【导读】：现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展，船厂多用龙门吊和门座吊这样的重型起重机械实现船体的吊装作业，但这些装备有很大的危险性，因此采用一种行之有效的吊机姿态测量系统，防止吊机侧翻，同时进行生产管理是吊机使用厂商非常需要的。
近年来，随着航运业持续发展，造船业市场呈现兴旺势头，现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展。船厂多用龙门吊和门座吊这样的重型起重机械实现船体的吊装作业，但这些装备有很大的危险性，国家将起重机械列为安全性、危险性较大的特种设备[2]，近年来由于吊机的侧翻事故已经造成了重大的人员伤亡损失。
上海沪东船厂在2001年7月17日发生的龙门吊倒塌事件造成36死3伤的惨剧，2008年5月30日再次发生龙门吊在吊装作业中倒塌的事故，造成3死2伤。据统计分析，近年来我国大中城市的因起重机事故死亡人数占全产业人数10%~20%，通过全国部分城市对九种特殊工种570起事故分析，其中起重搬运事故198起，占总事故的34.74%，造成巨大的经济损失。
尽管国家对起重机械从设计到生产均制定了严格的规范和强制性标准，但由于大多数起重机的安全系统采用机械系统，其灵敏性较差，操作人员与指挥人员的失误等，都可能造成重大事故。因此采用一种行之有效的吊机姿态测量系统，防止吊机侧翻，同时进行生产管理是吊机使用厂商非常需要的。
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起重机的特点
龙门起重机
门式起重机是桥架型起重机的一种。门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。龙门起重机主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。造船式龙门起重机用于船台拼装船体，常备有两台起重小车：一台有两个主钩，在桥架上翼缘的轨道上运行；另一台有一个主钩和一个副钩，在桥架下翼缘的轨道上运行，以便翻转和吊装大型的船体分段。起重量一般为100～1500吨，跨度达185米，起升速度为2～15米/分，还有0.1～0.5米/分的微动速度。
门座起重机
门座起重机是臂架型起重机的一种，具有沿地面轨道运行，下方可通过铁路车辆或其他地面车辆，可转动的起重装置装在门形座架上的一种臂架型起重机。造船用门座起重机：主要用于船台、浮船坞和舣装现场，进行船体拼接、设备舣装等吊装工作，最大起重量达300吨。有多档起升速度，吊重轻时可提高起升速度。有些工作机构还备有微动装置，以满足安装要求。门座高度大，适应大起升高度和大幅度作业的要求，但工作速度较低，作业生产率不高。门座起重机有起升、回转、变幅和运行机构，前三种机构装在转动部分上。每一周期内都参加作业。转动部分上还装有可俯仰的倾斜单臂架或组合臂架及司机室。
船厂吊群存在的问题及原因分析
龙门起重机的安全问题
造船龙门吊具有朝大跨距、大起重量方向发展的趋势，由于造船门吊跨度大、起升高度大，通常会产生偏斜运行的现象。
造成这种现象的原因有多种：
(1) 龙门起重机的结构特点决定刚柔性腿大车运行不可能同步。大型龙门起重机由于跨距大，无一例外都采用一刚一柔的支腿结构，由于刚柔腿承受结构自重及货重的不同等原因必然造成刚柔腿运行阻力的不同，从而造成大车运行不同步；
(2) 轨道长度长、起重机跨距大，轨道的平行度在使用一段时间后也难以保证，在这样的轨道环境下行车容易产生两边行走速度不同造成两腿不同步的现象；
(3) 轨道可能在长期使用后由于载荷不均匀造成两边沉降幅度不同，导致轨道的水平高度发生变化；
(4) 车轮直径偏差。起重机本身由于制造工艺的问题，走轮材料的抗形变、抗腐蚀能力无法达到最佳，使用后会造成走轮直径不一致或轮缘磨损等现象，引起实际速度不一致；
