摘 要:自上[]±纪80年代以来,许多学者对计算机辅助吊装方案设计(CALPAD)技术开展了广泛的研究,取得了一定成果。然而,在现有的CALPAD研究中,起重机选型的被吊物与臂架间距计算复杂且大多未考虑接地比压对选型的影响,针对桁架臂履带起重机选型的研究也较少;吊装动作规划未考虑起重机的行走因素;双机吊装仿真研究较少,现有方法需要设置参数繁多且难以确定。因缺乏对工程因素的考虑,现有研究成果少有在实际吊装工程应用。因此,本文在移动式起重机智能选型、考虑行走因素的单机吊装动作规划、双机吊装仿真三方面展开研究,所形成的理论成果和软件已成功应用到多个中石化千吨级的实际吊装项目中。本文主要研究工作如下:
　　(1)提出了一种多重约束的移动式起重机人机交互优选算法。首先构建了多重约束的起重机选型数学模型,并设计了选型算法框架,然后以桁架臂履带起重机为例给出了起重性能、被吊物与臂架间距、接地比压等约束的计算方法。与现有选型算法相比,该算法将复杂三维空间距离计算问题转化为二维几何计算,降低了间距约束处理难度;考虑了接地比压因素,提高了选型精度;由于无需建立起重机、被吊物三维模型,该算法更适合工程应用,操作更加便捷。
　　(2)提出了基于先验信息的路径规划算法RRT-Connect++。针对经典的RRT-Connect算法所得路径不优的问题,利用先验信息引导生成树向高质量区域生长,具体给出了基于回归分析的可变多步扩展策略、基于釆样池和未探索区的随机点选择策略。仿真实验结果表明,RRT-ConneCt++保持高效性的同时大幅提升路径质量,并且总体性能优于现有基于RRT的其它算法。
　　(3)提出了一种考虑行走因素的单台履带起重机吊装动作规划算法。首先建立规划问题的数学模型,给出了位形空间的定义、距离度量的方法、履带起重机非完整运动学约束的表达,提出了基于RRT-ConneCt++的吊装动作规划算法。仿真结果表明该算法能在各种复杂环境中规划出无超载、无碰撞可行动作序列。算法考虑了行走的非完整运动学约束,使所得动作序列可直接应用。此外,其中的距离度量将长度量纲和角度量纲统一起来,避免了为每个分量设置权重系数。
　　(4)建立了典型协同吊装工况的双机系统模型并给出相应的仿真流程。首先将两台起重机和被吊物看作一个完整的复杂系统(称为双机系统),从该系统视角研究双机之间的协同,然后建立面向典型吊装工况的双机系统模型,最后给出基于空间几何约束的双机吊装仿真流程。由于双机的协同策略已嵌入基木动作,因此在典型双机用装中该方法仿真更准确、操作更简便。此外,双机系统概念为双机协同吊装的其它研究提供了一个全新的思路。
　　(5)建立了双机吊装的正向运动学模型并给出了双机吊装仿真流程。首先建立双机起7卜系统正向运动学模型,然后利用最小势能原理将此正向运动学问题抽象为带约束数学优化问题,据此提出被吊物位姿及起九力求解算法,最后在此基础上给出了基于正向运动学的双机吊装仿真流程。相比现有双机吊装仿真方法,该方法仅需被吊物重量、重心即nj准确求得被吊物位姿及起升力,为双机吊装仿真提供有力的支撑,nj容易地实现实时的双机吊装作、丨k仿真,具有参数少、实时等特点。
　　关键词:计算机辅助设计;起重机选型;动作规划;快速扩展随机树;三维仿真

目 录
1 绪论
1.1问题的提出 1
l.l.l 吊装方案设计 1
1.1.2计算机辅助吊装方案设计 2
1.1.3起重机选型与吊装过程规划 4
1.2国内外研究现状 5
1.2.1起重机选型研究现状 5
1.2.2吊装仿真研究现状 7
1.2.3吊装动作规划研究现状 9
1.2.4 小结 12
1.3研究内容和研究意义 13
1.3.1 研究内容 13
1.3.2研究意义 14
1.4论文的研究思路和组织结构 15
2多重约束的移动式起重机选型算法研究 17
2.1引言 17
2.2多重约束的移动式起重机选型数学模型构建 18
2.2.1 移动式起重机工作原理 18
2.2.2影响起重机选型的因素 19
2.2.3起重机选型的数学模型 19
2.3起重机选型算法的总体框架 20
2.4桁架臂履带起重机选型实现 22
2.4.1 起重性能约束处理 22
2.4.2被吊物与臂架间距约束处理 25
2.4.3 履带接地比压处理 28
2.5 本章小结 30
3基于先验信息的RRT-Connect算法改进研究 31
3.1引言 31
3.2 RRT-Connect算法介绍与分析 32
3.3 生成树扩展策略改进 34
3.3.1 可变多步扩展生成树 34
3.3.2应用回归分析控制树节点生长 36
3.3.3基于回归分析的可变多步扩展策略实现 36
3.4随机采样策略改进 37
3.4.1从采样池选择随机点 38
3.4.2从未探索区选择随机点 38
3.4.3基于采样池及未探索空间的随机点采样策略实现 39
3.5基子KD-Tree的近邻选抒操作改进 40
3.6仿真实验 40
3.6.1案例1 :汽午:在障碍物密度的环境寻找路径 40
3.6.2案例2:汽乍在狭小通逍的环境寻找一条优化的行走路柃 43
3.6.3案例3:动力学刚体在平面中寻找运动路径 44
3.7 本莩小结 46
4基于RRT-Connect++机吊装动作规划兑法研究 47
4.1引言 47
4.2单机吊装动作规划的数学模31 48
4.3中-机吊装动作规划算法设计 48
4.3.1兑法的总体流程 48
4.3.2 装系统位形空叫 51
4.3.3位形间距离度量定义 53
4.3.4履带起重机非完整运动学约朿处理 53
4.4仿真实验 55
4.4.1介效性验证 55
4.4.2兑法忭能对比 58
4.5 结果讨论 58
4.6 本卷小结 60
5典增协同吊装工:况的双机系统迚校研究 61
5.1 引言61
5.2双机系统模型及其吊装状态表示 62
