基于GPS差分技术的起重机臂头位移测试在施工安全管理中的应用

钟孟华 常根固 李洪波

中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司 北京 102100

摘要：随着我国大型工程项目规模的不断扩大，施工安全管理的复杂性和重要性日益凸显。起重机械作为施工现场的核心设备，其臂头位移的精确监测直接关系到作业安全。GPS差分技术凭借其高精度、全天候作业和实时监测的优势，为起重机臂头位移测试提供了全新的解决方案。本文系统阐述了GPS差分技术的原理，分析了起重机臂头位移测试的需求，探讨了该技术在施工现场安全监测中的具体应用，包括风险识别与预警机制建立，并展望了未来发展趋势，为提升施工安全管理水平提供技术参考。

关键词：GPS差分技术；起重机；臂头位移；施工安全；风险预警；位移监测。

1 引言

1.1 研究背景

根据2024年数据，中国建筑业起重机保有量超过50万台，年作业量达数亿吨。然而，施工安全事故频发，臂头位移不准是主要诱因之一。2023年，全国起重机事故报告显示，位移监测失误导致的事故占比约28%，造成人员伤亡和经济损失数百亿元。传统测试方法如倾角仪或视频监控，受环境干扰大，精度有限，无法实时响应动态变化。

GPS差分技术（DGPS），尤其是RTK模式，利用基站校正卫星误差，实现1-3cm定位精度，已在土木工程和机械定位中应用。将其集成于起重机臂头位移测试，可实时监测三维坐标变化，提升安全管理水平。本文聚焦该技术在施工现场的安全监测与风险防控应用，为工程实践提供指导。

1.2 研究意义

在施工安全管理中，起重机臂头位移监测具有重大意义。通过实时监控起重机臂头的位移情况，可以有效预防设备故障、吊运物件脱落以及设备间碰撞等事故的发生。施工现场一旦发生起重机事故，往往会造成重大人员伤亡和严重经济损失，严重影响工程项目施工进度。

2 GPS差分技术原理

GPS差分技术，更准确地应称为GNSS差分技术，是一种利用全球导航卫星系统进行高精度定位的技术方法。其核心原理是通过架设已知精确坐标的基准站，计算卫星定位误差，并将这些误差校正数据实时发送给移动站，从而大幅提升移动站的定位精度。在起重机臂头位移监测应用中，系统主要采用实时动态差分（RTK）技术，通过载波相位观测值解算，实现厘米级甚至毫米级的定位精度。起重机臂头位移监测系统的硬件组成通常包括高精度GNSS接收机、扼流圈天线、数据传输模块、数据处理单元及监控平台。

3 起重机臂头位移测试需求分析

起重机臂头位移测试是评估起重机结构安全性和运行稳定性的重要手段。根据《起重机械安全技术规程》(TSG 51—2023）的规定，在额定载荷作用下，各类起重机臂头位移均有明确的限值要求

3.1 塔式起重机刚度要求

根据规范要求，在额定载荷作用下，塔式起重机起重臂根部连接处的水平静位移应当不大于1.34H/100（H为起重臂根部连接处到塔式起重机基准面的垂直距离）；额定载荷作用下启制动时，司机室水平振动加速度应当小于0.2g。

3.2 流动式起重机臂架头部位移限制

对于流动式起重机，规范要求更加严格。在相应工作幅度起吊额定载荷、只考虑臂架变形时，臂架头部在变幅平面内垂直于臂架轴线方向的静位移应当不大于0.1LC²/100（LC为臂架长度）。同时，在臂架头部施加数值为5%额定载荷的水平侧向力时，臂架头部在回转平面内的水平静位移应当不大于0.07LC²/100。

4 施工现场安全监测中的应用

基于GPS差分技术的起重机臂头位移测试在施工现场安全监测中发挥着多方面重要作用。在密集型施工现场，多台起重机同时作业已成为常态。通过为每台起重机安装监测设备，系统能够检测起重机臂的当前位置和方向，同时实时计算自身起重机臂前端与最近起重机臂之间的最短距离。在高压电线、通信波束路径或其他障碍物附近的起重机作业中，应用GPS差分位移监测技术可以预先将受限空间的边界面坐标输入系统，系统会持续检测臂前端与边界面的最短距离，并通过屏幕背景色变化和警报音让操作员意识到潜在危险。

