Comprehensive Lifting and Hoisting Perimeter Three-dimensional Alarm System
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摘要:
针对在运行变电站起重吊装工作时存在的安全隐患,设计能够实时监测起重吊装的立体防护报警系统,通过UWB技术和基站互联等关键技术对吊车形成立体电子围栏,该系统在运行的变电站内施工吊装、转运等作业时,对于吊车进行高空转臂、申臂等环节进行全方位、立体周界报警,降低起重吊装作业的安全风险隐患,在电力施工工作中取得了显著效果。
Abstract:In response to the safety hazards during the operation of substation lifting, a three-dimensional protective alarm system capable of real-time monitoring of lifting is studied. Utilize key technologies such as UWB and base stations to form a three-dimensional electronic fence for the crane. During construction, lifting, transportation, and other operations within the operating substation, the system provides a comprehensive and three-dimensional perimeter alarm for the high-altitude rotating arm, extending arm, and other links of the crane. Reduce the safety risks and hidden dangers of lifting operations. Significant results have been achieved in power construction work.
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Keywords:
- lifting and hoisting /
- electronic fence /
- transformer substation
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1. 选题理由
近些年,各类施工安全事故频发,安全形势如履薄冰,尤其吊车方面的事故频频发生,为避免和减少事故发生,电力行业出台了“三验四算五禁止”和专项施工方案制定的管理要求。尤其变电大修技改和改扩建工程都是在运行站内,均为三级风险作业,且有周期短、任务重、临电作业、交叉作业、作业面多等特点,在人力物力一定的前提下,亟须通过增加先进的安全风险预警系统来提升安全把控能力,大大降低安全风险,确保施工安全。
2. 现状调查
在运行站内施工吊装、转运等都离不开起重吊车配合,又临近带电体,存在一定的安全隐患,尤其是吊车在进行高空转臂、申臂等环节,没有更精确的数据来支撑,只能靠人眼观察,容易与带电体过近造成安全事故的发生。同时,施工人员随意跨越安全围栏,更是各个施工现场发生频率较高的违章行为,因其行为隐蔽,持续时间短,很难发现和纠正,不容易监管和保存违章证据。目前,吊车防护技术目前大部份研究基于激光雷达技术,此种技术不仅成本过高,而且存在较大的误报,因此需要通过一些成本低并且准确度高的技术来解决吊车防护问题。
3. 课题目标及研究内容
研制一种吊车吊装作业周界探测报警系统,提高安全工作管理效率,降低施工过程当中的安全风险,排除相关安全隐患。
随着施工安全的重要性日益得到重视,各式各样的安全防护措施得到广泛开发,以确保施工作业过程中的安全,减少各种人身伤害。并且基于各种传感器的物联网技术已经在工程建设中得到了广泛的使用。本项目利用UWB实时测距技术实现吊车吊臂的位置测算,保证吊车在安全距离内施工作业。
4. 提出并选择方案
4.1 UWB定位技术
UWB技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术,当时主要用于军用雷达。2002年2月,美国联邦通信委员会发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定,之后UWB技术便在民用方面蓬勃发展。
UWB技术目前在工业制造、化工、电厂、地下建设、仓储物流、公检司法、医院等领域已得到广泛应用。
UWB定位技术通过布设固定位置的基站,然后测量各基站与标签间的距离,通过距离值与基站坐标对标签进行定位[1]。如图1所示,已知4个基站的坐标与各个基站到标签的距离,可以通过计算标签坐标。
