0 引言

　　塔式起重机(下文简称“塔机”)在实际应用中，倾斜、倒塌、碰撞等事故频发，安全问题日益凸显。据不完全统计，国内仅2017年就发生110余起与塔机有关的事故^[1]。究其原因，陈宝春等^[2]以轨迹交叉事故致因理论分析总结2007—2016年间我国发生的152起在役塔机安全事故，发现司机违章作业是最主要的人为因素，诱发高达31%的事故。Shapira等^[3]梳理总结可能引发塔机事故的21条因素，总结施工场地安全管理、企业安全管理分列2,3位。可见，监管塔机运行状态十分必要。

　　为此，国务院于2010年发文规定“大型起重机械要安装监控管理系统”^[4]，并出台相关标准^[5]。围绕塔机监控平台总体设计、数据获取、应用管理等方面，诸多学者展开研究^[6,7,8,9,10]。基于以上研究，行业中发展出较成熟的商用塔机安全监控系统，可监控塔机关键运行参数，并具备显示、记录、传输等功能，其本质是多传感器的集成应用。以某塔机安全监控系统为例，若干预先安装的传感器能实时采集塔机的吊重、变幅、高度、回转角等作业工况数据，并在显示屏上显示，同时经无线传输模块实时传送数据至云端。监控系统采集的塔机运行数据仅上传至当地安监部门进行备份，作为事故发生后追溯原因的依据(因而得名塔机“黑匣子”)，属于事后管理，并不能直接减少事故的发生。塔机的产权单位、租赁单位很难获取相关数据，即便可获得数据，也只是单调的数字，无法直观感知塔机实时工作状态。

　　虚拟现实技术(virtual reality)可创建逼真、生动的场景画面，并能实现人机交互，有关学者已将该技术应用到塔机司机培训、拆装模拟、事故再现等方面^{[11,12,13,14]}，证明依托虚拟现实技术还原塔机作业场景以实现监控是可行的。但现有研究中虚拟的塔机模型是离线仿真，即与现实情况是脱节、单纯的模拟，难以指导现实作业并进行管理。

　　本研究结合平行系统理论与虚拟现实技术，利用ACP方法构建与真实系统一致的人工系统，通过人工系统识别真实系统各要素间的演化规律和相互作用，以此实现对各自未来状态的借鉴和预估，进而调整控制与管理方式^[15,16]。相比传统仿真，本系统中的模拟是在线、动态的，人工系统中所见即真实系统所为。该理论已在多个领域中得到有效应用论证^[17,18,19]，本研究首次将其应用于机械运行监控领域。

　　基于此，本研究充分利用现有塔机安全监控系统所得数据，实现塔机运行状态的虚拟可视化监管，并以浙江大学紫金港校区某在建项目为例进行分析。

　　1 系统设计

　　1.1 整体架构

　　本系统实质是在平行系统思想指导下，对塔机运行状态进行实时可视化仿真。Unity3D已在各类机械模拟训练中得到广泛应用^[20,21,22]，系统基于该引擎进行开发。

　　系统整体架构如图1所示，可分为数据层、逻辑层、显示层和UI层(用户界面)，其中逻辑层、显示层和UI依托Unity3D平台自身集成的物理引擎、渲染引擎、UI界面编辑等组件分别进行构建。该系统可将单调的监控数据实时转换为直观的模拟监控画面，并可实现多目标、全方位监控，为安监部门、现场管理者和塔机司机完成各自任务提供辅助。

　　1.2 数据层

　　数据层将塔机的基本参数信息、安全监控系统传感器获取的塔机工况数据、司机操作记录及在建项目场地模型等数据存储在云端，系统从服务器中调取相关数据进行解析，供逻辑层进行运算分析。

　　

　　图1 系统整体架构  

　　 

