摘要：近年来由于吊车、挖掘机、混凝土泵送车等工程机械在施工作业中超越高压线警戒区而引起的触电事故频繁发生。针对施工机械引起的大面积停电和人身伤亡事故，必须要研究出一套先进可靠的技术方案来避免此类事故的发生。【1】在可靠性和低成本的前提下选用基于X波段的线性调频连续波(LFMCW)测距雷达。该设备安装简单、拆卸快捷、报警可靠、可独立工作，采用无线通讯传递信息，具有声光警示功能，能有效防止吊车出现避碰事故，具有大规模推广优势。
关键词：吊车；测距雷达；避碰
引言：
近年来由于吊车、挖掘机、混凝土泵送车等工程机械在施工作业中超越高压线警戒区而引起的触电事故频繁发生。从历年情况来看，异物或施工现场大型机械碰线等外力故障是影响电网的安全运行的主要因素，其中大型施工车辆碰线约占30%。此类事故一旦发生，轻则造成局部电压严重跌落，影响客户的供电质量，重则造成电网设备损坏、供电可靠性降低、甚至局部地区停电，更有可能直接造成人员伤亡，后果十分严重。
社会施工机械司机往往缺乏安全意识,电力公司安监人员也无法每次都到施工现场进行安全监管, 针对施工机械引起的大面积停电和人身伤亡事故，必须要研究出一套先进可靠的技术方案来避免此类事故的发生。
一、项目概述
由于吊车,挖掘机等大型施工机械在输电线路现场施工作业时,司机由于视角受限,不能每次操作都准确判别抓斗前端与高压电线的距离,同时施工现场声音嘈杂,司机缺少安全培训,现场安全监管不到位等因素,造成事故频发,所以非常有必要研发一种吊车等大型机械现场施工安全管控产品消除大型机械施工安全隐患,保障变电站和输电线路安全运行.
二、研究内容
（一）、方案选择
对以下几种技术手段进行了比较，以筛选出最佳方案。
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基于四种技术优缺点的对比，选择对雷达系统检测装置进行改进可以达到较理想的效果。在可靠性和低成本的前提下选用基于X波段的线性调频连续波(LFMCW)测距雷达。该设备安装简单、拆卸快捷、报警可靠、可独立工作，采用无线通讯传递信息，具有声光警示功能。
（二）、系统整体设计
1.系统架构
方案采用基于工程机械位姿检测的双重安全监测系统，即首先进行工程机械避碰运算，然后基于雷达系统对周边作业完全检测。
2.工程机械姿态检测和避碰算法
1）.建立电缆数据库，由于电缆高度是国家标准，电压产生的电离层可计算，因此可对电缆建立数学模型。
2）.建立工程机械杆件数据库，通过安装在吊车关节位置传感器动态确定工程机械的姿态。
3）.建立实时碰撞检测模型和算法，判断是否碰撞，进行报警。
3.雷达测距算法
建立LFMCW雷达数学模型【2】
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4.距离检测单元研究
安装位置：在吊臂最顶端上、前、左、右四面各安装一个发射天线和接收天线。无线数据发送模块与数据处理模块密封于盒子中，固定在吊臂最顶端。需要注意的是不同电压等级下放电强度不同，检测单元扫掠空间也应有变化，设计时应该考虑进去
5.碰撞警示及作业指导单元
单元分为射频前端子系统、信号处理器和声光报警设备。
射频前端分为：频率源部分和T/R组件。
频率源采用方案：DDS（直接数字频综）+PLL（锁相环）的形式。
在操作室里安装液晶显示屏、蜂鸣器以及无线数据接收模块以及一个关于不同电压等级下的安全距离的标准数据库，以求直接键入电压等级参数就可知道其安全距离，提高碰撞警示单元工作的实时性和可靠性。在操作室内驾驶员可以根据液晶显示屏上提示的内容调整吊车位置。
安装位置：在操作室里安装液晶显示屏、蜂鸣器以及无线数据接收模块
6.通信与声光告警单元
通信与声光报警部分是将雷达探头通过无线串口与声光报警系统连接起来。直观的观察和控制吊车与电线的距离。报警发生时,现场的安全监察人员与电力公司监控后台都能同步收到告警信息.
7.现场仿真
必要性：高压线附近的施工需要极其小心，所以往往在施工方案确定之前需要用仿真手段来进行预演和培训。
充分性：模拟使用传感器获取现场数据并进行详细的操作指导然后可基于unity3d，opengl等软件进行仿真开发。
8.系统操作步骤
1)吊车启动，给距离检测单元和碰撞警示单元上电。
2)距离检测单元中的收发天线不断发射和接受雷达信号，信号经数据处理模块处理成距离信息由无线数据发送模块发送。
3)无线数据发送模块发送的距离信息经无线数据接收模块接受传递给单片机，经单片机处理发送信号给蜂鸣器和液晶显示屏。
4)当测得距离（四个方向）大于规定安全距离时，液晶显示屏显示“安全”字样，蜂鸣器不工作。否则，液晶显示屏显示测得距离，蜂鸣器报警。
5)当蜂鸣器报警时说明吊车与高压电线之间距离处于危险范围，此时，作业指导单元中做作人员根据液晶显示屏显示的四个方向距离来操作吊车移动。碰撞处理单元来实现吊车移动。
（三）项目实施
1.雷达传感器选型设计
根据需求，拟在吊杆的上部、左部、右部安装测距信号采集与无线传输装置。电缆线的检测是难点，应采用大覆盖范围测距的传感器，
由于裸铝线和变电站架空电缆截面积多为50到440平方毫米，其中185平方毫米居多，而且检测距离按照国网要求达到4米， 这就对雷达传感器的测量精度要求很高。
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图1 电缆线扫描装置的安装位置
（二）、产品架构
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图2 测距信号采集与 图3 接收报警装置
无线传输装置
3个采集装置 连接 1个接收报警装置；可以分别设置3个采集装置的报警阈值及显示个采集装置离障碍物的距离；3个采集装置中任意一个过报警阈值开始报警，并显示过报警阈值的对应的那个采集装置。
为了保证系统可灵活拆装使用，确保一套系统，多种车辆使用，利于推广和降低成本，雷达传感器拟采用磁铁吸附的方式安装。
（三）、设备技术指标
1）测量目标识别准确率达到95%；
2）机械前臂角度在30度左右时,识别分辨率在0.6米；
3）可测量电压等级是110KV,330KV,500KV；
4）测距范围1~10米；
5）支持接入电力公司监控平台;
6）连续工作时间8小时;
7）锂电池供电
结束语：根据基于雷达测距技术开发的变电站吊车避碰系统可以在多种型号吊车上使用，使用场景包括110KV，220KV，500KV电压等级下变电站和输电线路。系统使用简单方便，易于拆装，检测精度高，系统具有推广价值。
参考文献：
1、江少镇，吊车防撞系统中的高压线检测技术，电子测试2013年19期
2、潘伟，王占平，牛小奉 LFCW雷达在吊车防撞高压线系统中的应用 火控雷达技术 2014年第3期
论文作者:沈晨,金浩,袁东,程翔,徐胡平,蔡潘斌,王永晴
论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期
论文发表时间:2020/3/16
标签：吊车论文; 距离论文; 蜂鸣器论文; 系统论文; 作业论文; 声光论文; 装置论文; 《电力设备》2019年第21期论文;