5.2.1 双机系统模型 62
5.2.2双机系统吊装状态表示 63
5.3双机协同吊装仿真流程设计 64
5.4基于空间几何约束的双机系统基本动作描述 65
5.4.1 双机吊装协同策略分析 65
5.4.2双机系统基本动作描述 66
5.5双机系统基本动作集构建 67
5.5.1 起升动作 67
5.5.2横向平移动作 68
5.5.3 尾随走动作 69
5.5.4尾随止动作 71
5.5.5 主旋转动作 72
5.6广西北海炼油异地改造项目丙烯塔吊装案例 73
5.7 本章小结 76
6双机协同吊装的正向运动学建模研究 77
6.1引言 776.2基于最小势能原理的双机协同吊装正向运动学算法 77
6.2.1基于最小势能原理的双机起升系统正向运动学描述 79
6.2.2起升绳偏摆角计算 81
6.2.3被吊物位姿计算 82
6.2.4起升力计算 83
6.3双机协同吊装正向运动学求解算法验证 84
6.4基于正向运动学的双机协同吊装仿真流程 88
6.5广西北海炼油异地改造项目焦炭塔吊装案例 89
6.6 本章小结 94
7计算机辅助吊装方案设计系统开发 95
7.1引言 957.2系统功能划分及系统框架设计 96
7.2.1系统功能模块 96
7.2.2 系统框架 98
7.3起重机选型子系统设计 99
7.4吊装仿真子系统设计 100
7.5吊装动作规划子系统设计 106
7.6中石化南炼油品质量升级改造工程项目沉降器吊装 110
7.6.1吊装任务概述 110
7.6.2 应用CALPADS设计吊装方案 112
7.7 本章小结 122
8 结论与展望 123
8.1 研究工作总结 123
8.2 主要的创新点 124
8.3研究工作展望 124
参考文献 

1绪论
1.1问题的提出
　　众所周知,大型的吊装均需要制定详细的吊装方案用以指导现场施工。随着以计算机辅助设计(Computer Aided Design,简称CAD)为代表的设计自动化技术口益完善并被广泛应用,吊装方案设计的效率和水平都得到了极大提升。然而,近年来吊装发展异常迅速,被吊物的体积越来越大、重量越来越重,吊装环境也越来越复杂,加之两台起重机(简称双机)甚至多台起重机(简称多机)吊装日趋普遍,传统的吊装方案设计方法越来越难以适应起重机吊装的发展。因此,基于全新的现代吊装方案设计理论方法的CAD技术 计算机辅助吊装方案设计(Computer Aided Lift Plan Design,简称C ALP AD)技术应运而生。其中,起重机选型与吊装过程规划是CALP AD技术的核心内容,并逐渐成为计算机辅助设计技术领域的研究热点之一。
　　1.1.1吊装方案设计
　　吊装方案设计是吊装生命周期的核心环节。为了避免高空作业,提高施工的安全性和效率,整个被吊物包括其所有附件尽可能在地面上预制完成,这样被吊物通常体积大、质量重、形状复杂。比如,2006年6月中国神华集团煤直接液化项目的吊装中,其中一台反应器外径达5.5米、长达57.8米、重达2050吨,价值超亿元人民币。面对类似如此庞然大物,需要千吨级的起重机完成此吊装,对于这样的起重机,其价值也在亿元以上,作为一类稀缺资源,其租赁、运输等费用自然也不会便宜,因此,在吊装之前用实际起重机进行试吊是:4〈现实的。此外,在这种吊装重量大、环境复杂的情况下,吊装过程中极其容易出现超载或发生干涉现象,这样便有可能无法完成吊装,耽误工期而造成巨大的经济损失,甚至可能造成机毁人亡的惨重吊装事故。所以,不管是从安全性还是从经济性上考虑,都希望吊装能一次性顺利完成,这就要求在实际吊装之前设计详细的吊装方案,以确保吊装实施过程中万无一失。据统计,吊装方案设计所需工时占吊装总工时的60%~80%。因此,吊装方案设计是吊装生命周期中最重要、耗费大量精力和时间的环节之一,是吊装实施的前提,对整个吊装安全性起着决定性的作用。吊装方案设计就是编制指导现场吊装施工的说明书,处于整个吊装周期的早期阶段,其内涵十分广泛,如图1.1所示。从涵盖的内容来看,吊装方案设计包括吊索具选型、起重机选型、站位设计、起重机吊装过程规划、地基处理方案设计、施工计划制定、人力资源规划、应急预案等,另外还包括对吊装方案设计各个环节进行协调和管理的设计。以上每个环节均存在大量的计算工作。  
　　计算机辅助起重机选型及吊装过程规划研究 从设计内容的性质来看,吊装方案设计可分为以下两个范畴的设计内容:吊装工艺设计和吊装组织管理设计。吊装组织管理设计是指对整个吊装所涉及的人力、物力、时间及突发事件预案的规划,前面所阐述的施工计划制定、人力资源规划和应急预案均属于吊装组织管理设计范畴,该类设计在吊装工艺设计完成后通过与利益相关各方沟通可较容易完成。吊装工艺设计则是指根据被吊物、吊装环境等项目输入信息确定选择什么样的起重机、选择什么样的吊索具以及设计如何应用所选的设备一步一步完成整个吊装,前面所提到的起重机选型、吊索具选型、站位设计及起重机吊装过程规划、地基处理方案设计属于吊装工艺设计范畴。吊装工艺设计是吊装组织管理设计的基础和前提,是吊装方案设计的核心部分,贯穿于整个吊装方案设计。从吊装方案设计流程来看,一般先进行吊索具选型,最后进行应急预案设计,具体流程见图1.1。吊装方案设计中,各个环节相互依赖,互为驱动,尤其起:?机选型、索具选型、站位设计、起重机出装过程规划之问高度稱合,迭代频繁,W而丨装方案设计足一个极其复杂的过程。(mm ^((起 5i:机、^源规划厂图〗.]吊装方案设计内涵Fig. 1.1 Design connotation of lift plan
　　1.1.2计算机辅助吊装方案设计
