CN105819339B - 一种大型吊装作业虚拟指挥舱及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于吊装作业安全控制领域，提供一种大型吊装作业虚拟指挥舱及其工作方法，本发明装置由实景监控***、虚拟引导***、精准定位***和吊装力学分析***组成。本发明可实现吊装现场全局域监控的可视化，并基于BIM模型构建吊装虚拟预演模型，通过设置工况、吊装参数，实现对吊装过程的仿真模拟与路径优化，从而对吊装风险进行事先掌握，制定符合实际要求的吊装方案；再者，通过精准定位与吊装力学分析，实现吊装防碰撞与安全管控的自动化、信息化，为一线指挥人员提供准确、直观的预报警信息，向起重机驾驶员给出统一、标准化的吊装指令，协助起重机驾驶员顺利、安全完成吊装作业，为大型吊装作业提供安全、实时、有效的技术保障。

Description

一种大型吊装作业虚拟指挥舱及其工作方法

技术领域

本发明属于吊装作业安全控制领域，特别涉及一种大型吊装作业虚拟指挥舱及其工作方法。

背景技术

随着中国经济高速发展，国内石油化工、水利水电、基础设施项目等规模越来越大，其单机设备也越来越大型化、精密化；并且由于模块化施工的逐渐推行，体积更大、重量更重的大型模块也不断涌现出来。吊装物的大型化、重型化，使得吊装工艺要求越发严苛，需要保证吊装物的准确吊装与防碰撞，难度远超以往的吊装作业。同时，根据国家质量监督检验检疫总局公布的2015年上半年特种设备安全有关情况，吊装机械事故占特种设备上报事故总数的 13.5%。因此，提高大型吊装物吊装过程的精确性、安全性与吊装行为的可预测性成为当前研究的紧迫任务。

由于吊装物的大型化，起重机在吊装过程中容易发生倾覆，吊装场地在过大荷载情况下也容易发生结构性破坏；同时，起重机驾驶员在吊装过程中存在多个盲区；再者，现场环境嘈杂、交叉作业多，需要指挥人员配合起重机驾驶员完成吊装作业，然而多人联合指挥作业会使沟通效果难以得到保证，且单靠指挥人员自身经验来判断吊装是否安全也无法保证作业的精度和安全性，指令不一、不规范对起重机驾驶员操作同样造成巨大负面影响，危及吊装作业安全。为此，发明一套大型吊装作业虚拟指挥舱及其工作方法具有重要的工程意义和现实价值。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种大型吊装作业虚拟指挥舱及其工作方法，实现吊装现场全局域监控的可视化，并基于BIM模型构建吊装虚拟预演模型，通过设置工况、吊装参数，实现对吊装过程的仿真模拟与路径优化，从而对吊装风险进行事先掌握，制定符合实际要求的吊装方案；再者，通过精准定位与吊装力学分析，实现吊装防碰撞与安全管控的自动化、信息化，为一线指挥人员提供准确、直观的预报警信息，从而向起重机驾驶员给出统一、标准化的吊装指令，协助起重机驾驶员顺利、安全完成吊装作业，为大型吊装作业提供了安全、实时、有效的技术保障。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种大型吊装作业虚拟指挥舱，包括实景监控***、虚拟引导***、精准定位***和吊装力学分析***；

所述实景监控***，用于接收地面及井下布设的高清网络摄像机上传的实时监控画面，排查现场吊装准备情况，监控和记录吊装轨迹，辅助指挥人员查看作业盲区，保证其掌握吊装现场各角度画面，协助其指挥起重机驾驶员调整吊装物姿态，实现吊装全过程的可视化；所述吊装实景监控***由设置在吊装场景内的高清网络摄像机、存储服务器、实景监控客户端组成；

所述虚拟引导***，用于构建吊装虚拟预演模型，实现对吊装过程的仿真模拟与路径优化，并对吊装风险进行预估以制定吊装方案，同时在实际吊装过程中，实现实际吊装与仿真模拟的实时同步播放，以对吊装过程中出现的不安全动作与状态及时作出响应纠正；所述虚拟引导***由人机环信息模块、路径规划模块、仿真模拟模块组成；所述人机环信息模块，用于查询/输入吊装人员、吊装机械以及吊装环境的参数；

