高拱坝施工的缆机碰撞概率实时分析模型研究.pdf
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1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.9赵春菊,郭柏成,王放,等.高拱坝施工的缆机碰撞概率实时分析模型研究J.水利水电技术(中英文),2023,54(9):116-126.ZHAO Chunju,GUO Baicheng,WANG Fang,et al.Study on real-time analysis model of cable crane collision probability for high arch dam constructionJ.Water R
2、esources and Hydropower Engineering,2023,54(9):116-126.高拱坝施工的缆机碰撞概率实时分析模型研究赵春菊1,2,郭柏成1,王 放2,周华维2,资 瑛3(1.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002;2.湖北工业大学 土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068;3.中南建筑设计院股份有限公司,湖北 武汉 430064)收稿日期:2022-12-02;修回日期:2023-03-27;录用日期:2023-03-29;网络出版日期:2023-04-19基金项目:国家自然科学基金项目(51779131);国家自然科学基金青年科学基金项目(5
3、2109157)作者简介:赵春菊(1974),女,教授,博士研究生导师,博士,主要从事施工组织管理与系统仿真研究。E-mail:chunju.zhao ct-通信作者:王 放(1991),男,讲师,博士,主要从事施工组织管理与系统仿真研究。E-mail:wangfang0235 Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】缆机是高拱坝建设中的主要施工机械之一,然而复杂的
4、交叉作业和大风等不利环境为缆机的安全运行带来了巨大挑战。针对上述问题,基于实时采集的缆机定位监测数据,预测吊罐未来的运行轨迹,以吊罐与其他施工实体之间的距离以及距离变化速率定义碰撞概率,并以此实时分析吊罐的未来运行轨迹,为缆机防撞控制以及避障方案选择提供数据基础。【方法】首先,根据缆机的实时监测数据分析缆机的运行趋势,预测小车在未来一段时间内的运行轨迹,并综合考虑缆机速度变化和大风环境对吊罐的影响,进而计算吊罐的预测运行轨迹;其次,计算吊罐在预测运行轨迹上与其他施工实体之间的最小距离以及最小距离变化速率,据此计算吊罐在预测运行轨迹上与其他施工实体发生碰撞的概率;最后,取两段白鹤滩水电站吊罐的实
5、测运行轨迹计算其预测运行轨迹,分别计算碰撞概率并进行对比分析,以验证该碰撞概率分析模型的有效性。【结果】结果显示,预测运行轨迹碰撞概率与实际运行轨迹碰撞概率的平均绝对误差为 0.36%,均方误差为 0.001 0%。【结论】结果表明,可以使用该模型实时分析缆机的碰撞概率,为缆机防撞控制和路径优化提供数据支持。关键词:高拱坝施工;时空冲突;碰撞概率DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.09.010开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:X947文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)09-0116-11Study on real-time analysi
6、s model of cable crane collision probability for high arch dam constructionZHAO Chunju1,2,GUO Baicheng1,WANG Fang2,ZHOU Huawei2,ZI Ying3(1.College of Hydraulic&Environmental Engineering,Three Gorges University,Yichang 443002,Hubei,China;2.College of Civil Engineering Architecture&the Environment,Hub
7、ei University of Technology,Wuhan 430068,Hubei,China;3.Zhongnan Architectural Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430064,Hubei,China)Abstract:ObjectiveCable crane is one of the main construction machinery in the construction of high arch dam.However,the complex cross operation and adverse environments s
8、uch as strong wind bring great challenges to the safe operation of cable cranes.In order to solve above problems,based on the real-time collected positioning monitoring data of the cable crane,this paper pre-611赵春菊,等/高拱坝施工的缆机碰撞概率实时分析模型研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期dicts the future running track of
