CN112785210A - 基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法 - Google Patents

基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法,属于智能物联装备设计与建造技术领域，为超前定量预测吊装过程中散落物体的空间坠落区域并及时预警，以多种传感器数据融合、利用不等式方法求解包络位移、声光报警相结合为技术手段，以布设传感器、构建吊装坠落风险预警网络系统、数据采集与传输、计算吊装坠落包络位移、计算落区角点坐标、吊装坠落风险报警为实施步骤，实时推算料斗内物体斜抛落地的落区范围，使用灯光投射、声音提示的方法对坠落风险进行标记，可以为地面上的人员、设备提供实时的坠落风险区域可视化标记和考虑风向影响的坠落方向预警信息。

Description

基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法
技术领域
本发明涉及智能物联装备设计与建造技术领域，具体而言，涉及一种基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法。
背景技术
一种缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警系统（公开号：CN109697487A，公开日期：2019-04-30）介绍了一种依次通过设备信号采集、构建三维模型仿真、阈值确定和预警的系统架构，没有给出预警判定的具体算法。
一种在线缆机吊罐与仓面施工机械风险冲突预警方法（公开号：CN109584504A，公开日期：2019-04-05）在考虑风荷载的条件下给出了吊装危险区范围的计算方法，并结合定位传感器提出了预警方法，但对物体散落的情况不适用。
桥式起重机危险区域范围动态调整方法及系统（公开号：CN111196560A，公开日期：2020-05-26）介绍了一种根据实测数据获取运行速度和危险区域面积间经验公式，从而动态得出危险区域范围的方法，缺少寻找经验公式方程的过程叙述，且对物体散落的情况不适用。
吊装风险预警方法及装置（公开号：CN107403275A，公开日期：2017-11-28）介绍了一种根据监控信息在虚拟三维模型中进行测量和判断吊装风险的方法，没有给出预警判定的具体算法。
一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统及其工作方法（公开号：CN103523676A，公开日期：2014-01-22）根据定位和测距传感器读数来判定风险，对物体散落的情况不适用。
起重吊装工程危险源识别与体验区及其建设方法（公开号：CN105913716A，公开日期：2016-08-31）介绍了一种多类型起重设备识别与体验区的建设方法，没有给出预警判定的具体算法。
融合D-GPS与RFID的缆机吊罐致灾风险预警方法（公开号：CN108154646A，公开日期：2018-06-12）介绍了将吊物坠落按照抛物线运动轨迹计算，结合定位传感器来判定人员与坠落区位置关系的算法，对物体散落的情况不适用。
一种桥式起重机吊物下方危险区域指示装置（公开号：CN108382996A公开日期：2018-08-10）介绍了一种利用光线投射来提示坠落区的装置，没有涉及危险区域范围的定量计算、风险事件的判定。
一种神经网络塔吊风险预测方法及系统（公开号：CN110032555A，公开日期：2019-07-19）以非可解释性神经网络训练拟合事故发生状态规律，无法提供定量的危险区范围计算结果。
一种基于案例推理的塔吊风险事故预测方法及系统（公开号：CN111105075A，公开日期：2020-05-05）根据相似性指标推测事故发生，无法提供定量的危险区范围计算结果。
（丁科. 巨大型项目中群塔施工的安全风险研究[D].上海交通大学,2010.）运用因果链模型进行事故定性判定，无法提供定量的危险区范围计算结果。
（刘名强,李英攀,王芳,陈晓,李瑞格,李晓喆.基于RVM的装配式建筑吊装作业安全预警模型[J].中国安全科学学报,2018,28(04):109-114.）基于相关向量机（RVM）建立风险定性预警模型，无法提供定量的危险区范围计算结果。
在轨道交通、水工建筑、道路工程施工中经常会面临吊装散粒、固液混合物的过程中因料斗中的物料在水平力作用下发生泄露、溅落的情况，而现有技术对吊装过程中的散粒物体在倾斜料斗低侧坠落预警识别并未给出适用可靠的技术方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出了基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，通过多种传感器测量的关键物理参数，进而根据实测参数，实时推算料斗内物体斜抛落地的落区范围，使用灯光投射、声音提示的方法对坠落风险进行标记预警，从而实现了以传感器融合为手段的的吊装坠落风险预警，具有能够对流体-散粒材料散落区域坐标进行可靠、快速且偏安全地预测报警的性能。各物理量的量测方法可行，系统架构满足现场作业布设要求，计算原理及步骤明确，方法合理，实用性强，克服了现有技术难以对流体-散粒材料散落进行可靠预警的缺陷，可以有效提高坠落风险的预警可靠性和信息发布成效。
包括如下步骤：
步骤一 布设传感器:
在吊机的转塔顶部布设风速传感器、风向传感器，在料斗的滑座上布设测力竖杆、流速流向传感器组；
步骤二 构建吊装坠落风险预警网络系统；
步骤三 数据采集与传输:
将吊机控制器、风速传感器、风向传感器、倾角传感器、测力竖杆、流速流向传感器组采集的数据传输至云服务器；
步骤四 计算吊装坠落包络位移；
步骤五 计算落区角点坐标；
步骤六 吊装坠落风险报警。
进一步地，步骤一具体包括，
