H1、H2、L1、L2可以在每次施工前根据选用设备的不同和选用的吊绳长度进行设定，优选地可以在塔式起重机顶端及吊绳的底端的吊钩位置处或者在被起吊的物料处分别设置位置采集设备或其他高度传感器以实时获取其高度。

参见图17和图18，当H1-L1-A>H2或H2-L2-A>H1时，只有可能是塔式起重机的塔身和塔式起重机的半径相碰撞，根据简单的距离计算即可判断。

具体而言，当H1-L1-A>H2并且两个塔式起重机的圆心距等于第二塔式起重机的半径时，进一步计算第二塔式起重机的半径外端与第一塔式起重机的圆心之间的距离是否小于等于安全距离，若不符合，则由云端处理器返回值9，表示没有碰撞；若符合，则由云端处理器返回值-7，表示第二塔式起重机的半径外端会与第一塔式起重机的塔身相碰撞。其中，第二塔式起重机的半径外端与第一塔式起重机的圆心之间的距离是指第二塔式起重机的半径外端在水平面的投影与第一塔式起重机的圆心在水平面的投影之间的距离。

当H1-L1-A>H2并且两个塔式起重机的圆心距小于第二塔式起重机的半径时，则进一步计算第一塔式起重机的圆心到第二塔式起重机的半径外端的距离是否小于等于安全距离，若不符合，则由云端处理器返回值9，表示没有碰撞；若符合，则由云端处理器返回值6，表示第一塔式起重机的塔身会与第二塔式起重机的半径相碰撞。

当H2-L2-A>H1并且两个塔式起重机的圆心距等于第一塔式起重机的半径时，进一步计算第一塔式起重机的半径外端与第二塔式起重机的圆心之间的距离是否小于等于安全距离，若不符合，则由云端处理器返回值9，表示没有碰撞；若符合，则由云端处理器返回值-10，表示第一塔式起重机的半径外端会与第二塔式起重机的塔身相碰撞。其中，第二塔式起重机的半径外端与第一塔式起重机的圆心之间的距离是指第二塔式起重机的半径外端在水平面的投影与第一塔式起重机的圆心在水平面的投影之间的距离。

当H2-L2-A>H1并且两个塔式起重机的圆心距小于第一塔式起重机的半径时，则进一步计算第二塔式起重机的圆心到第一塔式起重机的半径外端的距离是否小于等于安全距离，若不符合，则由云端处理器返回值9，表示没有碰撞；若符合，则由云端处理器返回值8，表示第二塔式起重机的塔身会与第一塔式起重机的半径相碰撞。

参见图19，当H1＝H2时，则直接进行二维平面的防碰撞运算即可。

所述的二维平面的防碰撞运算包括如下步骤：

步骤a.判断当前两个塔式起重机的半径是否相交，若相交，则由云端处理器返回正处于碰撞状态的解析结果；若不相交，则进行步骤b。

步骤b.计算两个塔式起重机所构成的轨迹圆的位置关系，并由云端处理器根据两个塔式起重机的轨迹圆的位置关系返回解析结果。

本实施方式中对其进行具体示例如下：

结合图1，在进行二维平面的防碰撞计算时，首先，要获取每个塔式起重机的半径在水平面中所处的位置。例如，本实施方式中通过位置采集设备实时获取每个塔式起重机的塔臂外端在水平面内的投影位置坐标，而对于回转塔架的中心在水平面中所处的位置坐标，由于塔式起重机架设后，回转塔架的中心的位置是固定的，因此只需架设完成后进行一次检测并记录其位置即可，当然也可以专门设置位置采集设备以实时获取其位置。从而获取了每个塔式起重机的半径两端的坐标，也即获取了半径的位置，而位置采集设备可以通过GPS或北斗定位设备或其他的具有定位功能的设备实现。而在其他实施方式中，位置采集设备还采用方位角传感器，由于塔臂的长度及回转塔架的中心的位置是固定的，只需根据塔臂的回转角度即能确定塔式起重机的塔臂的外端所处的位置。

在完成对塔式起重机的半径在水平面中所处的位置的实时采集之后，需要判断两个塔式起重机的半径是否相交。在本实施方式中，采用依次进行的两个步骤对其进行判断，若计算出两个塔式起重机的半径相交，则通过云端处理器返回值-1，代表目前两个塔式起重机正处于碰撞状态；若不相交，则据需进行后续处理流程，具体的判断方法为：