所述精准定位***，用于确保吊装物保持正确的姿态，通过应用超声波测距单元测量吊装物与工作井四周距离，用激光测距单元测量吊装物与井底距离，用角度测量单元测算吊装物倾角，将测量数据通过无线收发单元进行实时传输，并汇聚至客户端，实现吊装物上述测量数据的实时显示，防止吊装物发生碰撞，并对危险场景进行报警，提醒指挥人员对吊装人员发布指令，及时纠正吊装危险姿态；所述精准定位***由超声波测距单元、激光测距单元、角度测量单元、无线收发单元、定位客户端组成；

所述吊装力学分析***，用于确认起重机、吊装场地及吊装工况受力安全性，通过接收起重机力矩限制器的参数及布设在地面及井口的应力应变传感器的数据，分析计算起重机及吊装场地的安全状态，实现对起重机及其作业环境的受力情况的可视化，并对受力超出设置限值进行预报警，防止起重机发生倾覆以及吊装场地发生结构性破坏；所述吊装力学分析***由起重机数据接收模块、应力应变无线传感器、力学分析模块组成；所述起重机数据接收模块接收起重机力矩限制器的参数，信号来源包括力角度传感器信号、角度传感器信号、长度传感器信号；所述应力应变传感器，用于测量吊装井壁最大竖向附加应力、环向附加应力、地面局部竖向位移、井壁竖向位移及水平位移。

本发明所述超声波测距单元报警规则如下：当吊装物与井壁及周边其他设备的距离小于设置的一级报警距离，该单元发出一级报警信息并推送给指挥人员，由其对起重机驾驶员发出调整指令；当吊装物与井壁及周边其他设备的距离小于设置的二级报警距离时，该单元发出二级报警信息并推送给指挥人员，由其对起重机驾驶员发出暂停吊装指令；所述激光测距单元报警规则如下：当吊装物与井底的距离小于设置的一级报警距离，该单元发出一级报警信息并推送给指挥人员，由其对起重机驾驶员发出减速指令；当吊装物与井底的距离小于设置的二级报警距离时，该单元发出二级报警信息并推送至指挥人员，由其对起重机驾驶员发出暂停吊装指令；所述角度测量单元报警规则如下：当吊装物角度与设定角度相差超过设置的一级倾角差值时，该单元发出一级报警信息并推送至指挥人员，由其对起重机驾驶员发出调整指令；当吊装物角度与设定角度相差超过设置的二级倾角差值时，该单元发出二级报警信息并推送至指挥人员，由其对起重机驾驶员发出暂停吊装指令。

本发明还提供一种大型吊装作业虚拟指挥舱的工作方法，包括准备工作方法和应用工作方法，其中准备工作方法的工作步骤如下：

第一步，依托BIM模型，根据提供的起重机、各类人员、作业环境数据建立参数化BIM模型，其中，参数包括吊装物的重量、尺寸与外形特征、地面及竖井尺寸参数与吊装人员、指挥人员的基本信息；

第二步，建立吊装BIM模型，制定初步吊装方案；

第三步，根据制定的初步吊装方案，结合给定的吊装工况，通过吊装力学分析***分析计算起重机的受力情况，确认起重机及吊装工况是否满足安全要求；

第四步，对于仿真过程中发现的各类问题进行记录并修正初步吊装方案；

第五步，再次进行仿真模拟，直至仿真过程中不再出现问题，由此形成最终基于BIM的可视化虚拟吊装方案；

第六步，根据形成的可视化虚拟吊装方案，确认刀盘吊装的定位监测方案。

本发明大型吊装作业虚拟指挥舱的应用工作方法，包括以下工作步骤：

第一步，根据吊装现场实地勘察，确定实景监控***终端摄像机安装位置，制定安装方案；

第二步，执行第一步中制定的安装方案，安装完成后进行联网，建立实景监控实时全局域可视化***；

第三步，开启实景监控***，通过监控工作中心，对摄像机画面进行切换，并对摄像机进行旋转、变焦，确定各高清网络摄像机正常工作，保证吊装全过程都在本***视频监控范围内；