料斗内侧面各面相交线均通长布置同规格均匀刻度，风速传感器、风向传感器安装于吊机的转塔顶部且不随吊臂转动。四面料斗壁上沿口外侧均装有互不连通的滑槽，每具滑槽中设有滑动测量器，滑动测量器由测力竖杆、流速流向传感器组和滑座组成，测力竖杆、流速流向传感器组与滑座固定连接，流速流向传感器组由流速传感器和流向传感器沿与流速流向传感器组相应的滑槽延伸方向相平行的方向并联而成；测力竖杆表面朝向料斗内侧的部分通长满布测力元件，测力元件长宽尺寸均小于2mm，测力元件采用电容式、电阻式、光纤式，各测力元件相互依次紧靠并依次沿测力竖杆杆长方向并联。
进一步地，步骤二具体包括：
吊装坠落风险预警系统包括测压模块、流速模块、测角模块、环境监测模块、iot基站、云服务器、互联网、第一交换机、第二交换机、第三交换机、大屏系统、PC端、移动端、RJ-45接口、网络模块、处理器、寄存器、电源、吊机控制器、投影灯控制器、警报器；
测压模块、流速模块、测角模块、环境监测模块分别通过iot通讯模块与iot基站进行无线信号传输，iot基站通过云服务器与互联网相连，大屏系统、PC端和移动端通过第二交换机与互联网相连，第三交换机依次通过处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机与互联网相连，寄存器和电源分别与处理器相连，吊机控制器依次通过RJ-45接口、网络模块和第三交换机相连，投影灯控制器依次通过RJ-45接口、网络模块与第三交换机相连，警报器次通过RJ-45接口、网络模块与第三交换机相连；
投影灯设置于水平吊臂，投影灯的投影范围、投影角度、光照亮度、投影时间由投影灯控制器进行控制。
进一步地，步骤三具体包括：
通过读取料斗内侧4条刻度线上未被料斗内散粒物体遮盖住的部分所对应的刻度，得到4条刻度线上未被料斗内散粒物体遮盖住的部分的长度Lmarki，且i∈｛1,2,3,4｝，Lmarki、Lhop、mept、Lept、A、Bslp通过PC端或移动端输入并由第二交换机、互联网逐级传输至云服务器；料斗高度为Lhop，料斗底面面积为A，所在平面与水平吊臂方向垂直的料斗壁宽度为A/Bslp，另外两个料斗壁即倾斜侧壁的宽度为Bslp，料斗空载时的质量为mept，料斗空载时的重心位置在竖直方向上高于底板底面Lept；
起吊初始时刻料斗底面相对于地面的高度为H0，H0通过PC端或移动端输入并经由第二交换机、互联网逐级传输至云服务器；
吊机控制器输出在竖直方向上匀速起吊料斗时的吊机缆索总拉力Gsum，则料斗与料斗内物体的总质量msum=Gsum/g，g为当地重力加速度；
吊机控制器输出起吊初始时刻节点相对料斗底面高度L0、节点与吊机转塔转动轴心之间的距离R0、水平吊臂初始相位角φ0，并经过RJ-45接口、网络模块、第三交换机、处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机、互联网逐步传输至云服务器，0≤φ0＜2π。
进一步地，步骤三具体还包括：
在吊运过程中的T采样时刻对下列各物理量进行量测处理；
根据吊机控制器输出参数，获得相对于起吊初始时升降吊索提升高度ΔL、相对于节点的升降吊索提升相对速率vlf、相对于节点的升降吊索提升方向、升降吊索总拉力F，相对于起吊初始时水平吊臂位置的水平吊臂转角位移Δφ，水平吊臂转动速率ωc、水平吊臂转动方向，相对于起吊初始时的水平缆索放长长度即ΔR，水平缆索放长速率vc、水平缆索收放方向，并由RJ-45接口、网络模块、第三交换机、处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机、互联网逐步传输至云服务器，当相对于起吊初始时水平吊臂位置的水平吊臂转角位移为负方向时Δφ<0；
根据风速传感器测得水平方向的横风速率、风向传感器测得的横风风向得到横风速度向量vw，根据气压传感器测得环境实时气压p，根据温度传感器测得实时空气温度temp，vw、p、temp通过处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器；
匀速竖直起吊时料顶边界为物料初始边界，当节点加速或刹车时，料斗倾斜，则定义除去倾斜侧壁之外的两个料斗壁中剖面的相对地面的最高点高的料斗壁为后料斗壁，剖面的相对地面的最高点低的料斗壁为前料斗壁，倾斜侧壁的上沿口为倾斜上沿口，两处倾斜上沿口处的倾角传感器测得倾斜上沿口倾角的平均值为α，α通过处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器；
当料斗内的流体、散粒体流经测力元件时，测力竖杆测得散粒物体对杆表面不同高度处的压强，处理器生成在局部坐标系XOY内的压强分布x(y)并经iot通讯模块、iot基站传输至云服务器；
当料斗内的流体、散粒体流经流速流向传感器组时，流速流向传感器组测得沿口相对流动速率vrsb及沿口相对流动流向，并经处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器。
进一步地，步骤四具体包括：
定义水平缆索放长且升降吊索收拢的过程中物料从前料斗壁斜抛散落，即料斗低侧散落，且料斗摆动切线速度方向与倾斜上沿口在计算平面内的投影倾向一致时的情况，为存在吊装坠落风险；在吊运过程中的存在吊装坠落风险的T采样时刻，按本步骤计算正投影在计算平面内的吊装坠落包络位移，忽略空气阻力的影响，t为时间长度，g为重力加速度；
1）推算相对流速；
2）计算料斗相对切向速率；
3）计算特征点高度；
4）计算最高流出点相应的水平包络位移；
5）计算最低流出点相应的水平包络位移。
进一步地，所述3）计算特征点高度具体如下：
计算平面上，最高流出点相对地面的高度Zfrn如式（7），
Figure 275725DEST_PATH_IMAGE001
（7）
计算平面上，最低流出点相对地面的高度Zbak如式（8）