4.1 高精度定位监测系统

通过在高危起重设备上安装GPS监测终端，构建基于GPS差分技术的施工机械防撞预警系统。系统通过无线通讯技术和计算机网络技术，实现起重机臂头位置的高精度实时监控。实验结果表明，此类系统在平面精度可以达到：E方向0.3253m，N方向为0.3946m，如果采用更精密的算法，精度还可以进一步提高。

4.2 多源数据融合技术

为提高监测精度和可靠性，研究者开始将GPS与其他传感器数据融合。例如，将GPS与无线传感器网络（WSN） 的信号定位技术相结合，以扩展卡尔曼滤波（EKF） 作为信息融合手段，对RSSI/GPS定位数据进行融合。结果表明，EKF算法能有效实现RSSI/GPS定位数据融合，进一步研究的基于提升小波变换的EKF算法，更能获得精度更高的定位数据。

4.3 防撞预警系统

基于GPS差分技术的防撞预警系统能够实时监控起重机的运动轨迹，并能有效地显示安全运行指令信息、C级告警、B级告警与A级告警信息，便于提醒设备驾驶人员安全驾驶、谨慎驾驶、采取正常避让或紧急制动的相应操作。实验证明，这类系统运行稳定且防碰撞预警及时可靠，对工程施工具有良好的应用价值。

4.4 自动化监测系统

基于北斗/GPS精确定位的建筑塔吊自动运行系统通过集成北斗卫星定位系统和差分基站系统、基于传感器的设备辅助定位系统、可编程数字电机系统三大技术，实现了塔吊的自动执行和准确定位。该系统能够提供基于北斗的准确位置定位、塔吊运行位置辅助定位、材料放置点的精确位置、以及塔吊设备的自动运行路径规划，同时对塔吊本身的偏斜度进行监测，防止塔吊倒塌。

5 风险识别与预警

在风险防控方面，GPS差分技术为起重机创造了多层次、立体化的安全防护体系。实时防碰撞预警系统通过持续监测起重机臂间距离，当距离低于设定的阈值时触发多级警报系统。屏幕背景色依次变化的同时，警报音量也会根据危险等级逐步增大，以提醒操作员注意事故风险。基于GPS差分技术的位移监测系统不仅提供实时监控，还能记录历史数据，为事故分析和流程优化提供依据。在发生险情时，高精度定位系统能够迅速确定事故发生的位置和状态，为应急救援提供关键信息，极大提升应急响应能力。

5.1 多技术融合

未来，GPS差分技术将更多地与惯性导航系统（INS）、激光雷达、视觉识别等技术融合，形成多传感器集成的监测系统。例如，中联重科已申请了一项基于臂架系统运行参数预测的专利，该方法根据臂架末端和回转轴在多个历史时刻的运动参数预测未来时刻的运行参数，提高了臂架系统的运行精度。这种多技术融合的方案将进一步提高监测系统的精度和可靠性。

5.2 智能化与自动化

随着人工智能技术和大数据分析的发展，起重机臂头位移监测将更加智能化和自动化。系统不仅能实时监测位移，还能通过历史数据学习和预测潜在风险，实现预警前移。同时，基于北斗/GPS精确定位的塔吊自动运行系统将更加普及，逐步实现塔吊的全自动化运行。

5.3 高精度算法优化

单历元双差整周模糊度快速确定算法将继续优化，解决在信号干扰环境下解算成功率不高的问题。研究者已经在开发如E DUFCOM方法等新算法，这些算法能显著提高GPS单历元确定双差整周模糊度的效率。

7 结论

随着多技术融合、智能化发展、算法优化和5G与物联网技术的结合，GPS差分技术在施工安全管理中的应用前景十分广阔。未来的起重机位移监测系统将更加精准、可靠和智能，为大型工程建设的安全保障提供更加坚实的技术支撑。同时，我们也应看到，技术的应用仍需结合实际工程条件，考虑成本、可靠性和易用性等多方面因素，推动GPS差分技术在施工安全管理中的科学应用和健康发展。

参考文献

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