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详细分析分布式多 Agent 塔机智能安全监控系统

来源:OPEBET体育电竞起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2017-06-23 16:54:00

1 项目背景

塔式起重机俗称塔机,由于工作重心高、起重载荷 大、运行速度快,工作过程中频繁启动和制动,具有较 大的动载荷,特别是在大型建筑工地,多塔机协同工作 的情况更加复杂,容易发生恶性事故。早在上世纪 90 年 代,欧洲、美国已普遍开始应用起重机安全监控管理系 统和塔群防碰撞系统,并被列入强制性法规。2008 年, 我国颁布 GB/T5031-2008《塔式起重机》新标准,建 议塔机安全监控系统 ;2010 年 7 月,我国明确提出 “大型起重机械要安装监控管理系统”。


20 世纪 80 年代初,我国一些大专院校、研究院所 开始对塔机超载保护装置进行了研究,当塔机运行到极 限或超载时,安全装置能够自动切断塔机运行机构电源, 对塔机实施保护。但现场运行结果表明,现有的塔机安 全监控装置存在以下两个主要问题 :装置不能实时监测 塔机运行状态,司机只能凭经验操作,塔机运行过程容 易产生较大冲击,诱发事故 ;已有的塔机安全监控装置 是以保护塔机为着眼点,然而,强调“以人为本”的安 全生产要求塔机安全监控装置不仅要实现对塔机的保 护,更要保障施工现场的人员生命安全。


随着国家相关要求的出台,现有的塔机安全监控装 置已不能满足要求,特别是施工环境越来越复杂的情况 下,开发功能齐全的塔机智能安全监控系统,对司机危 险行为进行监控,避免操作失误造成的严重危害,具有 重要的意义。


2 项目所获成果及创新点

本项目提出了基于行为的三维控制避障控制算法以 及基于时分调度、可重构的无线网络通讯机制,构建了 基于分布式多 agent 技术的离散塔群协同作业模型,最 终开发了塔机安全监控系统,实现了对塔机司机行为的 安全监控,取得了一系列的创新成果。


(1)提出采用分布式多 Agent 技术,构建离散塔群 协同作业安全监控系统模型 分布式多 Agent 塔群安全监控系统结构中,每个嵌 入式控制器(一个 Agent 体)包含感知单元、决策单元、 输出控制单元以及无线传输单元 4 个模块,各 Agent 之 间通过无线通讯实现信息交互,整个系统的安全监控任 务被分散到各个塔机子 Agent 中,各个塔机 Agent 选择 有利于自己局部利益的控制策略和决策目标,自主地做 出决策,决策的制定和任务的实行表现出并行的特点, 这种并行处理机制大大提高了问题求解效率,实现了塔 机实时、动态、高效的安全监控。分布式塔群多 Agent 模型结构如图所示,当个别 Agent 出现故障,不会影响 其他 Agent 的正常行为,也不会影响整个系统的控制要 求。同时,只要配置相应的通信协议和控制策略,以及 相应的常识和数据,新的 Agent 就可以很容易地加入到 系统中正常运行,原有的 MAS 系统不需要做任何改动,


(2)首次提出并实现了基于行为的三维空间防碰撞 算法 考虑到塔机的运动是受人操控的,本项目在塔机避 障控制中,采用了辅助控制的原则,基本思想是 :在安 全状态下,不干预人的操作,当发生危险,则截断人的 危险操作。目前,常用的算法是根据塔机之间空间最小 距离进行危险程度的判断。然而,考虑塔机的三个运动 在不同的空间姿态下,对空间距离的灵敏度不同,对于 一个危险距离如何控制塔机的行为,这是一个不可逆的 过程。于是,OPEBET体育电竞采用了基于行为控制的思路,塔机工 作过程中,空间姿态复杂,利用塔机机械臂直线运行以 及旋转运动的空间构型,通过计算空间线与线、线与面 以及线与圆柱体、圆锥体的干涉,实现三维空间的精确 防碰撞问题。