(5) 驱动电机转速差异。
由于以上多种因素的影响，吊机偏斜运行在所难免。
多米的大跨距给吊机刚柔腿的同步行走带来了相当高的要求，但龙门架不允许有较大偏斜，如果偏斜量较大，会导致行走车轮啃轨，龙门架钢结构承受附加载荷而变形，如果操纵人员没有意识到这种情况而继续驱动大车运行，产生强大的扭矩而对设备造成致命的伤害，将会发生安全事故。国内外曾发生过因行走误差过大而损坏吊车平衡梁甚至翻车的事故先例。
因此，需要采用合理的技术手段，避免大车偏斜运行，以保证造船门吊安全工作。为了避免大车偏斜运行，通常采用纠偏技术，将大车在运行过程中，两侧偏斜量的值控制在一定的范围内，以避免钢结构承受附加载荷和车轮啃轨现象的发生。据统计60% 左右的起重机存在啃道现象，其中有一半的起重机啃道现象比较严重。治理啃道的根本出路在于纠正车架相对于轨道的偏斜，因此可靠实行刚柔腿行走同步纠偏是当今大型龙门吊生产的不可缺少的重要环节。
门座起重机的安全问题
门座式起重机给件杂货码头生产带来灵活、高效、方便、快捷的同时，因机械的不安全因素，频频发生事故，也给国家、人民造成经济损失，给当事人及家属造成痛苦。发生事故的主要原因是起重机械本身存在着机械故障及操作人员的操作失误。
现在的安全管理方法
为了保持造船门吊运行过程中两侧大车运行速度和位置的同步，通常采用的纠偏技术/措施的基本原理是一致的：将编码器、感应开关、限位开关或传感器等采集到的信号，通过控制系统输入到PLC中，进行自动纠偏或手动纠偏。
单吊的安全管理
在单吊的安全管理方面，下面是几种常用的纠偏措施：
(1) 采用增量型编码器检测主梁
造船门吊的大车运行通常采用变频调速控制，在刚性腿侧和柔性腿侧的大车上各有一台变频电动机上设置了增量型编码器，测量与比较两侧的实际速度，实现闭环控制。当这两台电动机平均转速相差一定数值时，就可以通过计算编码器输入PLC的脉冲数量进行纠偏。为防止车轮打滑等因素造成误差，需在码头轨道上每隔一定距离安装清零限位信号感应块，通过多个限位信号的组合检测，把大车轨道打滑等引起的位置偏差过滤掉。
(2) 采用绝对值编码器
在刚性腿侧和柔性腿侧的大车上各设有一个检测轮，在检测轮上安装绝对值编码器（也可以将编码器安装在无轮缘的被动车轮上），将编码器的转数输入到PLC中，通过控制系统比较两侧大车的位移量进行纠偏。
(3) 采用磁感应开关和磁块
在刚性腿侧和柔性腿侧的大车轨道旁平行安装一些感应磁块，在两侧的大车上各安装一套磁感应开关，通过电控系统测量出刚性腿侧和柔性腿侧的磁感应开关动作的先后并输入到PLC中进行纠偏。
(4) 采用位移传感器或限位开关
当刚性腿侧和柔性腿侧的大车偏斜运行时，主梁与柔性腿的夹角将发生改变。将位移传感器或限位开关安装在柔性腿顶部，通过传感器或限位开关输出的信号进行纠偏。
(5) 在主梁与柔性腿之间设置角位移传感器。主梁与柔腿的夹角大于或小于90度，这可以通过安装在柔腿顶部的角位移传感器的方法来进行纠偏。此方法是通过测量主梁与柔性腿之间的相对扭转角度而推算出刚柔腿之间的运行偏差，该方案有效的前提是柔性铰工作状态良好且容许转动，柔性铰应为球型铰。由于角位移的大小与主梁的变形值及球铰的润滑条件等很多因素有关，因此，容许的角位移值实际上是很难精确计算出来的。角位移同大车的行走偏差也不是线性关系，此方法只能作最终保护。
(6)激光测距仪实现大车定位。为得到刚柔性腿大车的实时位置，分别在大车上装反射棱镜，然后在地面导轨两端装激光测距仪实时测量大车位置，然后将测得的数据以无线方式传送给龙门吊PLC控制器，从而驱动刚柔腿大车的同步运行。
群吊的防碰撞管理