Figure 391449DEST_PATH_IMAGE002
（8）。
进一步地，所述4）计算最高流出点相应的水平包络位移具体如下：
由于在空气阻力、风压的作用下，散落物体的极限散布范围会大于不考虑空气作用时所求得的理想散布范围，所以应对理想散布范围的上限向正向远移、对下限向负向远移，分别得到最高流出点相应的水平包络位移、最低流出点相应的水平包络位移，使最高流出点相应的水平包络位移、最低流出点相应的水平包络位移所共同对应的散落预警范围偏安全；
θ为计算平面上最高流出点流速方向顺时针转至料斗切向速度方向所形成的夹角，当θ=(α+π/2)时，取得最大落地时间tfrn，如式（9），
Figure 44278DEST_PATH_IMAGE003
（9）
最高流出点处斜抛物体在计算平面上的水平运动距离S，满足式（10），化简得式（11），
Figure 56096DEST_PATH_IMAGE004
（10）
Figure 879696DEST_PATH_IMAGE005
（11）
计算平面上，最高流出点与最低流出点的水平间距fdb=yfp×sinα，最高流出点处斜抛物体的相对于最高流出点的水平包络位移Sfrnr如式（12），最高流出点处斜抛物体的相对于最低流出点的水平包络位移Sfrn如式（13）；
Figure 508430DEST_PATH_IMAGE006
（12）
Figure 468296DEST_PATH_IMAGE007
（13）。
进一步地，步骤五具体包括：
在与竖直向下视线相垂直的平面内建立以吊机转塔转动轴心为极点、以从节点指向正南方向的射线为极轴、以水平吊臂转角位移正方向为转角正方向的极坐标系；
在吊运过程中的T采样时刻，水平吊臂相对于正南方向沿水平吊臂转角位移正方向的夹角为φ=(φ0+Δφ)，定义前料斗壁最低流出点构成的线段在极坐标平面内的投影与节点所在极轴的交点为散出点，则散出点与吊机转塔转动轴心之间距离R如式（28）,
Figure 651016DEST_PATH_IMAGE008
（28）
如式（29），vertmax和vertmin为中间变量，vertmax为切向包络距离上限，vertmin为切向包络距离下限，则T采样时刻流出的落物所相应的落区角点极坐标分别如式（30）~式（33）所示，当水平吊臂转动速度方向为负方向时ξ为-1，当水平吊臂转动速度方向为正方向时ξ为1；
Figure 227491DEST_PATH_IMAGE009
（29）
Figure 153858DEST_PATH_IMAGE010
（30）
Figure 718963DEST_PATH_IMAGE011
（31）
Figure 72584DEST_PATH_IMAGE012
（32）
Figure 870776DEST_PATH_IMAGE013
（33）。
进一步地，步骤六具体包括：
云服务器根据T采样时刻流出的落物所相应的落区角点极坐标，将落区坐标信息通过互联网、第一交换机、RJ-45接口、网络模块、处理器、第三交换机、网络模块、RJ-45接口传输至投影灯控制器，由投影灯按照以计算出的T采样时刻落物的相应落区四个角点坐标为角点的矩形区域内投射光线，使矩形区域内的光线颜色或亮度与周边环境存在差异，实现T采样时刻落物相应落区高亮显示，且T采样时刻落物相应落区高亮显示的实现时间与T采样时刻之间相差小于tbakm，即落物落地前落区已经高亮显示；
对于不同时刻落物所相应的落区，按照时间顺序依次对各时刻落物对应的落区进行循环高亮显示标记，且相邻时刻落物相应的落区高亮显示标记时差小于0.1秒，使得人的肉眼形成视觉暂留，感知出多个连续时刻落物相应的坠落区域空间分布。
进一步地，步骤六具体还包括：
再设置JN、JS、JE、JW、JNE、JNW、JSE、JSW共8具声音音调不同但初始音频相同的警报器，当投影灯控制器接收落区角点坐标时，云服务器根据环境监测模块采集的风速风向信息，将发声信号通过互联网、第一交换机、RJ-45接口、网络模块、处理器、第三交换机、网络模块、RJ-45接口传输至警报器，警报器根据发声信号进行发声，且当风速增大时在初始音频的基础上提高音频，各声音的音频始终在1200赫兹～2800赫兹范围内，且T采样时刻风向风速所对应的警报器发声开始时刻与T采样时刻之间相差小于tbakm，即落物落地前落区已经高亮显示并已经发出相应的声音警报。
附图说明
下面结合附图对本发明的作进一步说明：
图1 吊机与料斗关系示意图；
图2 料斗壁上沿口传感器示意图；
图3 测压模块示意图；
图4 流速模块示意图；
图5 测角模块示意图；
图6 环境监测模块示意图；
图7 吊装坠落风险预警系统示意图；
图8 料斗倾斜时的物料流动示意图；
图9 计算平面上的速度分解示意图；
图10 计算平面上的距离量示意图；
图11 T采样时刻落物的相应落区俯视示意图；
图12 预测坠落区域时空分布示意图。
具体实施方式
步骤一 布设传感器
如图1，料斗为顶面敞开的长方体，具有四面料斗壁和一面料斗底板，料斗内侧面各面相交线均通长布置同规格均匀刻度，料斗高度为Lhop，料斗底面面积为A，所在平面与水平吊臂方向垂直的料斗壁宽度为A/Bslp，另外两个料斗壁即倾斜侧壁的宽度为Bslp，料斗空载时的质量为mept，料斗空载时的重心位置在竖直方向上高于底板底面Lept。
吊机的水平吊臂可绕转塔转轴进行水平转动，水平吊臂上设有节点，吊机通过收放水平缆索使得节点沿水平吊臂进行水平平移，通过收放与料斗相连的升降吊索实现料斗的升降。
以竖直向上为相对于节点的升降吊索提升速度和位移正方向且反之为负方向，水平吊臂转动速度与转角位移正方向为在竖直向下视角下的逆时针方向且反之为负方向，以沿水平吊臂且远离吊机转塔转动轴心的射线方向为水平缆索也即节点水平平移速度与位移的正方向且反之为负方向。
风速传感器、风向传感器安装于吊机的转塔顶部且不随吊臂转动。
