作者：郑晓蒙
在大坝建设过程中，一般会较多的使用塔机、缆机等大型施工设备，这些设备通常在空间上是交错布置的，工作区域很容易重叠，尤其是在夜间、阴雨天以及雾霾天等能见度不高的天气条件下，设备操控者受到距离、角度、现场光线以及人员疲劳等因素的影响，难以准确估计可能发生碰撞的设备之间的距离，从而很容易造成施工设备之间的碰撞。为了防止设备碰撞事故的发生，需要采取施工设备防碰撞措施来对施工设备的安全运行进行有效控制。三峡大坝防碰撞系统采用超声波回波测距技术来测量运动物体与周围障碍物以及其他运动物体之间的距离；龙滩水电站和龙开口水电站防碰撞系统将施工设备置于同一个坐标系内采用GPS定位技术来获取各运动设备与其它运动设备或者障碍物之间的距离，然后再做出相应的防碰撞判断。前者仅适用于同一平面且无旋转运动的设备，后者虽然可以用于旋转运动
和空间运动。但是卫星信号受遮挡弱信号、无信号的情况不可避免的会出现，出现这种情况后会增大GPS接收机的误差而导致定位结果出现较大偏差，严重时甚至无法完成定位过程。为了避免单独由GPS系统定位而出现问题，笔者选用射频识别( Radio Frequen-cy Identification，简称RFID)定位技术与GPS定位技术相结合的方法10]来提高对设备定位的精度。以缆机和塔机的运行情况为例建立了施工设备防碰撞系统的模型。并通过实验对防碰撞系统的运行情况进行了检验。
1 防碰撞系统的工作原理
在大坝施工设备日常运行的过程中，防碰撞系统能够实时地自动获取各施工设备及相关部件（如塔机的塔架、起重臂，缆机的吊钩等）的位置信息，然后将收集到的这些信息传递给中央控制系统。中控系统紧接着计算出各固定设备和运动部件（如起重臂、吊钩等）的相对位置关系，并计算出有可能发生碰撞的各设备及其相关部件之间的距离、运动方向和速度。考虑设备在制动之后由于惯性其相关部件在完全停止运动前需要运行的距离，并且留有一定的安全距离的前提下，对其是否会发生碰撞做出判断并向相关设备发出不同级别的预警指令。指令分为三个等级，一级指令表示各设备之间距离比较安全，此时采用绿灯示意机械操控者可以正常工作；二级指令表示相关设备的距离比较的靠近，操控者需要随时准备采取制动措施，此时亮起黄灯并伴有急促的声响来提醒机械操控者做好制动准备；三级指令表示必须立
刻采取制动措施使设备停止运动，此时红灯闪烁并配合尖锐的声响来警告机械操控者立即采取制动措施。整个预警系统工作流程如图1所示。
2 系统的结构组成
防碰撞系统主要由信息系统、中央控制系统和预警系统三大子系统组成，如图2所示。
2.1 信息系统
该子系统的主要任务就是实时准确获取各设备的位置信息，并将这些信息源源不断的输送给中央控制系统，是整个防碰撞系统能够准确无误运作的基础。
GPS是人们熟知的一种卫星定位系统，常用于远程定位导航。RFID技术是一种无线射频识别技术，常用于三维定位和物流管理中的物品识别。RFID定位方法有多种，笔者采用信号强度定位( RSSI)来实现距离的测定，再跟GPS观测信号进行联合定位。综合考虑系统的预警精度和设备计算强度，系统信号传送频率设置为每秒10次，在实际实施过程中根据施工现场的要求以及设备计算处理能力可作适当调整。RFID/GPS组合定位系统的工作原理如图3所示。
在GPS/RFID组合定位系统中，GDOP值越小说明定位的精度越高。从m颗卫星中去掉第i(i=l，2，…，m)颗卫星，可以得到去掉此卫星前后的GDOP值之间的关系如下：
GDOP2m= GDOPim_12 -q (1)
式中，q恒大于零，由此可知GDOP随观测卫星数目的增加而单调递减，所以当卫星没有故障时，最好选择全部可见卫星进行定位计算，因此增加观测数据可以减少GDOP值。
