1 項目背景

塔式起重機俗稱塔機，由于工作重心高、起重載荷 大、運行速度快，工作過程中頻繁啟動和制動，具有較 大的動載荷，特別是在大型建筑工地，多塔機協同工作 的情況更加復雜，容易發生惡性事故。早在上世紀 90 年 代，歐洲、美國已普遍開始應用起重機安全監控管理系 統和塔群防碰撞系統，并被列入強制性法規。2008 年， 我國頒布 GB/T5031-2008《塔式起重機》新標準，建 議塔機安全監控系統 ；2010 年 7 月，我國明確提出 “大型起重機械要安裝監控管理系統”。

20 世紀 80 年代初，我國一些大專院校、研究院所 開始對塔機超載保護裝置進行了研究，當塔機運行到極 限或超載時，安全裝置能夠自動切斷塔機運行機構電源， 對塔機實施保護。但現場運行結果表明，現有的塔機安 全監控裝置存在以下兩個主要問題 ：裝置不能實時監測 塔機運行狀態，司機只能憑經驗操作，塔機運行過程容 易產生較大沖擊，誘發事故 ；已有的塔機安全監控裝置 是以保護塔機為著眼點，然而，強調“以人為本”的安 全生產要求塔機安全監控裝置不僅要實現對塔機的保 護，更要保障施工現場的人員生命安全。

隨著國家相關要求的出臺，現有的塔機安全監控裝 置已不能滿足要求，特別是施工環境越來越復雜的情況 下，開發功能齊全的塔機智能安全監控系統，對司機危 險行為進行監控，避免操作失誤造成的嚴重危害，具有 重要的意義。

2 項目所獲成果及創新點

本項目提出了基于行為的三維控制避障控制算法以 及基于時分調度、可重構的無線網絡通訊機制，構建了 基于分布式多 agent 技術的離散塔群協同作業模型，最 終開發了塔機安全監控系統，實現了對塔機司機行為的 安全監控，取得了一系列的創新成果。

（1）提出采用分布式多 Agent 技術，構建離散塔群 協同作業安全監控系統模型 分布式多 Agent 塔群安全監控系統結構中，每個嵌 入式控制器（一個 Agent 體）包含感知單元、決策單元、 輸出控制單元以及無線傳輸單元 4 個模塊，各 Agent 之 間通過無線通訊實現信息交互，整個系統的安全監控任 務被分散到各個塔機子 Agent 中，各個塔機 Agent 選擇 有利于自己局部利益的控制策略和決策目標，自主地做 出決策，決策的制定和任務的執行表現出并行的特點， 這種并行處理機制大大提高了問題求解效率，實現了塔 機實時、動態、高效的安全監控。分布式塔群多 Agent 模型結構如圖所示，當個別 Agent 出現故障，不會影響 其他 Agent 的正常行為，也不會影響整個系統的控制要 求。同時，只要配置相應的通信協議和控制策略，以及 相應的知識和數據，新的 Agent 就可以很容易地加入到 系統中正常運行，原有的 MAS 系統不需要做任何改動，

（2）首次提出并實現了基于行為的三維空間防碰撞 算法 考慮到塔機的運動是受人操控的，本項目在塔機避 障控制中，采用了輔助控制的原則，基本思想是 ：在安 全狀態下，不干預人的操作，當發生危險，則截斷人的 危險操作。目前，常用的算法是根據塔機之間空間最小 距離進行危險程度的判斷。然而，考慮塔機的三個運動 在不同的空間姿態下，對空間距離的靈敏度不同，對于 一個危險距離如何控制塔機的行為，這是一個不可逆的 過程。于是，我們采用了基于行為控制的思路，塔機工 作過程中，空間姿態復雜，利用塔機機械臂直線運行以 及旋轉運動的空間構型，通過計算空間線與線、線與面 以及線與圓柱體、圓錐體的干涉，實現三維空間的精確 防碰撞問題。