第四步，将精准定位***的超声波测距单元、激光测距单元、角度测量单元布置在吊装物的相应位置，开启各测量单元及终端监控软件，对各测量单元进行联网调试，确保各单元正常工作；

第五步，吊装前，指挥人员利用吊装力学分析***对起重机力矩限制器、地面与井口的应力应变传感器传回的具体参数进行分析，判断起重机及吊装场地是否处于安全状态；

第六步，指挥人员根据实景监控***，当吊装人员与吊装场地已做好吊装准备，指挥人员指挥起重机驾驶员起吊；

第七步，起吊过程中，指挥人员同步播放虚拟引导***的可视化虚拟吊装方案，根据虚拟吊装过程，对起重机驾驶员发出指令，使得吊装过程按照确定的吊装方案进行；

第八步，同时，指挥人员根据精准定位***显示的吊装物与四周的距离，对起重机驾驶员持续发出标准化指令；

第九步，当吊装间距达到一级报警距离或二级报警距离，精准定位***发出报警时，指挥人员根据实景监控***的监控画面，指挥起重机驾驶员采取预防措施，调整吊装物姿态，防止发生碰撞；

第十步，吊装物快接近工作井底部时，指挥人员通过精准定位***的激光测距单元传回的数据与实景监控***传回的实时吊装画面，对起重机驾驶员发出减速指令，直至吊装物到达预定位置，对起重机驾驶员发出停止吊装指令，由此一个吊装过程完毕。

本发明结构简单、操作方便，具有以下优点：

（1）主动安全控制：本装置采用的实时定位、实景监控等技术可有效实现吊装作业安全风险的主动提醒和预报警；

（2）集成控制：本装置将大型吊装作业过程中的视频监控需求、吊装方案仿真与同步播放需求、吊装防碰撞与预警需求和吊装全过程受力安全控制需求集成到一个平台上，从而实现上述信息的统一获取、共享，实现大型吊装的安全集成控制；

（3）提高吊装效率：指挥人员通过虚拟引导***，提前模拟现场吊装，不断优化吊装路径，预判可能出现的不安全情形，从而在实际吊装过程中大幅减少不必要的调整时间。

附图说明

图1为本发明装置的示意图。

图2为本发明一种大型吊装作业虚拟指挥舱的准备工作方法流程图。

图3为本发明一种大型吊装作业虚拟指挥舱的应用工作方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例，对本发明专利的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本实施案例提供一种大型吊装作业虚拟指挥舱，包括实景监控***、虚拟引导***、精准定位***和吊装力学分析***。

所述实景监控***，用于接收地面及井下布设的高清网络摄像机上传的实时监控画面，排查现场吊装准备情况，监控和记录吊装轨迹，辅助指挥人员查看作业盲区，保证其掌握吊装现场各角度画面，协助其指挥起重机驾驶员调整吊装物姿态，实现吊装全过程的可视化；所述吊装实景监控***由设置在吊装场景内的高清网络摄像机、存储服务器、实景监控客户端组成；

所述虚拟引导***，用于构建吊装虚拟预演模型，实现对吊装过程的仿真模拟与路径优化，并对吊装风险进行预估以制定吊装方案，同时在实际吊装过程中，实现实际吊装与仿真模拟的实时同步播放，以对吊装过程中出现的不安全动作与状态及时作出响应纠正；所述虚拟引导***由人机环信息模块、路径规划模块、仿真模拟模块组成；所述人机环信息模块，用于查询/输入吊装人员、吊装机械以及吊装环境的参数；

所述精准定位***，用于确保吊装物保持正确的姿态，通过应用超声波测距单元测量吊装物与工作井四周距离，用激光测距单元测量吊装物与井底距离，用角度测量单元测算吊装物倾角，将测量数据通过无线收发单元进行实时传输，并汇聚至客户端，实现吊装物上述测量数据的实时显示，防止吊装物发生碰撞，并对危险场景进行报警，提醒指挥人员对吊装人员发布指令，及时纠正吊装危险姿态；所述精准定位***由超声波测距单元、激光测距单元、角度测量单元、无线收发单元、定位客户端组成；