相对于传统的定位技术,UWB模块具有极高的定位精度。UWB能在间距识别水平上超出其他传统的系统,复杂环境下其精准度几乎能实现Wi-Fi、蓝牙等传统系统的10倍甚至100倍左右。
此外GPS定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内,而且定位精度受可通信卫星数量影响;UWB定位系统的定位依赖于场地内布设的基站,对卫星无要求。与此同时,UWB模块拥有低功耗、抗电磁干扰能力强的优势。
UWB1000模块各个信道的通信带宽皆大于499.2 MHz,极大的带宽能带来非常大的扩频增益,让UWB通信系统性能较高。这象征着对于电池供电设备,系统的运作时间能极大增长,亦或同等发射功率要求下,覆盖范围比传统的技术大得多[2]。
表1为各种设备发射功率比较,从表中可看出UWB的发射功率低,信号带宽宽,并且不单独占用现在被手机等通信设备占用的已经拥挤不堪的频率资源,故此不容易受到电磁干扰,同时也能避免对其余通信设备造成的干扰。
表 1 各种设备发射功率表IEEE 802.11a HomeRF 蓝牙 UWB 1 W以上 1 W以上 1~100 mW 1 mW以下 UWB能使用小于1 mW的发射功率完成通信,低功率大大延长了电源的工作时间,同时,较小的功率使其电磁辐射对人体及电子设备的影响也会很小,这样,UWB技术的应用面就很广。
4.2 角度测量技术
MPU6050角度、加速度测量传感器,多用于智能型手机,平板装置设备,手持型游戏产品,游戏机,3D遥控器,可携式导航等设备。
将MPU6050模块结合至UWB模块,可通过UWB采集MPU6050模块测得的加速度值,并将加速度值通过数据流发送至上位机。放置模块在要测设备上后,通过水平校准及其他校准方式上位机将校准水平加速度向量,测量过程中,上位机获得当前加速度后可以通过算法与水平加速度向量做计算,获取当前吊臂仰角角度值。
5. 技术创新点
5.1 融合角度实现全方位三维立体定位
传统的UWB定位技术多应用于室内或工厂内部[3], 原因是UWB定位须满足所定位标签处于分布放置的基站内部的条件,否者定位将产生极大的误差。对于高处难以放置基站的施工场地而言,精确定位高处的物体将难以实现。
为了解决高度定位的问题,本定位系统融合了角度-高度定位技术,解决了标签高度无法通过传统UWB定位系统精确计算的困难。
如图2所示,通过UWB模块可获得x的值,h0的值可通过校准计算得出,获得角度模块测量的角度φ之后,高度可通过下述公式计算:
h=x⋅tanφ+h0。 (1) 式中:h为吊车臂顶端距离地面高度;x为吊车臂长度;φ为吊车臂与水平距离夹角;h0为吊车臂水平时与水平地面高度。
5.2 可移动、自定位基站布置
传统UWB定位系统需在固定位置安装基站并对各基站坐标进行测量校准,布设成本较高,适合室内、工厂等一次布置无须移动的项目。本系统采用可移动支架实现基站的可移动式布设。同时布设基站完成后,上位机系统可通过自动定位获取各基站坐标(如图3所示),节约人力成本,降低基站布设困难,实现快速布设。
5.3 多方式快捷设置电子围栏
系统可通过物理标签及虚拟标签2种方式指定围栏标签。物理标签可直接放置到安全区域边界,系统将自动检测围栏标签并通过其位置自动计算电子围栏。对于不方便放置物理标签的位置,可通过上位机界面程序设置电子围栏。
5.4 智能可视化上位机、多标签融合定位
可视化图像实时显示基站、围栏、标签位置,上位机实时检测模块电量。多标签融合定位算法,减小测量误差,连续定位检测,反应迅速单次定位时长小于1 s。
5.5 声光报警指示
报警灯绿黄红三色分别表示安全、警惕、危险,配备80 dB危险状态声音报警。
5.6 内置锂电池配合太阳能充电板,增加续航
模块内部配有可充电锂电池,满电状态可持续工作8 h以上。配备太阳能充电部件,布置方便,充电便捷,支持随用随充。
5.7 强力磁吸、牢靠稳定
标签配有强力磁吸,可直接将标签吸附在吊车吊臂等金属物体,方便安装,节约时间成本。
6. 效果确认
全方位起重吊装周界立体报警系统研制成功后,取得了良好的应用效果,该系统在运行的变电站内施工吊装、转运等作业时,对于吊车进行高空转臂、申臂等环节进行全方位、立体周界报警,有效降低了施工安全风险。同时为该系统整理出一套技术文件,便于该系统的推广应用,并制定了全方位起重吊装周界立体报警系统技术说明书,便于装置维护。
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表 1 各种设备发射功率表
IEEE 802.11a HomeRF 蓝牙 UWB 1 W以上 1 W以上 1~100 mW 1 mW以下 -
[1] 丁亚男,张旭,徐露. 基于UWB的室内定位技术综述[J]. 智能计算机与应用,2019(5):91−94. [2] 牛模, 梁涛. 超宽带无线通信系统的调制方式研究[J]. 电子质量, 2004(5). [3] 郝晴晴. 基于UWB的超高精度室内定位系统[J]. 无线互联科技,2021(16):120−122.