通常情况下，在观测值精度方面RFID与GPS技术并不是完全相同的，整个系统的定位误差σ2x会因为加入一个RFID观测值后而发生变化，如式(2)所示。
式中，σR1和σUERE分别为RFID观测值、GPS观测值的观测误差标准偏差。当m≥4时，可以证明
，此时选择使式(2)中
第二项最大的一个观测值作为优选观测值，能够降低系统的定位误差。
当GPS可见卫星数目少于3颗时，需要同时选择多个RFID观测值，增加s个RFID观测值后的系统定位误差如式(3)所示：
武中：GRFIE是RFID观测值的矢量矩阵；RRFIE和RGPs分别是对RFID和GPS的观测值进行加权后的矩阵。同前，式(3)等号右边第二项含义是增加多个RFID观测值之后对整个系统定位误差的影响，因此需要选择对系统定位误差影响最小的一组RFID观测值作为优选观测值集合，这样既能保证定位精度又可控制系统误差。
由于随着观测值数量的进一步增加，GDOP值的递减幅度已不再明显，即当FRID观测值较多时，即使继续增加观测值，GDOP值却降低得非常缓慢，并且随着观测方程的不断增加，系统的计算复杂度会剧增，所以必须对RFID观测值进行优选，优选的原则如下：①当GPS系统可见卫星数Ⅳ不小于4颗时，选择单个RFID观测值；②当GPS系统的可见卫星数N小于4颗时，根据上述对系统定位误差影响最小的原则优选4-N组RFID观测值。
2.2 中央控制系统
该子系统的主要任务是对信息子系统传递过来的位置坐标信息进行实时处理，通过分析计算，得到各设备及其部件的当前位置、运动速度以及运动方向，再通过模拟他们的位置信息确定他们的相对运动关系，结合对应设备的当前距离确定其相对位置关系。
2. 2.1 相对运动关系
文章中主耍考虑缆机与塔机的运动情况，它们之间的相对运动关系包括相向运动、背向运动和追赶运动。3种相对运动的可能碰撞情况如图4所示。在图4中字母A、B表示缆机小车的先后位置，箭头表示缆机小车的运动方向，a、b表示塔机旋转吊臂的先后位置，箭头表示塔机旋转吊臂的转动方向，阴影部分表示旋转吊臂扫过的范围。
2.2.2相对位置关系
在发出预警指令前，系统需要对指令级别做出判断，本系统中决定指令级别的关键因素就是两台设备之间的距离。按照到设备中心距离的远近把每个设备周围的空间分成3个区域。安全运行区域是指到设备距离大于D1的三维空间区域，运行干扰区域是指到设备距离介于D1和D2之间的三维空间区域，运行碰撞区域则是指到设备距离小于D2的三维空间区域。
2.3预警系统
该子系统的主要任务是在接收到中控系统发送过来的各设备的相对运动关系和相对位置关系后，结合预先设置的安全距离，判断设备是否会发生碰撞，并向相关设备发出相应的预警信号，指导设备操作人员采取适当的措施，确保设备能够安全有序的运行。
2.3.1预警距离
对于缆机吊钩和塔机吊钩而言，在设备制动时，吊绳会产生一定程度的摆动，尤其是缆机，水平移动速度较快，而且吊绳长度较长，由于吊绳摆动而附加给吊钩的移动距离不可忽略，记作S1；另外，风压对吊钩的距离也会产生一定的影响，尤其是在大风季节．风速、风向都会影响吊钩的距离，记作S2；RFID和GPS信号处理以及中控系统的分析计算，使系统
存在一定时间的滞后，在实际距离计算时也要考虑此时间段内设备运动的距离，记作S3。
不同的预警级别对应着不同的预警距离，不同预警距离的组成如下。
二级预警级别下的预警距离：
式中：t1、t2分别表示设备反应滞后时间和操作人员的反应时间，这两个时间需要在施工现场进行测定。v1、a1分别表示设备1的运行速度和制动加速度，V2、a2表示设备2的运行速度和制动加速度，速度和加速度是设备的基本参数，各设备都有固定值。D1、D2表示与二级预警级别和三级预警级别相对应的安全阈值.当被追赶设备静止时，取v2=0，D．和D2的取值要根据设备参数以及施工现场的具体情况来综合考虑。