9、the bucket,defines the collision probability with the distance between the bucket and other construction entities and the distance change rate,and analyzes the future running track of the bucket in real time,which pro-vides a data basis for the anti-collision control of the cable crane and the selec
10、tion of obstacle avoidance schemes.MethodsFirstly,analyze the operation trend of the cable crane based on the real-time monitoring data of the cable crane,and predict the future running track of the trolley.And comprehensively consider the influence of the speed change of the cable crane and the win
11、d environment on the bucket,calculate the predicted running track of the bucket.Secondly,calculate the minimum distance between the bucket and other construction entities on the predicted running track and the minimum distance change rate,and cal-culate the probability of collision between the bucke
12、t and other construction entities on the predicted running track.Finally,the measured trajectory of the two sections of the Baihetan Hydropower Station is taken to calculate the predicted trajectory,calculate the collision probability and comparative analysis to verify the effectiveness of the colli
13、sion probability analysis model.ResultsThe result show that the average absolute error between the predicted trajectory collision probability and the actual trajectory colli-sion probability is 0.36%,and the mean square error is 0.001 0%.ConclusionThe result show that the model can be used to analyz
14、e the collision probability of the cable crane in real time,and provide data support for the anti-collision control and path optimization of the cable crane.Keywords:high arch dam construction;space-time conflict;collision probability0 0 引引 言言 拱坝的建设过程中受施工环境与施工工艺的限制1-3,缆机往往需要与平仓机、振捣机、塔机等施工机械在同一立体空间内同
15、时施工4-5。狭窄的仓面内复杂的交叉作业和河谷大风等不利环境,易引起时空冲突,降低缆机施工作业效率,甚至可能出现碰撞等安全事故6-8。混凝土吊罐位于竖直绳索的最低端,在运行过程中受缆机自身运动特性以及大风环境的影响最大,最容易发生碰撞,因此本文以缆机吊罐作为主要研究对象。为防止缆机发生碰撞,部分国内外学者使用实时定位技术,实时监测缆机的运行状况,当缆机与其他施工实体之间的距离小于安全距离阈值时,发出预警信息,辅助实现缆机防撞9-11。鉴于缆机最大运行速度可达 7.5 m/s12,为达到更高的预警精度,需要进行 10 次/s13等高频次的监测。但一方面,防撞系统预警危险等级的划分具有较强的主观性
16、;另一方面,大风和缆机紧急制动均可能引起吊罐不规则摆动14,这为精确定位和大量监测数据分析的时效性带来巨大挑战。因此,仅以安全距离阈值判定预警等级的方法无法准确评估缆机吊罐的碰撞风险。部分学者针对不同对象,进行了大量关于碰撞概率的研究。CUI 等15确定汽车边界区域大小,通过仿真模拟,统计汽车边界区域和相邻区域碰撞次数,计算碰撞密度概率分布,据此计算碰撞概率;席炎等16通过仿真模拟大坝浇筑过程,以发生空间冲突的交叉作业时间频率计算碰撞概率;郑霞忠等17利用坐标位置界定危险源工序的影响空间和承灾体工序的工作空间,通过仿真模拟大坝施工过程,综合考虑交叉作业时间、空间的影响,计算碰撞概率;RO-ZE
17、NFELD 等18通过仿真模拟施工过程,识别施工过程中的潜在风险事件,并评估交叉作业中工序的相互影响范围,计算碰撞概率。上述研究中大多通过仿真模拟施工过程,以工序或物体之间影响区域的重叠部分,计算碰撞概率。然而在以机械实时位置为基础的碰撞概率研究中,为避免发生碰撞事故,碰撞概率的评估时刻点必须早于碰撞可能发生的时刻,以便为防撞控制留下足够的时间和空间裕度。另一方面,由于缆机吊罐受缆索柔性、缆机加减速和大风等影响,其运动特性复杂。因此,碰撞概率实时评估的精度取决于当前位置的感知精度和对物体运动特性的预测精度。为此,本文以缆机吊罐为研究对象,基于实时采集的缆机高频定位监测数据,分析缆机的运行趋势,