步骤a1.快速排斥算法；

步骤a2.跨立算法。

其中，所述的快速排斥算法是指，对于两个塔式起重机的半径，通过云端处理器计算每个塔式起重机的半径在当前所处位置所达到的最大的横坐标和最大的纵坐标，是否分别小于另一个塔式起重机的半径在当前所处位置所达到的最小的横坐标和最小的纵坐标的数值。例如，塔式起重机的半径的两个端点必然是横坐标、纵坐标所能达到最大和最小的位置，即回转塔架的中心的位置和塔臂最远端的位置，即为横坐标、纵坐标所能达到最大和最小的位置，因此，只需通过云端处理器分别判断每个塔式起重机的回转塔架的中心和塔臂最远端两者中较大的横坐标是否小于另一个塔式起重机的回转塔架的中心和塔臂最远端两者中较小的横坐标，以及每个塔式起重机的回转塔架的中心和塔臂最远端两者中较大的纵坐标是否小于另一个塔式起重机的回转塔架的中心和塔臂最远端两者中较小的纵坐标即可。若上述判断有一个为真，则代表两个塔式起重机的半径必然不相交，否则，则需要进行第二步的计算。

而跨立算法则是对每一个塔式起重机的半径的两个端点，判断两个端点是否位于另一个塔式起重机的半径的两侧，即两个塔式起重机的半径是否相交。本实施方式中采用叉乘实现该判断，其原理如下：设一个矢量为P＝(x1,y1)，另一个矢量为Q＝(x2,y2)，则计算两者的矢量叉积：P×Q＝x1*y2-x2*y1，得到一个矢量结果，为PQ向量所在平面的法向量，显然有性质P×Q＝-(Q×P)和P×(-Q)＝-(P×Q)，从而可以通过矢量结果的符号判断两矢量相互之间的顺逆时针关系：

若P×Q>0，则P在Q的顺时针方向。

若P×Q<0，则P在Q的逆时针方向。

若P×Q＝0，则P与Q共线，但可能同向也可能反向。

因此，设一个塔式起重机的半径的两个端点分别为点A和点B，另一个塔式起重机的半径的两个端点分别为点C和点D，那么，只需构建两个分别由一个塔式起重机的半径的两个端点至另一个塔式起重机的半径的同一端点的判断向量和由另一个塔式起重机的两个端点所构成的半径向量，而后判断该两个判断向量与另一个塔式起重机的半径向量的叉乘乘积是否同号即可，例如本实施方式中以向量AC和向量BC为两个判断向量，以向量CD为半径向量，则只需判断向量AC与向量CD的乘积和向量BC与向量CD的乘积是否同号即可：若异号或任意叉乘乘积的结果为0时，则表明两个塔式起重机的半径相互跨立，则判断其为相交，若同号，则说明目前两个塔式起重机的半径未相交。

若两个塔式起重机的半径未相交，则通过云端处理器，根据两个塔式起重机的半径及圆心距离进一步对两个塔式起重机的轨迹圆的具体位置关系进行计算。将两个塔式起重机的轨迹圆分别称为第一轨迹圆和第二轨迹圆，第一轨迹圆的半径为R1，第二轨迹圆的半径为R2，两个轨迹圆的圆心距为d，R1、R2和d可以通过位置采集设备获取，也可在位置采集设备获取各点坐标后由云端处理器自行运算获得，而且由于每个塔式起重机的半径值是可以实现确定的，R1和R2的值也可以由工程人员事先获得的相关数据直接设定，则所有的两个塔式起重机的轨迹圆之间的具体位置关系如下所示：

(1)参见图2，两个轨迹圆相离，则满足下列条件：R1+R2<d。

(2)参见图3，两个轨迹圆相切，则满足下列条件：R1+R2＝d。

(3)参见图4，两个轨迹圆相交，但两个轨迹圆的半径均不会与另一轨迹圆的圆心相接触，则同时满足下列条件：R1+R2>d；|R1-R2|<d；R1<d；R2<d。

(4)参见图5，两个轨迹圆相交，且第一轨迹圆的半径会与第二轨迹圆的圆心相接触，则同时满足下列条件：R1+R2>d；|R1-R2|<d；R1>＝d；R2<d。

(5)参见图6，两个轨迹圆相交，且第二轨迹圆的半径会与第一轨迹圆的半径接触，则同时满足下列条件：R1+R2>d；|R1-R2|<d；R1<d；R2>＝d。

(6)参见图7，两个轨迹圆相交，且第一轨迹圆的半径会与第二轨迹圆的圆心相接触，第二轨迹圆的半径也会与第一轨迹圆的半径接触，则同时满足下列条件：R1+R2>d；|R1-R2|<d；R1>＝d；R2>＝d。

