【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水利工程施工安全领域，具体涉及一种水利工程仓面施工机械安全、效率空间计算方法。
技术介绍
1、随着我国水利建设的发展及西南部水电能源开发进程的推动，拱坝以其自适应能力强、超载安全系数大、经济效益显著等特点，已成为目前我国西南部高山峡谷区首选高刚性坝型之一。拱坝施工地域多位于地形陡峻、河谷深切的狭窄地段，加之施工过程繁杂、方法复杂、工序交叉及机械与辅助设备繁多，有限的施工空间资源容易因施工工艺作业之间的相互影响、施工作业面狭窄导致机械布置困难等带来诸多安全风险或效率损失问题，目前水利工程施工过程中因施工空间资源冲突造成的安全风险和效率损失问题已然成为国内外科研人员重点关注的问题之一。
2、目前，水利工程施工过程中的空间冲突研究重点关注于冲突类型、等级、监测与空间竞争程度等方面的研究。然而，随着大坝施工过程管理过程逐步转向精细化和智能化，对大坝施工各环节的精准、细节把控提出了更高要求，尤其是大坝连续、顺序、动态与离散的仓面浇筑作业，其中涉及到的仓面施工安全和效率损失问题尤为明显，且对其研究与认知程度仍有不足，主要体现在缺乏系统全面的仓面施工实体虚拟分层空间的理论分析研究、缺少详细的仓面施工实体的参数化模型研究，从而导致当前无针对仓面施工空间冲突引起的安全风险和效率损失量化方法的相关研究。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种水利工程仓面施工机械安全、效率空间计算方法，定义仓面施工机械等运动实体的分层空间，明确施工机械的物理空间以及虚拟存在
2、本专利技术的技术方案是水利工程仓面施工机械安全、效率空间计算方法，包括以下步骤：
3、步骤1：结合施工过程存在的物理碰撞、安全风险和效率损失情况，定义仓面运动实体的物理空间、安全空间及效率空间，分别确定这三层空间的空间属性与空间范围；
4、步骤2：采用空间向量及空间点集合对实体的物理空间进行数学表达，结合空间解析几何原理，通过空间基点偏移实现安全、效率空间的表达；
5、步骤3：根据施工机械的运动特性，在空间基点偏移原理的基础上叠加旋转原理，对运动实体进行物理、安全和效率空间的描述与表达；
6、步骤4：以物理、安全和效率空间的表达理论为基础，构建仓面施工机械分层空间参数化模型，结合施工机械三维特性，对其物理空间、安全空间和效率空间进行数学表达；
7、步骤5：研究施工机械驾驶员的特性，并基于施工现场的统计数据，拟合仓面施工机械的安全、效率表述式，计算仓面施工机械的安全距离和效率距离的量化值，得到仓面施工机械的安全空间和效率空间。
8、步骤2中，所述空间基点偏移用实体原始状态下坐标系oxyz表示运动后坐标系o′x′y′z的计算式如下
9、
10、式中x0，y0，z0为运动后坐标系原点o′在基础坐标系oxyz中的空间坐标值；
11、采用三维空间向量及点集的形式表达，在实体的物理空间基础上，通过空间基点偏移原理，物理空间横向、纵向和竖向面分别沿x轴、y轴和z轴方向偏移距离a1，a2，a3，实现安全空间表达；在物理空间横向、纵向和竖向面分别沿x轴、y轴和z轴方向偏移距离a′1，a′2，a′3，实现效率空间表达；
12、实体的物理空间以空间向量和点集的形式可表示为：
13、
14、式中v0表示实体的点v的集合，代表实体的物理空间，l为实体横向长度，w为实体纵向宽度，h为实体竖向高度；
15、实体的物理空间对称外扩形成安全空间后，根据偏移距离变化值，实体的物理、安全空间的表达式为：
16、
17、实体物理空间对称外扩形成效率空间后，根据偏移距离变化值，实体的物理、安全和效率空间表达式为：
18、
19、式中x，y，z分别为实体横向、纵向、竖向移动的距离，(x，y，z)为点m在坐标系oxyz中的坐标，oxyz坐标系原点为o，基向量为
20、步骤3中，当运动实体旋转运动后，实体旋转后的基向量与原始状态下的基向量之间有一定的夹角，实体上的p点的新坐标(x′，y′，z′)可用p点的旧坐标(x，y，z)及新旧坐标系的坐标轴之间的夹角表示：
21、
22、式中αi，βi，γi(i＝1，2，3)为坐标轴之间的夹角，αi，βi，γi的范围均为[0，2π]；
23、在基点平移及旋转的基础上，当实体既发生平移运动又发生旋转运动时，其空间表达式为：
24、
25、实体的安全空间随着实体的物理空间运动而变化，物理、安全空间表达为
26、
27、其中(x′，y′，z′)为点m在坐标系o′x′y′z中的坐标，o′x′y′z坐标系原点为o′，基向量为
28、优选地，实体的效率空间随着实体的物理空间运动而变化，物理、安全和效率空间表达为
29、
30、优选地，步骤4基于仓面施工机械的运动特性，利用仓面施工机械三维尺寸及为保障施工机械安全和高效运行预留的横向、纵向、竖向距离，结合空间基点偏移及旋转理论，建立仓面施工机械分层空间参数化模型，分别用vm，vs，ve表示物理空间、安全空间、效率空间；考虑到空间点集表达三层空间时存在的重合情况，定义包含物理空间和安全空间的空间为vs、定义包含物理、安全和效率空间的空间为ve；
31、包含物理空间的仓面施工机械参数化模型数学表达为：
