基于GPS定位技术的水利工程大型施工机械安全监测与应急指挥.doc

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第十三章基于GPS定位技术的水利工程大型施工机械安全监测与应急指挥

13.1概述

近年来，为了缓解电力能源紧缺问题，我国相继开展了三峡、龙滩等多个大型水电工程项目建设。

在大型水利工程项目建设中，为了提高工程施工效率和质量，大量采用了各种大型的施工机械，如缆机、塔机等自动化的施工设备。

例如，在龙滩工程建设中，采用了两台缆机、两台塔机和一台塔带机和一台顶带机共6台大型施工设备。

由于这些施工设备在施工过程中，有可能相互侵入对方的工作空域，极有可能出项机械设备之间的相互碰撞，而这些机械多为国外整机进口、价值昂贵，碰撞后其损失是非常巨大的。

目前，如何避免大型机械之间出现相互碰撞引起的安全问题，一直是水利施工部门亟待解决的技术难题。

在三峡工程中，曾对此问题进行了研究，但并没取得具有实际意义的结果。

随着GPS定位技术的发展和GPS系统的不断完善，软件性能不断改进，在广西龙滩水利工程中已验证GPS技术完全可以用于水利工程大型机械施工的安全监测和应急指挥中，能较好地解决水利施工部门的这一难题，且GPS技术不受天气条件的影响，可实现全天候作业、观测速度快、效率高，可实现全自动化安全监测，其费用仅为常规方法的1/3～1/6，可大力推广使用。

13.2大型施工机械安全监测的特点及重要意义

水利工程大型施工设备，具有作业区域广、设备集中、环境恶劣、流动性大等特点，在具体实际施工生产过程中，对大型施工机械的安全监测显得十分重要。

虽然各个施工设备相对独立操作，但是工作区域重合，吊臂纵横交错，如何根据实际的水利工程的施工特点，认真仔细地制定切实有效的安全预防措施，保证这些大型设备的安全运行，是关系到整个工程能否圆满完成各项施工任务的一项重中之重的问题，对人身财产安全及水利工程项目的实际进度具有十分重要的意义。

13.3大型施工机械安全监测的技术方法

13.3.1传统的人工值守方法

在水利工程大型机械设备进行现场施工过程中，专门安排人员在施工地面上调度施工机械，与机械司机通过通信设备和预警标志建立其共同意识，进行工程的机械施工，这种方法称为人工值守方法。

人工值守方法是最传统也是用的比较多的。

这种方法的使用必须对专人进行培训，根据工程的不同部位，不同时期和设备的变动情况，需要制定详细的施工措施和安全规定。

以广西龙滩水电工程大型施工设备运行安全为例，对其所采取的安全措施加以介绍。

（1）加强和完善各施工单位包括生产调度、安全管理、机电管理等部门现场安全监护人员、信号指挥人员以及设备操作人员在内的施工设备防碰撞安全体系。

（2）生产调度部门必须了解相关设备的使用性能，在制定生产计划时应尽可能避免设备相互干扰和交叉作业，各设备运行单位前方调度部门必须安排专职值班调度24小时值班，以便及时沟通起重设备工况信息，协调设备安全运行。

（3）设备操作人员及信号指挥人员，必须经过培训并取得有关部门颁发的资质证方可上岗，“安全哨”人员必须经过培训，了解相关设备的使用性能和掌握相关安全知识后方可上岗。

（4）建立三级通报制度。

现场施工时应限定各台施工设备的作业区域，一般情况下各台设备只能在限定的区域内作业，因生产需要，需进入相邻标段或其他设备的工作区域作业时，首先必须进行“三级通报”并得到生产调度部门或运行项目二级机构的许可，以及相关设备的回应后，方可进入。

（5）分包与总包之间的三级通报。

不同标段的设备可能发生干涉时，则三级包括双方的生产调度部门、设备运行项目二级机构、相关的起重设备运行班组，双方的同级部门必须进行通报。

（6）在起重设备交叉作业的部位（如:

MD2200和MD1800塔机，1号、2号缆机和TB1号塔带机，1号、2号缆机和TB2号顶带机，TB1号塔带机和TB2号顶带机，2号缆机和MD1800塔机，1号、2号缆机和MD2200塔机，左岸进水口坝段施工承包人自带的起重设备和MD2200和MD1800塔机等），施工承包人必须设置足够的专职安全人员。