　　计算机辅助丨B装方案设计指的足在计算机及Jlc相应的CALPAD系统的支持下,进行吊装方案设计的各类创造性活动。与传统的丨ifi装方架设计相比,CALPAD在准确性、全面性、效率及设计方式等各方面都质的提升,提高了吊装的安全性,缩短/1?装周期。 大连理工大学博士学位论文 CALPAD技术已成为计算机辅助设计技术领域的一个重要分支。为了更好地研究CALPAD技术,我们需要先了解和分析吊装方案设计的过程和方法。目前,在工程实践中仍然采用传统方法进行吊装方案设计,其设计一般流程如图1.1所示,始于吊索具选型止于应急预案设计。
　　具体过程如下:首先根据被吊物的重量和形状确定吊装形式(单机吊装、双机吊装或多机吊装),这主要依赖设计者的经验,进而根据吊装方式选择吊索具类型(是否需要平衡梁,使用管式吊耳还是板式吊耳等),然后据此确定吊索具的型号和尺寸(或长度),并釆用传统校核方法核算所选用平衡梁、索具、吊耳或吊盖是否满足吊装要求;其次,根据被吊物的重量、吊装形式以及所选用的吊索具信息,手工逐个机型查询其性能表,确定在性能上哪些起重机完成吊装任务,并结合起重机租用费用、时间、运输等因素,从中选择最经济的起重机;接着采用二维绘图软件(如AutoCAD等)根据吊装现场环境对被吊物、起重机的布局进行设计,并据此设计起重机的吊装过程(动作序列),通过对过程中的关键点进行碰撞检测及性能的校核,若无法找到一个合适的吊装过程,则需要重新选择起重机,甚至重新选择吊索具;然后根据起重机、被吊物的对地压力对起重机站位区和被吊物摆放区进行地基处理方案设计;最后进行施工计划、人力资源规划、应急预案及最终吊装方案文档的撰写。从上面不难发现,传统吊装方案设计方法很灵活,但同时也存在一些问题:1)出错率高。吊装方案设计各环节存在大量的计算,并且这些计算所涉及的因素多,计算强度大,设计人员极容易因疲惫、疏忽、情绪等原因而导致计算错误;2)设计效率低。各环节的设计通常需要考虑多方面的因素,且需要查阅、分析大量的数据,而由于缺乏有效的工具,工作效率较低;3)吊装安全性差。在吊装过程规划中,虽然可以采用二维绘图软件准确地表达某个静态的吊装状态,以校核该状态是否发生碰撞或超载,但由于整个吊装过程的状态很多,无法采用此方式校核所有状态,通常只能对一些关键的离散点进行详细的计算校核,这样不仅可能会遗漏一些优化的吊装过程,同时也可能无法排除某些危险点,因而所得吊装方案的安全性较低;4)数据一致性差。吊装方案设计各个环节高度稱合,需要反复迭代,任意一个环节做了更改,其它环节均需要做相应的调整,手工管理各环节非常困难而低效,因此,各环节数据的一致性难以保证;5)变化响应慢。一方面,在制定吊装方案之初所得的被吊物信息、吊装环境信息、可用起重机信息等通常并完整,这些信息只有随着工程不断推进才逐渐完整;另一方面,一项大型吊装顺利完成需要业主、起重机租赁商、被吊物制造商、运输公司、基础施工单位等多方相互协作,吊装方案设计的最终输入参数是多方协商的结果,其中包含 计算机辅助起重机选型及吊装过程规划研究 许多小.稳定的人为因素。因此,吊装方案设计是在一个信息动态变化过程中完成的,其中任意的信息发生改变,之前的吊装方案就需要进行必要的调整,这种情形下,传统吊装方案设计方法显然难以快速响应这样的变化。而CALPAD技术能有效解决以上传统吊装方案设计方法存在的问题。采用CALPAD技术,可以根据吊装要求快速选择合适的吊索具、起:?机,可以在计算机上创建近乎实际的吊装环境、被吊物及起重机三维模型,对起重机站位、吊装过程进行设计并进行模拟与分析,对方案进行快速评价,优化吊装过程,及早发现潜在的危险,最终自动输出完整的吊装方案。CALPAD技术又+会因设计人员的疲惫、疏忽、情绪、技术;成熟等因素的影响而造成吊装方案的不准确等问题,而且还可以通过快速设计多个吊装方案并进行对比而得到较优的方案,从而最终提高了 装的安全性和工作效率,适应了当前吊装快速发展的要求。
　　1.1.3起重机选型与吊装过程规划起:?机选型与吊装过程规划是CALPAD的核心内容,是学者们关注的焦点。其中,起觅机选型可以快速选出满足吊装要求的起?机作业工况,为/li装过程规划提供猫础条件。而吊装过程规划可以直观、便捷地设计起觅机吊装过程(即吊装状态序列和动作序列),包含吊装仿真、吊装动作规划两种手段:吊装仿其足一种直观的交瓦式丨1?装过程规划工具,在实际吊装之前人机交互地模拟起前机的各项活动,校核是存在碰撞或超载情况,迭代地设计安全可靠的吊装过程;出装动作规划是一种齊能的丨动丨li装过ft丨规划工具,根据给定的起吊状态、就位状态及有障丨砂物的丨维环境动Z1(成-个无超载、无碰撞的吊装动作序列。作为先进建筑建设与自动化技术领域的一项关键技术,CALPAD技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。M内外学者做了相关的研究,并取得丫一)ii的成来,但经过分析发现尚有一些问题而"待进一步研究:在起机选艰方而,现打选型方法起屯机选型的被吊物与臂架间距计算复染1:1大多未考虑接地比丨丨(对选型的影响,同时鲜打针对具有复杂臂架组合工况的析架轉照带起ffi机给出选型方法,并丨1.火都只针对架特走-炎型起重机给出选型方法或模型,而尚未发现面1?移动式起戒机的通用选胡算法桐架;而现有的吊装仿真研究成来大都足单机|||〗装仿J:仏X双机装仿典的研究较少,并丨丨.现钉的双机仿真方法还存在一A问题;在移动式起取机/li装动作规划方而,现打的研究成均假定起重机下车+动,而考虑行定的/li装动作规划尚未J卩展。 大连理工大学博士学位论文 因此,尚需对起重机选型、吊装仿真及吊装动作规划进行深入研究,本文将以计算机辅助吊装方案设计为背景,在多重约束下起重机智能选型、考虑行走的单机吊装动作规划、双机吊装仿真三方面开展深入系统的研究,目的在于:1)为吊装方案设计提供一套CALPAD的理论、方法,包括多重约束下的移动式起重机选型算法、考虑行走的单履带起重机吊装动作规划算法、典型协同吊装工况的双机系统模型及相应的仿真流程、双机吊装的正向运动学模型及双机吊装仿真流程;2)为吊装方案设计人员提供一套软件系统,辅助其制定吊装方案,以提高吊装的安全性和工作效率。
