核電工程群塔智能化防碰撞管理方法探究

周 毅，劉成剛，楊云斐，齊亞賓，樂林紫，原瑞婧

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

塔式起重機又稱塔機、塔吊，是建筑施工中不可缺少的大型機械設備，主要吊運施工用的設備、設施、鋼筋、木楞、混凝土、鋼管等物項，在建筑施工中已被廣泛使用。由于塔式起重機的工作高度高、作業空間大、底部輪廓小、吊臂長、速度快等特征，一旦發生事故，后果非常嚴重。據不完全統計，2016—2020年我國塔機安全生產事故達605起，其中塔機作業過程中發生107起。核電工程建設中的塔機高峰期約有20多座，而群塔作業主要通過人工指揮、調度，群塔之間的統籌協作亦是通過人為判斷的方式，存在一定的人因失誤風險，缺乏科學的預警機制。隨著信息化技術的發展，尤其是超級物聯網技術結合智能算法、大數據、云計算使得現場作業、管理期望及安全管理深度融合成為可能。通過智能化方法替代人工指揮調度方式，減少人因失誤，降低塔機群塔作業過程風險，利用智能化控制方法提升塔機群塔作業管理安全性，消除人因指揮調度協調不到位而導致的作業風險，實現工程建設塔機群塔統一智能化調度控制。

1 建設工程起重機械政策要求

建設工程起重機械管理方面，我國建立了一整套法律、法規、安全技術規范和標準體系，初步形成了“人大法律、行政法規、行政規章、技術規范、標準”五個層次的法規體系結構，目前起重機械標準共有234項，其中國家標準83項、行業標準151項[1]。建設工程起重機械法律法規、技術規范如表1所示。

表1 建設工程起重機械法律法規、技術規范表(節選)

其中，GB/T 5031—2019《塔式起重機》中規定，塔式起重機必須安裝安全監控裝置，進行塔機工作數據的記錄和警報[2]；GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》中規定了起重機械安全監控管理系統的構成、監控、性能要求和檢驗。建設工程起重機械政策要求對工程建設行業提出了塔機監控系統功能配置要求和系統平臺需求，需要建設方結合工程建設業務需求重點分析。

2 塔機監控系統功能配置要求及系統平臺需求

塔機監控系統應當符合相關質量技術標準，經省或省級以上行業專業機構檢驗合格或評估認證，系統主要構配件經專業檢驗機構檢驗合格，且應至少具有對塔機的起重量、起重力矩、起升高度、幅度、回轉角度、運行行程信息進行實時監視和數據存儲功能。當塔機有運行危險趨勢時，塔機控制回路電源應能自動切斷。

2.1 系統功能的基本配置要求

系統功能主要包括顯示警示、自檢、超載(力矩)報警和控制、限位報警和控制、風速報警、離線狀態檢測、區域保護、防碰撞系統等，如表2所示。

表2 系統功能的基本配置要求表

2.2 塔機監控系統平臺

塔機監控系統平臺包括運行數據查詢和存儲、數據傳輸下載、數據傳輸、故障診斷、數據統計等功能要求，如表3所示。

3 塔機可視化監控系統研究現狀

運用可視化吊裝系統，以消除塔機作業人員傳統意義上的視覺盲區，通過安全監控系統從技術上規避群塔交叉作業的碰撞，切實提升施工現場的吊裝作業安全性、高效性。將塔式起重機群安全監控系統與可視化吊裝系統結合使用，以實現施工單位通過顯示屏實時監控所有的吊裝作業過程，總包、業主單位通過授權賬號進行遠程瀏覽[4]。

在塔機可視化監控系統領域，國內開展了一系列的研究工作。如羅曉慶等提出塔機智能駕駛室的設計需求層次分析模型，其基于用戶需求和塔機未來發展趨勢設計一款集智能監控系統、智能交互系統、智能衛生系統、智能玻璃界面等功能[5]的塔機智能駕駛室方案，并得以應用；又如崔康基運用智能遙控系統，使工作人員可根據施工現場的狀況，可控地選擇最佳的操作位置，避開視野盲區，實現物料升降作業的高效便利，保證工作人員的人身安全[6]；再如楊偉強以傳感器技術、嵌入式計數、ZigBee技術和短消息技術為基礎，設計了一種基于ZigBee/GSM的塔機智能安全預警系統。對于塔機智能化應用研究已然逐步成熟，但是對于群塔智能化管理的研究現有成果較少，特別是基于核安全文化特性和防人因失誤機理的智能化群塔管理系統或方法持續迭代中。

