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(xié)同工作 的情況更加復雜，容易發(fā)生惡性事故。早在上世紀 90 年 代，歐洲、美國已普遍開始應(yīng)用起重機安全監(jiān)控管理系 統(tǒng)和塔群防碰撞系統(tǒng)，并被列入強制性法規(guī)。2008 年， 我國頒布 GB/T5031-2008《塔式起重機》新標準，建 議塔機安全監(jiān)控系統(tǒng) ；2010 年 7 月，我國明確提出 “大型起重機械要安裝監(jiān)控管理系統(tǒng)”。

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(gòu)電源， 對塔機實施保護。但現(xiàn)場運行結(jié)果表明，現(xiàn)有的塔機安 全監(jiān)控裝置存在以下兩個主要問題 ：裝置不能實時監(jiān)測 塔機運行狀態(tài)，司機只能憑經(jīng)驗操作，塔機運行過程容 易產(chǎn)生較大沖擊，誘發(fā)事故 ；已有的塔機安全監(jiān)控裝置 是以保護塔機為著眼點，然而，強調(diào)“以人為本”的安 全生產(chǎn)要求塔機安全監(jiān)控裝置不僅要實現(xiàn)對塔機的保 護，更要保障施工現(xiàn)場的人員生命安全。

隨著國家相關(guān)要求的出臺，現(xiàn)有的塔機安全監(jiān)控裝 置已不能滿足要求，特別是施工環(huán)境越來越復雜的情況 下，開發(fā)功能齊全的塔機智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，對司機危 險行為進行監(jiān)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(chuàng)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(diào)度、可重構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)通訊機制，構(gòu)建了 基于分布式多 agent 技術(shù)的離散塔群協(xié)同作業(yè)模型，最 終開發(fā)了塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對塔機司機行為的 安全監(jiān)控，取得了一系列的創(chuàng)新成果。

（1）提出采用分布式多 Agent 技術(shù)，構(gòu)建離散塔群 協(xié)同作業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)模型 分布式多 Agent 塔群安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)信息交互，整個系統(tǒng)的安全監(jiān)控任 務(wù)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(wù)的執(zhí)行表現(xiàn)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(xiàn)了塔 機實時、動態(tài)、高效的安全監(jiān)控。分布式塔群多 Agent 模型結(jié)構(gòu)如圖所示，當個別 Agent 出現(xiàn)故障，不會影響 其他 Agent 的正常行為，也不會影響整個系統(tǒng)的控制要 求。同時，只要配置相應(yīng)的通信協(xié)議和控制策略，以及 相應(yīng)的知識和數(shù)據(jù)，新的 Agent 就可以很容易地加入到 系統(tǒng)中正常運行，原有的 MAS 系統(tǒng)不需要做任何改動，

（2）首次提出并實現(xiàn)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(tài)下，不干預人的操作，當發(fā)生危險，則截斷人的 危險操作。目前，常用的算法是根據(jù)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(tài)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(tài)復雜，利用塔機機械臂直線運行以 及旋轉(zhuǎn)運動的空間構(gòu)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(xiàn)三維空間的精確 防碰撞問題。

（3）采用了時分調(diào)度算法，建立可重構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)通 訊機制，實現(xiàn)了多達 16 臺塔機的自治、可重構(gòu)通訊網(wǎng)絡(luò) 本系統(tǒng)從三方面解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性以及局 域網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu) ：①采用 ISM 的 433MHz 頻段設(shè)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(xiàn)較復雜的無線傳感網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議 ；②采用基于分時調(diào)度的通訊機制，主節(jié)點擁 有分配各個塔機節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙，大大提高了頻段 利用率，解決無線數(shù)據(jù)的沖突問題 ；③采用節(jié)點序號選 舉法產(chǎn)生主節(jié)點，當由于塔機停機或者其它原因?qū)е轮?節(jié)點不能正常工作時，其它節(jié)點以序號排序重新選擇新 的主節(jié)點，從而實現(xiàn)其余節(jié)點的有序傳輸，保證整個網(wǎng) 絡(luò)的正常運行。 （

（4）采用人工智能的控制策略，實現(xiàn)了大慣性塔機 起重臂的平穩(wěn)回轉(zhuǎn)控制 考慮不同工況下風速、載荷不同，為了實現(xiàn)大慣性 塔機起重臂轉(zhuǎn)動平穩(wěn)控制，避免對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(zhuǎn)控制 經(jīng)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(zhuǎn)進行智能控制。 本項目獲得授權(quán)發(fā)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(quán) 5 件。本項目經(jīng)過 國內(nèi)外公開技術(shù)資料查新：分布式多 Agent 的塔群安全監(jiān) 控系統(tǒng)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(jīng)陜西省科技主管部門組織的專家鑒定， 結(jié)論為 ：該成果在塔機安全監(jiān)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(xiàn)場的安全性。

3 社會經(jīng)濟效益

目前，施工現(xiàn)場塔吊的智能化安全管理已經(jīng)成為行 業(yè)發(fā)展的大趨勢，本項目研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適 合我國建筑行業(yè)需求的監(jiān)控產(chǎn)品，不但打破了國外相關(guān) 技術(shù)及產(chǎn)品的壟斷，而且為社會提供就業(yè)崗位近百個， 取得了顯著的社會效益，為推動建筑安全行業(yè)的科技進 步、保護人民生命財產(chǎn)安全做出了巨大貢獻。

本項目由西安理工大學提供技術(shù)，西安豐樹電子科 技發(fā)展有限公司投入研發(fā)經(jīng)費及生產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)過研發(fā)、 試驗、定型等一系列程序，于 2007 年開始小批量試生產(chǎn)， 2008 年完成產(chǎn)品的國家質(zhì)量鑒定，2009 年開始大批量生 產(chǎn)，產(chǎn)品銷售至陜西、浙江、內(nèi)蒙古、云南等全國多個省、 市、自治區(qū)，并出口至新加坡、馬來西亞等東南亞地區(qū)。 截止 2012 年底，公司所生產(chǎn)的 MT105、MT200 兩個系列 5 個型號的產(chǎn)品在國內(nèi)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(yè)崗位上百個，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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