(7)参见图8，第二轨迹圆内切于第一轨迹圆，则同时满足下列条件：R1+R2>d；R1-R2＝d。

(8)参见图9，第一轨迹圆内切于第二轨迹圆，则同时满足下列条件：R1+R2>d；R2-R1＝d。

(9)参见图10，第二轨迹圆包含第一轨迹圆，即第一轨迹圆位于第二轨迹圆内，且第一轨迹圆的半径不会与第二轨迹圆的圆心相接触，则同时满足下列条件：R1+R2>d；|R1-R2|>d；R1<d；R2>d。

(10)参见图11，第二轨迹圆包含第一轨迹圆，且第一轨迹圆的半径会与第二轨迹圆的圆心相接触，则同时满足下列条件：R1+R2>d；|R1-R2|>d；R1<R2；R1>＝d；R2>d。

(11)参见图12，第一轨迹圆包含第二轨迹圆，即第二轨迹圆位于第一轨迹圆内，且第二轨迹圆的半径不会与第一轨迹圆的圆心相接触，则同时满足下列条件：R1+R2>d；|R1-R2|>d；R1>d；R2<d。

(12)参见图13，第一轨迹圆包含第二轨迹圆，且第二轨迹圆的半径会与第一轨迹圆的圆心相接触，R1+R2>d；|R1-R2|>d；R1>R2；R1>d；R2>＝d。

由此，可以通过上述条件，对两个塔式起重机的轨迹圆之间的具体位置关系分别进行计算。而在本实施方式中，则采用一种更为特殊的方式，即只计算两个塔式起重机的轨迹圆是否相离或者相切，而不对其余的具体位置关系进行计算。若根据以上(1)项的条件，求得两个塔式起重机的轨迹圆相离，则云端处理器返回值0，代表两个塔式起重机不会碰撞；若根据以上(2)项的条件，求得两个塔式起重机的轨迹圆相切，则进一步计算当前两个塔式起重机的半径的外端点之间的距离是否小于等于安全距离，若是，则由云端处理器返回值-2，代表两个塔式起重机的半径的外端点会碰撞，若否，则有云端处理器返回值0，代表两个塔式起重机不会碰撞；若均不符合以上(1)、(2)两项的条件，则认为两个塔式起重机的轨迹圆处于其他状态，并进行下述操作。其中，对于安全距离，可以根据现场实际需求在云端处理器后台单独设置，通常的设定值的区域范围为0～10米。

若经前述计算，求出两个塔式起重机的轨迹圆既不相离，也不相切，则进一步计算每一塔式起重机的半径的两个端点至另一塔式起重机的半径的距离。具体而言，其包括如下两个步骤：

首先计算端点与另一塔式起重机的半径之间是否存在垂足点；

若存在垂足点，则计算该端点到另一塔式起重机的半径的距离；若不存在垂足点，则将该端点到另一塔式起重机的半径的距离设置为无穷大。

其中，见图14，若由点向线段所在的直线作垂线，垂线与线段相交，则定义其存在垂足点；见图15，若垂线与线段不相交，即相交点在线段的延长线上，则定义其不存在垂足点。而计算端点与另一塔式起重机的半径之间是否存在垂足点的方法具体如下：端点和另一塔式起重机的半径的两个端点之间的连线形成两个夹角，通过云端处理器或者位置采集设备计算两个夹角是否为钝角，如果其中一个夹角为钝角，即判断不存在垂足点；如果没有任一夹角为钝角，则判断存在垂足点。而是否为钝角还可以根据夹角的余弦值判断，若夹角余弦值为负则为钝角，为0或正则为直角或锐角，而夹角余弦值可以通过向量内积来计算。例如，同样如上述，设一个塔式起重机的半径的两个端点分别为点A和点B，另一个塔式起重机的半径的两个端点分别为点C和点D，则点A与另一个塔式起重机的半径的余弦值可以通过向量AC和向量DC的内积来求得。

