王凱

摘要：簡(jiǎn)要介紹傳統(tǒng)的塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及其不足之處，詳細(xì)闡述了房建施工塔機(jī)基于機(jī)器視覺技術(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法的技術(shù)特點(diǎn)、基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的設(shè)置、布設(shè)多層級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警節(jié)點(diǎn)、建立塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警模型、監(jiān)測(cè)鎖定與監(jiān)測(cè)預(yù)警等主要內(nèi)容，闡述了對(duì)該監(jiān)測(cè)預(yù)警方法進(jìn)行測(cè)試的目的、測(cè)試準(zhǔn)備、測(cè)試過(guò)程及其結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)塔機(jī)防碰撞進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，效果好、針對(duì)性強(qiáng)、誤差可控，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：房建工程；塔機(jī)施工；防碰撞；機(jī)器視覺；監(jiān)測(cè)預(yù)警

0? ?引言

在房建等工程施工中，塔機(jī)是十分重要且關(guān)鍵的設(shè)備，塔機(jī)的使用頻率很高。但是在塔機(jī)使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些操作控制方面的問(wèn)題，例如塔機(jī)碰撞引起塔臂斷裂以及操控系統(tǒng)失靈等。塔機(jī)碰撞會(huì)引發(fā)塔機(jī)損壞、材料損失甚至人員傷亡，在一定程度上阻礙了工程進(jìn)度、影響了工程質(zhì)量和企業(yè)效益。因此塔機(jī)必須配備防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置。

1? ?傳統(tǒng)的塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

傳統(tǒng)的塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，如北斗定位塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，塔機(jī)與建筑物等周邊物體交會(huì)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法等，雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的任務(wù)及目標(biāo)，但是缺乏針對(duì)性與穩(wěn)定性，在不同的施工環(huán)境下，較難進(jìn)行預(yù)警的搭接與點(diǎn)位的鎖定，較容易受到外部環(huán)境及特定因素的影響[1]。不僅如此，當(dāng)前所設(shè)計(jì)的防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法一般是單向的，實(shí)際應(yīng)用測(cè)定時(shí)的效率較低，可控度不高，影響最終的監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果。

2? ?基于機(jī)器視覺技術(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

2.1? ?技術(shù)特點(diǎn)

為克服上述塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法的不足，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺技術(shù)的房建施工塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法并進(jìn)行了驗(yàn)證分析。所謂機(jī)器視覺技術(shù)，主要指的是利用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。

將機(jī)器視覺技術(shù)與塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法相融合，擴(kuò)大了實(shí)際預(yù)警范圍，形成了更加靈活、多變的預(yù)警結(jié)構(gòu)，可從多個(gè)角度進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)和行業(yè)邁入一個(gè)新的臺(tái)階[2]。

2.2? ?基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的設(shè)置

通常情況下，在進(jìn)行房建施工過(guò)程中，塔機(jī)的監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置可以保障其施工過(guò)程中的穩(wěn)定性與可靠性，但是需要進(jìn)行基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的設(shè)置[3]。這就需要對(duì)塔機(jī)的實(shí)際防撞位置和定向點(diǎn)位進(jìn)行標(biāo)定處理，并計(jì)算出碰撞的可控制距離，該距離一般設(shè)置在0.25～0.3m之間[4]。以此為基礎(chǔ)，依據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警的實(shí)際需求及標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行預(yù)警指標(biāo)與參數(shù)的設(shè)置。階段性基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)值的設(shè)置如表1所示。

根據(jù)表1完成對(duì)階段性基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)值的設(shè)置，然后以此為基礎(chǔ)，對(duì)當(dāng)前的監(jiān)測(cè)預(yù)警環(huán)境和條件進(jìn)行調(diào)整調(diào)度。需要注意的是，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)并不是固定的，可以依據(jù)自身的施工需求作出調(diào)整，具有較強(qiáng)的靈活性[5]。

2.3? ?布設(shè)多層級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警節(jié)點(diǎn)

