智能塔机远程操作仿真系统技术研究@Like
二〇xx年一月
目录
1. 概述
1.1. 背景
1.2. 目前问题
1.3. 方案介绍
1.4. 研制内容
2. 技术指标
2.1. 引用标准
2.2. 指标参数
3. 需求分析
3.1. 功能要求
3.1.1. 基本功能
3.1.2. 进阶要求
3.2. 装备分析
4. 设计方案
4.1. 系统原理
4.2. 系统组成
4.3. 模拟驾驶舱设计
4.3.1. 舱体设计
4.3.2. 操作系统设计
4.3.3. 监视系统设计
4.4. 无线网络设计
4.5. 塔机监控系统设计
4.5.1. 塔机控制系统
4.5.2. 安全监控系统
4.5.3. 视频监控系统
4.6. 管理系统设计
1. 概述
1.1. 背景
为贯彻国家关于碳达峰碳中和的重大决策，落实《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》，住房和城乡建设部发布了《绿色建造技术导则（试行）》，对建筑施工过程中的智慧工地及建筑信息模型提出了指导建议。导则要求建筑工地要综合采用各类信息技术，围绕人员、机械设备等施工现场关键要素，具备信息实时采集、互通共享、工作协同、智能决策分析、风险预控等功能的数字化施工管理模式。政府出台《关于深化建筑业改革发展的意见》，要求实现所有政府投资规模以上新建工程智慧工地建设全覆盖，实现工地数据的集成分析，可监控；2022年起，逐步推进BIM（建筑信息模型）技术、质量管控、绿色施工等关键技术应用全覆盖。塔机作为建筑设备中的主要设备，技术将更加注重信息化、协同化、安全可靠的应用，塔机系统信息化、智能化、远程可监控势在必行。
1.2. 目前问题
塔机不光是在建筑行业应用广泛，在水电大坝建设领域和交通施工领域，包括桥梁建设、轨道交通建设等，塔机的应用也逐渐增多。不同的应用场景所需塔机的数量、型号不一致，但当下都存在一些共同的问题。
机群化：中国城镇化住房高层化及重大工程越来越多，塔机产业向着大吨位，机群化发展。 塔机机群作业能大大提高建设速度，缩短施工周期，但是现在机群中各塔机独立工作，缺少必要的关联和制约，施工安全存在隐患，施工效率也难达最优，因此对塔机机群作业统一管理要求越来越高；
安全：塔机多是在一个障碍物密布的有限范围内作业，现场环境混乱，常出现障碍物碰撞，并且塔机之间也存在碰撞隐患，因此对安全的要求越来越高；另外，当前塔机施工作业中，司机需徒手攀爬上下塔机驾驶室，费力且存在安全隐患。
操控环境：塔机工作过程中需要司机长时间在高处的塔机驾驶室内，但驾驶室空间狭小，司机活动不方便。在现场调研中发现，有些司机为了减少上下塔机的次数，会减少饮食的频率，导致很多人不愿意从事塔机作业。
施工成本：为加快施工进度，大多数施工工地均多点同时施工，每台塔机需要配置一名司机操作，并且目前塔机多、司机少，人工成本越来越高，如果一名司机可以操作多台塔机，人工成本将成倍减少。
施工效率：如今大多数工地存在塔机多，司机少的问题，经常出现一名司机操作多台塔机情况，中间更换塔机施工，需爬上爬下，极大影响施工效率，司机非常希望能够远程操作塔机施工；
吊装质量：塔机司机更换频繁，没有经验的司机操作塔机启停冲击较大、吊装质量低。
总的来看：目前塔机存在管理、安全、操控、成本、效率、质量上的问题，亟待解决。
1.3. 方案介绍
塔机“从高空操作转为地面远程控制” ，已成为塔机行业发展的共识，5G等新技术的出现，有效的解决了远程操控的时延问题，远程操控已成为塔机行业发展趋势，目前一些吊机重点厂商已经展出远程遥控塔机样机或是正在进行塔机远程控制技术的研发。大型建筑及群体工程的普及，均需要塔机机群参与施工，机群间的协同配合能够极大的提升施工效率；另外，数字化工地的普及，需要将塔机状态信息接入现场工程管理平台，进行统一管理，因此，机群控制管理技术已成为塔机未来发展的核心技术。