取分别求得的四个端点到另一塔式起重机的半径的距离中的最小值，若该最小值小于等于安全距离，则根据该最小值所对应的内容，则云端处理器返回值1或2或3或4，分别代表某一端点与另一塔式起重机的半径碰撞。具体地，当R1的外端到第二塔式起重机的半径的距离为最小值且小于等于安全距离时，则返回值1；当R1的内端到第二塔式起重机的半径的距离为最小值且小于等于安全距离时，则返回值2；当R2的外端到第一塔式起重机的半径的距离为最小值且小于等于安全距离时，则返回值3；当R2的内端到第一塔式起重机的半径的距离为最小值且小于等于安全距离时，则返回值4。

若该最小值大于安全距离，则再分别计算两个塔式起重机的外端点之间的距离及外端点至另一塔式起重机的圆心之间的距离，并取其中的最小值为距离最小值，再与安全距离相比较，若存在小于安全距离的距离最小值，则根据该距离最小值所对应的内容，云端处理器返回-2或-3或-4，分别代表两个塔式起重机的外端点相互碰撞、第一塔式起重机的外端点与第二塔式起重机的圆心相碰撞和第二塔式起重机的外端点与第一塔式起重机的圆心相碰撞。具体地，若两个塔式起重机的外端点之间的距离为最小值且小于等于距离最小值，则返回值-2；若第一塔式起重机的外端点至第二塔式起重机的圆心之间的距离为最小值且小于等于距离最小值，则返回值-3；若第二塔式起重机的外端点至第一塔式起重机的圆心之间的距离为最小值且小于等于距离最小值，则返回值-3。

参见图20，而当H1-L1-A≤H2并且H1>H2时，则以第一塔式起重机的变幅作为第一塔式起重机的半径，进行二维平面的防碰撞运算。参见图21，当H2-L2-A≤H1并且H2>H1时，则以第二塔式起重机的变幅作为第二塔式起重机的半径，进行二维平面的防碰撞运算。其中，变幅是指塔式起重机的吊绳底端在水平面上的投影和塔式起重机的旋转中心在水平面上的投影相连所得的线段。由于当采用变幅作为半径进行防碰撞运算时，变幅的中段实际上是不存在的，因此，半径中段相碰撞的情况应当输出返回值为无碰撞，即当求得变幅的中段与另一塔式起重机相交的情况时应返回无碰撞的返回值。

具体而言，当采用变幅作为半径进行二维平面的防碰撞运算时，在步骤a中，只有当以另一塔式起重机的半径为半径向量时，且获得的叉乘乘积结果为0时，才表明变幅与另一塔式起重机的半径相交，否则均认为不相交；在步骤b中，若第二塔式起重机是以变幅作为半径进行二维平面的防碰撞运算时，当R1的外端到第二塔式起重机的半径的距离为最小值且小于等于安全距离时或者当R1的内端到第二塔式起重机的半径的距离为最小值且小于等于安全距离时，则返回值9；若第一塔式起重机是以变幅作为半径进行二维平面的防碰撞运算时，当R2的外端到第一塔式起重机的半径的距离为最小值且小于等于安全距离时，或当R2的内端到第一塔式起重机的半径的距离为最小值且小于等于安全距离时，同样返回值9。这些情况均是塔式起重机的端点与另一塔式起重机的变幅的中段相交的情况，因此需要进行排除。

而根据云端处理器返回值，可以得知两个塔式起重机之间的碰撞情况，并可通过警报器或其他设备进行相应提示，对于云端处理器的返回值，总结如下：

0，9：表示没有碰撞可能；

-10：表示R1外端有碰撞第二塔式起重机的塔身的可能；

-9：表示第二塔式起重机的承吊物(包括吊绳)有碰撞第一塔式起重机圆心的可能；

-8：表示第二塔式起重机的承吊物(包括吊绳)有碰撞R1外端点的可能；

-7：表示R2外端点有碰撞第一塔式起重机的塔身的可能；

-6：表示第一塔式起重机的承吊物(包括吊绳)有碰撞第二塔式起重机圆心的可能；

-5：表示第一塔式起重机的承吊物(包括吊绳)有碰撞R2外端点的可能；

-4：表示R2外端点有碰撞R1圆心的可能；

-3：表示R1外端点有碰撞R2圆心的可能；

-2：表示R1外端点有碰撞R2外端点的可能；

-1：表示第一塔式起重机和第二塔式起重机正处在碰撞状态；

1：表示R1的外端点有碰撞R2的可能；

2：表示R1的圆心有碰撞R2的可能；

3：表示R2的外端点有碰撞R1的可能；

4：表示R2的圆心有碰撞R1的可能；

5：表示第一塔式起重机的承吊物(包括吊绳)有碰撞R2的可能；

6：表示第一塔式起重机的塔身有碰撞R2的可能；

7：表示第二塔式起重机的承吊物(包括吊绳)有碰撞R1的可能；

8：表示第二塔式起重机的塔身有碰撞R1的可能；

其中，返回值为负属于点和点的碰撞类型，返回值为正则属于点和线段的碰撞类型。由此，通过本实施方式的防碰撞方法，还能具体确定两个塔式起重机之间的碰撞类型，由此后续能更好地对塔式起重机的运行进行调整。