　　1.2国内外研究现状对计算机辅助吊装方案设计的研究最初起步于如何采用计算机辅助选择合适的起重机,然后延伸到单、双机的三维吊装仿真,紧接着发展到采用机器人领域理论进行吊装动作规划以完全自主设计起重机的吊装过程。起重机吊装动作规划的研究等目前还处在起步或发展阶段,尚未形成非常完善的理论体系。但就目前而言,对吊装方案辅助设计的研究主要包括起重机选型、吊装仿真、吊装动作规划三个方面的内容。
　　1.2.1起重机选型研究现状起重机选型分为两个阶段:第一阶段是起重机类型的确定,即根据吊装的性质和特点确定合适的起重机类型,如析架臂履带起重机、伸缩臂汽车起重机、塔机、门式起重机等。第二阶段是起重机作业工况选择,即确定起重机类型后,根据吊装任务要求选择起重机的作业工况,确定选择何种臂架组合形式、臂架长度、作业半径、配重等。若不做特别说明,下文提到的起重机选型是指起重机作业工况选择。(1)起重机类型选择起重机类型选择通常需根据吊装任务的性质和特点来确定起重机类型,主要依赖设计者的直觉与经验。一般来说,析架臂履带起重机主要用于石油化工、核电、风电、海洋工程等建设领域,小吨位伸缩臂汽车起重机常用于市政基础设施安装、维护;塔机主要用于高层楼宇的建设;门式起重机主要用于造船等场所。然而,在很多场合,选择什么类型的起重机来进行吊装并不那么明确,既可用固定式起重机,又可用移动式起重机,或者其它类型起重机。事实上,起重机类型的选择主要受如下几个因素影响:1)吊装任务的特点(被吊物数量、大小、重量分别如何?吊装是否具有循环特点?是否需要远距离搬运?); 2)起重机在场时间及使用频率;3)吊装场地拥挤情况;4)地面承受能力;5)吊装现场附近是否有可用起重机;6)租赁、运输费用;7)工程人员偏好。  从检索的文献看,起重机类型选择的研究较少,学者们主要提出了一些基于知识的起重机类型选择的算法或系统。这主要是因为起重机类型选择是一个相对主观的选择过程,其标准难以量化,其过程难以程序化。Sawhney和Mund于2001年介绍了一款起重机类型选择的原型系统IntelliCranesl4],该系统不仅可以进行类型选择还可以进行作业工况选择。2002年,他们采用概率神经网络方法对IntdliCranes进行改进15],利用启发函数、以往经验、历史数据对起重机类型选择进行优化。该方法体现了较强的人工智能,通过输入使用类别、在场时间、建筑高度等信息,系统能自动地选择出起重机类型。但该方法需要大量的历史样本数据对神经网络进行训练。而Hanna和Lotfallah则从M—个角度研究起重机类型的选择,他们提出了一种采用校糊理论的起重机类型的选择方法丨6’7]0(2)起重机作业工况选择起:?机作业工况的选择(下称起重机选型)是已知类型的情况下,选杼?种能够完成吊装任务的配置。与起艰机类型的选择扣比,起?机作业工况选样的标准>>1^1体、相关信息Ui易量化、选择过程史易程序化。因此,I?丨上1丨|:纪80年代以来,许多者便幵始进行起取机作业工况选择方面的研究,尝试采用计算机辅助选择合适的起:?机作业:_丨:况。利w]类别的起重机对应同的作业工况,因而每类起:?机的选型方法也☆较大的若别。为此,学者们通常针对某特定类型来研究其选型方法,丨因前起屯机选型的研究主要狼小在格机选型和移动式起机选型。在搭机选型方面,M外做了大跫的理论研究,而国内对这方而的研究扣对较少。Furusaka和Gray提出了?种起JK机选择和站位的方法采)丨]传统数学优化方法iii小化成本,为便于计算其假设建筑物是规则的儿何体。在此甚础上,Gray和Little将I'li装专家和工程师的经验和知识结构化存储起来并实现了 ?个名为COCO模型,)彳j以进行起赏机的选型I9】,该模型要求被吊物和起觅机的位置必须唯一,并丨L起:取机类型钉附。为r建立一个史为通用的系统,Gray于1987印开发了一个银于规则的搭机选,丨‘丨专家系统CRANES""!,该系统可根掘川户输入塔机的位H、述筑物的外形尺寸及被iT:物的分布等信息动选择出一台满足W装要求的起肃机。Al-Hussein也于1995年采用难十絮例推理(CBR)技术来辅助格机选型||1|,并幵发丫一款名为CRANE ADVISOR的决策支持系统。该系统将以前已完成的案例信总收集起来并以?定的形式存储到数据序小,在新项g需要进行起束机选型的吋候,推理槐序从数掘库中収出以前的絮例at]、进行推理,避免出现潜在的问题,最终选择出合适的起艰机。在国内,杨晓毅等人针对CCTV主楼结构施工研究了塔机的选型和站位许福新从:1:?的铕度总结/搭机选别和站位 大连理工大学博士学位论文 的原则,并给出了高层建筑施工中塔机选型的方法舒景龙介绍了沉箱吊装中行走塔机的选型过程而苏有文分析了建筑工程施工中起重机选择的几个关键因素及起重机的类型和各自的技术特点,主要分析了塔机的类型、特点,并最终给出塔机的选型思路从上可发现,国内学者虽然也做了一些工作,但通常是针对某具体的吊装工程给出选型方法或思路,而鲜有从理论角度研究塔机的选型。随着移动式起重机的普遍应用,移动式起重机的选型研究得到了广泛的关注。一些学者利用人工智能技术设计了许多起重机选型方法[16,17]。比如,Raynar和Smith开发了一个用以最小化移动式起重机动作次数的计算分析系统PRECISE[i6],用以选择一个优化的起重机路径并确定单层钢架结构吊装的序列。虽然采用人工智能的方法根据相应的输入能自动地选择起重机的作业工况,但是所得到的结果距工程实际应用尚有一定的距离。