本技术方案旨在设计智能化吊机远程操作仿真系统。实现驾驶人员（塔司）远程操纵塔吊；要求地面仿真场景及各操作系统与原空中驾驶舱一致；实现一台地面驾驶舱可操作多台塔机的功能；要求远程驾驶舱内监视系统感应塔司当前视角与位姿，并对影像进行相应调整。
1.4. 研制内容
为了解决目前塔机在安全、管理、操控、成本、效率、质量上存在的问题，实现智能化吊机远程操作仿真系统，本方案的重点研制内容有：
u 远程操控技术
u 全方位视频监控系统
u 塔机吊钩自动跟踪控制系统
2. 技术指标
2.1. 引用标准
（1）符合国家标准：
l GB/T 13752-2017 塔式起重机设计规范
l GB/T 5031-2019 塔式起重机
l GB/T 28264-2017 起重机械安全监控管理系统
l GB/T 37366-2019 塔式起重机安全监控系统及数据传输规
（2）符合国际标准：
l ISO 7752-3 起重机控制装置布置形式和特性 第3部分：塔式起重机
l ISO 7296-3-2006 起重机图形符号-第3部分：塔式起重机
l EN 14439-2006+A2-2009 起重机安全塔式起重机
l EN 13557-2003+A2-2008 起重机控制和控制台
2.2. 指标参数
本系统的主要指标参数要求如下表所示：
|
序号 |
指标名称 |
指标参数 |
|
1 |
远程操控图传延迟时间 |
<=350ms |
|
2 |
机群控制响应时间 |
<=100ms |
|
3 |
响应控制时间 |
<=50ms |
|
4 |
通信误码率 |
<=1% |
|
5 |
吊钩自动跟踪控制系统目标跟随丢失率 |
<=2% |
3. 需求分析
3.1. 功能要求
3.1.1. 基本功能
(1) 实现驾驶人员（塔司）远程操纵塔吊。
在地面设置远程驾驶舱，通过远程驾驶舱与塔机间的互相信号传输来实现塔司的远程操纵塔吊；同时，为保证现场的安全性、避免突发情况的发生，空中驾驶舱仍需保留。
(2) 实现塔吊远程驾驶舱与空中驾驶舱 1:1 场景还原。
为使得现有塔吊人员快速上手新操纵系统，需实现场景以及各操作按键与原空中驾驶舱完全一致（具体操作按键、摇杆功能需以选定塔吊为准）：
1) 塔司左侧操作按钮
左边操作杆控制吊塔大臂和小车。左边操作杆由左手操作，为保证安全性，按下手柄上绿色按键后方可进行操作。向左搬动操作杆时控制大臂向左旋转，向右搬动操作杆时控制大臂向右旋转。向前推动操作杆控制小车向远处行走，向后搬操作杆控制小车向近处行走。
摇杆下方按钮：前排左侧指示灯显示小车正在移动，前排右侧指示灯显示大臂正在回转；后排左侧按钮为起钩子限位按钮，起钩到限位时按住白色按钮，仍可继续上升；后排右侧为大臂锁止按钮，防止高空中大风吹使塔吊大臂转动。
2) 与地面端通信
驾驶舱内布有对讲机，为保证现场安全性，仍需保留与地面的通信，需保留与地面端对讲通信的功能。
3) 塔司右侧操作按钮
右边操作杆控制吊钩的上升与下降。右边操作杆由右手操作，为保证安全性，按下手柄上绿色按键后方可进行操作。右手操纵杆前推吊钩下降，后拉吊钩向上升。
摇杆下方按钮：前排指示灯为所吊重量提示。左边灯亮表示已超过最大吊重的 90%，此时为保证安全性吊钩停止工作；右边灯亮表示已超过最大吊重的50%。后排左侧按钮为塔吊电铃（喇叭）按钮，右侧红色按钮为急停按钮。
4) 吊钩可视化系统
吊钩可视化系统位于塔司左前方，用以监控吊钩与周围物体的状态以确保安全，增加显示吊钩与周围物体距离的功能。
5) 塔机安全监控系统
塔机安全监控系统位于塔司右前方，将塔吊状态、运行参数如风速、回转角度、小车距离、吊钩下降距离等直观显示。
6) 所视场景还原
通过多摄像头拍摄，并通过显像手段进行场景还原。
3.1.2. 进阶要求
(1) 实现塔司操纵的多塔机切换功能
为有效减少塔吊司机闲置等待时间，增加塔机切换操作的功能，实现一台地面驾驶舱可操作多台塔机的功能；同时为保证安全性，同时仅可同时操纵一台塔机，并在之前操作的塔机停止运行时，方可操作另一台。
(2) 驾驶员的视角、位姿感应以变换视角