所述吊装力学分析***，用于确认起重机、吊装场地及吊装工况受力安全性，通过接收起重机力矩限制器的参数及布设在地面及井口的应力应变传感器的数据，分析计算起重机及吊装场地的安全状态，实现对起重机及其作业环境的受力情况的可视化，并对受力超出设置限值进行预报警，防止起重机发生倾覆以及吊装场地发生结构性破坏；所述吊装力学分析***由起重机数据接收模块、应力应变无线传感器、力学分析模块组成；所述起重机数据接收模块接收起重机力矩限制器的参数，信号来源包括力角度传感器信号、角度传感器信号、长度传感器信号；所述应力应变传感器，用于测量吊装井壁最大竖向附加应力、环向附加应力、地面局部竖向位移、井壁竖向位移及水平位移。

在上述实施例中，精准定位***安装流程如下：

（1）在井口两对角分别布设一个高清网络摄像机，在吊装场地的较高处布设一个高清网络摄像机，保证吊装场地全局域的可视化，摄像机与实景监控客户端无线连接，实时传输拍摄图像到实景监控客户端的显示器上；

（2）在刀盘的左右边缘和前后正中心安装超声波测距单元，在刀盘底部安装激光测距单元，在刀盘正中心安装角度测量单元，由上述三个装置对刀盘姿态及其和周围构筑物间距进行实时监测；

（3）将无线收发单元的中继器放置在井口边，与上述三种测量单元、精准定位客户端无线连接；

（4）在吊装场地地面以及井口底部内侧布设应力及应变无线传感器，与吊装力学分析模块无线连接，实时传输应力应变值；

（5）设备安装完成后，进行集成联网调试，保证软硬件的正常使用。

如图2所示，提供了一种大型吊装作业虚拟指挥舱的准备工作方法。现结合具体实施操作中的一次大型盾构刀盘吊装过程介绍如下：

第一步，依托BIM模型，对LIEBHERR LR1750型750/2吨履带式起重机及DEMAGCC2400-1型400吨履带式起重机、15.2m盾构刀盘、各类作业人员、作业环境数据建立参数化BIM模型，其中，参数包括吊装物的重量、尺寸与外形特征、地面及竖井尺寸参数与吊装人员、指挥人员的基本信息；

第二步，将制定的初步吊装方案在BIM模型中进行路径规划；

第三步，根据模拟的路径规划，结合给定的吊装工况，通过吊装力学分析***分析计算起重机的受力情况，确认起重机及吊装工况满足安全要求；

第四步，对于仿真过程中发现的起重机离工作井边过近这一问题，将起重机位置外移，设置新的安全距离进行再仿真，直至问题得到解决；

第五步，同理，对于仿真过程中出现的其他问题进行路径优化，直至仿真过程中不再出现问题，由此形成基于BIM的盾构刀盘可视化虚拟吊装方案；

第六步，根据形成的可视化虚拟吊装方案，确认刀盘吊装的定位监测方案。

如图3所示，提供了一种大型吊装作业虚拟指挥舱的应用工作方法。现结合具体实施操作中的一次大型盾构刀盘吊装过程介绍如下：

第一步，根据虚拟吊装方案将超声波测距单元、激光测距单元、角度测量单元布置在相应位置，开启三种测量单元及精准定位客户端，联网调试确定各测量单元正常工作；

第二步，开启实景监控客户端，对摄像机画面进行切换，并对摄像机进行旋转、变焦，确定各高清网络摄像机正常工作；

第三步，吊装开始前，指挥人员通过吊装力学分析***确认起重机及场地是否满足起吊条件，满足则通过实景监控***，切换监控摄像机，发现吊装场地仍有非作业人员，指挥人员通过对讲机疏散人员；