18、综合考虑缆机速度变化及大风环境对吊罐的影响,预测吊罐未来一段时间内的运行轨迹;通过分析吊罐在预测运行轨迹上与其他施工实体之间的最小距离以及最小距离变化速率计算碰撞概率,为缆机防撞控制和运行路径优化提供数据参考。最后应用于工程实例中,通过均方误差、平均绝对误差验证碰撞概率实时分析模型的合理性与有效性。1 1 缆缆机机运运行行特特性性分分析析 在高拱坝施工过程中,缆机承担的工作任务大致分为吊运混凝土入仓以及吊运机械、材料等零星吊运两类工作。两类工作的本质类似,但在高拱坝施工过程中,混凝土入仓效率是关系大坝施工进度和质量的711赵春菊,等/高拱坝施工的缆机碰撞概率实时分析模型研究水利水电技术(中英文
19、)第 54 卷 2023 年第 9 期 图 1 缆机吊运混凝土入仓单循环过程示意Fig.1 Schematic diagram of cycle process of cable crane hoisting concrete warehouse receipt关键,故本文以缆机吊运混凝土入仓为例进行分析。1.1 缆机吊运混凝土入仓过程 基于缆机吊运混凝土入仓的流程,本文将缆机吊运混凝土入仓单循环过程分为装料、重罐上升、水平运输、重罐下降、卸料、空罐上升、返回、停罐等 8个阶段19进行分析,各个阶段小车运行速度以及缆绳升降速度变化如图 1 所示。由图 1 可知,虽然通过阶段的划分可以得到小车和
20、缆绳运行状态发生变化的时间段,但并不能准确地判断小车和缆绳的运行状态,为此,本文在 8 个阶段的基础上,考虑小车运行速度、缆绳升降速度变化以及吊罐重量变化,将缆机吊运混凝土单循环过程划分为 12 个状态,各状态下小车运行状态、缆绳运行状态以及吊罐重量变化如表 1 所列。表 1 各状态下小车运行状态、缆绳长度变化、吊罐重量变化Table 1 Running state of trolley,change of cable length and change of lifting weight under different conditions状 态小车运行状态缆绳长度变化水平速度竖直速度吊罐重
21、量(0,T1)静 止缩 短0-重 罐(T1,T2)正向运行缩 短+-重 罐(T2,T3)正向运行不 变+0重 罐(T3,T4)正向运行加 长+重 罐(T4,T5)静 止加 长0+重 罐(T5,T6)静 止加 长0+减 少(T6,T7)静 止不 变00减 少(T7,T8)静 止缩 短0-空 罐(T8,T9)反向运行缩 短-空 罐(T9,T10)反向运行不 变-0空 罐(T10,T11)反向运行加 长-+空 罐(T11,T12)静 止加 长0+空 罐 由以上分析可知,缆机吊运混凝土的过程中,其运行速度包括加速与减速等一系列运动。而缆机在速度变化过程中,吊罐受到自身惯性的影响会发生一定幅度的摆动,使
22、吊罐与其他施工实体之间的最小距离发生变化,其碰撞可能性也随之发生变化,所以需要考虑缆机速度变化的影响。此外,在高拱坝建设过程中,大风会增大吊罐的摆动幅度,使吊罐与其他施工实体之间的最小距离及碰撞可能性发生变化,因此需要分析大风环境的影响。1.2 缆机速度变化对吊罐的影响 在缆机运行过程中承载索垂度、小车升角、吊罐摆角等如图 2 所示,关于公式的推导过程,文献20有推导过程,本文不再进行推导,本文从缆机在水平方向上的速度变化和竖直方向上的速度变化两个方面分别进行分析。图 2 缆机承载索垂度、小车升角、吊罐摆角示意Fig.2 Cable machine bearing cable sag,trol
23、ley angle,hanging tank swing angle diagram1.2.1 垂直升降速度变化的影响当吊罐在竖直方向上发生速度变化的过程中,集中荷载会因加速度的变化而发生变化。承载索垂度 fx和小车升角 x变化分别为fx=g2cos+p+p al()x(l-x)Hx(1)811赵春菊,等/高拱坝施工的缆机碰撞概率实时分析模型研究水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期tanx=tan+2x-l2(Hx+Hd)p+p al+gcos()(2)式中,p 为集中荷载总重力;x 为小车与支点 A 之间的水平距离;Hx为承载索的水平拉力;为视线坡角;l 为跨距;H为总
24、水平拉力;g为绳索单位长度重力之和;Hd为吊罐运行的加速度;a 为加速度导致的总水平拉力增加值。吊罐摆角的计算公式为=-gesin-cos(-x)mes(3)式中,e 为缆绳长度;为吊罐摆角;m 为吊罐质量;s 为小车沿该方向运动的位移。由式(1)和式(2)可知,在缆机起升和下降阶段,竖直方向上的加速度的变化会导致承载索垂度和小车升角发生变化,同时由于缆机在垂直方向上的运动,缆绳长度也发生变化。由公式(3)可知,小车升角、缆绳长度均会影响吊罐摆角。1.2.2 水平运行速度变化的影响缆机在水平运输时,缆机发生速度变化会导致吊罐因惯性发生摆动。当缆机进行紧急制动时,小车会被锁住,小车运行速度骤降为
25、零,因此会引起动荷载发生变化。但以缆机水平运输的最大速度且紧急制动发生在跨中,这种动荷载最大的情况进行计算,承载索最大的总水平拉力与正常运行的值相差较小,因此不考虑其动荷载对小车升角和承载索垂度的影响。即在水平运输阶段,不考虑紧急制动产生的动荷载变化对小车升角和承载索垂度的影响,但随小车运行,其横坐标的变化会导致小车升角和承载索垂度发生变化。同时,小车运行过程中因速度变化而产生的惯性也会使吊罐摆角发生变化。综上所述,缆机在水平和竖直方向上的速度变化会影响吊罐的碰撞概率。1.3 大风环境对吊罐的影响 高拱坝建设过程中,一方面,因地形多为高山峡谷,风速较大,而较大的风速会使吊罐发生摆动;另一方面,
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