同轨上两车的防撞方式较简单，一般采用机械限位即可，即安装一定长度的撞尺来限制两车之间的距离，一旦限位动作就触发紧停保护回路，及时停车，防止两车继续接近造成碰撞。重点设备或者或有其他有较高安全要求的设备还可以增加激光防撞装置。即在一台车上安装激光收发系统，相邻的车上安装反射靶。激光测距仪定时发出激光脉冲，检测两车之间的距离，输出测量数据至PLC，PLC接受数据后进行处理，根据实际需要及安全要求灵活编程，设置预警和直接制动等保护措施。
国内部分安全运行监控记录装置采用ARM7嵌入式微控制器，硬件电路主要由激光测距传感器、MCS—51通用单片机、总线收发器组成 。
现有技术的不足
(1) 编码器的误差
绝对值型编码器的原理是，对应一圈，每个基准的角度发出与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。增量型编码器的原理是，每转过一个单位的角度就发出一个脉冲信号，增量型编码器虽然在价格上比绝对值型编码器有优势，却存在计算中会有累计误差的缺点。
现在由于机械加工和安装等因素的影响，光栅角编码器往往不能达到其标称精度。光栅角编码器除了光栅环的条纹不均匀、读数头细分误差等自身的误差因素外，主要的误差来源于机械加工和安装，包括安装偏心、安装倾斜、转动轴晃动，累计误差等。这些都会导致编码器的误差。
(2) 轨道打滑
运行过程中难免会出现轨道打滑的现象，这给测量带来了一定的误差
(3) 群吊安全管理的欠缺
近几年来已经出现用于建筑安全方面的吊机监控系统，但由于是基于机器视觉原理，仍然避免不了依赖塔机操作人员观察的人为因素，所以一些安装这类系统的建筑工地仍有塔机之间互相碰撞、塔机与周边建筑物碰撞的事故发生，建筑安全威胁依然存在。
(5) 系统集成度低
现在的船厂的运行设备都是单独的系统。运动系统，检测系统，控制系统是互相独立的，运行的数据记录并不全面，同时对吊装作业也没有一个信息化的管理，吊装作业的安排指挥，都是靠人工完成，为产业的发展造成了障碍。
新的安全管理方法的提出
传统的测速手段主要借助多普勒频移和激光，吊机位置的测定主要靠人眼观察以及位置检测装置。全球卫星定位系统（GPS）出现后，为速度和位置的测量提供了一种新的技术途径和实用方法[22]。GPS因其全天候、全球、连续、高精度、方便、快捷等特性，迅速成为一种主流的定位手段，并深入到人类活动的各个方面。GPS 不仅可以确定运动载体的实时位置，还可以确定载体的瞬时速度，广泛应用于定时，公路和高速公路，太空，飞行，农业，海事，铁路，环境等。目前GPS／INS组合导航成为无人机导航系统的主流方向。
随着信息化的发展，传统的自动控制中需要加入信息化的管理，为企业的管理提供完整的信息数据，以便查找生产问题，提高生产效率，严防生产事故。
因此将GPS作为测量吊机运行状态的方法，在传统自动控制中加入信息化的管理成为一种新的可行的方案。
起重机安全管理的标准
在吊机运行时偏斜的控制上，已经有了相关的行业标准。为了控制刚性腿和柔性腿两侧大车的偏斜运行，通常规定两侧大车运行偏斜量达到跨度的1‰时，起重机应能自动纠偏；达到跨度的2‰时，起重机能慢速纠偏，并在司机室内发灯光报警信号；当偏斜量达到跨度的3‰时，偏斜限制器应能切断起重机行走机构的电源，使起重机能自动停车，并在司机室发出声光报警信号，司机可通过手动纠偏，单侧点动，消除偏差后再投入运行。
2012年5月，起重机械安全管理系统的国家标准出台，并于7月起实施，为设计安全管理系统提供了标准。该标准规定，起重机械安全监控管理系统由硬件和软件组成，其单元构成如下：信息采集单元，信息处理单元，控制输出单元，信息存储单元，信息显示单元，信息导出接口单元等。当有远程监控要求时，应增加远程传输单元。当起重机械集群作业时，系统应留有相应接口，用于与远程监控中心的信息交换。
GPS应用于吊机安全监测
GPS概述
GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。它们均匀分布在六个倾角为55度的平面轨道上，各轨道面之间的夹角为60度。卫星高度为20200km，卫星运行周期约为12个小时。无论在地球表面的任何地点、任何时刻，在高度角为15度以上，平均都可同时观测到6颗卫星，最多时可达11颗。
GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应的数据处理软件，经过基线解算，网平差等，求出测站点的三维坐标。GPS卫星定位测量应至少对四颗卫星进行观测来进行定位计算。
GPS优点
GPS的优点主要体现在一下方面：
(1) 覆盖全球地面．可全天候观测
GPS卫星数只多，且均匀分布，可保证在地球表面任何地点、任何时间都可同步观测到至少四颗卫星。保证了全天候的实时导航与定位。
(2) 定位精度高
GPS定位系统不仅可以用于导航、测量．还可用于测速、测时，在小于50km的基线上，相对定位精度可达10-6，在1000km的基线上，相对定位精度达10-8。随着观测技术及数据处理方法的不断发展．其观测精度还将进一步提高。
(3) 观测速度快
采用快速定位软件及性能优良的GPS接收机，20km以内的相对定位仅需5-20min，快速动态相对定位测量仅需1-2min 。
(4) 能够提供精确的三维坐标
GPS系统可精确测定测站点的平面坐标，同时也可精确测定观测点的大地高程，这在航空摄影等学科的发展中起到了重要作用。
GPS测速方法及精度
GPS 因不同的定位服务，主要提供三种类型的原始观测值，即伪距、载波相位和多普勒频移。根据不同的定位精度需求，派生出单点定位、伪距差分定位、相位差分定位等多种定位模式。
GPS 测速大致有三种方法：第一是基于GPS高精度定位结果，通过位置差分来获取速度；第二是利用GPS 原始多普勒观测值直接计算速度；第三是利用载波相位中心差分所获得的多普勒观测值来计算速度。
精密GPS定位均采用相对技术。无论是在几点间进行同步观测的后处理(RTK)，还是从基准站将改正值传输给流动站(DGPS)，都称为相对技术。以采用值的类型为依据可分为四类：
(1)实时差分GPS，其精度为1m～3m；
(2)广域实时差分GPS，其精度为1m～2m；
(3)精密时差分GPS，其精度为1cm～5cm：
(4)实时精密时差分GPS，其精度为1cm～3cm。
差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类。前两类定位误差的相关性会随基准站与流动站的空间距离的增加而迅速降低。
不同接收机依据其算法及接收机质量不同，其最终GPS测速的精度不同。RTK—GPS的测速精度最高，可达到mm/s；双频GPS单机测速在接收环境良好等条件下其测速精度也接近于mm/s；DGPS接收机的测速精度相比来说差一些，只可达到cm/s。
GPS测角度精度
单天线系统中侧偏角的变化滞后理论值，因为尽管侧倾角的变化可以在偏差估测项中进行追踪，但卡尔曼滤波器在进行偏差估测时存在延时，这种延时同时反映到侧偏角上，当侧倾角增大或减小时，侧偏角估测值随之减小或增大；而双天线系统，由于侧倾情况是直接测量和补偿的，因此侧倾的变化不会过大地影响侧偏角估测。在基线长20米时，方向角的精度可以达到0.01度。
姿态测量
(1) 利用惯性原件测量
在测量倾斜角度的应用中，通常采用对陀螺仪输出求解积分获取角度在惯性导航系统中，加速度计是主要惯性元件之一，系统通过对加速度计测取的载体运动加速度进行积分运算，获得速度和位置参数。该方法虽然简单，但随着积分周期的增加，测量误差会逐步加大；此外，陀螺仪测量的实时性与测量精度在工程中较难保证。
(2) 利用三轴加速度计测量
