基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于传感器融合的吊装坠落风险预警方法
本专利技术涉及智能物联装备设计与建造
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n步骤一 布设传感器：/n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；/n步骤二 构建吊装坠落风险预警网络系统；/n步骤三 数据采集与传输：/n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；/n步骤四 计算吊装坠落包络位移；/n步骤五 计算落区角点坐标；/n步骤六 吊装坠落风险报警。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：施烨辉，李彤，庄全贵，胡玉柳，苏江川，徐成华，张海荣，陈益明，陈懿，程荷兰，
申请(专利权)人：南京坤拓土木工程科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32