如图2，四面料斗壁上沿口外侧均装有互不连通的滑槽，每具滑槽沿料斗壁上沿口通长布置，滑槽与料斗壁固定连接并由加固架提供加固，每具滑槽中设有滑动测量器，滑动测量器由测力竖杆、流速流向传感器组和滑座组成，测力竖杆、流速流向传感器组与滑座固定连接，流速流向传感器组的测量端均紧靠其相应滑座所在的滑槽所在的上沿口，滑座的凸耳被滑槽槽口限位，滑槽与滑座不发生垂直于滑座滑动方向的位移，滑座与滑槽之间为滚珠接触，应在滚珠表面涂抹润滑物质减少滑座滑动阻力，当料斗匀速竖直运动时测力竖杆竖直,当料斗在垂直于水平吊臂的平面上发生转动，则滑座会向绝对高度低的方向滑动，且流速流向传感器组的测量端紧靠其相应的上沿口，确保流速流向传感器组测得上沿口上绝对高度最低点处的散落物体流速及流向。
测力竖杆表面朝向料斗内侧的部分通长满布测力元件，测力元件长宽尺寸均小于2mm，测力元件采用电容式、电阻式、光纤式，各测力元件相互依次紧靠并依次沿测力竖杆杆长方向并联。
流速流向传感器组由流速传感器和流向传感器沿与流速流向传感器组相应的滑槽延伸方向相平行的方向并联而成，流速传感器采用转子式风速计，流向传感器采用转子式风向计，适用于测量包含流体、颗粒状物体、流体-颗粒体混合物在内的散粒物体的在沿口处的沿口相对流动速率和沿口相对流动流向。
步骤二 构建吊装坠落风险预警网络系统
如图3，测压模块由测力竖杆、电源、寄存器、处理器和iot通讯模块组成，测力竖杆、电源、寄存器分别与处理器相连，处理器与iot通讯模块相连。
如图4，流速模块由流速传感器、流向传感器、电源、寄存器、处理器和iot通讯模块组成，流速传感器、流向传感器、电源、寄存器分别与处理器相连，处理器与iot通讯模块相连。
如图5，测角模块由倾角传感器、电源、寄存器、处理器和iot通讯模块组成，倾角传感器、电源、寄存器分别与处理器相连，处理器与iot通讯模块相连。
如图6，环境监测模块由温度传感器、气压传感器、风向传感器、风速传感器、电源、寄存器、处理器和iot通讯模块组成，风向传感器、风速传感器、电源、寄存器、温度传感器、气压传感器分别与处理器相连，处理器与iot通讯模块相连。
如图7，吊装坠落风险预警系统包括测压模块、流速模块、测角模块、环境监测模块、iot基站、云服务器、互联网、第一交换机、第二交换机、第三交换机、大屏系统、PC端、移动端、RJ-45接口、网络模块、处理器、寄存器、电源、吊机控制器、投影灯控制器、警报器。
测压模块、流速模块、测角模块、环境监测模块分别通过iot通讯模块与iot基站进行无线信号传输，iot基站通过云服务器与互联网相连，大屏系统、PC端和移动端通过第二交换机与互联网相连，第三交换机依次通过处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机与互联网相连，寄存器和电源分别与处理器相连，吊机控制器依次通过RJ-45接口、网络模块和第三交换机相连，投影灯控制器依次通过RJ-45接口、网络模块与第三交换机相连，警报器次通过RJ-45接口、网络模块与第三交换机相连。
投影灯设置于水平吊臂，投影灯的投影范围、投影角度、光照亮度、投影时间由投影灯控制器进行控制。
步骤三 数据采集与传输
通过读取料斗内侧4条刻度线上未被料斗内散粒物体遮盖住的部分所对应的刻度，得到4条刻度线上未被料斗内散粒物体遮盖住的部分的长度Lmarki，且i∈｛1,2,3,4｝，Lmarki、Lhop、mept、Lept、A、Bslp通过PC端或移动端输入并由第二交换机、互联网逐级传输至云服务器。
起吊初始时刻料斗底面相对于地面的高度为H0，H0通过PC端或移动端输入并经由第二交换机、互联网逐级传输至云服务器。
吊机控制器输出在竖直方向上匀速起吊料斗时的吊机缆索总拉力Gsum，则料斗与料斗内物体的总质量msum=Gsum/g，g为当地重力加速度。
吊机控制器输出起吊初始时刻节点相对料斗底面高度L0、节点与吊机转塔转动轴心之间的距离R0、将正南方向逆时针以吊机转塔转动轴心为圆心水平转至水平吊臂轴线所形成的角度即水平吊臂初始相位角φ0，并经过RJ-45接口、网络模块、第三交换机、处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机、互联网逐步传输至云服务器，0≤φ0＜2π。
在吊运过程中的T采样时刻对下列各物理量进行量测处理。
根据吊机控制器输出参数，获得相对于起吊初始时升降吊索提升高度ΔL、相对于节点的升降吊索提升相对速率vlf、相对于节点的升降吊索提升方向、升降吊索总拉力F，相对于起吊初始时水平吊臂位置的水平吊臂转角位移Δφ，水平吊臂转动速率ωc、水平吊臂转动方向，相对于起吊初始时的水平缆索放长长度即ΔR，水平缆索放长速率vc、水平缆索收放方向，并由RJ-45接口、网络模块、第三交换机、处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机、互联网逐步传输至云服务器，当相对于起吊初始时水平吊臂位置的水平吊臂转角位移为负方向时Δφ<0。
根据风速传感器测得水平方向的横风速率、风向传感器测得的横风风向得到横风速度向量vw，根据气压传感器测得环境实时气压p，根据温度传感器测得实时空气温度temp，vw、p、temp通过处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器。
如图8，匀速竖直起吊时料顶边界为物料初始边界，当节点加速或刹车时，料斗倾斜，则定义除去倾斜侧壁之外的两个料斗壁中剖面的相对地面的最高点高的料斗壁为后料斗壁，剖面的相对地面的最高点低的料斗壁为前料斗壁，倾斜侧壁的上沿口为倾斜上沿口，两处倾斜上沿口处的倾角传感器测得倾斜上沿口倾角的平均值为α，α通过处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器。
以料斗的前料斗壁在后料斗壁右侧且视线方向垂直于倾斜侧壁所在平面的视线为正视线，并以正视线方向上的正投影平面为计算平面。