32、
33、包含物理与安全空间的仓面施工机械参数化模型数学表达如下：
34、
35、包含物理、安全和效率空间的仓面施工机械参数化模型数学表达如下：
36、
37、式中l、w、h分别为仓面施工机械的空间三维尺寸长、宽、高；ds为横向安全距离，de为横向效率距离，ls为纵向安全距离，le为纵向效率距离，hs为竖向安全距离，he为竖向效率距离；
38、仓面施工机械安全空间vs、效率空间ve的参数化表达如下：
39、vs＝v′s-vm (12)
40、ve＝v′e-vs (13)。
41、进一步地，平仓机用于浇筑仓平仓作业，预判安全、效率的平仓机驾驶员制动反应时间
42、
43、式中tcsm表示平仓机驾驶员的反应时间，ya表示平仓机驾驶员的年龄，yd表示平仓机驾驶员的驾驶年龄；
44、平仓机纵向安全、效率距离的数学表达式为：
45、lcsm-s＝v*tcsm (15)
46、lcsm-e＝2*v*tcsm (16)
47、式中lcsm-s为平本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.水利工程仓面施工机械安全、效率空间计算方法，其特征在于，以物理空间预留的实体安全运行的安全裕度所形成的外扩空间为安全空间，以安全空间预留的实体高效运行距离的外扩空间为效率空间；
2.根据权利要求1所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，步骤2中，所述空间基点偏移用实体原始状态下坐标系Oxyz表示运动后坐标系O′x′y′z的计算式如下
3.根据权利要求2所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，步骤3中，当运动实体旋转运动后，实体旋转后的基向量与原始状态下的基向量之间有一定的夹角，实体上的P点的新坐标(x′，y′，z′)可用P点的旧坐标(x，y，z)及新旧坐标系的坐标轴之间的夹角表示：
4.根据权利要求3所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，实体的效率空间随着实体的物理空间运动而变化，物理、安全和效率空间表达为
5.根据权利要求4所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，步骤4基于仓面施工机械的运动特性，利用仓面施工机械三维尺寸及为保障施工机械安全和高效运行预留的横向、纵向、竖向距离，结合空间基点偏移及旋转理论，建立仓面施工
6.根据权利要求5所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，平仓机用于浇筑仓平仓作业，预判安全、效率的平仓机驾驶员制动反应时间
7.根据权利要求6所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，平仓机横向运行时主要受速度的影响，考虑平仓机挡位与双向扩展后速度关系的情况，拟合出平仓机横向安全与效率距离模型分别为：
8.根据权利要求7所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，拱坝仓面施工过程中，缆机吊罐的分层空间与平仓机、振捣机的分层空间发生重叠，平仓机或振捣机的竖向安全距离hs为
9.根据权利要求8所述的安全、效率空间计算方法，振捣机主要进行仓面振捣作业，考虑驾驶员年龄与反应时间，振捣机驾驶员制动反应时间为：
...【技术特征摘要】
1.水利工程仓面施工机械安全、效率空间计算方法，其特征在于，以物理空间预留的实体安全运行的安全裕度所形成的外扩空间为安全空间，以安全空间预留的实体高效运行距离的外扩空间为效率空间；
2.根据权利要求1所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，步骤2中，所述空间基点偏移用实体原始状态下坐标系oxyz表示运动后坐标系o′x′y′z的计算式如下
3.根据权利要求2所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，步骤3中，当运动实体旋转运动后，实体旋转后的基向量与原始状态下的基向量之间有一定的夹角，实体上的p点的新坐标(x′，y′，z′)可用p点的旧坐标(x，y，z)及新旧坐标系的坐标轴之间的夹角表示：
4.根据权利要求3所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，实体的效率空间随着实体的物理空间运动而变化，物理、安全和效率空间表达为
5.根据权利要求4所述的安全、效率空间计算方法，其特征在于，步骤4基于仓面施工机械的运动特性，利用仓面施工机械三维尺寸及为保障施工机械安全和高效运行预留的...
【专利技术属性】
技术研发人员：周华维，梁志鹏，赵春菊，周宜红，车龙继，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：
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