1 项目背景

塔式起重机俗称塔机，由于工作重心高、起重载荷 大、运行速度快，工作过程中频繁启动和制动，具有较 大的动载荷，特别是在大型建筑工地，多塔机协同工作 的情况更加复杂，容易发生恶性事故。早在上世纪 90 年 代，欧洲、美国已普遍开始应用起重机安全监控管理系 统和塔群防碰撞系统，并被列入强制性法规。2008 年， 我国颁布 GB/T5031-2008《塔式起重机》新标准，建 议塔机安全监控系统 ；2010 年 7 月，我国明确提出 “大型起重机械要安装监控管理系统”。

20 世纪 80 年代初，我国一些大专院校、研究院所 开始对塔机超载保护装置进行了研究，当塔机运行到极 限或超载时，安全装置能够自动切断塔机运行机构电源， 对塔机实施保护。但现场运行结果表明，现有的塔机安 全监控装置存在以下两个主要问题 ：装置不能实时监测 塔机运行状态，司机只能凭经验操作，塔机运行过程容 易产生较大冲击，诱发事故 ；已有的塔机安全监控装置 是以保护塔机为着眼点，然而，强调“以人为本”的安 全生产要求塔机安全监控装置不仅要实现对塔机的保 护，更要保障施工现场的人员生命安全。

随着国家相关要求的出台，现有的塔机安全监控装 置已不能满足要求，特别是施工环境越来越复杂的情况 下，开发功能齐全的塔机智能安全监控系统，对司机危 险行为进行监控，避免操作失误造成的严重危害，具有 重要的意义。

2 项目所获成果及创新点

本项目提出了基于行为的三维控制避障控制算法以 及基于时分调度、可重构的无线网络通讯机制，构建了 基于分布式多 agent 技术的离散塔群协同作业模型，最 终开发了塔机安全监控系统，实现了对塔机司机行为的 安全监控，取得了一系列的创新成果。

（1）提出采用分布式多 Agent 技术，构建离散塔群 协同作业安全监控系统模型 分布式多 Agent 塔群安全监控系统结构中，每个嵌 入式控制器（一个 Agent 体）包含感知单元、决策单元、 输出控制单元以及无线传输单元 4 个模块，各 Agent 之 间通过无线通讯实现信息交互，整个系统的安全监控任 务被分散到各个塔机子 Agent 中，各个塔机 Agent 选择 有利于自己局部利益的控制策略和决策目标，自主地做 出决策，决策的制定和任务的执行表现出并行的特点， 这种并行处理机制大大提高了问题求解效率，实现了塔 机实时、动态、高效的安全监控。分布式塔群多 Agent 模型结构如图所示，当个别 Agent 出现故障，不会影响 其他 Agent 的正常行为，也不会影响整个系统的控制要 求。同时，只要配置相应的通信协议和控制策略，以及 相应的知识和数据，新的 Agent 就可以很容易地加入到 系统中正常运行，原有的 MAS 系统不需要做任何改动，

（2）首次提出并实现了基于行为的三维空间防碰撞 算法 考虑到塔机的运动是受人操控的，本项目在塔机避 障控制中，采用了辅助控制的原则，基本思想是 ：在安 全状态下，不干预人的操作，当发生危险，则截断人的 危险操作。目前，常用的算法是根据塔机之间空间最小 距离进行危险程度的判断。然而，考虑塔机的三个运动 在不同的空间姿态下，对空间距离的灵敏度不同，对于 一个危险距离如何控制塔机的行为，这是一个不可逆的 过程。于是，我们采用了基于行为控制的思路，塔机工 作过程中，空间姿态复杂，利用塔机机械臂直线运行以 及旋转运动的空间构型，通过计算空间线与线、线与面 以及线与圆柱体、圆锥体的干涉，实现三维空间的精确 防碰撞问题。

（3）采用了时分调度算法，建立可重构的无线网络通 讯机制，实现了多达 16 台塔机的自治、可重构通讯网络 本系统从三方面解决了数据传输的实时性以及局 域网络的重构 ：①采用 ISM 的 433MHz 频段设计无线 模块，解决 2.4GHz 频段绕射能力差的缺陷，而且以 Cortex-M3 平台为核心，解决普通无线模块处理速度和 存储资源不足的缺点，可以实现较复杂的无线传感网络 路由协议 ；②采用基于分时调度的通讯机制，主节点拥 有分配各个塔机节点发送数据的时隙，大大提高了频段 利用率，解决无线数据的冲突问题 ；③采用节点序号选 举法产生主节点，当由于塔机停机或者其它原因导致主 节点不能正常工作时，其它节点以序号排序重新选择新 的主节点，从而实现其余节点的有序传输，保证整个网 络的正常运行。 （

（4）采用人工智能的控制策略，实现了大惯性塔机 起重臂的平稳回转控制 考虑不同工况下风速、载荷不同，为了实现大惯性 塔机起重臂转动平稳控制，避免对钢结构产生冲击，本 项目采用人工智能控制策略，借鉴塔机司机的回转控制 经验，对塔机的惯性进行自学习，利用危险距离及当前 速度的对塔机回转进行智能控制。 本项目获得授权发明专利 3 件（ZL 201310219078.8 ； ZL 201210567519.9；ZL 201210235692.9）和实用新型 3 件 （ZL 201220716363.1 ；ZL 201220161515.6 ；ZL 200620078 9526.6），另外，获得计算机软件著作权 5 件。本项目经过 国内外公开技术资料查新：分布式多 Agent 的塔群安全监 控系统的研究以及基于行为分解的三维空间避障算法都 未见公开报道。经陕西省科技主管部门组织的专家鉴定， 结论为 ：该成果在塔机安全监控方面取得了一系列的新 成果，总体达到国际先进水平，极大地提高了建筑施工 现场的安全性。

3 社会经济效益

目前，施工现场塔吊的智能化安全管理已经成为行 业发展的大趋势，本项目研发的具有自主知识产权、适 合我国建筑行业需求的监控产品，不但打破了国外相关 技术及产品的垄断，而且为社会提供就业岗位近百个， 取得了显著的社会效益，为推动建筑安全行业的科技进 步、保护人民生命财产安全做出了巨大贡献。

本项目由西安理工大学提供技术，西安丰树电子科 技发展有限公司投入研发经费及生产设备，经过研发、 试验、定型等一系列程序，于 2007 年开始小批量试生产， 2008 年完成产品的国家质量鉴定，2009 年开始大批量生 产，产品销售至陕西、浙江、内蒙古、云南等全国多个省、 市、自治区，并出口至新加坡、马来西亚等东南亚地区。 截止 2012 年底，公司所生产的 MT105、MT200 两个系列 5 个型号的产品在国内市场占有率达 40% 以上，近三年累 计销售额达 6419.6 万元，利税 513.5 万元，为社会提供 就业岗位上百个，取得了显著的经济效益和社会效益。

由于公司产品过硬的质量，MT105 系列于 2008 年 获得了欧盟 CE 认证，成为国内独家终端监控设备出口 供应商。新加坡是一个国际化都市，我们的产品同时面 临 4 家同类产品的竞争，其中两家是法国的 SIME 以及 AGS，但我们产品在新加坡市场占有率超过 60%，新加 坡 ZLX 公司对我们产品评价如下 ：产品是经过实践检验 的，个别功能超过欧洲同类产品。中建八局第三建设有 限公司经过使用后，评价如下 ：自使用该系统，我工地 没有发生碰撞事故，大大提高建筑作业的工作效率，具 有相当好的性价比。 分