各台设备的副操作员、地面信号指挥人员，应各尽其责，认真监护，以确保设备运行安全。

（7）传递信号的指挥人员之间应严格执行交接哨规定，在交接哨未完成前，信号指挥人员严禁停止信号指挥。

（8）地面信号指挥人员与仓面信号指挥人员严格分工制度，做到指挥信息不间断，不留死角，保证设备指挥通畅。

（9）大型起重设备当班操作人员应不少于2人，副操作员应监护设备安全运行，包括设备防碰撞安全隐患的监视。

缆机当班操作人员应不少于3人，其中1人负责操作、1人负责监护、1人负责巡视。

（10）设备相邻工作范围交叉时，两机任意部位（含工作臂、平衡臂、转台后部配重、供料线等）之间的水平或垂直安全距离必须大于10m，否则应停止动作，采取特别措施妥善处理，但采取特别措施后的最小安全距离不应小于2m。

（11）施工标段内的设备，作业中除应执行本规定外，还应执行本单位内部的有关规定。

若大型起重设备运行环境发生较大变化，施工承包人应及时补充设备防碰撞安全运行规定或修改专门规定，并及时报送设备监理，以便协调。

（12）流动设备进入起重设备的作业区域作业时，必须配备通讯工具。

使用单位应安排指挥人员并负责设备的协调、通报及通知避让等工作。

（13）施工承包人必须为各台大型起重设备配备足够相应规格的通讯工具。

设备相互的通报一般应使用公用频道，紧急情况时，可切入对方专用频道。

与起重设备生产无直接关系的报话内容，严禁通过该设备频道传送，以避免频道被占用而影响设备运行安全。

（14）设备进行大件吊装作业（包括两机抬吊）时，使用单位在制定作业指导书中应包括防碰撞措施，并做好相邻设备（或抬吊设备之间）避让的协调工作。

（15）完善设备的各种警示装置及警示牌，如:

缆机、塔机的行走报警装置、加强夜间照明、挂设霓虹灯警示等。

（16）设备运行单位应定期检查设备的安全限位和安全保护装置，如:

制动器、夹轨器、高度和行走限位器、锚定装置、大车终端限位车挡等，确保设备限位保护装置的安全可靠。

（17）严格执行设备操作规程，雨天、雾天能见度不足时，应停止作业。

六级以上（含六级）大风和雷雨等恶劣天气时，应采取相应措施，作好防护措施。

（18）分包与总包之间设备防碰撞的生产安排原则。

各施工承包人应千方百计地避免设备碰撞事故的发生，一旦发现存在碰撞的安全隐患，不管是设备自身的原因还是调度、协调上的问题，都应尽全力及时处理，避免事故的发生。

（19）设备避让原则，运动的让静止的，快的让慢的，当起重设备间存在干扰时，应已浇筑设备为主，其他起重设备进入该浇筑设备工作范围内时应征得调度室同意，并进行三级通报后才能进入。

缆机设备进入任何设备工作区域时，大钩或吊物底部应高于路线上所有设备后方能进行变幅操作。

13.3.2无人值守的GPS定位方法

所谓GPS定位方法就是根据GPS测量定位的原理，将GPS接收机天线准确地安装在大型施工机械运动梁的监测点上，将所采集的观测数据实时发送到数据处理分析中心，对观测数据进行实时解算以获得监测点位置，以达到大型施工机械实时动态安全监测与应急指挥的目的。

与传统的人工值守方法相比，GPS定位方法用于大型机械施工的安全监测与应急指挥的优越性及其表现为：

①可实现GPS自动化监测；②定位精度高；③全天侯实时动态安全监测；④不要求监测点间通视；⑤观测时间短、速度快、操作简单、能同时提供三维坐标。

因此，GPS定位技术在水利工程大型机械施工的安全监测与应急指挥中迅速得到了推广，成为一种新的很有前途的安全监测与应急指挥的方法之一。

13.4GPS技术在广西龙滩水电施工机械防碰撞系统开发及应急指挥中的应用

13.4.1广西龙滩水电施工机械布置概况

广西龙滩大坝坝址地形狭窄，两岸山高坡陡。

地形条件对机械设备的布置极为不利，并且龙滩右岸大坝工程主要以碾压混凝土为主，而碾压混凝土施工具有连续、大仓面浇筑的特点。

在龙滩工程LT/C-Ⅲ-1标施工中，其月浇筑强度最高达到34万立方米。

因此，根据龙滩大坝工程施工需要,在龙滩工程LT/C-Ⅲ-1标段施工中，布置有两台平移式缆机、两台塔（顶）带机、3条高速皮带机供料线，以及在仓面工作的1台胎带机、大型门机等，在LT/C-Ⅲ-2标段还布置有移动式塔机和固定式塔机各1台，以及若干大型门塔机等。