通过远程驾驶舱内监视系统感应塔司当前视角与位姿，并对投影影像进行相应调整。
以上描述以选定塔吊为例，后期研制过程中具体操作按键、摇杆功能需以后期选定塔吊的驾驶舱为准。
3.2. 装备分析
根据功能分析需要对现有塔机进行改造以达到远程控制的要求，对塔机的基本构造和原理分析如下。
塔机基本构造如下图所示：
塔机基本操作装置如下图所示：
塔机运动与基本操作方式如下表所示：
塔机安全系统架构图如下所示：
4. 设计方案
4.1. 系统原理
智能化塔机远程操作系统在现有塔机上进行智能化改造，将原有的空中驾驶舱内的操作转移到地面模拟舱内进行操作。空中驾驶舱及其操作和安全、监控等设施全部保留，通过加装电控单元与原驾驶舱控制柜进行连接，电控单元再通过无线传输与地面进行实时信息交互。在地面建设模拟驾驶舱，地面模拟驾驶舱采用仿真设计与空中驾驶舱保持场景还原，模拟舱内设的驾驶椅、操纵台与空中驾驶舱内的设施保持一致，且外观结构、操作方式完全一致，模拟舱内还设有高清显示屏，多角度实时同步显示塔机工作画面，多画面显示的视野更加将全面，操作更加安全。地面模拟舱内还配置有管理系统，方便对模拟舱信息和多模拟机切换管理，以及实现大系统云端监控和系统智能化数据分析，从而为智慧工地建设提供有效的支撑。
系统原理网络拓扑图如下所示：
4.2. 系统组成
智能化塔机远程操作系统主要有塔机控制部分、地面模拟驾驶舱和管理系统等组成。塔机部分由空中驾驶舱、电控单元、视频监控系统、安全监控系统组成，地面站由模拟驾驶舱及操作系统、显示系统组成，管理系统主要实现系统信息、人员和数据的管理。地面站与空中驾驶舱之间通过无线网络进行信息交互。
系统组成架构图如下所示：
4.3. 模拟驾驶舱设计
4.3.1. 舱体设计
模拟驾驶舱舱体采用一体式钢结构进行设计，模拟驾驶舱布局与空中驾驶舱保持场景还原，模拟舱内设的驾驶椅、操纵台与空中驾驶舱内的设施保持一致，驾驶椅和操纵台选用原塔机同类型规格的产品进行设计，使驾驶员的地面操作体验与空中相似。
4.3.2. 操作系统设计
4.3.2.1. 操作机构设计
模拟舱的操纵机构设计有左右两个操纵扶手箱，与空中驾驶舱内的操纵机构一致。操纵机构的操作示意图如下所示：
左侧操纵机构控制吊塔大臂和小车。左边操作杆由左手操作，为保证安全性，手柄上部设计有绿色安全开关，只有当按住此按键后方可进行操作。向左搬动操作杆时控制大臂向左旋转，向右搬动操作杆时控制大臂向右旋转。向前推动操作杆控制小车向远处行走，向后搬操作杆控制小车向近处行走。操作杆上方有指示灯和控制按钮，前排左侧指示灯显示小车正在移动，前排右侧指示灯显示大臂正在回转；后排左侧按钮为起钩子限位按钮，起钩到限位时按住白色按钮，仍可继续上升；后排右侧为大臂锁止按钮，按下此按钮可有效防止高空中大风吹动塔吊大臂转动。
右侧操纵机构控制吊钩的上升与下降。右边操作杆由右手操作，为保证安全性，手柄上部设计有绿色安全开关，只有当按住此按键后方可进行操作。右手操纵杆前推吊钩下降，后拉吊钩向上升。操作杆上方设计有指示灯和按钮：前排指示灯为所吊重量提示。左边灯亮表示已超过最大吊重的 90%，此时为保证安全性吊钩停止工作；右边灯亮表示已超过最大吊重的50%。后排左侧按钮为塔吊电铃启动按钮，右侧红色按钮为急停按钮。
4.3.2.2. 信号采集处理
操作机构的操作动作的指示信息通过信号采集处理后，经过无线网络与空中驾驶舱控制器进行信息交互，实现远程操控。即把模拟舱的操作信号如手柄动作信号采集处理后传送到驾驶舱控制相应的运行装置进行运动，以使地面操作与空中操作动作相同。
该系统操作机构需采集的信号有左侧操纵杆X、Y向2路模拟量输入信号，1路安全开关输入信号，移动、回转2路指示灯输出信号，限位、起钩2路开关量输入信号，右侧操纵杆Y向1路模拟量输入信号，1路安全开关输入信号，起吊重量4路指示灯输出信号，启动、急停2路开关量输入信号。详细信号采集量如下表所示：
|
序号 |
信号类型 |
数量 |
备注 |
|
1 |
模拟量输入 |
