一种群塔作业安全监测系统及方法
阅读说明：本技术 一种群塔作业安全监测系统及方法 (Group tower operation safety monitoring system and method ) 是由 孙传杰 孙启红 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：一种群塔作业安全监测系统,用于群塔防碰撞,塔吊设有小车以及吊盘,包括UWB定位模块、陀螺仪模块和计算显示模块,UWB定位模块用于检测塔吊的实时高度、小车距离塔吊垂直臂的垂直距离以及小车与吊盘之间的距离,陀螺仪模块安装于塔吊大臂,计算显示模块设有计算芯片单元、无线通信单元、电池单元、数据采集接口单元和显示屏单元,计算芯片单元均连接通信单元、电池单元、数据采集接口单元和显示屏单元,数据采集接口单元还连接UWB定位模块、陀螺仪模块、电池单元,显示屏单元用于实时更新运动轨迹和所检测到的数据。其对群塔作业进行预警和监控,数据精度高,且自行运算进行风险判断,安全操作和预警有效程度得到提高。(The utility model provides a crowd's tower operation safety monitoring system, be used for crowd's tower anticollision, the tower crane is equipped with dolly and platform sling, including UWB positioning module, gyroscope module and calculation display module, UWB positioning module is used for detecting the real-time height of tower crane, the perpendicular distance of dolly distance tower crane vertical arm and the distance between dolly and the platform sling, gyroscope module installs in the tower crane big arm, calculation display module is equipped with the calculation chip unit, wireless communication unit, the battery unit, data acquisition interface unit and display screen unit, the communication unit is all connected to the calculation chip unit, the battery unit, data acquisition interface unit and display screen unit, data acquisition interface unit still connects UWB positioning module, gyroscope module, the battery unit, the display screen unit is used for real-time update movement track and the data that detect. The system can perform early warning and monitoring on tower group operation, has high data precision, performs risk judgment through self-operation, and improves the safety operation and early warning effectiveness degree.)
技术领域
本发明涉及建筑工地塔吊应用领域，具体而言，涉及一种群塔作业安全监测系统及方法。
背景技术