为了快速而准确选出满足工程要求的起重机作业工况,另一部分学者采用三维图形或仿真的方法辅助工程人员进行起重机的选型[18_22]。这种方法通过建立起重机、被吊物、障碍物的三维模型,用图形学或仿真的方法来进行校验吊装过程中是否有干涉。在实际吊装中,尤其是在分段吊装中,经常会遇到采用同一台起重机吊装多个被吊物,为此部分学者针对这种情况对多重吊装进行了深入研究,并开发了一些计算机辅助系统[I8,23,24],这些系统采用仿真的方法进行起重机的选择和站位,同时进行吊装次序进行规划。然而,建立三维模型是一项耗时的工作,极大影响了起重机选型的效率。为此,另外有一部分学者采用起重机、被吊物、障碍物的外形尺寸和坐标数据代替对应的三维模型,然后通过空间几何计算判别吊装过程中是否发生碰撞[25_31]。如采用外形尺寸和坐标数据代替三维模型来确定已知障碍物之间的起重机潜在站位区[26];通过二维障碍物平面图及高度,结合起重机位置确定臂架最小长度和最大长度[25】。
　　1.2.2吊装仿真研究现状吊装仿真是一种提高吊装安全性的有效手段。在实际吊装之前模拟起重机的各项活动,可以提前识别潜在的吊装隐患,并且通过迭代地进行吊装仿真可以直观地设计安全可靠的吊装过程。在过去的20年时间里,国内外学者在吊装仿真方面开展了大量的研究,主要包括单机、双机、多机的吊装仿真。(1)单机吊装仿真在单机吊装仿真方面,自上世纪90年代以来便开始采用图形学可视化工程起重机的操作。在国外,一部分学者对塔机吊装过程进行了研究【32.35】,并开发了一些仿真原型系统,通过这些系统可规划起重机的站位、优化物件的吊装顺序等。另一部分学者则研究移动式起重机的吊装过程模拟他们给出了各种实现方法或在各种CAD平 计算机辅助起重机选型及吊装过程规划研究 台上幵发了仿真系统。由于三维吊装仿真可以直观的观测吊装过程中是否发生干涉,因此出现了基于仿真的移动式起重机可行站位设计方法其基本思路是采用仿真手段自动生成作业空间然后通过判别作业空间与障碍物是否发生碰撞进行移动式起$:机潜在站位E的确定。此外还有人对同一台起重机吊装多个被吊物釆用仿真的方法优化吊装的顺序在国内,关于起重机吊装仿真的研究成果也+少。比如,林远山自主幵发了 -个通用的二维引擎来可视化移动式起重机吊装过程吴芝亮、章青进行了浮式起重机的吊装仿真研究丨5、李冗、刘胜基于OpenGL幵发了一款船载特种起重机仿真系统陈纯杰提出了基于VRML的起重机仿真系统尹铁红建立了起重机吊装过程的数学模型[53];施志强等人进行了履带起重机吊装过程避障及仿真的研究王波兴等人基于物理引擎实现了汽车起重机的实时仿真此外,还有一些学者采用幵源的图形泣染引擎进行吊装过程的仿真(2)双机吊装仿真在双机吊装仿其方面,Souissi等人首次构建了两台起道机协同吊装的雏形1611,其将两台回转起重机共同吊装同一个被W物的构型看作是一个六连杆机构,建立堪于闭合链路的双机吊装模型,并分析其运动学和动力学。Zhang等人于2007年提出丫一种基于智能体的两台汽车起重机协同吊装的仿真方法I62】,其姐想是将每台起重机和I'li装环境抽象为智能体,这些齊能体具有简单的信息获取及行动决策能力,智能体之间通过-定的规则进行协作究成双机吊装过程的仿JX。由千每个智能体均具有一定的u性和随机性,基于智能体方法所模拟的吊装过程并+总足满足户的期翅。;g要指出的足,Souissi和Chen所提出的模型均假定两起取机下车+行走。另外有一些学者提出一些雄于几何运动学的双机吊装仿奧方法163"65】。这巧方法将起重机各部分以及被吊物看作刚体,并假设起升绳始终竖直,据此述立双机装的儿何模型,通过该模型实现吊装过程仿其。这类方法所需参数少、揚于实现,能宜观地模拟双机吊装的大体运动过程,们因未考虑被吊物戒觉、虚心、起升绳的偏摆等因素,此类方法模拟的装过程会訂较大的失a、+1?然,与实际丨li装可能+符,即+能狂实地反映双机吊装的过祝。为丫把吊装过程中绳子偏摆、碰摘检测、力反馈等物理特性模拟出來,-些学者提出了祐于物观引擎的双机吊装仿奠方法jlc将起:?机各部件及被I'li物建校成刚体,并赋予通位、惯性矩、刚度等物理屈性,然采川相应的铰(如球校、沿移铰、旋转较等)将各部分连接起来,构建一个的双机吊装的动力学投型,以实现双机的吊 大连现工大学博士学位论文 装过程仿真。基于物理引擎的方法能较好地模拟起升绳偏摆等效果,但其也存在一些局限性:待设置的物理参数多,即需要为每个刚体、每个铰设置准确的物理属性,如重量、重心、惯性矩、刚度、误差消减系数、阻尼系数等,而这些的准确参数在实际吊装工程中通常难以确定;并且,若这些物理属性设置的不恰当,难以达到期望的仿真效果。从而可以看出,基于物理引擎的双机吊装仿真方法,其模型过于复杂,实用性较差。(3)多机吊装仿真随着多机吊装方式的广泛应用,还有另外一些研究小组开展了多机吊装运动特性及仿真的研究。比如,天津大学的章青课题组分析了多机载荷与运动特性[69],提出了处理多机协同作业问题的方案;为了提高现场操作的安全性,上海交通大学的吕恬生课题组釆用了三台ABB机器人模拟三架无人直升机运动的办法搭建多机协调吊装系统平台,研究在机械手预定轨迹运动情况下如何保持吊装系统平台的稳定性问题;大连理工大学吴迪课题组对海洋工程的吊装进行研究,总结了若干种常见的多机协同动作,并据此实现了一个多机吊装仿真系统[72];台湾国立大学的康仕仲课题组开展了高层建筑建设中多台塔机协同作业的仿真丨33]。值得一提的是,康仕仲所研究的内容与章青、吕活生等人的不同,前者主要研究如何让各塔机单独完成各自吊装任务时不发生碰撞,起重机之间稱合性较低,而后者研究的是多台起重机共同吊装同一个被吊物的运动与控制,起重机之间具有很强的锅合性。