定义测力竖杆表面朝向料斗内侧在计算平面上的投影为测力线，最低流出点为测力线在计算平面内的投影与倾斜上沿口所在直线在计算平面内的投影的交点，以沿测力线背向料斗方向的射线为y轴、以倾斜侧壁所在平面上垂直于y轴且指向料斗外的射线为x轴、以最低流出点为原点建立局部坐标系XOY。
当料斗内的流体、散粒体流经测力元件时，测力竖杆测得散粒物体对杆表面不同高度处的压强，处理器生成在局部坐标系XOY内的压强分布x(y)并经iot通讯模块、iot基站传输至云服务器。
当料斗内的流体、散粒体流经流速流向传感器组时，流速流向传感器组测得沿口相对流动速率vrsb及沿口相对流动流向，并经处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器。
步骤四 计算吊装坠落包络位移
如图9及图10，定义水平缆索放长且升降吊索收拢的过程中物料从前料斗壁斜抛散落，即料斗低侧散落，且料斗摆动切线速度方向与倾斜上沿口在计算平面内的投影倾向一致时的情况，为本专利所研究的存在吊装坠落风险的情形，本专利以此为保护范围。在吊运过程中的存在吊装坠落风险的T采样时刻，按本步骤计算正投影在计算平面内的吊装坠落包络位移，忽略空气阻力的影响，t为时间长度，g为重力加速度。
1）推算相对流速
料斗内散体质量msub=msum-mept，料斗内散体体积Vsub如式（1），料斗内散体密度ρsub=msub/Vsub。
Figure 69676DEST_PATH_IMAGE014
（1）
根据伯努利原理，x(0)=ρsub×(vrsr^2)/2，vrsr为推算出来的最低流出点相对料斗的相对流动速率，则近似流动速率校正系数K如式（2）。
Figure 4134DEST_PATH_IMAGE015
（2）
将x(y)>0时的最大y值记为yfp，定义计算平面上局部坐标系XOY上的点（0, yfp）为最高流出点，则最高流出点和最低流出点之间的距离为yfp，将x(y)的最大值记为xmv，将x(yfp)重新赋值为xmv，使得最高流出点的流动速率也为实测最大值，保证计算出的斜抛距离最远，偏安全。
则最高流出点相对料斗的近似流动速率vrsp如式（3）。
Figure 528656DEST_PATH_IMAGE016
（3）
2）计算料斗相对切向速率
计算平面上，料斗及料斗内物料的总体重心与节点之间的最短距离L如式（4）及式（5），Lsum为总体重心与料斗底板底面之间的距离，
Figure 282986DEST_PATH_IMAGE017
（4）
Figure 66003DEST_PATH_IMAGE018
（5）
料斗相对于节点的相对切向速率vhop如式（6）。
Figure 854967DEST_PATH_IMAGE019
（6）
3）计算特征点高度
计算平面上，最高流出点相对地面的高度Zfrn如式（7），
Figure 284811DEST_PATH_IMAGE001
（7）
计算平面上，最低流出点相对地面的高度Zbak如式（8）。
Figure 792016DEST_PATH_IMAGE002
（8）
4）计算最高流出点相应的水平包络位移
由于在空气阻力、风压的作用下，散落物体的极限散布范围会大于不考虑空气作用时所求得的理想散布范围，所以应对理想散布范围的上限向正向远移、对下限向负向远移，分别得到最高流出点相应的水平包络位移、最低流出点相应的水平包络位移，使最高流出点相应的水平包络位移、最低流出点相应的水平包络位移所共同对应的散落预警范围偏安全。
θ为计算平面上最高流出点流速方向顺时针转至料斗切向速度方向所形成的夹角，当θ=(α+π/2)时，取得最大落地时间tfrn，如式（9），
Figure 194703DEST_PATH_IMAGE003
（9）
最高流出点处斜抛物体在计算平面上的水平运动距离S，满足式（10），化简得式（11），
Figure 838174DEST_PATH_IMAGE004
（10）
Figure 704499DEST_PATH_IMAGE005
（11）
计算平面上，最高流出点与最低流出点的水平间距fdb=yfp×sinα，最高流出点处斜抛物体的相对于最高流出点的水平包络位移Sfrnr如式（12），最高流出点处斜抛物体的相对于最低流出点的水平包络位移Sfrn如式（13）。
Figure 433420DEST_PATH_IMAGE006
（12）
Figure 43393DEST_PATH_IMAGE007
（13）
5）计算最低流出点相应的水平包络位移
由于在空气阻力、风压的作用下，散落物体的极限散布范围会大于不考虑空气作用时所求得的理想散布范围，所以应对理想散布范围的上限向正向远移、对下限向负向远移，分别得到最高流出点相应的水平包络位移、最低流出点相应的水平包络位移，使最高流出点相应的水平包络位移、最低流出点相应的水平包络位移所共同对应的散落预警范围偏安全。
计算平面上，最低流出点处斜抛物体在计算平面上的水平运动距离D，当最低流出点相对料斗的流速方向逆时针旋转至与料斗切向速度方向所产生的夹角为(π/2-α)时取得正向最短运动时间tbakm，tbakm如式（14）。
Figure 321797DEST_PATH_IMAGE020
（14）
由于最低流出点相对料斗的流速方向、vrsb、α、vc、vhop与开方不等式计算的取值存在关联，所以对于最低流出点相对料斗的流速方向、vrsb、α、vc、vhop的不同组合情况分为情况①、情况②、情况③、情况④共4种情况对最低流出点相应的水平包络位移分别进行计算。
情况①：
若λ为计算平面上最低流出点相对料斗的流速方向顺时针旋转至与料斗切向速度方向所产生的夹角，当0≤λ≤(α+π/2)时，D满足式（15），化简得式（16），
Figure 93444DEST_PATH_IMAGE021
（15）
Figure 575241DEST_PATH_IMAGE022
（16）