傳統(tǒng)的塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警節(jié)點(diǎn)設(shè)置方式大多是單向，雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的預(yù)警任務(wù)，但是缺乏針對(duì)性和穩(wěn)定性，獲取的預(yù)警數(shù)值也并不精準(zhǔn)可靠[6]。為解決這一問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際預(yù)警需求和標(biāo)準(zhǔn)，將所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)預(yù)警方式分為多層級(jí)，這樣可以加強(qiáng)對(duì)監(jiān)測(cè)情況的多維控制，進(jìn)一步滿足實(shí)際的預(yù)警要求。為此，需計(jì)算出監(jiān)測(cè)預(yù)警節(jié)點(diǎn)的布設(shè)間距，具體計(jì)算如公式（1）所示。

（1）

式中：P表示監(jiān)測(cè)預(yù)警節(jié)點(diǎn)布設(shè)間距， 表示轉(zhuǎn)換監(jiān)測(cè)均值，ε表示可控監(jiān)測(cè)差，σ表示預(yù)警次數(shù)，χ表示預(yù)警響應(yīng)時(shí)間，δ表示碰撞距離，ρ表示重復(fù)預(yù)警范圍。

結(jié)合當(dāng)前的測(cè)試結(jié)果，依據(jù)設(shè)置的間距，調(diào)整節(jié)點(diǎn)的具體位置。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)位置和預(yù)警方向的變化，需將當(dāng)前的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)劃分為多個(gè)層級(jí)，以便更好地將預(yù)警的目標(biāo)進(jìn)行匹配，形成相對(duì)應(yīng)的預(yù)警關(guān)系，為后續(xù)數(shù)據(jù)、信息采集，甚至對(duì)異常碰撞位置的標(biāo)定提供參考。

2.4? ?建立塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警模型

采用機(jī)器視覺技術(shù)，構(gòu)建房建施工塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警模型。利用部署的監(jiān)測(cè)預(yù)警節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，為此需要在當(dāng)前的模型中設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)矩陣，進(jìn)行預(yù)警限值的計(jì)算，并將其設(shè)定為預(yù)警的限制標(biāo)準(zhǔn)，以構(gòu)建對(duì)應(yīng)的預(yù)警模型結(jié)構(gòu)。機(jī)器視覺房建塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警模型設(shè)置程序如圖1所示。

根據(jù)圖1展示的設(shè)置程序，完成對(duì)機(jī)器視覺房建塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警模型的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證分析。然后以此為基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)器視覺技術(shù)，處理各個(gè)階層的防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警目標(biāo)，并獲取模糊的預(yù)警結(jié)果，以待后續(xù)進(jìn)行修正處理。

2.5? ?監(jiān)測(cè)鎖定與監(jiān)測(cè)預(yù)警

所謂監(jiān)測(cè)鎖定，主要指的是針對(duì)預(yù)警模型處理的結(jié)果進(jìn)行修正的一種方式。當(dāng)前對(duì)于塔機(jī)防碰撞的位置以及距離進(jìn)行標(biāo)定，作為初始鎖定的目標(biāo)，在實(shí)際建設(shè)施工的過(guò)程中，每一個(gè)階段均需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的鎖定處理，將各個(gè)階段的監(jiān)測(cè)鎖定數(shù)值進(jìn)行匯總整合，并利用預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)作出比對(duì)，以此來(lái)消除各個(gè)環(huán)節(jié)的預(yù)警誤差，強(qiáng)化預(yù)警結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)際的監(jiān)測(cè)預(yù)警范圍，從多個(gè)角度保證預(yù)警結(jié)果的穩(wěn)定與可靠，營(yíng)造更為真實(shí)的監(jiān)測(cè)預(yù)警環(huán)境。

3? ?監(jiān)測(cè)預(yù)警方法測(cè)試

3.1? ?測(cè)試目的

此次主要是對(duì)基于機(jī)器視覺的房建施工塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證研究。考慮到最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，采用對(duì)比的方式展開分析，并選定Q房建工程作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象。根據(jù)當(dāng)前測(cè)定需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，對(duì)最終得出的測(cè)試結(jié)果比照研究。然后綜合機(jī)器視覺技術(shù)，進(jìn)行測(cè)試環(huán)境的關(guān)聯(lián)與搭建。