　　1.2.3吊装动作规划研究现状动作规划(也叫路径规划,为行文流畅下面可能交换使用)问题最先在机器人领域中提出。美国麻省理工著名机器人科学家认为自主机器人导航应该回答三个问题[73]:“Where am I ?"、“Where I am going ?” 和 “How should I go there ?”,分别描述了机器人定位、规划和控制三个问题,动作规划是三个核心问题之一,由此可见其在自主机器人技术中的核心地位。随着吊装技术的不断发展,自主机器人技术在吊装领域的应用愈发广泛,针对起重机吊装的动作规划方法的研究也随之成为了新的热点。下面对目前主流的一些规划方法和其在计算机辅助吊装方案设计中的应用进行简要介绍。(1)路径规划算法综述作为机器人研究领域的一个基本问题,路径规划经历近二、三十年的发展,国内外学者针对+同的问题提出了许多路径规划算法,从搜索策略的角度将它们分为三大类,分别是基于图构造及搜索的规划方法、智能规划方法和近年来兴起的基于随机采样的规划方法。 计算机辅助起重机选型及吊装过程规划研究 基于图构造及搜索的规划方法的基本思想是首先构造某种图来描述环境的自由空间,然后采用图论的搜索算法从图上找到满足某种准则的最优路径。其中,图的构造是此类算法的关键,而搜索算法一般采用Dijkstral74]、等算法。丨彳前,基于图构造及搜索的规划方法主要有可视图法(visibility graphs) _、栅格分解法(cellulardecomposition) 181-83】、沃罗诺伊法(voronoi method)【84】及人工势场法(artificial potentialfields) I85】等。这些方法对于很多路径规划问题都具备了很强的适应性,但当而对高自由度机器人路径规划问题时,其计算复杂度将随自由度呈指数增长,而且对微分约束和复杂环境也缺乏较好的解决办法。智能规划方法的基本思想是首先将路径规划问题抽象为空问搜索问题,然后应用人:1:朽能中的优化、推理技术进行求解。此类方法主要包括遗传算法I86】、蚁群算法和人:丨:祌经M络方法_等。里然这些方法可以在一些路径规划问题上得到最优或者近似最优路社,但是与基于图构造及搜索的规划方法类似,对高自It]度和复杂环境的路径规划问题,其收敛速度和存效性难以保证,并Fi.需要设K的经验参数太多,+利」二「丨动处理。拖于随机采样的方法是近年来在随机采样理论的恶础上发展而来的?类路径规划新方法,其仅仅通过对位形空间或状态空间屮的采样点进行碰撞检测来获取障物信息,避免了对空间的建模,R.在高维空间中的搜索效率很高,因而这类方法史适介r求解高自由度机器人在环境屮的规划问题,而11对带有微分约束的规划问题也』I打较强的解决能力。此类方法生要也括随机路杜规划(RPP) _、Ariadne's clewl^】、概率路标法(PRM) |91|、快速扩展随机树(RRT) 1921等。其中,概率路标法(PRM,ProbabilisticRoadmaps Method)丨。"和快速扩展随机树方法(RRT,Rapidly-Exploring Random Trees)[92]是目前最成功的两种基于采样的路社规划方法。PRM方法是通过在整个交间内采样得到若干个采样点,并由这些釆样点构成一张概率地图,最后在地聞巾搜索得到合迪的路径,其在高维静态空间屮具有良好的表现。RRT算法遵循控制理论的系统状态方程X' = f(x,uh在控制S的作阳下增量式地产生新状态到达l j标,这使它很界切满足系统运动动力学约束方而的要求,且通用于动态环境。雄于随机采样的规划方法因其优的特性已被广泛应川于机器人学、计兑机动_、工业设计、生物计算等各领域的路找规划问题巾,并UJ及为” 1前路径规划研究的热点。(2)吊装动作规划研究现状世然设计者可以通过丨1?装仿高手段设计起瓜机…装过祝,似随装领域的快速发展和对装方案的要求丨1益严格,边切丨/,丨要?种能自主设计丨I〗装过程的:l:A,为此,M内外学者纷纷幵展了起通机|^装动作规划的研究,取得了_ ?记成果。 大连理工大学博士学位论文 最早开展移动式起重机动作规划研究的学者是吊装技术领域的著名专家KoshyVarghese, 1997年他的学生Raghunatha Reddy在硕士论文中提出一种基于图构造及搜索的单台移动式起重机动作规划方法随后,在2002年又提出了基于二阶段搜索的单台移动式起重机动作规划方法[94],第一阶段采用爬山策略生成一条无碰撞的吊装动作序列,然后在第二阶段中在约束搜索空间中对以获得的无碰撞动作序列进行更细致的优化。该方法因需构造无碰撞的搜索图,效率较低。随着双台起重机协同吊装日趋普遍,Sivakumar,P.L.应用A*算法、爬山算法进行双机协同吊装动作规划[95】。因A*算法、爬山算法这类基于几何构造规划方法均需要建立庞大的无碰撞搜索图,其计算复杂度随起重机自由度及空间离散分辨率的增长而呈指数增长,难以胜任高自由度类型的起重机吊装动作规划。为此,Sivakumar, P. L.等针对双台起重机协同吊装提出一种基于遗传算法(GA)的动作规划[65],从文献中的实验可以看到,在获得的动作序列长度相近的情况下,遗传算法比A*算法的计算效率提高了 10?20倍。该方法虽然因避免构造几何空间而提高了计算性能,但其也存在一些不足,例如动作序列必须由数量固定的位形构成(等长的个体)、收敛速度及动作序列的质量难以控制等。为了克服位形数量固定的不足,王欣和张玉院等人釆用蚁群算法进行单台起重机和双台起重机的动作规划I96'97],将位形间距离、碰撞、起重机动作优先级及切换等因素融入路径点选择策略和信息素更新中,最终寻找到近似最优的动作序列。但蚁群算法中信息素因子a、启发式因子p及信息残留系数P较难选择,且计算时间长。