第四步，人员疏散后，指挥人员再次通过实景监控***确认吊装场地以及吊装井下是否还存在安全隐患，此时已具备吊装条件，指挥人员指挥起重机驾驶员开始进行吊装；

第五步，指挥人员通过实景监控***的画面结合虚拟引导***同步播放的可视化虚拟吊装方案，指挥副起重机驾驶员向主吊方向前行，当前行到预定位置后，指挥人员对副吊驾驶员发出停止前进指令，并对主、副吊驾驶员同时发出缓慢起吊指令，跟踪关注刀盘的姿态，同时关注吊装力学分析***，直至双机抬吊过程完毕；

第六步，刀盘调整到位后，主吊继续吊装，此时精准定位***发生报警，指挥人员马上对主吊驾驶员发出暂停指令，然后分析精准定位***中报警位置，发现刀盘的刀盘面顶部距离洞门横梁仅25cm，于是向主吊驾驶员发出缓慢向前调整的指令，直至报警消失，发出继续下吊指令；

第七步，指挥人员通过激光测距单元得知刀盘据井底只有100cm，其向主吊驾驶员发出缓慢下吊指令，并通过实景监控***查看刀盘具***置，直至刀盘基本就位，向主吊驾驶员发出暂停指令，并向作业人员发出刀盘安装指令；

第八步，指挥人员根据实景监控***，指挥主吊驾驶员根据刀盘安装需要进行刀盘位置微调，直至刀盘顺利安装，综上一次刀盘吊装完成。

Claims (4)

1.一种大型吊装作业虚拟指挥舱，其特征在于：包括实景监控***、虚拟引导***、精准定位***和吊装力学分析***；

所述实景监控***，用于接收地面及井下布设的高清网络摄像机上传的实时监控画面，排查现场吊装准备情况，监控和记录吊装轨迹，提供吊装现场各角度画面，实现吊装全过程的可视化；所述实景监控***由设置在吊装场景内的高清网络摄像机、存储服务器、实景监控客户端组成；

所述虚拟引导***，用于构建吊装虚拟预演模型，实现对吊装过程的仿真模拟与路径优化，并对吊装风险进行预估以制定吊装方案，同时在实际吊装过程中，实现实际吊装与仿真模拟的实时同步播放，以对吊装过程中出现的不安全动作与状态及时作出响应纠正；所述虚拟引导***由人机环信息模块、路径规划模块、仿真模拟模块组成；所述人机环信息模块，用于查询/输入吊装人员、吊装机械以及吊装环境的参数；

所述精准定位***，通过应用超声波测距单元测量吊装物与工作井四周距离，用激光测距单元测量吊装物与井底距离，用角度测量单元测算吊装物倾角，将测量数据通过无线收发单元进行实时传输，并汇聚至客户端，实现吊装物上述测量数据的实时显示，防止吊装物发生碰撞，并对危险场景进行报警，提醒指挥人员对吊装人员发布指令，及时纠正吊装危险姿态；所述精准定位***由超声波测距单元、激光测距单元、角度测量单元、无线收发单元、定位客户端组成；

所述吊装力学分析***，用于确认起重机、吊装场地及吊装工况受力安全性，通过接收起重机力矩限制器的参数及布设在地面及井口的应力应变传感器的数据，分析计算起重机及吊装场地的安全状态，实现对起重机及其作业环境的受力情况的可视化，并对受力超出设置限值进行预报警，防止起重机发生倾覆以及吊装场地发生结构性破坏；所述吊装力学分析***由起重机数据接收模块、应力应变无线传感器、力学分析模块组成；所述起重机数据接收模块接收起重机力矩限制器的参数，信号来源包括力角度传感器信号、角度传感器信号、长度传感器信号；所述应力应变传感器，用于测量吊装井壁最大竖向附加应力、环向附加应力、地面局部竖向位移、井壁竖向位移及水平位移。