此外，当由于通讯数据的丢失而导致当前位置信息不存在从而无法估计碰撞情况时，就需要对当前的位置信息进行运动补偿，因此还需要在塔式起重机上设置角速度传感器等设备以获取相关运动信息，而后根据最后一次获得的运动信息，包括获取数据时候的时间戳和与时间戳相对应的角速度以及与时间戳相对应的位置方向角等，根据这些运动信息预估当前的位置方位角和坐标。

而当当前位置的角速度由于通讯问题而没有获取到时，则取最后一次获得的角速度作为默认值，即角速度保持不变；当然出于安全问题，也可以让角速度匀速递减至零。

Claims (8)

1.一种塔式起重机的实时监测预警方法，其特征在于：

通过传感器组件实时采集塔式起重机的各项参数，所述的传感器组件包括旁压式传感器和位置采集设备；

通过通讯组件将传感器组件所实时采集的各项参数传输至云端处理器；

通过云端处理器依据各项参数进行处理，以获得处理结果，并将处理结果传输至移动终端；

通过移动终端可视化地展示所述的处理结果；

其中，依据各项参数进行的处理包括基于旁压式传感器的力矩测量和三维防碰撞处理；

所述的基于旁压式传感器的力矩测量通过下述步骤实现：对塔式起重机进行标定测试，记录塔式起重机无载重时的旁压式传感器的输出值和若干不同起吊重量时旁压式传感器的输出值，以获得若干旁压式传感器的输出值与塔式起重机的起吊力重量之间的对应关系，从而通过曲线拟合获得若干连续区段的塔式起重机的起吊重量与旁压式传感器的输出值之间的关系曲线，进而通过所述的关系曲线对起吊重量进行表征；

在通过关系曲线由旁压式传感器的输出值求得起吊重量后，通过以下公式计算出当前塔式起重机的力矩值：

式中，F为当前塔式起重机的力矩值，j为当前倍率，m为起吊重量，l为变幅值；

所述的三维防碰撞处理通过下述步骤实现：通过位置采集设备实时采集塔式起重机的塔臂外端的位置，并通过处理器对任意两个塔式起重机进行碰撞解析，并返回解析结果至处理终端，所述的碰撞解析具体包括如下步骤：

当H1-L1-A>H2或H2-L2-A>H1时，通过距离计算解析第一塔式起重机和第二塔式起重机是否碰撞；

当H1=H2时，则进行二维平面的防碰撞运算；

当H1-L1-A≤H2并且H1>H2时，则以第一塔式起重机的变幅作为第一塔式起重机的半径，进行二维平面的防碰撞运算；

当H2-L2-A≤H1并且H2>H1时，则以第二塔式起重机的变幅作为第二塔式起重机的半径，进行二维平面的防碰撞运算；

其中，H1为第一塔式起重机的高度，L1为第一塔式起重机的吊绳的长度，H2为第二塔式起重机的高度，L2为第二塔式起重机的吊绳的长度，A为安全高度；

所述的二维平面的防碰撞运算包括如下步骤：

步骤a. 判断当前两个塔式起重机的半径是否相交，若相交，则由处理器返回正处于碰撞状态的解析结果；若不相交，则进行步骤b；

步骤b.计算两个塔式起重机所构成的轨迹圆的位置关系，并由处理器根据两个塔式起重机的轨迹圆的位置关系返回解析结果。

2.如权利要求1所述的一种塔式起重机的实时监测预警方法，其特征在于，所述的步骤a具体包括：

步骤a1.快速排斥算法，若快速排斥算法的结果有一个为真，则代表两个塔式起重机的半径必然不相交；

步骤a2.跨立算法；

所述的快速排斥算法是指，对于两个塔式起重机的半径，通过处理器计算每个塔式起重机的半径在当前所处位置所达到的最大的横坐标和最大的纵坐标，是否分别小于另一个塔式起重机的半径在当前所处位置所达到的最小的横坐标和最小的纵坐标的数值；