为了进一步提高吊装动作规划的计算效率,2012年Yu-Cheng Chang提出一种基于概率路标法(PRM,Probabilistic roadmaps Method)来规划单台起重机和双台起重机协同吊装的动作序列丨该方法先将起重机的回转、变幅自由度作为位形的变量(此时暂未考虑起升自由度),在此位形空间中采用PRM规划出一条无碰撞的吊装动作序列,然后在此动作序列的基础上进行起重机起升动作的规划,从而最终得到一条可行的无碰撞吊装动作序列。实验显示这种将自由度分解降维进行分步规划的方法可以提高规划的效率,相比遗传算法效率提高了数十倍,对于一些相对较为简单的吊装环境,该方法几乎达到实时性。针对动态的作业环境,Cheng Zhang提出一种实时的在线单台起重机吊装动作规划方法在执行离线规划出来的动作序列过程中,算法采用UWBRTLS系统(Ultra Wideband Real-Time Location Systems)收集当前作业环境数据、更新环境模型,然后若有必要则采用DRRT规划算法(RRT的变种)重新规划动作序列,若规划成功则沿着更新后的动作序列继续工作,直至吊装任务完成。该方法结合环境感知技术(传感器、定位系统等)实现吊装过程的监控和起重机吊装动作序列的实时规划,在 计算机辅助起重机选型及吊装过程规划研究 一定程度上提高了吊装的安全性。针对吊装动作序列的平滑性问题,文献丨““丨!采用四次样条光滑遗传算法得到的双台起重机协同吊装动作序列。
　　1.2.4小结
　　从研究现状中:^<难发现,起重机选型尤其是移动式起重机选型的研究随着计算机技术的发展而4<断深入。首先,在人工智能被提出+久后学者们纷纷尝试将人工智能技术应用到起重机选型中,幵发了许多专家系统。然后,随着计算机图形和仿真技术的+断成熟,因其直观、形象的特点受到了众人的青睐,学者们开始采用计算机图形学对起重机选型和站位进行研究,取得了丰硕的成果,在很多程度上解决了工程上的问题。最后,由于基于图形学和仿真的选型方法需要花大量的时间建立三维模型,影响选型的效率,后来学者们又提出采用外形尺寸和坐标数据代替:-:维模型的方法。然而,现有的研究臂架与被吊物的间距处理复杂,且为考虑接地比压约束因素,而这对选型有重要的影响。另一方面,检索到的文献鲜有专门针对衍架齊傾带起ffi机选型的研究。从吊装仿真研究现状中可以看出,ir前单机/1?装仿其研究已很成熟,帝幵发了一些实用的仿真系统,而双机甚至多机出装仿真还有待进一步研究。在国内外研究人W的努力下,双机甚至多机吊装仿真方面的研究也取得了一定成果,尽管如此,双机吊装仿真的研究尚存在以下+足:1)基于儿何运动学方法由于对双机品装过程建模过于简单,吊装仿真失真较严重;2)越于物理引擎的方法实用性较差,因为模型复杂「1^?要准确设置的大量物理属性参数对工程人员来说难以获得;3)现有的研究均未奠正考虑双机吊装过程中起重机之间的协同。吊装动作规划是吊装过程智能设计的一种手段,其研究还处在初级阶段。从研究方法看,吊装动作规划从基于儿何构造的图搜索方法,发展到遗传算法、蚁群兑法等朽能演化算法,再到近年来最流行的PRM、RRT等ffi于随机采样的动作规划方法。从研究内容上看,关于移动式起重机动作规划研究涉及了 I丫1机出装动作规划、双机动作规划。国内外学者对起艰机出装动作规划做了很多冇益的探索并取得了长足的进步。然而,现有的研究均假定起?机下车固定,主要研究起屯机上车动作(丨“丨转、变幅、起升)的动作规划,而未考虑起责机的行走。实上,在许多实际/1?装工丨中,尤其在起/li位究到就位位置距离比较远的情况下,起屯机必须行/12才能顺利完成丨|1裝任务。 大连理工大学博士学位论文 
　　1.3研究内容和研究意义
　　1.3.1研究内容计算机辅助吊装方案设计的研究已经有近三十年的历程了,国内外众多学者在起重机选型、吊装仿真和吊装动作规划方面取得了丰硕的成果。通过对比实际工程需求和现 .有研究成果,我们认为在计算机辅助吊装方案设计研究领域尚需在以下几个方面进一步研究:
　　复杂臂架组合条件下的多重约束快速起重机选型研究现有的起重机选型的研究成果无论是基于人工智能、三维仿真技术还是数值方法,臂架与被吊物的间距约束处理复杂,且大多未考虑接地比压因素,而事实上这些因素对起重机选型有着重要的影响。此外,现有的起重机选型所研究的对象多是塔机或伸缩臂起重机,而应用更广泛的移动式術架臂起重机选型的研究甚少,移动式析架臂起重机通常具有多种复杂的臂架组合形式,这给间距的计算带来极大的挑战。
    (2)基于RRT的优化动作规划新算法研究RRT算法不仅能有效解决高维空间动作规划问题,还善于解决带非完整约束的规划问题,因此RRT自提出以来便得到了广泛的关注,产生了许多变种,并已成功应用到许多的动作规划问题中。然而,现有的基于RRT的路径规划算法要么只关注快速生成初始路径,要么牺牲规划时间获取路径的高质量。在保持算法的高效性的前提下,如何获得较优的路径是一个有待深入研究的问题。
　　(3)非完整运动学约束下的单机吊装动作规划研究在许多实际吊装工程中,尤其在起吊位置到就位位置距离比较远的情况下,起重机必须行走才能顺利完成吊装任务。而目前吊装动作规划的研究均假定起重机下车固定,主要研究起重机上车动作(回转、变幅、起升)的动作规划,而未考虑起重机的行走,这与实际起重机吊装有较大的差别。然而考虑行走的吊装动作规划是一项具有挑战性工作:1)考虑行走后,规划问题的维度由3维增加到6维以上,规划更加困难;2)由于履带起重机的行走通过差分驱动实现,属于非完整运动学,若不考虑此运动学约束,规划得到的动作序列不自然甚至;^<可用,与实际吊装存在偏差。因此考虑非完整运动学约束的履带起重机吊装动作规划尚需幵展。