目前塔吊在建筑业上的应用十分广泛，塔吊的使用极大的提高建筑行业的原材料运输和放置的效率，但是因为塔吊高度较大，安装方式依靠楼房的主体架构进行支撑，但是因为工地的建筑物较多，会导致群塔作业时存在碰撞的风险。
CN103863958A公开了一种复杂群集行走式塔机防碰撞系统及监控方法，采用了高度传感器、小车幅度传感器、回转角度传感器、大臂倾角传感器、重量传感器、风速传感器、Zigbee无线通信模块、GPRS远程无线通信模块和GNSS接收机模块，其中涉及多个传感器检测多种参数，存在系统复杂、防碰撞计算方法复杂的问题。
发明内容
本发明的目的包括提供一种群塔作业安全监测系统，其对群塔作业进行预警和监控，数据精度高，且自行运算进行风险判断，安全操作和预警有效程度得到提高。
本发明的另一目的包括提供一种群塔作业安全监测方法，同时实现预判性和有效性，避免无效误报和无效提示的发生。
本发明的另一目的包括提供一种群塔作业安全监测方法，同时实现预判性和有效性，避免无效误报和无效提示的发生。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种群塔作业安全监测系统，用于群塔防碰撞，塔吊设有小车以及吊盘，包括UWB定位模块、陀螺仪模块和计算显示模块，UWB定位模块用于检测塔吊的实时高度、小车距离塔吊垂直臂的垂直距离以及小车与吊盘之间的距离，陀螺仪模块安装于塔吊大臂，计算显示模块设有计算芯片单元、无线通信单元、电池单元、数据采集接口单元和显示屏单元，计算芯片单元均连接通信单元、电池单元、数据采集接口单元和显示屏单元，数据采集接口单元还连接UWB定位模块、陀螺仪模块、电池单元，显示屏单元用于实时更新运动轨迹和所检测到的数据。
优选地，计算芯片单元采用半导体芯片。
优选地，计算芯片单元均通过电路板连接通信单元、电池单元、数据采集接口单元和显示屏单元。
优选地，通信单元还被配置为向后台服务器发送数据，亦可从后台服务器接收数据。
优选地，计算芯片单元还连接有系统的APP或C语言的上位机软件。
一种群塔作业安全监测方法，包括上述的群塔作业安全监测系统，多个塔吊组合成群塔平面图形，其中划分成若干成对组合的相邻两塔吊，其中任一相邻两塔吊为塔吊A和塔吊B，且相邻两塔吊其高度差小于单个塔吊的厚度；
塔吊A和塔吊B分别具有基点坐标(xa，ya)、(xb，yb)，塔吊均具有L1的大臂工作区长度，塔吊A的最大活动区域为(x-xa)2+(y-ya)2＝L1 2，塔吊B的最大活动区域为(x-xb)2+(y-yb)2＝L1 2，联立两方程求解；
若无解，则塔吊A和塔吊B之间无碰撞风险；
若有解，则塔吊A和塔吊B存在碰撞风险。
优选地，塔吊配置有旋转速度，结合方程解用以得知碰撞发生时间点。
优选地，用于至少两个塔吊之间的碰撞预警，其中一塔吊被配置处于移动状态或静止状态，该塔吊其大臂的姿态信息通过UWB定位模块和陀螺仪模块输送至计算显示模块中。
一种群塔作业安全监测方法，包括上述的群塔作业安全监测系统，多个塔吊组合成群塔平面图形，其中划分成若干成对组合的相邻两塔吊，其中任一相邻两塔吊为塔吊A和塔吊B，且相邻两塔吊其高度差大于单个塔吊的厚度；
塔吊A与塔吊B之间的距离为Lp，塔吊A距离地面高度Ah1，塔吊B距离地面高度Bh1，塔吊B上小车距离塔机坐标点的水平直线距离Bb1，塔吊B小车上的吊盘距离地面高度Bh2，且Ah1小于Bh1，且Ah1大于Bh2；
若Lp-Bb1大于塔吊A的臂长，则塔吊A与塔吊B之间无碰撞风险；
若Lp-Bb1小于塔吊A的臂长，则塔吊A与塔吊B存在无碰撞风险。
优选地，用于至少两个塔吊之间的碰撞预警，其中一塔吊被配置处于移动状态或静止状态，该塔吊其大臂的姿态信息通过UWB定位模块和陀螺仪模块输送至计算显示模块中。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
1、区别于传统的群塔作业预警，系统所计算报警使用的数据并非手动录入生成，亦不是与实际操作塔吊可能存在较大误差的传统传感器产生，UWB技术的计算精度误差为厘米级别，且会根据实际的高度自动进行运算数据采集和发送，不以任何提前设定的基数或参考基数为计算标准，精准度得到大幅提升，安全操作和预警有效程度得到提高；
2、基于塔吊属于重型建筑设备，本发明的系统受人为干扰计算结构的概率较低，安全性高，实时性和准确性高，分线性和操作困难性交底，更符合市场需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供群塔作业安全监测系统的示意图；