4 群塔智能化防碰撞管理方法探究

4.1 降低群塔碰撞風險的需要

核電工程建設中的塔機高峰期約有20座，而群塔作業主要通過人工指揮、調度，群塔之間的統籌協作亦是通過人為判斷的方式，存在一定的人因失誤風險，缺乏科學的預警機制。隨著信息化技術的發展，尤其是超級物聯網技術結合智能算法、大數據、云計算使得現場作業、管理期望及安全管理深度融合成為可能。通過智能化方法替代人工指揮調度方式，減少人因失誤，降低塔機群塔作業過程風險，利用智能化控制方法提升塔機群塔作業管理安全性，消除人因指揮調度協調不到位而導致的作業風險，實現工程建設塔機群塔統一智能化調度控制。

4.2 群塔作業智能化管控方式

智能化群塔作業的管控方式，主要可以分為授權管理系統、智能交接班管理系統、智能語音清場管理系統、智能檢測管理系統等九大要素，智能化管控方式管理要素如圖1所示。

圖1 智能化管控方法管理要素

4.3 群塔智能化防碰撞功能實現途徑

工作現場塔機群塔智能化作業方法旨在提高現場智慧化水平，提升多方位檢測能力，加強預警機制，降低人員失誤帶來的風險，讓整個作業現場風險無處遁藏，全方位保障作業現場順利開展。

系統A是通過人臉識別的智能門禁系統控制人員出入授權，對身體狀態不適，如發燒、酗酒的人員禁止其進入工作現場，如有問題核對其授權可靠性。人員進入現場后B系統開始作用，該系統可對進入工作現場的人員或變更人員進行交班檢查，主要如圖2所示，人員完成交接班，啟動機器，I系統作用，使群塔之間互聯互通。同時D系統投入工作，將現場的設備、環境、作業情況實時通過智能化傳感器傳送至數據處理服務器，根據提前規劃好的任務，此時E系統作用，由D系統傳輸來的信息自動智能化規劃作業。根據D系統的傳輸信息，G系統投運，可提供可視化的3D工作現場及輔助駕駛，減輕操作人員負擔，提高安全性及可靠性。從人員進入工作現場到工作結束，均需要F系統作用，為此，F系統的作用將極大提升工作現場的安全性。

圖2 智能化管控設施配置示意圖

智能化管控主要流程為：系統A可通過人臉識別，控制進出人員授權及狀態，對身體狀態不舒服如發燒、酗酒的人員禁止其進入工作現場，如若有問題，需核對其授權可靠性，而該功能主要由圖2所示12完成。人員進入現場后B系統開始作用，該系統可對重新進入工作現場的人員或變更人員需要重新進行交班檢查，該功能主要由圖2所示4完成。人員完成交接班，啟動機器，I系統作用，使群塔之間互聯互通，該功能主要由圖2所示3及9設備完成此項功能。此時D系統也投入工作，將現場的設備、環境、作業情況實時通過智能化傳感器傳送至數據處理服務器，該功能主要由圖2所示1、6、7、8、11等完成。根據提前規劃好的任務，此時E系統作用，根據D系統傳輸來的信息，自動智能化規劃作業，該工作主要在圖2所示的4設備中完成。根據D系統的傳輸信息，G系統投運，可提供可視化的3D工作現場及輔助駕駛，減輕操作人員負擔，提高安全性及可靠性，該功能主要由圖2所示設備3、5、4、10相互配合完成。從B、I、D、E系統作業情況出發，每個工作環節均采用防人因失誤的設計理念H，確保所有重要環節，都能夠將人員的失誤的因素降至最低或沒有，該項功能主要由設備4完成。從人員進入工作現場到工作結束，均需要F系統作用，安全是底線，所有工作的開展均以安全為基礎，為此，F系統的作用將極大提升工作現場的安全性。該工作主要由圖2所示設備1、6、7、8、9、11、12、配合設備4完成此項工作。

5 結束語

塔機群塔作業過程中所面臨的各類問題，可以通過智能化、智慧化、數字化、可視化的技術方法得以解決。群塔智能化防誤碰管理方法可以提升多方位檢測能力，加強預警機制，讓整個作業現場風險無處遁藏，全方位保障作業現場順利開展。群塔智能化防碰撞管理方法與傳統的塔吊可視化管理相比，更加注重群塔智能化防誤碰，通過新型信息技術部分替代人工調度的功能，可以有效降低人因可能帶來的嚴重后果，使管理人員能夠更加充分地掌控現場進度及作業情況，有效降低安全風險和管理成本，助力核電建設高質量發展。