若经过快速排斥算法，没有任一结果为真，则需要进行步骤a2的处理，即构建两个分别由一个塔式起重机的半径的两个端点至另一个塔式起重机的半径的同一端点的判断向量和由另一个塔式起重机的两个端点所构成的半径向量，而后判断判断向量与另一个塔式起重机的半径向量的叉乘乘积，若两个叉乘乘积的结果同号，则说明目前两个塔式起重机的半径未相交；若异号或任意叉乘乘积的结果为0，则说明两个塔式起重机的半径正在碰撞，则由处理器返回正处于碰撞状态的解析结果。

3.如权利要求1所述的一种塔式起重机的实时监测预警方法，其特征在于，所述的步骤b具体包括：

若两个塔式起重机的轨迹圆相离，则处理器返回不会碰撞的解析结果；

若两个塔式起重机的轨迹圆相切，则进一步计算当前两个塔式起重机的塔臂的外端点之间的距离是否小于等于安全距离，若是，则由处理器返回会碰撞的解析结果；若否，则由处理器返回不会碰撞的解析结果；

若两个塔式起重机的轨迹圆不相切也不相离，则进一步计算每一塔式起重机的半径的两个端点至另一塔式起重机的半径的距离，并根据距离与安全距离的比较结果由处理器返回解析结果。

4.如权利要求3所述的一种塔式起重机的实时监测预警方法，其特征在于，设一个塔式起重机的轨迹圆为第一轨迹圆，另一塔式起重机的轨迹圆为第二轨迹圆，第一轨迹圆的半径为R1，第二轨迹圆的半径为R2，两个轨迹圆的圆心距为d，R1、R2和d的长度通过位置采集设备获取，并由处理器通过下述条件判断两个轨迹圆是否相离或相切：

两个轨迹圆相离，则满足下列条件：R1+R2<d；

两个轨迹圆相切，则满足下列条件：R1+R2=d。

5.如权利要求3所述的一种塔式起重机的实时监测预警方法，其特征在于，若两个塔式起重机的轨迹圆不相切也不相离，则首先计算塔式起重机的两个端点与另一塔式起重机的半径之间是否存在垂足点，若存在垂足点，则计算该端点到另一塔式起重机的半径的距离；若不存在垂足点，则将该端点到另一塔式起重机的半径的距离设置为无穷大；

取分别求得的四个端点到另一塔式起重机的半径的距离中的最小值，若所述的最小值小于等于安全距离，则由处理器返回某一端点与另一塔式起重机的半径相碰撞的解析结果；

计算端点与另一塔式起重机的半径之间是否存在垂足点的方法具体如下：分别计算每个端点与另一塔式起重机的任一端点所构成的向量及另一塔式起重机的两个端点所构成的向量之间的内积，若内积小于零，则存在垂足点；若没有任一内积大于零，则判断存在垂足点。

6.如权利要求5所述的一种塔式起重机的实时监测预警方法，其特征在于，若所述的最小值大于安全距离，则再分别计算两个塔式起重机的外端点之间的距离及外端点至另一塔式起重机的圆心之间的距离，并取其中的最小值为距离最小值，再与安全距离相比较，若存在小于安全距离的距离最小值，则由处理器返回分别代表两个塔式起重机的端点相互碰撞的解析结果。

7.如权利要求1所述的一种塔式起重机的实时监测预警方法，其特征在于所述的方法还包括运动补偿方法，

当当前位置信息无法获知时，根据最后获得的运动信息，进行当前位置的计算，所述的运动信息包括时间戳、与时间戳相对应的角速度以及与时间戳相对应的位置；

当当前位置的角速度无法获知时，则取最后获得的角速度为默认值，进行运动补偿；或者使角速度由最后获得的角速度匀速递减至零。

8.一种用于如权利要求1所述的塔式起重机的实时监测预警方法的实时监测预警系统，其特征在于包括：

用于实时采集塔式起重机的各项参数的传感器组件，所述的传感器组件包括旁压式传感器和位置采集设备；

用于将传感器组件所实时采集的各项参数传输至云端处理器的通讯组件；

用于依据各项参数进行处理，以获得处理结果，并将处理结果传输至移动终端的云端处理器，其中，依据各项参数进行的处理包括基于旁压式传感器的力矩测量和三维防碰撞处理；

用于可视化地展示所述的处理结果的移动终端。

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