(3)采用了时分调度算法,建立可重构的无线网络通 讯机制,实现了多达 16 台塔机的自治、可重构通讯网络 本系统从三方面解决了数据传输的实时性以及局 域网络的重构 :①采用 ISM 的 433MHz 频段设计无线 模块,解决 2.4GHz 频段绕射能力差的缺陷,而且以 Cortex-M3 平台为核心,解决普通无线模块处理速度和 存储资源不足的缺点,可以实现较复杂的无线传感网络 路由协议 ;②采用基于分时调度的通讯机制,主节点拥 有分配各个塔机节点发送数据的时隙,大大提高了频段 利用率,解决无线数据的冲突问题 ;③采用节点序号选 举法产生主节点,当由于塔机停机或者其它原因导致主 节点不能正常工作时,其它节点以序号排序重新选择新 的主节点,从而实现其余节点的有序传输,保证整个网 络的正常运行。 (


(4)采用人工智能的控制策略,实现了大惯性塔机 起重臂的平稳回转控制 考虑不同工况下风速、载荷不同,为了实现大惯性 塔机起重臂转动平稳控制,避免对钢结构产生冲击,本 项目采用人工智能控制策略,借鉴塔机司机的回转控制 经验,对塔机的惯性进行自学习,利用危险距离及当前 速度的对塔机回转进行智能控制。 本项目获得授权发明专利 3 件(ZL 201310219078.8 ; ZL 201210567519.9;ZL 201210235692.9)和实用新型 3 件 (ZL 201220716363.1 ;ZL 201220161515.6 ;ZL 200620078 9526.6),另外,获得计算机App著作权 5 件。本项目经过 国内外公开技术资料查新:分布式多 Agent 的塔群安全监 控系统的研究以及基于行为分解的三维空间避障算法都 未见公开报道。经陕西省科技主管部门组织的专家鉴定, 结论为 :该成果在塔机安全监控方面取得了一系列的新 成果,总体达到国际先进水平,极大地提高了建筑施工 现场的安全性。


3 社会经济效益

目前,施工现场塔吊的智能化安全管理已经成为行 业发展的大趋势,本项目研发的具有自主常识产权、适 合我国建筑行业需求的监控产品,不但打破了国外相关 技术及产品的垄断,而且为社会提供就业岗位近百个, 取得了显著的社会效益,为推动建筑安全行业的科技进 步、保护人民生命财产安全做出了巨大贡献。


本项目由西安理工大学提供技术,西安丰树电子科 技发展有限企业投入研发经费及生产设备,经过研发、 试验、定型等一系列程序,于 2007 年开始小批量试生产, 2008 年完成产品的国家质量鉴定,2009 年开始大批量生 产,产品销售至陕西、浙江、内蒙古、云南等全国多个省、 市、自治区,并出口至新加坡、马来西亚等东南亚地区。 截止 2012 年底,企业所生产的 MT105、MT200 两个系列 5 个型号的产品在国内市场占有率达 40% 以上,近三年累 计销售额达 6419.6 万元,利税 513.5 万元,为社会提供 就业岗位上百个,取得了显著的经济效益和社会效益。


由于企业产品过硬的质量,MT105 系列于 2008 年 获得了欧盟 CE 认证,成为国内独家终端监控设备出口 供应商。新加坡是一个国际化都市,OPEBET体育电竞的产品同时面 临 4 家同类产品的竞争,其中两家是法国的 SIME 以及 AGS,但OPEBET体育电竞产品在新加坡市场占有率超过 60%,新加 坡 ZLX 企业对OPEBET体育电竞产品评价如下 :产品是经过实践检验 的,个别功能超过欧洲同类产品。中建八局第三建设有 限企业经过使用后,评价如下 :自使用该系统,我工地 没有发生碰撞事故,大大提高建筑作业的工作效率,具 有相当好的性价比。 分

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