　　塔机的基本参数指安装高度、起重臂长度、起重能力、荷载表等信息。塔机一旦完成安装，上述参数即相对固定(安装高度可根据项目建设进度不断升高)。工况数据是现有安全监控系统依靠多传感器获取的实时运行状据，根据该数据可唯一确定塔机实时运行姿态。塔机司机操作记录目前没有专门的获取手段，借助PLC通信手段直接从塔机输出操作信号的PLC处同步获取司机操作(见图2)。塔机所在场地模型可借用建设项目已有的BIM模型或通过Sf M方法进行重建。

　　

　　图2 塔机司机操作记录及其工况获取方法  

　　 

　　1.3 逻辑层

　　逻辑层以Unity3D平台的物理引擎组件为核心，通过接收相关数据为输入，调用C号塔机模型组装脚本，根据塔机基本参数配置对应模型。而后在物理引擎和控制脚本的共同运作下，进行实时物理仿真，驱动塔机模型与真实塔机工作状态实现同步。

　　1.4 显示层

　　显示层以Unity3D平台的渲染引擎组件为核心，根据逻辑层的判断改变3D模型的渲染方式，无须逻辑层参与运算模型，便可直接进行渲染。

　　1.5 交互层

　　交互层依托Unity3D平台UI编辑组件创建用户交互界面，接收使用者的交互命令，实现对特定信息的获取、显示，如改变观察视角，实现视角切换、场景漫游、吊运情况回溯等功能。

　　2 塔机模块

　　2.1 模型构建

　　安监部门及建设场地管理者需监管多种不同品牌、不同型号的塔机，其物理尺寸、运行规律不尽相同。系统塔机模块基于模块化和参数化的建模理念进行构建，可完成不同场景下机群的快速、差异化建模。

　　2.1.1 模块化建模

　　根据塔机的组成结构，将其拆分为基础、塔身标准节、驾驶室、塔帽、起重臂、平衡臂、配重块等基本模块后，利用3DMax软件分别进行建模。

　　2.1.2 参数化建模

　　类似于真实系统中塔机的架设过程，将若干基本模块按一定层级依次进行虚拟拼装，即可完成塔机模型的构建。在Unity3D Hierarchy窗口可实现虚拟空间中所有实体的组织，按如图3所示的层级结构，创建包含1个塔身标准节和1个起重臂臂节的塔机原型作为预制体(Prefab)，其中的回转机构、变幅机构、起升机构等实体已内嵌于相应的控制脚本(C#Script)。当创建任意塔机模型时，系统通过C#程序调用Http URL Connection命令，向目标服务器发送get()请求，从服务器端返回包含塔机基本参数信息的JSON数据。系统自动采用实例化技术调用Game Object.Instantiate()命令，以预制的塔机原型Prefab为蓝本，创建新的塔机模型，并继承既有层级关系。服务器返回的数据经解析后，可将塔机安装高度折算为标准节节数m，将塔机起重臂长度折算为臂节数n，并自动修改新产生的模型。返回的塔机运行性能参数(如挡位数、不同挡位对应的限速、加速能力、荷载表等)赋值给相应控制脚本，最后根据返回的塔机坐标参数将自动生成的塔机模型置于虚拟空间中的对应位置，即完成单个塔机的参数化建模工作。重复这一过程，直至将获取的任意塔机数据参数化创建为塔机模型，并逐一个性化，使模型运行逻辑与对应塔机一致。

　　随着建设进度的推进，塔机高度逐步增高，其增高量将是塔身标准节高度的整数倍。根据实际情况调整标准节节数m参数值，即可完成塔机模型的顶升。塔机运行监管主要关注塔机的运行状态和司机操作，与被吊物具体形态无关。因此，被吊物采用统一的预制模型进行表征，可根据需要调整其尺寸。根据规范要求，塔机司机应保证被吊物平稳运转，系统忽略微小晃动，简化为被吊物与吊钩保持相对位置不变。

　　2.2 模型同步

　　平行系统理论ACP方法要求人工系统受真实系统平行控制，以进行平行模拟，即在线同步，由此实现人工系统与真实系统的等价关系，包括数据驱动同步和物理仿真同步。

　　