图2为本发明实施例提供任意两相邻塔吊其高度差小于单个塔吊的厚度下群塔作业安全监测方法的示意图；
图3为本发明实施例提供任意两相邻塔吊其高度差大于单个塔吊的厚度下群塔作业安全监测方法的示意图。
图标：100-UWB定位模块，200-陀螺仪模块，300-计算显示模块，310-计算芯片单元，320-无线通信单元，330-电池单元，340-数据采集接口单元，350-显示屏单元，400-塔吊，410-塔吊A，420-塔吊B，430-小车，440-吊盘。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请参照图1，一种群塔作业安全监测系统，用于群塔防碰撞，塔吊400设有小车430以及吊盘440，包括UWB定位模块100、陀螺仪模块200和计算显示模块300。
计算显示模块300设有计算芯片单元310、无线通信单元320、电池单元330、数据采集接口单元340和显示屏单元350，计算芯片单元310均连接通信单元、电池单元330、数据采集接口单元340和显示屏单元350。数据采集接口单元340还连接UWB定位模块100、陀螺仪模块200、电池单元330，显示屏单元350用于实时更新运动轨迹和所检测到的数据。
其中，UWB定位模块100用于检测塔吊400的实时高度、小车430距离塔吊400垂直臂的垂直距离以及小车430与吊盘440之间的距离。进而通过塔吊400的高度减去吊盘440距离小车430的距离，即可得出吊盘440距离塔吊400基座水平面的高度。
其中，陀螺仪模块200安装于塔吊400大臂，可选择在塔吊400操作室前后大臂上任意一点处进行安装，即可知晓大臂此时的朝向角度方位。
其中，电池单元330不仅仅与计算芯片单元310连接、与数据采集接口单元340连接，电池单元330给无线通信单元320、UWB定位模块100、陀螺仪模块200以及显示屏单元350进行供电，以确保整体系统的正常运行。例如，采用电路板的方式，计算芯片单元310均通过电路板连接通信单元、电池单元330、数据采集接口单元340和显示屏单元350，电池单元330对电路板进行供电。
其中，数据采集接口单元340为一组可使用无线通信模块或有线通信模块的通信模块，并对应连接UWB定位模块100、陀螺仪角度计算模块、电源模块实现数据采集功能，将对应的数据采集到后按一定计算方法进行数据实时监测与采集计算，实现显示屏单元350上实时更新运动轨迹和检测到的数据。
优选地，计算芯片单元310采用半导体芯片，计算功能强大，稳定性强。
优选地，通信单元还被配置为向后台服务器发送数据，进行储存。亦可从后台服务器接收数据。
优选地，计算芯片单元310还连接有系统的APP或C语言的上位机软件。相关计算方法可以通过计算芯片控制显示屏单元350在基于系统的APP或C语言的上位机上进行实现。
区别于传统的群塔作业预警，本系统所计算报警使用的数据并非手动录入生成，亦不是与实际操作塔吊400可能存在较大误差的传统传感器产生，UWB技术的计算精度误差为厘米级别，且会根据实际的高度自动进行运算数据采集和发送，不以任何提前设定的基数或参考基数为计算标准，精准度得到大幅提升，安全操作和预警有效程度得到提高。
请参照图2，本实施例还提供一种群塔作业安全监测方法，针对上述的群塔作业安全监测系统中计算方法进行说明。其包括上述的群塔作业安全监测系统，多个塔吊400组合成群塔平面图形，其中划分成若干成对组合的相邻两塔吊400，其中任一相邻两塔吊400为塔吊A(410)和塔吊B(420)，且相邻两塔吊400其高度差小于单个塔吊400的厚度。在两塔吊400的大臂周转时，其大臂之间会相互影响，可能存在碰撞风险，先对碰撞风险及与否进行设计。
塔吊A(410)其塔基具有基点坐标(xa，ya)，塔吊B(420)其塔基具有基点(xb，yb)。塔吊400均具有L1的大臂工作区长度，塔吊A(410)的最大活动区域为(x-xa)2+(y-ya)2＝L1 2，塔吊B(420)的最大活动区域为(x-xb)2+(y-yb)2＝L1 2，联立两方程求解。
此时，若方程组无解，则塔吊A(410)和塔吊B(420)之间无碰撞风险。
