周世軍

河南省特種設(shè)備安全檢測研究院 鄭州 475000

0 引言

根據(jù)我國相關(guān)法律規(guī)定，3 t 以上的起重機(jī)均為特種設(shè)備，對(duì)于其制造、生產(chǎn)、使用、維修和改造，國家均有一整套完整的管理體系。其中涉及設(shè)備性能檢測方面的主要是在不同載荷下，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測量，如升降速度、小車運(yùn)行速度、大車運(yùn)行速度、各機(jī)構(gòu)行程、主梁拱度、跨度測量等。傳統(tǒng)的測量方式常采用卷尺、激光測距儀、秒表等工具進(jìn)行測量，但起重機(jī)作為一種大型機(jī)械，僅利用以上這些手工測量設(shè)備人為對(duì)起重機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量，往往不能達(dá)到準(zhǔn)確、安全、智能化的目的，尤其是對(duì)于一些大型設(shè)備，如架橋機(jī)、港口造船門式起重機(jī)（以下簡稱門機(jī)）等，由于現(xiàn)場情況的限制，檢測人員很難安全、有效地進(jìn)行人為檢測工作。

基于傳統(tǒng)測量方式的局限性，本文探討一種可以利用北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)露天情況下使用的起重機(jī)的各機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度、加速度、主梁拱度、跨度等參數(shù)的自動(dòng)化測量工作。

1 基于北斗定位系統(tǒng)的檢測裝置

1.1 北斗定位系統(tǒng)

中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段，地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力。中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照先試驗(yàn)、后區(qū)域、再全球的三步走戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)。經(jīng)過常年發(fā)展，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理和過程可簡述為：在一個(gè)立體直角坐標(biāo)系中，任何一個(gè)點(diǎn)的位置都可以通過3 個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)X、Y、Z 來得到確定。如果能測得某一點(diǎn)與其他3 點(diǎn)A、B、C 的距離，并確知這3 點(diǎn)的坐標(biāo)，即可建立三元方程組，解出該未知點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到該點(diǎn)的確切位置。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的基本原則是開放性，自主性，兼容性和漸進(jìn)性。

1.2 硬件組成

利用北斗定位系統(tǒng)的檢測裝置硬件組成北斗系統(tǒng)和用戶終端。北斗系統(tǒng)由定位裝置，地面主控站和空間衛(wèi)星組成。用戶終端與北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行無線通訊并將北斗系統(tǒng)傳輸出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 以北斗定位系統(tǒng)為核心的檢測裝置組成

根據(jù)圖1 所示流程，檢驗(yàn)人員只需攜帶定位裝置和裝有用戶終端的筆記本電腦即可完成對(duì)起重機(jī)相關(guān)參數(shù)的檢驗(yàn)工作?，F(xiàn)場檢驗(yàn)時(shí)，將定位裝置安裝在相應(yīng)位置，如測量起升機(jī)構(gòu)升降速度、加速度、起升高度時(shí)，可將定位裝置安裝在吊鉤或載荷上；測量小車運(yùn)行速度、加速度時(shí)，可將定位裝置安裝在小車機(jī)構(gòu)上。北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)將定位裝置的三維空間坐標(biāo)及與其對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息，通過通訊傳送給用戶終端，用戶終端通過軟件編程完成對(duì)北斗系統(tǒng)傳輸?shù)娜S空間坐標(biāo)及其對(duì)應(yīng)時(shí)間信息進(jìn)行處理，從而計(jì)算出各項(xiàng)參數(shù)。

1.3 軟件編程

1.3.1 總體設(shè)計(jì)

用戶終端軟件編程采用Fameview 軟件，通訊方式采用TCP/IP 開放協(xié)議。該協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于：1）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是完全開放的，可供用戶免費(fèi)使用，且獨(dú)立于特定的計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)，具有廣泛的適用性。2）獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)，可運(yùn)行在廣域網(wǎng)，更適合于互聯(lián)網(wǎng)。3）網(wǎng)絡(luò)地址統(tǒng)一分配，網(wǎng)絡(luò)中每一設(shè)備和終端都具有一個(gè)唯一地址。4）高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，可提供多種多樣可靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。數(shù)據(jù)庫采用SQLserver 數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。