利用三个加速度计的敏感轴构建载体坐标系，三个加速度计分别敏感其方向上的重力加速度矢量，确定重力加速度矢量在载体坐标系中的表示，根据水平面垂直于重力加速度的关系，计算载体坐标系中的数字水平面，进而计算载体姿态。在水平转台上进行了试验验证，试验结果表明，该方案的姿态测量精度可以达到0.08。基于并联结构的三自由度姿态测量机构进行姿态测量时，避免了串联结构误差累积，提高了测量精度，但实际应用中，并联机构也有不足：工作空间复杂，测量精度不仅与机构位姿有关，而且对并联机构运动学参数敏感。
随着GPS载波相位差分技术的快速发展，利用GPS组成航向、姿态系统来测量载体的航向和姿态迅速成为GPS研究的又一热点。与目前广泛应用的惯性导航系统相比，利用GPS信号进行姿态测量相比于传统的惯性器件解算姿态具有体积小、成本低、无累积误差、初始化时间短、无漂移、重量轻、功耗低等优势，已经成为当前姿态测量的主要手段之一。
船厂系统集成的必要
我国专家曾经以国际通用的68个要素、340项标准评估我国骨干船厂，发现我国与世界先进水平的综合差距为15年。其中，精度控制技术相差15年，组织与管理体制的差距为18年。信息技术应用方面的差距为19年，由此可见信息化技术的差距之大。国内造船企业的信息化水平虽然存在着差异，但在信息化建设上的状况却存在相同之处，具体表现在：
(1) 缺乏一体化、集成化的设计系统，与生产进程联系不够紧密。虽然国内很多企业引进了一些集成程度较好的设计系统．但各自应用程度不一，仅仅解决了大部分“甩图板”的工作，其生产设计图纸中物量及制造信息没能充分及时反映，相关数据库有待建立与充实，不能自动更改设计错误，不能自动、无缝地抽取有关信息生成BOM表，供后续工序或软件应用。
(2) 众所周知，船舶行业的零部件数量是很庞大的，目前国内对船舶零部件标准化程度和日韩相比差距较大，同时也缺乏真正可执行的行业统一编码，使得各企业之间、企业内部本身无法做到信息共享和集成。
(3) 信息采集手段落后，收集生产数据管理困难。由于信息共享度低，且多为手工输入，反馈速度慢，难以分类汇总及迅速检索。
(4) 在中国造船企业中，材料设备成本要占造船成本的60-70％以上。由于缺少统一的物资、物流管理系统，无法将正确的零部件产品(Right Product)在正确的时间(Right Time)、按照正确的数量(Right Quantity)、正确的质量(Right Qulity)和正确的状态(Right Status)送到正确的地点(Right Place)——这导致对物资采购、仓储配送的时间、位置及数量难以有效控制。
集成和普及信息技术，有利于现代造船模式的实现；有利于设计、生产、管理信息的快速互动，提高效率、降低成本；有利于设计创新，使并行设计理念、仿真设计技术得以实现，可大大减少设计和制造中的修改工作量，提高设计质量，缩短设计周期。通过对技术、时间、资金、劳动力实施信息综合管理，实现赶超国外先进造船国家水平，达到跨越式发展的目的。
GPS检测为最佳方案
工业生产安全是首位的，船厂的吊机安全是船厂安全管理的关键。有效的防止吊机生产过程当中的偏斜运行可以大大降低安全事故的发生几率，防止重大损失的发生。而现在的吊机运行监控方法和吊群的安全管理存在很多问题，致使船厂仍有造成重大人员财产损失的吊机事故发生。因此可靠的防偏斜，防碰撞方法是非常重要的，而GPS的发展为这一问题的解决提供了新思路，其精度能够满足检测的需求，同时又有很多其他设备没有的优点，是一种有效检测吊机偏斜的新方法。
当前，我国船舶工业的发展面临着巨大挑战，世界造船强国已大规模采用先进的制造技术和自动化装备，广泛应用计算机集成技术，推行精度造船，大大提高了生产效率，缩短了建造周期。我国造船企业与世界先进水平相比存在较大差距，具体表现为民船建造的国际竞争力不强和军船研制的响应能力不快，信息集成技术明显不足。
以GPS检测为基础的吊机安全管理方案，有效的检测吊机运行状态，能够管理现场数据，为运营管理提供参考。