　　图3 基本模块层级结构  

　　 

　　2.2.1 数据驱动同步

　　数据驱动同步方式可直接利用现有塔机安全监控系统采集的数据。以某产品为例，该系统每隔2s对各传感器采样1次，可滚动记录塔机实时数据10万余条(约60h)，获取的塔机回转角度、小车变幅幅度、吊钩高度等数据通过GPRS模块实时传输到安监部门进行备份，并显示在司机驾驶室内的显示器上，变幅及高度误差<0.1m，回转角度误差<1°。借助该数据可驱动塔机模型与真实塔机同步。

　　与获取塔机基本参数信息的方式类似，系统向目标服务器请求返回存储的塔机工况数据，包含对应塔机的小车幅度、吊钩高度、回转角度等信息，解析后直接将结果作为参数赋值给对应塔机模型中相应实体的Transform.Position或Transform.Rotation属性，模型随即产生与真实情况一致的回转、变幅、吊钩升降等动作。由于预先已为各模型模块设置正确的父子层级关系，改变父物体的位置或角度将连带改变名下子物体，子物体的位移、旋转不影响父物体。数据每2s更新一次，为消减模型仿真的顿挫感，调用Vector3.lerp()命令，使模型在2次数据更新间平滑过渡。

　　2.2.2 物理仿真同步

　　借助Unity3D平台物理引擎组件，可实现塔机模型的物理仿真。通过调研某起重机械制造企业，明确塔机运转的内在驱动逻辑。以XGT7020塔机进行吊钩升降为例，当塔机司机推动操纵杆改变起升挡位后，PLC接收起升操作指令驱动变速器，以固定速率提高(或降低)驱动电机转速至对应速度，并保持恒定，直到再次改变挡位。不同品牌、型号的塔机挡位数量、速度、加速度存在差异，但驱动逻辑均与此一致。XGT7020塔机各挡位运行参数如表1所示。

　　  

　　表1 XGT7020塔机各挡位运行参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 XGT7020塔机各挡位运行参数

　　基于相同逻辑编写塔机模型中的回转体、变幅小车和吊钩控制脚本，实现与现实一致的控制效果。仍以吊钩升降为例，当改变吊钩升降控制脚本挡位参数后，吊钩升降速度参数将以一定加速度提高(或降低)到相应挡位速度，吊钩模块通过Transform.Translate()命令按相应速度发生位移，位移代码块通过Fix Update()函数进行调用，可不受帧率影响地进行物理仿真，模型在虚拟空间中的运行规律与真实塔机运行规律保持一致。系统从服务器获取操作信号后，通过相应脚本驱动相应模型组件，实现塔机模型与真实塔机的同步。

　　搭建与XGT7020塔机一致的模拟操作平台，利用游戏摇杆模拟司机操作杆，系统自动记录相应操作并进行实时仿真，测定相关数据如图4所示(以吊钩升降为例)。可见，实际仿真结果与理论推算结果相符，证明物理仿真的准确性。

　　

　　图4 仿真数据与理论数据对比  

　　 

　　2.2.3 方法对比

　　数据驱动方法易实现，塔机安全监控系统服务商或安监部门开放数据接口后即可使用。但数据刷新频率受限，两次数据刷新间的模型更新是系统使用插值算法估算得出的。物理仿真方法可弥补数据驱动方法采样频率不足的缺陷，同时，由于是通过监控操作信号进行仿真，可在虚拟空间中预先操作验证后再执行，对操作的实时指导作用更强，但仿真误差会逐渐积累。

　　最佳方案是以物理仿真为主，定期利用数据驱动的方式进行状态校正，消除仿真累计误差。

　　3 环境模块

　　塔机模块可实时可视化监控任意场地内的塔机群运行状态，在此基础上加入该建设场地的环境模型，将极大增强用户沉浸感。环境模型创建手段包括正向建模和逆向建模。

　　正向建模指按照建筑图纸标注的尺寸进行建筑建模。一般建设项目均会构建3D模型，大中型重点项目还会构建4D BIM模型，这类已有模型可直接导入系统，作为场地模型使用。

