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。
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。
2多重约束的移动式起重机选型算法研究
起重机选型是吊装方案设计的核心内容，也是吊装动作规划、吊装仿真的基础和前提。本章给出一种多重约束的移动式起重机选型算法，用以快速选出满足吊装要求的伸缩臂起重机或衍架臂起重机的作业工况。
2.1引言
起重机选型是吊装工程生命周期中的核心环节。针对某一吊装工程，需要选择合适且满足特定工况要求的起重机来完成既定的吊装任务。合理、快捷而准确地选择起重机无疑可以大大提高作业效率、缩短工期，从而创造更多的效益。相反，如果选择的起重机不合适，则不仅会增加成本，更严重的可能会埋下安全隐患。在实际工程上，设计者通过手工查阅起重性能表，计算起升高度、作业半径，计算被吊物与臂架的间距等，确定可行的起重机，最后对可行的起重机作业工况进行反复的对比验证进行择优选取，此方法繁琐、费时、费力。为了辅助设计者快速选择合适的起重机，学者们对起重机选型做了大量研究。其中部分学者采用了基于统计或是机器学习的方法对起重机选型进行了研究，同时其他的学者应用三维图形学和仿真技术对起重机选型进行了研究。还有一些学者对起重机选型和站位进行了研究。以上关于起重机选型方法的研究均基于起重性能表计算，考虑了诸如起重机性能、最大起升高度、起重机和环境的间距约束条件。采用现有的方法进行起重机选型在一定程度上减轻了设计者的工作负担。然而，现有方法中被吊物与臂架间距计算复杂，且大多未考虑对起重机选型也有着极其重要影响的接地比压因素，这与实际选型有较大的差别，会带来较大的偏差。此外，现有研究更多是针对臂架形式单一的伸缩臂起重机和建筑塔机，而对应用广泛的析架臂起重机选型研究甚少，使得现有的方法及相应的系统在工程应用中存在局限性。因此，本章针对以上问题，给出一种多重约束的移动式起重机选型算法，可对伸缩臂起重机和析架臂起重机进行选型。首先建立多重约束的移动式起重机选型数学模型，设计一种综合考虑起重性能、被吊物与臂架间距、接地比压约束的起重机选型算法框架，并以具有多种复杂臂架组合形式的析架臂起重机为例详细阐述算法框架中各约束的处理过程。
3基于先验信息的RRT-Connect算法..........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
3.4随机采样策略改进.........37
3.5 本莩小结......... 46
4 中-机吊装动作规划算法......... 47
4.1引言......... 47
4.2中-机吊装动作规划的数学模.........48
4.3中-机吊装动作规划算法设计......... 48
4.4仿真实验......... 55
4.5 结果讨论......... 58
4.6 本卷小结......... 60
5基于空间几何约束的双机系统......... 61
5.1引言......... 61
5.2双机系统模型及其吊装状态表示......... 62
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......... 65
5.5双机系统基本动作集构建......... 67
5.6广西北海炼油异地改造项目丙烯塔......... 73
5.7 本章小结......... 76
结论
起重机选型、吊装动作规划及吊装仿真是计算机辅助吊装方案设计的关键技术。论文以解决工程实际中的关键问题为目的，系统地研究了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，并在此基础上开发了计算机辅助吊装方案设计系统。全文主要研究成果汇总如下：在起重机智能选型方面，分析了移动式起重机选型的相关因素，构建了多重约束的选型数学模型，据此给出起重机选型算法的总体框架，并以具有多种复杂臂架组合形式的衍架臂履带起重机为例阐述了算法框架中起重性能、被吊物与臂架间距、接地比压约束的计算方法。此选型算法能快速选择满足吊装要求的起重机作业工况并通过人机交互方式选得较优作业工况。在单机吊装动作规划方面，首先，在RRT-Connect算法的基础上设计了基于回归分析的可变多步扩展策略、基于采样池和未探索区的随机点选择策略，提出了能高效生成较优路径的规划新算法RRT-Connect++。然后，对起吊位形和就位位形已知的履带起重机吊装动作规划问题进行了建模，给出了吊装系统位形空间的定义、两位形间的距离度量、履带起重机非完整运动学约束的表达，并提出基于RRT-Comiect++的考虑行走的单机吊装动作规划方法。最后，通过三个仿真实验验证该方法的有效性和性能，结果表明该方法能在各种复杂吊装环境中高效地找到一条满足履带起重机行走的非完整运动学约束的无超载、无碰撞可行动作序列。在双机吊装仿真方面，首先针对典型吊装工况的双机吊装仿真问题，从双机系统、宏观的角度揭示了双机协同的内在规律，并给出了基于空间几何约束的双机协同吊装仿真方法，通过实例验证了该仿真方法可容易地模拟典型工况的双机吊装过程。然后针对基于空间几何约束方法无法仿真某些特殊双机吊装过程的问题，从静力学的角度进行考察了双机吊装中起升系统部分的运动学规律，利用最小势能原理将起升系统部分的运动学抽象为带约束的数学优化问题，提出了一种基于正向运动学的双机吊装仿真方法，并通过实际案例验证方法的可用性和有效性。
参考文献
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