2.根据权利要求1所述的一种大型吊装作业虚拟指挥舱，其特征在于：

所述超声波测距单元报警规则如下：当吊装物与井壁及周边其他设备的距离小于设置的一级报警距离，该单元发出一级报警信息并推送给指挥人员，由其对起重机驾驶员发出调整指令；当吊装物与井壁及周边其他设备的距离小于设置的二级报警距离时，该单元发出二级报警信息并推送给指挥人员，由其对起重机驾驶员发出暂停吊装指令；所述激光测距单元报警规则如下：当吊装物与井底的距离小于设置的一级报警距离，该单元发出一级报警信息并推送给指挥人员，由其对起重机驾驶员发出减速指令；当吊装物与井底的距离小于设置的二级报警距离时，该单元发出二级报警信息并推送至指挥人员，由其对起重机驾驶员发出暂停吊装指令；所述角度测量单元报警规则如下：当吊装物角度与设定角度相差超过设置的一级倾角差值时，该单元发出一级报警信息并推送至指挥人员，由其对起重机驾驶员发出调整指令；当吊装物角度与设定角度相差超过设置的二级倾角差值时，该单元发出二级报警信息并推送至指挥人员，由其对起重机驾驶员发出暂停吊装指令。

3.一种如权利要求1所述的大型吊装作业虚拟指挥舱的工作方法，其特征在于：包括准备工作方法和应用工作方法，其中准备工作方法步骤如下：

第一步，依托BIM模型，根据提供的起重机、各类人员、作业环境数据建立参数化BIM模型，其中，参数包括吊装物的重量、尺寸与外形特征、地面及竖井尺寸参数与吊装人员、指挥人员的基本信息；

第二步，建立吊装BIM模型，制定初步吊装方案；

第三步，根据制定的初步吊装方案，结合给定的吊装工况，通过吊装力学分析***分析计算起重机的受力情况，确认起重机及吊装工况是否满足安全要求；

第四步，对于仿真过程中发现的各类问题进行记录并修正初步吊装方案；

第五步，再次进行仿真模拟，直至仿真过程中不再出现问题，由此形成最终基于BIM的可视化虚拟吊装方案；

第六步，根据形成的可视化虚拟吊装方案，确认刀盘吊装的定位监测方案。

4.一种如权利要求1所述的大型吊装作业虚拟指挥舱的工作方法，其特征在于：包括准备工作方法和应用工作方法，其中应用工作方法步骤如下：

第一步，根据吊装现场实地勘察，确定实景监控***终端摄像机安装位置，制定安装方案；

第二步，执行第一步中制定的安装方案，安装完成后进行联网，建立实景监控实时全局域可视化***；

第三步，开启实景监控***，通过监控工作中心，对摄像机画面进行切换，并对摄像机进行旋转、变焦，确定各高清网络摄像机正常工作；

第四步，将精准定位***的超声波测距单元、激光测距单元、角度测量单元布置在吊装物的相应位置，开启各测量单元及终端监控软件，对各测量单元进行联网调试，确保各单元正常工作；

第五步，吊装前，指挥人员利用吊装力学分析***对起重机力矩限制器、地面与井口的应力应变传感器传回的具体参数进行分析，判断起重机及吊装场地是否处于安全状态；

第六步，指挥人员根据实景监控***，当吊装人员与吊装场地已做好吊装准备，指挥人员指挥起重机驾驶员起吊；

第七步，起吊过程中，指挥人员同步播放虚拟引导***的可视化虚拟吊装方案，根据虚拟吊装过程，对起重机驾驶员发出指令，使得吊装过程按照确定的吊装方案进行；

第八步，同时，指挥人员根据精准定位***显示的吊装物与四周的距离，对起重机驾驶员持续发出标准化指令；

第九步，当吊装间距达到一级报警距离或二级报警距离，精准定位***发出报警时，指挥人员根据实景监控***的监控画面，指挥起重机驾驶员采取预防措施，调整吊装物姿态，防止发生碰撞；

第十步，吊装物快接近工作井底部时，指挥人员通过精准定位***的激光测距单元传回的数据与实景监控***传回的实时吊装画面，对起重机驾驶员发出减速指令，直至吊装物到达预定位置，对起重机驾驶员发出停止吊装指令，由此一个吊装过程完毕。