3 |
|
|
2 |
复位开关量输入 |
2 |
|
|
3 |
开关量输出 |
6 |
|
|
4 |
锁止开关量输入 |
4 |
|
信号采集处理设计图如下所示：
采用USB(ETHERNET)接口的数据采集接口，进行信号采集传输优势比较明显，可以有效保证操作信号的实时性可靠性传输要求。该采集卡具备高速多通道，单个通道采样频率可达250KBPS，采样周期小于10ms。采样量程可调，分辨率高达16bit，各采样通道具备纠错及防抖功能，精度完全满足塔机操作的要求。
4.3.3. 监视系统设计
模拟舱内的监视系统采用多块超窄边框高清液晶显示器进行拼装而成，从而使监控界面与管理界面同步显示，并保证显示效果使空中画面清晰可见，显示器内监视画面也可自行拼接及处适应放大显示，可自由切换全部显示和重点显示某一个监控画面，画面大小可进行调整。
监视系统设计图如下所示：
视频监控画面设计有塔司左前画面、塔司左前画面、小车顶视画面、吊钩跟随画面。
4.4. 无线网络设计
智能化塔机远程操作系统中为了达到安全可靠的远程操控，需要保证地面操作与空中监控实时同步，监控视频采用高清显示，从而要求无线网络传输必须满足高带宽、低延迟、高速率、高可靠等特性，同时可虑到系统建设的便利与成本，使用成熟的城市5G移动通信做为无线传输网络。5G通信具有超大带宽、超广连接、超低时延三大特性，非常符合塔机远程无线传输的要求。
智能化塔机远程操作系统的无线网络架构示意图如下所示：
4.5. 塔机监控系统设计
塔机的监控系统集成在塔机和空中驾驶舱上，主要用于实现远程操作的塔机控制动作执行、安全监控和吊钩监控。
4.5.1. 塔机控制系统
远程操作的塔机控制是通过接收地面操作信号，经驾驶舱内设计的控制单元实现的，控制单元与驾驶舱内的控制柜内的PLC连接，通过指令操作塔机完成相应的运动。该控制系统采用工程机械专用运动控制器做为控制单元，具有高安全可靠性高防护等特点。
塔机控制系统示意图如下所示：
4.5.2. 安全监控系统
塔吊的操作都属于高空作业，高空作业本身就属于危险作业，一旦发生倾覆等，很容易造成较严重的事故。塔吊监控监控系统的出现，就是为了实时监测塔吊数据，提前预判危险，减少人员和设备的损失。塔吊安全监控系统从建筑施工塔吊安装到完全拆除为止的生命周期当中，通过信息化手段进行塔吊运行全过程监控记录、安装拆除过程防倾覆控制、群塔防碰撞的一整套监控系统，实时监测塔吊数据，是对塔吊一个生命周期的全过程监控，从而达到安全生产的根本目标。安全监控系统高效率地可完整实现建筑塔机、升降机实时监控与声光预警报警、数据远传、平台集中监控与管理功能，并在违章操作发生预警、报警的同时，自动终止起重机械危险动作，有效避免和减少安全事故的发生。
安全监控系统示意图如下所示：
4.5.3. 视频监控系统
吊钩监控系统是指吊钩可视化监控系统，吊钩可视化系统能实时以高清晰图像向塔机司机展现吊钩周围实时的视频图像信息，解决了施工现场塔机司机视觉盲区，远距离视觉模糊，人工语音引导易出差错等行业难题。同时降低了人力成本，提高了工作效率，是提升监管效果，减少安全事故，推广数字化标准工地不可缺少的行业利器。采用了先进的控制方式，可保证吊钩镜头实时跟踪和捕捉吊装现场，系统对摄像机的焦距、倍率、光圈、转向等进行自动调节，免司机操作，以保证近距离的视觉效果。主要由安装在驾驶室内部的主控一体机及安装在小车自动跟踪视频、大容量锂电池、网桥（选配4G传输）等部分组成，实现自动跟踪完成引导工作。系统通过互联网，可将视频信号传输至监管平台，完成远程查看及监管功能。
吊钩可视化监控系统示意图如下所示：
4.6. 管理系统设计
地面模拟舱内还配置有管理系统，方便对模拟舱信息和多模拟机切换管理，以及实现大系统云端监控和系统智能化数据分析，从而为智慧工地建设提供有效的支撑。
管理系统设计效果图如下所示：
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