1.3.2 起升機(jī)構(gòu)測量

起升機(jī)構(gòu)參數(shù)測量包括升降速度測量，加速度測量，載荷高度定位。北斗系統(tǒng)通過通訊實(shí)時(shí)將安裝在載荷或吊鉤上的定位裝置的位置坐標(biāo)傳輸給用戶終端，用戶終端通過計(jì)算得出定位裝置的速度變化和加速度變化。其中速度、加速度的計(jì)算為

式中：v 為瞬時(shí)速度，S 為位移，t 為時(shí)間，a 為加速度。

載荷高度的測量采用標(biāo)定法進(jìn)行，即操作起重機(jī)使載荷落地，將此時(shí)的定位裝置定為零點(diǎn)，此后計(jì)算定位裝置實(shí)時(shí)位置與該零點(diǎn)的高度差。

1.3.3 大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)測量

大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)測量包括運(yùn)行速度測量、加速度測量、大車跨度測量。北斗系統(tǒng)通過通訊實(shí)時(shí)將安裝在大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的位置坐標(biāo)傳輸給用戶終端，用戶終端通過計(jì)算得出定位裝置的速度變化和加速度變化。其中速度、加速度按式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算。

大車跨度的測量采用標(biāo)定法進(jìn)行，將定位裝置分別擺在起重機(jī)主梁兩端，操作用戶終端記錄下2 個(gè)位置的坐標(biāo)，通過三角函數(shù)計(jì)算出2 點(diǎn)的直線距離，即為主梁跨度

1.3.4 主梁測量

主梁測量包括撓度測量和上拱度測量，均采用標(biāo)定法進(jìn)行。撓度測量時(shí)將定位裝置安裝在主梁跨中位置，分別在載荷落地和載荷離地的時(shí)候記錄下定位裝置的高度坐標(biāo)，其變化即為撓度。上拱度測量時(shí)，分別將定位裝置安裝在主梁跨中與兩端，記錄下3 點(diǎn)的高度坐標(biāo)差，即可計(jì)算出主梁上拱度。

2 應(yīng)用意義與效果

2.1 應(yīng)用意義

北斗定位系統(tǒng)在起重機(jī)檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用開啟了北斗系統(tǒng)在該領(lǐng)域應(yīng)用的空白，對(duì)起重機(jī)檢驗(yàn)檢測方法的發(fā)展具有重大意義。1）采用以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置對(duì)起重機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)檢測工作，相對(duì)于傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法，更加簡單、便捷。檢驗(yàn)員只需攜帶定位裝置、無線網(wǎng)卡和裝有客戶終端的筆記本電腦即可對(duì)起重機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，有效提高了測量的自動(dòng)化和智能化。測量時(shí)，只需將定位裝置安裝在被測機(jī)構(gòu)上，就可以在完全安全的地方對(duì)起重機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量。避免了傳統(tǒng)測量方式需要檢驗(yàn)人員在工作狀態(tài)下的起重機(jī)上近距離對(duì)被測機(jī)構(gòu)進(jìn)行測量帶來的危險(xiǎn)。2）采用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行起重機(jī)檢驗(yàn)檢測的過程中，其精度往往只能達(dá)到厘米級(jí)或毫米級(jí)的測量精度。目前，北斗定位系統(tǒng)的定位精度已經(jīng)達(dá)到0.5 mm 以下，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到每秒千兆，這使得采用北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置比傳統(tǒng)測量方法測量的數(shù)據(jù)（包括位置、速度和加速度數(shù)據(jù)）精確一個(gè)以上的數(shù)量級(jí)，測量精度大大提升。3）以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置為基礎(chǔ)，未來可建立大型起重機(jī)在用設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，連續(xù)記錄設(shè)備在其全生命周期中各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，這將對(duì)整個(gè)起重機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2.2 應(yīng)用效果