其施工设备大多需连续流水作业，交叉作业，相互干扰大，部分区域的密集程度已经超过了三峡工程。

规格上有大有小，形式上有固定、有移动，投入时间有前有后，群机工作环境复杂，其运行的安全问题非常突出。

为此，在龙滩工程中，提出了采用GPS技术对这些施工中的6台设备进行实时监控的技术路线，较好的解决了这一技术难题。

大坝施工设备布置如图4.11-1～图4.11-2所示。

图13.1　龙滩水电站大坝主要施工设备平面布置图

图13.2龙滩水电站大坝起重设备立面图

图13.3防碰撞系统GPS布置图

由于各台设备工作区域不可避免地存在重合（可能的干涉），为了各台设备的操作运行安全，使各个设备既独立操作又真正做到协同作业，有效地防止设备在工作过程中发生碰撞，以免造成安全事故，经业主多次召集有关专家进行分析论证，委托武汉大学进行了防碰撞系统的设计与开发。

该防碰撞系统遵循可靠、准确、实时、安全、可维、先进的原则进行设计，利用GPS信息系统进行无线数据采集、计算等，进而为设备操作运行提供预警信号，便于操作及指挥人员在设备作业过程中及时采取正确的处理方式，从模拟演示效果分析完全可以为各台设备安全运行提供必要的保障，该开发项目现已实施完成并正式应用于大坝施工设备中，正发挥着越来越重要的作用。

其布置如图13.3所示。

本节将重点对GPS信号实时采集系统的开发以及动态监测大坝施工吊车运行防撞系统的开发进行介绍。

13.4.2大型水电施工机械监控GPS信号采集系统的设计与实现

（1）多路GPS信号采集系统

在龙滩工程建设中，共使用了6台大型机械设备，考虑到尽降低监控系统的硬件成本，我们选用8个泰雷兹导航定位公司（Thales　Nivagation）的单频DG16GPSOEM板，其中7个安装于6台机械设备上（移动塔机因为本身的回转中心不是固定的，故使用了2台GPS），作为流动站对机械设备的实时位置信息进行采集，另一个安装于岸上一固定位置，用作伪距差分的基站数据采集。

7台流动站上的GPS信号，通过无线网络传输到岸上基站，再通用串口服务器和主计算机的多串口卡连接，基站GPS信号直接通过串行电缆和基站服务器计算的串口连接（如图13.4所示），关于采集系统的详细结构，将另文介绍，在此不加详细讨论。

TCP/IP无线网

主计算机

串行电缆连接

GPS1（基站）

GPS2

GPS3

GPS4

GPS5

GPS6

GPS7

GPS8

串口服务器

串口服务器

COM1

COM2

COM3

COM4

COM5

COM6

COM7

COM8

图13.4　多路GPS信号采集系统结构图

（2）泰雷兹DG16GPSOEM板

1）DG16简介

泰雷兹导航定位公司（ThalesNavigation）的专业产品DG16高性能、新一代亚米级GPS+Beacon+SBAS接收机。

她融合了星基增强系统（SBAS），如WAAS，EGNOS和MSAS信号，以及内嵌了信标接收芯片可以提供米级级差分定位，同时2个SBAS通道可以设置成2个辅助的GPS通道即具有14个GPS通道。

DG16带了两个双工RS232串口，最高波特率可达115200bps，通过可选择的增强功能件，原观测始数据和位置数据输出速率最高可达20Hz。

2）DG16数据输出格式及通信协议

DG16的数据输出类型可分为两大类：

一类为NMEA格式数据，以ASCII字符串的形式输出，DG16既可以输出标准的NMEA格式数据，也可以输出AshtechNEMA格式数据。

另一类为原始观测值数据，亦称实时数据，以二进制的形式输出。

由于