（3）采用了時分調度算法，建立可重構的無線網絡通 訊機制，實現了多達 16 臺塔機的自治、可重構通訊網絡 本系統從三方面解決了數據傳輸的實時性以及局 域網絡的重構 ：①采用 ISM 的 433MHz 頻段設計無線 模塊，解決 2.4GHz 頻段繞射能力差的缺陷，而且以 Cortex-M3 平臺為核心，解決普通無線模塊處理速度和 存儲資源不足的缺點，可以實現較復雜的無線傳感網絡 路由協議 ；②采用基于分時調度的通訊機制，主節點擁 有分配各個塔機節點發送數據的時隙，大大提高了頻段 利用率，解決無線數據的沖突問題 ；③采用節點序號選 舉法產生主節點，當由于塔機停機或者其它原因導致主 節點不能正常工作時，其它節點以序號排序重新選擇新 的主節點，從而實現其余節點的有序傳輸，保證整個網 絡的正常運行。 （

（4）采用人工智能的控制策略，實現了大慣性塔機 起重臂的平穩回轉控制 考慮不同工況下風速、載荷不同，為了實現大慣性 塔機起重臂轉動平穩控制，避免對鋼結構產生沖擊，本 項目采用人工智能控制策略，借鑒塔機司機的回轉控制 經驗，對塔機的慣性進行自學習，利用危險距離及當前 速度的對塔機回轉進行智能控制。 本項目獲得授權發明專利 3 件（ZL 201310219078.8 ； ZL 201210567519.9；ZL 201210235692.9）和實用新型 3 件 （ZL 201220716363.1 ；ZL 201220161515.6 ；ZL 200620078 9526.6），另外，獲得計算機軟件著作權 5 件。本項目經過 國內外公開技術資料查新：分布式多 Agent 的塔群安全監 控系統的研究以及基于行為分解的三維空間避障算法都 未見公開報道。經陜西省科技主管部門組織的專家鑒定， 結論為 ：該成果在塔機安全監控方面取得了一系列的新 成果，總體達到國際先進水平，極大地提高了建筑施工 現場的安全性。

3 社會經濟效益

目前，施工現場塔吊的智能化安全管理已經成為行 業發展的大趨勢，本項目研發的具有自主知識產權、適 合我國建筑行業需求的監控產品，不但打破了國外相關 技術及產品的壟斷，而且為社會提供就業崗位近百個， 取得了顯著的社會效益，為推動建筑安全行業的科技進 步、保護人民生命財產安全做出了巨大貢獻。

本項目由西安理工大學提供技術，西安豐樹電子科 技發展有限公司投入研發經費及生產設備，經過研發、 試驗、定型等一系列程序，于 2007 年開始小批量試生產， 2008 年完成產品的國家質量鑒定，2009 年開始大批量生 產，產品銷售至陜西、浙江、內蒙古、云南等全國多個省、 市、自治區，并出口至新加坡、馬來西亞等東南亞地區。 截止 2012 年底，公司所生產的 MT105、MT200 兩個系列 5 個型號的產品在國內市場占有率達 40% 以上，近三年累 計銷售額達 6419.6 萬元，利稅 513.5 萬元，為社會提供 就業崗位上百個，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

由于公司產品過硬的質量，MT105 系列于 2008 年 獲得了歐盟 CE 認證，成為國內獨家終端監控設備出口 供應商。新加坡是一個國際化都市，我們的產品同時面 臨 4 家同類產品的競爭，其中兩家是法國的 SIME 以及 AGS，但我們產品在新加坡市場占有率超過 60%，新加 坡 ZLX 公司對我們產品評價如下 ：產品是經過實踐檢驗 的，個別功能超過歐洲同類產品。中建八局第三建設有 限公司經過使用后，評價如下 ：自使用該系統，我工地 沒有發生碰撞事故，大大提高建筑作業的工作效率，具 有相當好的性價比。 分