若方程组有一解或两解，则塔吊A(410)和塔吊B(420)存在碰撞风险。
优选地，本群塔作业安全监测方法用于至少两个塔吊之间的碰撞预警，其中一塔吊被配置处于移动状态或静止状态，该塔吊其大臂的姿态信息通过UWB定位模块100和陀螺仪模块200输送至计算显示模块300中。
例如，本群塔作业安全监测方法可用于两个塔吊之间的碰撞风险分析及预警，并且两个吊塔之中一吊塔处于静止状态也可以进行碰撞预警。相应地，该静止状态下的塔吊其最大活动区域为其静止时所处空间位置，另一塔吊安装移动状态下的最大活动区域进行。
优选地，塔吊400配置有旋转速度，结合方程解用以得知碰撞发生时间点。当有碰撞风险时，两塔吊400不一定在上述方程组的解所显示的坐标点发生碰撞，这是因为两塔吊400它们各自的旋转状态并不一定对称、其两者的各自角速度并不一定是标准对称。此时通过塔吊400的旋转速度，以及UWB定位模块100测得的两塔吊400的具体方位，对塔吊400做出均匀转动的假设，依据塔吊400每时刻在空间的位置，求得塔吊400是否存在碰撞风险以及何时会发生碰撞，从而对驾驶员发出预警或者直接通过电控系统控制塔吊400改变移动。
本预警计算方法能有效对相邻两塔吊400其高度差小于单个塔吊400的厚度的群塔进行碰撞预警，提升安全性能。
实施例2
请参照图3，本实施例提供一种群塔作业安全监测方法，其包括实施例1中的群塔作业安全监测系统，二者的区别在于本实施例的群塔作业安全监测方法。
本实施例中的群塔作业安全监测方法与实施例1中的监测方法的应用条件不同。实施例1中的检测方法是用于任意两相邻塔吊400其高度差小于单个塔吊400的厚度，对其进行碰撞预警；而本实施例的群塔作业安全监测方法，是用于两相邻塔吊400其高度差大于单个塔吊400的厚度，进行预警。
需说明的是，本实施例的监测方法与实施例1中的检测方法结合起来，均为实际应用中群塔中任意相邻两塔吊400之间的相互可能发生碰撞的情形。
具体地，本实施例的群塔作业安全监测方法，多个塔吊400组合成群塔平面图形，其中划分成若干成对组合的相邻两塔吊400，其中任一相邻两塔吊400为塔吊A(410)和塔吊B(420)，且相邻两塔吊400其高度差大于单个塔吊400的厚度。塔吊A(410)与塔吊B(420)之间的距离为Lp，塔吊A(410)距离地面高度Ah1，塔吊B(420)距离地面高度Bh1，塔吊B(420)上小车430距离塔机坐标点的水平直线距离Bb1，塔吊B(420)小车430上的吊盘440距离地面高度Bh2，且限定Ah1小于Bh1，且限定Ah1大于Bh2。
若Lp-Bb1大于塔吊A(410)的臂长，则塔吊A(410)与塔吊B(420)之间无碰撞风险；
若Lp-Bb1小于塔吊A(410)的臂长，则塔吊A(410)与塔吊B(420)存在无碰撞风险。
其基于原理为塔吊A(410)的大臂与塔吊B(420)其小车430与吊盘440之间的钢丝绳是否存在干涉可能。
需要指出的是，实际应用中群塔中任意相邻两塔吊400之间的可能情形还存在：Ah1小于Bh1，且Ah1大于Bh2，此时塔吊A(410)与塔吊B(420)之间不存在碰撞风险。
需要指出的是，以塔机为原点，分为大臂工作区和大臂配重区两个部分。塔吊400的最大活动范围，一般是由大臂工作区的360o旋转范围确定的。以上叙述中的臂长均是大臂工作区的臂长。
计算报警的结果布置基于一种情况来评判，计算办法中充分考虑到了塔吊400高度、吊盘440高度和小车430位置以及塔吊400吊臂旋转方向和角度等数据进行计算，实现了预判性和有效性的双重和一，避免无效误报和无效提示的发生。
优选地，本群塔作业安全监测方法用于至少两个塔吊之间的碰撞预警，其中一塔吊被配置处于移动状态或静止状态，该塔吊其大臂的姿态信息通过UWB定位模块100和陀螺仪模块200输送至计算显示模块300中。
例如，本群塔作业安全监测方法可用于两个塔吊之间的碰撞风险分析及预警，并且两个吊塔之中一吊塔处于静止状态也可以进行碰撞预警。相应地，该静止状态下的塔吊其最大活动区域为其静止时所处空间位置，另一塔吊安装移动状态下的最大活动区域进行。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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