情况①对应的最低流出点相应的水平包络位移Dbak如式（17）。
Figure 723325DEST_PATH_IMAGE023
（17）
情况②：
若λ为最低流出点相对料斗的流速方向逆时针旋转至与料斗切向速度方向所产生的夹角，当0<λ≤(π/2-α)时，D满足式（18），化简得式（19），
Figure 341388DEST_PATH_IMAGE024
（18）
Figure 549516DEST_PATH_IMAGE025
（19）
情况②对应的最低流出点相应的水平包络位移Dbak如式（20）。
Figure 269341DEST_PATH_IMAGE026
（20）
情况③：
若λ为最低流出点相对料斗的流速方向逆时针旋转至与料斗切向速度方向所产生的夹角，当(π/2-α)<λ≤(π/2)时且vc+vhop×cosα+vrsb×cos(λ+α)≥0，D满足式（21），化简得式（22），
Figure 486696DEST_PATH_IMAGE027
（21）
Figure 756003DEST_PATH_IMAGE028
（22）
情况③对应的最低流出点相应的水平包络位移Dbak如式（23）。
Figure 652809DEST_PATH_IMAGE029
（23）
情况④：
若λ为最低流出点相对料斗的流速方向逆时针旋转至与料斗切向速度方向所产生的夹角，当(π/2-α)<λ≤(π/2)时且vc+vhop×cosα+vrsb×cos(λ+α)<0，D<0且满足式（24），化简得式（25），
Figure 109198DEST_PATH_IMAGE030
（24）
Figure 864664DEST_PATH_IMAGE031
（25）
当λ=(π/2)时取得负向最长运动时间tmbak如式（26），
Figure 4790DEST_PATH_IMAGE032
（26）
情况④对应的最低流出点相应的水平包络位移Dbak如式（27），此时Dbak<0，最低流出点相应的水平包络位移方向沿水平吊臂指向吊机转塔转动轴心。
Figure 820299DEST_PATH_IMAGE033
（27）。
步骤五 计算落区角点坐标
如图11，在与竖直向下视线相垂直的平面内建立以吊机转塔转动轴心为极点、以从节点指向正南方向的射线为极轴、以水平吊臂转角位移正方向为转角正方向的极坐标系。
在吊运过程中的T采样时刻，水平吊臂相对于正南方向沿水平吊臂转角位移正方向的夹角为φ=(φ0+Δφ)，定义前料斗壁最低流出点构成的线段在极坐标平面内的投影与节点所在极轴的交点为散出点，则散出点与吊机转塔转动轴心之间距离R如式（28）,
Figure 498405DEST_PATH_IMAGE008
（28）
如式（29），vertmax和vertmin为中间变量，vertmax为切向包络距离上限，vertmin为切向包络距离下限，则T采样时刻流出的落物所相应的落区角点极坐标分别如式（30）~式（33）所示，当水平吊臂转动速度方向为负方向时ξ为-1，当水平吊臂转动速度方向为正方向时ξ为1。
Figure 791983DEST_PATH_IMAGE009
（29）
Figure 81888DEST_PATH_IMAGE010
（30）
Figure 802719DEST_PATH_IMAGE011
（31）
Figure 968121DEST_PATH_IMAGE012
（32）
Figure 550543DEST_PATH_IMAGE013
（33）。
步骤六 吊装坠落风险报警
云服务器根据T采样时刻流出的落物所相应的落区角点极坐标，将落区坐标信息通过互联网、第一交换机、RJ-45接口、网络模块、处理器、第三交换机、网络模块、RJ-45接口传输至投影灯控制器，由投影灯按照以计算出的T采样时刻落物的相应落区四个角点坐标为角点的矩形区域内投射光线，使矩形区域内的光线颜色或亮度与周边环境存在差异，实现T采样时刻落物相应落区高亮显示，且T采样时刻落物相应落区高亮显示的实现时间与T采样时刻之间相差小于tbakm，即落物落地前落区已经高亮显示。
如图12，对于不同时刻落物所相应的落区，按照时间顺序依次对各时刻落物对应的落区进行循环高亮显示标记，且相邻时刻落物相应的落区高亮显示标记时差小于0.1秒，使得人的肉眼形成视觉暂留，感知出多个连续时刻落物相应的坠落区域空间分布。
如表1，除上述高亮显示外，再设置JN、JS、JE、JW、JNE、JNW、JSE、JSW共8具声音音调不同但初始音频相同的警报器，当投影灯控制器接收落区角点坐标时，云服务器根据环境监测模块采集的风速风向信息，将发声信号通过互联网、第一交换机、RJ-45接口、网络模块、处理器、第三交换机、网络模块、RJ-45接口传输至警报器，发声信号如表1所示，警报器根据发声信号进行发声，且当风速增大时在初始音频的基础上提高音频，各声音的音频始终在1200赫兹～2800赫兹范围内，且T采样时刻风向风速所对应的警报器发声开始时刻与T采样时刻之间相差小于tbakm，即落物落地前落区已经高亮显示并已经发出相应的声音警报。
表1发声信号表
Figure 117791DEST_PATH_IMAGE034
。

Claims (11)

1.基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法,其特征在于，包括如下步骤：
步骤一 布设传感器：
在吊机的转塔顶部布设风速传感器、风向传感器，在料斗的滑座上布设测力竖杆、流速流向传感器组；
步骤二 构建吊装坠落风险预警网络系统；
步骤三 数据采集与传输：
将吊机控制器、风速传感器、风向传感器、倾角传感器、测力竖杆、流速流向传感器组采集的数据传输至云服务器；
步骤四 计算吊装坠落包络位移；
步骤五 计算落区角点坐标；
步骤六 吊装坠落风险报警。
2.根据权利要求1所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：步骤一具体包括：