　　(4)典型协同吊装工况的双机系统建模及吊装仿真研究在现实的双机吊装中,为了降低吊装的风险,通常是按某种容易操作的协同模式进行动作,使被吊物沿期望的轨迹被安全搬运到安装的位置。在这种被吊物期望轨迹给定的吊装过程中,两台起重机分别需要做什么样的动作才能使得被吊物沿既定轨迹运动是 计算机辅助起重机选型及吊装过程规划研究 难以直观地确定的,因此现有的双机吊装仿真方法难以模拟此类双机吊装过程。所以,有必要幵展被吊物期望轨迹给定的双机协同吊装仿真的研究。
　　(5) 一般双机吊装工况下双机吊装的正向运动学建模及吊装仿真研究因被吊物通过柔性起升绳与两台起重机相连,其位姿由两台起重机确定,计算较为困难。因此,如何准确地确定被吊物位姿及起升力便成了双机吊装仿真的关键问题。基于物理引擎(动力学)的双机仿真方法能较好地模拟起升绳偏摆等效果,但其存在一些局限性:待设置的物理参数多,即需要为每个刚体、每个铰设置准确的物理属性,如重量、重心、惯性矩、刚度、误差消减系数、阻尼系数等,而这些的准确参数在实际吊装工程中通常难以确定;若这些物理属性设置的+恰当,难以达到期望的仿真效果;无法获取起升力大小。总的来说,基于物理引擎的双机吊装仿真方法,其模型过于复杂,实用性较差。因此,需要研究一种能实吋获取起升绳偏摆角及起升力的双机吊装仿典的新方法。
　　1.3.2研究意义
　　论文研究的理论意义主要体现在二个方面
　　:(1)丰富发展了复染臂架组合条件下多重约束的起:庶机选型算法:论文对起at机选型的相关因素进行了分析,针对移动式起重机建立了数学模型,提出一种多觅约束的通用选塑算法框架,算法框架将起?机性能要求、最小丨_距要求及接地比压迪求作为选型的i个约束,对该领域研究工作进行丫有益的补充和推进;
　　(2)将单机吊装动作规划的研究范畴1:1】+考虑行/11的I'ii装动作规划权I展到考虑IH完整运动学约束的吊装动作规划:论文研究;同于现打的吊装动作规划研究,将般带起重机的行走考虑到吊装动作规划中,构建履带起:t机的非完盤运动学模型,并通过状态转移方程将其嵌入改进的动作规划算法中,使所得/li装动作序列可直接应几!到实际中。此外,将两位形变迁引起被|||i物运动的轨迹长度定义为两位形问的{?卜:离,使位形中的长度镇纲和角度量纲得到巧妙地统-,避免了对每个分ill设赏权系数,较好地表达I'll装动作序列长度,同时赋予距离度y:直观的物理意义。建立了考虑行走的单机I'li装动作规划的理论、模型和算法;(3)丰富了双机协M吊装仿真-的研究:论文针对典型双机W装工况和?般双机I'li装工况,分别提出了基于空问几何约束和正卩I〗运动学的双机协装仿方法。间几何约束的方法则从系统、宏观的角度揭小?了双机协M的内在规彳;为双机多机协同吊装仿真的研究提供了一个全新的视丨 iH向运动学的方法从静力学的度 大连理工大学博士学位论文 考察双机吊装中起升系统部分的运动学规律,通过最小势能原理抽象为数学优化问题。因此,对双机协同吊装仿真的研究工作进行了有益扩展。论文研究的实践价值主要体现在三个方面:(1)论文提出的多重约束的移动式起重机选型算法、基于空间几何约束的双机协同吊装仿真方法、基于正向运动学的双机吊装仿真方法,均充分考虑实际工程约束和要求,为设计人员提供了快速有效的起重机选型、双机吊装过程规划手段,已经广泛应用于实际吊装工程中,有效地解决了起重机选型与吊装过程规划的难点问题;(2)论文提出的基于RRT-Cormect++的非完整运动学约束单机吊装动作规划算法,为设计人员提供了智能的单机吊装吊装过程规划手段,可以自动生成同时满足性能约束、碰撞约束、非完整运动学约束的可行起重机吊装过程,设计人员在此初始吊装过程基础上进行适当调整即可获得满足工程要求的吊装过程;(3)论文系统建立了起重机选型、单机吊装动作规划、双机吊装仿真的模型和求解策略,并在论文研究成果的基础上研制了面向吊装工程应用的计算机辅助吊装方案设计系统,以提高吊装的安全性和工作效率。1.4论文的研究思路和组织结构本论文本着从实际工程中提炼科学问题,开展理论及技术研究,再将形成的理论及技术成果应用到实际工程的原则,同时立足于目前吊装方案辅助设计相关已有的成果,引入数据库技术、计算机图形学技术及机器人动作规划技术,幵展起重机选型、单机吊装动作规划、双机吊装仿真的研究,以建立吊装方案辅助设计的理论、方法体系,并形成实用的软件工具。论文的组织结构如图1.2所示,全文共分八章,第一章为绪论,首先分析计算机辅助吊装方案设计产生的背景和国内外研究现状,针对现有方法存在的问题,给出了本文的研究内容及研究意义;第二章研究起重机选型的数学模型及算法框架,构建了多重约束起重机选型的数学模型,设计了选型算法框架,并以衍架臂起重机为例阐述选型算法框架的具体实现;第三章研究基于先验信息的RRT-Connect算法改进,分析原始RRT-Connect算法的特性,采用基于回归分析的可变多步扩展策略、基于采样池及未探索空间的随机点采样策略、KD-Tree数据结构改进原始算法,形成RRT-Connect++算法;第困章研究基于RRT-Connect++的单机吊装动作规划研究,对起重机吊装动作规划进行抽象,着重研究吊装系统位形空间的构造、距离度量、吊装系统非完整运动学约束等内容;第五章研究基于空间几何约束的双机吊装仿真方法,研究了双机协同策略和双机系统基本动作的表达,最后给出了基于空间几何约朿的双机仿真方法;第六章研究基于正 计算机辅助起重机选型及1?装过程规划研究 向运动学的双机吊装仿真方法,从静力学的角度考察双机吊装中起升系统部分的运动学规律,建立被吊物位姿和起升力求解数学模型,在此基础上给出双机w装仿真方法;第七章设计计算机辅助吊装仿真设计系统,对系统进行了功能模块划分,并给出了系统框架,最后着重介绍起重机选型、吊装仿真及吊装动作规划二个子系统的设计。论文第八章为结论与展望。从图1.2中可以看出,论文二、三、四、五、六章是本论文的核心部分。