　　逆向建模根据已建成的建筑实体，采用相关测量技术手段，获取三维特征后，在数字空间中进行重构，生成3D模型^[23]。利用Sf M方法中的倾斜摄影建模技术，采集浙江大学紫金港校区西区理工农组团(1期)机械与教学大楼(局部) 1 711张航片，按照导入照片→对齐照片→创建密集点云→创建3D模型→生成纹理→导出模型的工作流程^[24]，构建该区域3D模型，地面分辨率为4.45cm/pix，模型与实际误差<1%。相比BIM技术构建模型，利用Sf M方法逆向建模速度更快，自动贴合的纹理贴图使模型更加真实立体，临场感更强。

　　Unity3D支持fbx.,dae.,3ds．等多种格式外部模型导入，导入模型经坐标变换和比例调整即可使用。两种建模方法各有优缺点，可视具体需求进行选择，二者都可增强临场感。

　　4 实例分析

　　4.1 基本情况

　　为验证系统可靠性，以某在建项目塔机群为监控目标进行试验。该项目位于浙江大学紫金港校区西面，总建筑面积100 879m²，共7栋教学楼，建筑最大高度25.205m。现场安装7台塔机供材料运输使用，查询该项目《塔机安装方案》，塔机基本参数如表2所示。

　　  

　　表2 场内塔机基本参数 

　　 

　　 

　　m

　　

　　表2 场内塔机基本参数

　　4.2 环境配置

　　确定待监控的场地后，系统获取7台塔机的配置参数。在Unity3D坐标空间中，x,z轴组成水平坐标系，y轴对应垂直方向。默认将第1台塔机置于虚拟空间坐标原点，其余塔机在虚拟空间中的坐标由表2中的绝对坐标换算得出，表中基础高度对应塔机坐标y值。安装高度和臂长根据塔身标准节和起重臂臂节长度折算为节数Body Sec Num和Hoist Sec Num。上述数据经换算后存储至本地My SQL数据库Crane Config表中。系统通过My Sql.Data接口调取数据库中塔机的配置参数，并按相应参数逐一创建塔机模型。理论方案与实际生成的模型对比如图5所示。

　　

　　图5 理论方案与实际生成的模型对比  

　　 

　　将利用倾斜摄影建模技术创建的场地模型(局部，包含2栋教学楼)导入环境中，以1号塔机为基准进行坐标平移、旋转和缩放变换，实现塔机模型与场地模型的有机结合。

　　4.3 监控情况

　　目前安监部门存储的塔机运行数据尚未对外开放，人工调取2018年11月14日—11月20日目标场地内1～3号塔机的运行数据，返回的部分数据如表3所示。

　　  

　　表3 返回的塔机运行数据(部分) 

　　 

　　 

　　

　　注:采集时间为2018-11-14，调取时间为2019-04-01

　　表3 返回的塔机运行数据(部分)

　　采用数据驱动的方式，将上述数据导入系统，该时间段内塔机的运行状态即可动态呈现，并监控吊钩位置。如导入不同时段的数据，即可回溯相应时段内的运行情况。同理，如实时获取塔机运行数据或司机操作信号，则可实现实时监控。

　　经现场安全管理负责人确认，本系统还原场景能正确反映当时作业情况。

　　5 结语

　　本研究以平行系统理论为支撑，依托Unity3D引擎构建塔机监管系统。相比传统的塔机安全监控手段，本系统更加形象直观，安监部门管理人员和现场管理者足不出户即可实时观察任意场地内任意塔机在任意时间的运行情况。相较于利用摄像头进行监控，本系统仅需存储少量运行参数即可用仿真手段复原作业情景，并能实现视频监控无法做到的任意视角、场景漫游等功能，监管更加全面、直观。如能与塔机辅助设备生产方或监管方合作打通数据接口，可进一步结合真实塔机进行安全性验证，将其扩展为可视化的塔机群管理平台。