2.2.1 速度測量對(duì)比

對(duì)某200 t 造船門機(jī)起升速度分別采用以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置和以卷尺、秒表方式進(jìn)行測量，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置為試驗(yàn)組，以卷尺、秒表進(jìn)行測量為對(duì)照組，數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 200 t 造船門機(jī)起升速度測量對(duì)比 m·min-1

2.2.2 跨度測量對(duì)比

對(duì)某200 t 造船門機(jī)跨度分別采用以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置和以卷尺或激光測距儀進(jìn)行測量，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置為試驗(yàn)組，以卷尺進(jìn)行測量為對(duì)照組1，以激光測距儀進(jìn)行測量為對(duì)照組2，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 200 t 造船門機(jī)跨度測量對(duì)比

2.2.3 上拱度測量對(duì)比

對(duì)某200 t 造船門機(jī)上拱度分別采用以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置和以塔尺、水平儀進(jìn)行測量，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置為試驗(yàn)組，以塔尺、水平儀進(jìn)行測量為對(duì)照組，數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 200 t 造船門機(jī)上拱度測量對(duì)比 m

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1）在速度測量對(duì)比試驗(yàn)中，試驗(yàn)組數(shù)據(jù)的期望為5.4，方差為0.01，對(duì)照組數(shù)據(jù)的期望為5.4，方差為0.18。這說明在多次重復(fù)測量的過程中，對(duì)于起升速度設(shè)計(jì)值為5.4 m/min 的起重機(jī)來說，以北斗定位系統(tǒng)為核心的檢測裝置和人工測量均能準(zhǔn)確測量出起升速度。但是以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置測量數(shù)據(jù)的方差遠(yuǎn)小于人工測量數(shù)據(jù)的方差，即以北斗定位系統(tǒng)為核心的檢測裝置測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)精度遠(yuǎn)高于人工測量得到的數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于起重機(jī)檢驗(yàn)一般對(duì)于起升速度的測量不會(huì)超過3 次，這就使得人工測量得到的數(shù)據(jù)存在較大誤差，不能準(zhǔn)確反映真值。

2）在跨度測量對(duì)比試驗(yàn)中，試驗(yàn)組數(shù)據(jù)期望為101.325，方差為0，對(duì)照組1 數(shù)據(jù)期望為101.773，方差為0.35，對(duì)照組2 數(shù)據(jù)期望為101.351，方差為0.02。這同樣說明傳統(tǒng)測量方式得到的數(shù)據(jù)具有波動(dòng)性大，重復(fù)精度低的特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)測量方式，激光測距儀測量法測得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)測量法，而以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置，重復(fù)精度最好。且起重機(jī)跨度設(shè)計(jì)值為101 m，對(duì)比3 組數(shù)據(jù)，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置最接近真值，人工測量得到的數(shù)據(jù)誤差最大，且這個(gè)誤差基本為正偏差。分析測量原理可知，這是由于測量過程中只能采取分段測量，造成的誤差累積所致。

3）在上拱度測量對(duì)比試驗(yàn)中，試驗(yàn)組數(shù)據(jù)期望為121.5，方差為1.27，對(duì)照組數(shù)據(jù)期望為121.7，方差為1.77。分析可知，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置測量精度略高于傳統(tǒng)測量方式，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高于傳統(tǒng)測量方式。

3 結(jié)論

綜上所述，以北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置在起重機(jī)各項(xiàng)參數(shù)測量過程中的重復(fù)測量精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測量方式，且在高速度、長距離、大跨度參數(shù)的測量中測量精度更高。加之其測量方式簡單，自動(dòng)化、智能化程度高，可以避免檢驗(yàn)人員測量過程中由于接觸起重機(jī)造成的危險(xiǎn)。鑒于以上優(yōu)勢(shì)，相信在不久的未來，北斗定位系統(tǒng)為核心的測量裝置定能廣泛應(yīng)用于起重機(jī)檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域。