3.2? ?測(cè)試準(zhǔn)備

設(shè)定了北斗定位塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組、塔機(jī)與建筑物等周邊物體交會(huì)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組，以及機(jī)器視覺塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組。

結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)選定的Q房建工程作為測(cè)試的主要目標(biāo)，并建立對(duì)應(yīng)的測(cè)試環(huán)境與內(nèi)置搭接結(jié)構(gòu)。根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警的需求，可對(duì)塔機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)行劃定，并在可控的范圍之內(nèi)進(jìn)行一定數(shù)量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)。需要注意的是，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)定雖然是獨(dú)立的，但是實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中盡量將節(jié)點(diǎn)搭接在一起，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)、信息的采集與匯總。

在當(dāng)前的檢測(cè)系統(tǒng)之中接入一個(gè)定向的承接識(shí)別程序，并在塔機(jī)的操控系統(tǒng)之中增設(shè)傳感器、聲光報(bào)警器、記錄儀以及外側(cè)傳感器等輔助設(shè)備。接下來(lái)，進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)置，如表2所示。

根據(jù)表2，完成對(duì)預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)置與分析。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)多層級(jí)的監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)入制定的預(yù)警目標(biāo)，完成基礎(chǔ)測(cè)試環(huán)境及條件的設(shè)置，然后綜合機(jī)器視覺技術(shù)，進(jìn)行具體的測(cè)試與驗(yàn)證。

3.3? ?測(cè)試過(guò)程及結(jié)果分析

在上述搭建的測(cè)試環(huán)境之中，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)選定的Q房建工程進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。因?yàn)樵摴こ痰母采w面積較大，所以塔機(jī)的應(yīng)用范圍會(huì)更廣一些。將塔機(jī)的應(yīng)用測(cè)定區(qū)域劃分為4個(gè)，并利用各個(gè)區(qū)域設(shè)置的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息的采集，預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)預(yù)警的對(duì)應(yīng)周期，以待后續(xù)使用。利用設(shè)定的傳感器及聲光報(bào)警器等裝置，首先進(jìn)行防碰撞報(bào)警距離的測(cè)試，得出以下數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3，完成對(duì)塔機(jī)防碰撞報(bào)警距離的設(shè)置，依據(jù)上述情況，利用機(jī)器視覺技術(shù)，設(shè)置可控的視覺監(jiān)測(cè)預(yù)警范圍，并分析計(jì)算出最終的單元監(jiān)測(cè)預(yù)警耗時(shí)，具體如公式（2）所示：

（2）

式中：D表示單元監(jiān)測(cè)預(yù)警耗時(shí)，m表示可控監(jiān)測(cè)范圍，n表示視覺識(shí)別區(qū)域，u表示識(shí)別預(yù)警次數(shù)，χ表示機(jī)器視覺標(biāo)定距離。結(jié)合當(dāng)前的測(cè)定，完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，如圖2所示。

根據(jù)圖2完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析。對(duì)塔機(jī)與建筑物等周邊物體交會(huì)進(jìn)行防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試對(duì)比，此次所設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警測(cè)試組，最終得出的單元監(jiān)測(cè)預(yù)警耗時(shí)被控制在0.2s以下，這說(shuō)明在機(jī)器視覺技術(shù)的輔助下，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法效果更佳、針對(duì)性更強(qiáng)、誤差可控，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

綜合上述分析可知，將設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺的房建施工塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警模式，與傳統(tǒng)的塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警模式對(duì)比。前者在機(jī)器視覺技術(shù)的輔助與支持下，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)構(gòu)更為多元化、穩(wěn)定化，自身針對(duì)性得到了極大地提升。

基于機(jī)器視覺的房建施工塔機(jī)防碰撞監(jiān)測(cè)預(yù)警模式，可在不同的工程施工背景下，對(duì)塔機(jī)的可應(yīng)用位置進(jìn)行多維標(biāo)定。利用過(guò)程中獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和位置信息，有利于優(yōu)化預(yù)警結(jié)構(gòu)，提升預(yù)警精度，給予塔機(jī)操作人員提供更為精準(zhǔn)可靠的預(yù)警信號(hào)，從多方面保證塔機(jī)群的安全作業(yè)。

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