2.3.2预警原则
合理的预警原则既能保证施工设备的安全运行，又不会对施工进度造成不良影响。主要原则如下：
1)通常情况下设备之间的距离比较远，保持一级预警，设备正常运行。
2)若停止运动后设备进入其它设备的运行干扰区（区域Ⅱ），那么就对该设备发出二级预警指令，提醒设备操控者需要额外注意，随时做好制动的准备。
3)若停止运动后设备进入到了其它设备的运行碰撞区（区域Ⅲ），那么此时需要对该设备发出三级预警指令，设备操作者需要立刻对设备采取制动措施，防止设备发生碰撞。
2.3.3避让原则
在实际施工过程中由于缆机的运行速度要比塔机的快，它最容易实现避让，所以缆机先采取避让措施然后塔机再采取避让措施；当两个塔机相向运动即将发生碰撞时，两个设备都需要采取避让措施；当一个运动的塔机与另一个静止的塔机即将发生碰撞时，运动的塔机采取避让措施。当即将碰撞的设备都采取了避让措施停止运动之后，系统还需要对设备的再运行做出指引。
3实例分析
某大型水电站大坝施工现场施工设备的工作范围彼此重叠，根据大坝施工现场设备的布置位置，能够与缆机发生相互碰撞的设备有MD1800移动式塔机、MD2200固定式塔机。此外，MD1800移动式塔机、MD2200固定式塔机之间也有发生碰撞的可能。各台设备工作区域在空间上存在一定的重合，经常会因为设备距离过近而出现相互干扰的情况，为了保证设备的安全运行，防止设备在工作过程中发生碰撞现象，使各个设备既能单独运行又能真正做到协同工作，确保工程项目按照进度计划开展。工程中采用了施工设备防碰撞系统，并通过现场对一些典型的碰撞现象进行实验来对系统的可靠性做检验。
系统由负责定位信息采集的信息系统、负责计算分析的中控系统和负责向设备发出警报的预警系统构成（见图5），包括高速计算机、GPS基准站、GPS流动站、FRID接收器、通信数据链、数据处理软件、设备位置、距离及预警级别分析软件、状态信息数据通信链等，
实验过程中几种典型运动情况的某次预警过程如表1所示。
表1展示的是一组具有代表性的包含缆机和塔吊6种典型运动情况的预警过程，通过前期实验和近三个月的现场试运行结果来看，防碰撞预警系统能够根据设备间不同的运动情况，自动确定对应的二级预警距离和三级预警距离，对缆机和塔机之间的碰撞现象进行准确、及时地报警，具有较高的可靠性。实际施工过程中还包括缆机或者塔机与大坝周围障碍物、已浇筑坝体以及施工管理人员之间碰撞情况的预警，本预警系统在自试运行至大坝浇筑完成的过程中应用非常成功，对施工现场的安全起到了非常积极的作用，顺利通过了业主和监理的验收。但是，稍微不足之处就是紧急制动后，各设备重新运行恢复正常工作的次序需要系统进行指导，系统在这方面的功能有待进一步完善。
4结论
针对水电项目建设过程中大型施工设备易发生碰撞的问题，笔者提出了一种基于GPS/RFID组合定位的施工设备防碰撞系统，并对设备周围空间进行分区，建立了不同相对运动情况下设备的碰撞模型，实现了对施工设备碰撞的有效预警，极大的避免了设备碰撞情况的发生。系统采用GPS观测值与优选RFID观测值的组合定位技术能够有效控制定位系统的几何精度因子，保证定位结果具有足够的精度，同时控制观测方程的引入数量，降低了整个系统的计算复杂度，便于实现，具有一定的推广价值。
5摘要：
为了防止水电工程项目中大型施工设备之间发生碰撞现象，应用GPS和RFID组合定位技术对施工设备进行实时定位，并根据设备间不同的相对运动情况，考虑设备运行过程中需满足的安全距离，建立了施工设备防碰撞的模型。实验结果表明，采用这种施工设备防碰撞系统能够及时准确的对施工设备之间的碰撞现象进行预警，确保设备的安全运行，具有较高的可靠性。