料斗内侧面各面相交线均通长布置同规格均匀刻度，风速传感器、风向传感器安装于吊机的转塔顶部且不随吊臂转动；四面料斗壁上沿口外侧均装有互不连通的滑槽，每具滑槽中设有滑动测量器，滑动测量器由测力竖杆、流速流向传感器组和滑座组成，测力竖杆、流速流向传感器组与滑座固定连接，流速流向传感器组由流速传感器和流向传感器沿与流速流向传感器组相应的滑槽延伸方向相平行的方向并联而成；测力竖杆表面朝向料斗内侧的部分通长满布测力元件，测力元件长宽尺寸均小于2mm，测力元件采用电容式、电阻式、光纤式，各测力元件相互依次紧靠并依次沿测力竖杆杆长方向并联。
3.根据权利要求1所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：步骤二具体包括：
吊装坠落风险预警系统包括测压模块、流速模块、测角模块、环境监测模块、iot基站、云服务器、互联网、第一交换机、第二交换机、第三交换机、大屏系统、PC端、移动端、RJ-45接口、网络模块、处理器、寄存器、电源、吊机控制器、投影灯控制器、警报器；
测压模块、流速模块、测角模块、环境监测模块分别通过iot通讯模块与iot基站进行无线信号传输，iot基站通过云服务器与互联网相连，大屏系统、PC端和移动端通过第二交换机与互联网相连，第三交换机依次通过处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机与互联网相连，寄存器和电源分别与处理器相连，吊机控制器依次通过RJ-45接口、网络模块和第三交换机相连，投影灯控制器依次通过RJ-45接口、网络模块与第三交换机相连，警报器次通过RJ-45接口、网络模块与第三交换机相连；
投影灯设置于水平吊臂，投影灯的投影范围、投影角度、光照亮度、投影时间由投影灯控制器进行控制。
4.根据权利要求1所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：步骤三具体包括：
通过读取料斗内侧4条刻度线上未被料斗内散粒物体遮盖住的部分所对应的刻度，得到4条刻度线上未被料斗内散粒物体遮盖住的部分的长度Lmarki，且i∈｛1,2,3,4｝，Lmarki、Lhop、mept、Lept、A、Bslp通过PC端或移动端输入并由第二交换机、互联网逐级传输至云服务器；料斗高度为Lhop，料斗底面面积为A，所在平面与水平吊臂方向垂直的料斗壁宽度为A/Bslp，另外两个料斗壁即倾斜侧壁的宽度为Bslp，料斗空载时的质量为mept，料斗空载时的重心位置在竖直方向上高于底板底面Lept；
起吊初始时刻料斗底面相对于地面的高度为H0，H0通过PC端或移动端输入并经由第二交换机、互联网逐级传输至云服务器；
吊机控制器输出在竖直方向上匀速起吊料斗时的吊机缆索总拉力Gsum，则料斗与料斗内物体的总质量msum=Gsum/g，g为当地重力加速度；
吊机控制器输出起吊初始时刻节点相对料斗底面高度L0、节点与吊机转塔转动轴心之间的距离R0、水平吊臂初始相位角φ0，并经过RJ-45接口、网络模块、第三交换机、处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机、互联网逐步传输至云服务器，0≤φ0＜2π。
5.根据权利要求4所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：步骤三具体还包括：
在吊运过程中的T采样时刻对下列各物理量进行量测处理；
根据吊机控制器输出参数，获得相对于起吊初始时升降吊索提升高度ΔL、相对于节点的升降吊索提升相对速率vlf、相对于节点的升降吊索提升方向、升降吊索总拉力F，相对于起吊初始时水平吊臂位置的水平吊臂转角位移Δφ，水平吊臂转动速率ωc、水平吊臂转动方向，相对于起吊初始时的水平缆索放长长度即ΔR，水平缆索放长速率vc、水平缆索收放方向，并由RJ-45接口、网络模块、第三交换机、处理器、网络模块、RJ-45接口、第一交换机、互联网逐步传输至云服务器，当相对于起吊初始时水平吊臂位置的水平吊臂转角位移为负方向时Δφ<0；
根据风速传感器测得水平方向的横风速率、风向传感器测得的横风风向得到横风速度向量vw，根据气压传感器测得环境实时气压p，根据温度传感器测得实时空气温度temp，vw、p、temp通过处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器；
匀速竖直起吊时料顶边界为物料初始边界，当节点加速或刹车时，料斗倾斜，则定义除去倾斜侧壁之外的两个料斗壁中剖面的相对地面的最高点高的料斗壁为后料斗壁，剖面的相对地面的最高点低的料斗壁为前料斗壁，倾斜侧壁的上沿口为倾斜上沿口，两处倾斜上沿口处的倾角传感器测得倾斜上沿口倾角的平均值为α，α通过处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器；
当料斗内的流体、散粒体流经测力元件时，测力竖杆测得散粒物体对杆表面不同高度处的压强，处理器生成在局部坐标系XOY内的压强分布x(y)并经iot通讯模块、iot基站传输至云服务器；
当料斗内的流体、散粒体流经流速流向传感器组时，流速流向传感器组测得沿口相对流动速率vrsb及沿口相对流动流向，并经处理器、iot通讯模块、iot基站传输至云服务器。
6.根据权利要求1所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：步骤四具体包括：
定义水平缆索放长且升降吊索收拢的过程中物料从前料斗壁斜抛散落，即料斗低侧散落，且料斗摆动切线速度方向与倾斜上沿口在计算平面内的投影倾向一致时的情况，为存在吊装坠落风险；在吊运过程中的存在吊装坠落风险的T采样时刻，按本步骤计算正投影在计算平面内的吊装坠落包络位移，忽略空气阻力的影响，t为时间长度，g为重力加速度；
1）推算相对流速；
2）计算料斗相对切向速率；
3）计算特征点高度；
4）计算最高流出点相应的水平包络位移；
5）计算最低流出点相应的水平包络位移。
7.根据权利要求6所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：所述3）计算特征点高度具体如下：
计算平面上，最高流出点相对地面的高度Zfrn如式（7），
Figure 978260DEST_PATH_IMAGE001
（7）
最高流出点和最低流出点之间的距离为yfp；
计算平面上，最低流出点相对地面的高度Zbak如式（8）
Figure 55938DEST_PATH_IMAGE002
（8）
计算平面上，料斗及料斗内物料的总体重心与节点之间的最短距离L，Lsum为总体重心与料斗底板底面之间的距离。
8.根据权利要求6所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：所述4）计算最高流出点相应的水平包络位移具体如下：
由于在空气阻力、风压的作用下，散落物体的极限散布范围会大于不考虑空气作用时所求得的理想散布范围，所以应对理想散布范围的上限向正向远移、对下限向负向远移，分别得到最高流出点相应的水平包络位移、最低流出点相应的水平包络位移，使最高流出点相应的水平包络位移、最低流出点相应的水平包络位移所共同对应的散落预警范围偏安全；
θ为计算平面上最高流出点流速方向顺时针转至料斗切向速度方向所形成的夹角，当θ=(α+π/2)时，取得最大落地时间tfrn，如式（9），
Figure 698272DEST_PATH_IMAGE003
（9）
最高流出点相对料斗的近似流动速率vrsp，料斗相对于节点的相对切向速率vhop；
最高流出点处斜抛物体在计算平面上的水平运动距离S，满足式（10），化简得式（11），
Figure 177795DEST_PATH_IMAGE004
（10）
Figure 863860DEST_PATH_IMAGE005
（11）
计算平面上，最高流出点与最低流出点的水平间距fdb=yfp×sinα，最高流出点处斜抛物体的相对于最高流出点的水平包络位移Sfrnr如式（12），最高流出点处斜抛物体的相对于最低流出点的水平包络位移Sfrn如式（13）；
Figure 428833DEST_PATH_IMAGE006
（12）
Figure 343700DEST_PATH_IMAGE007
（13）。
9.根据权利要求1所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：步骤五具体包括：
在与竖直向下视线相垂直的平面内建立以吊机转塔转动轴心为极点、以从节点指向正南方向的射线为极轴、以水平吊臂转角位移正方向为转角正方向的极坐标系；
在吊运过程中的T采样时刻，水平吊臂相对于正南方向沿水平吊臂转角位移正方向的夹角为φ=(φ0+Δφ)，定义前料斗壁最低流出点构成的线段在极坐标平面内的投影与节点所在极轴的交点为散出点，则散出点与吊机转塔转动轴心之间距离R如式（28），
Figure 208888DEST_PATH_IMAGE008
（28）
如式（29），vertmax和vertmin为中间变量，vertmax为切向包络距离上限，vertmin为切向包络距离下限，则T采样时刻流出的落物所相应的落区角点极坐标分别如式（30）~式（33）所示，当水平吊臂转动速度方向为负方向时ξ为-1，当水平吊臂转动速度方向为正方向时ξ为1；
Figure 65854DEST_PATH_IMAGE009
（29）
Figure 118124DEST_PATH_IMAGE010
（30）
Figure 836681DEST_PATH_IMAGE011
（31）
Figure 556375DEST_PATH_IMAGE012
（32）
Figure 334975DEST_PATH_IMAGE013
（33）。
10.根据权利要求1所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：步骤六具体包括：
云服务器根据T采样时刻流出的落物所相应的落区角点极坐标，将落区坐标信息通过互联网、第一交换机、RJ-45接口、网络模块、处理器、第三交换机、网络模块、RJ-45接口传输至投影灯控制器，由投影灯按照以计算出的T采样时刻落物的相应落区四个角点坐标为角点的矩形区域内投射光线，使矩形区域内的光线颜色或亮度与周边环境存在差异，实现T采样时刻落物相应落区高亮显示，且T采样时刻落物相应落区高亮显示的实现时间与T采样时刻之间相差小于tbakm，即落物落地前落区已经高亮显示；
对于不同时刻落物所相应的落区，按照时间顺序依次对各时刻落物对应的落区进行循环高亮显示标记，且相邻时刻落物相应的落区高亮显示标记时差小于0.1秒，使得人的肉眼形成视觉暂留，感知出多个连续时刻落物相应的坠落区域空间分布。
11.根据权利要求10所述的基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法，其特征在于：步骤六具体还包括：
再设置JN、JS、JE、JW、JNE、JNW、JSE、JSW共8具声音音调不同但初始音频相同的警报器，当投影灯控制器接收落区角点坐标时，云服务器根据环境监测模块采集的风速风向信息，将发声信号通过互联网、第一交换机、RJ-45接口、网络模块、处理器、第三交换机、网络模块、RJ-45接口传输至警报器，警报器根据发声信号进行发声，且当风速增大时在初始音频的基础上提高音频，各声音的音频始终在1200赫兹～2800赫兹范围内，且T采样时刻风向风速所对应的警报器发声开始时刻与T采样时刻之间相差小于tbakm，即落物落地前落区已经高亮显示并已经发出相应的声音警报。
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