工业模块化项目中移动起重机的两阶段三维升降路径规划方法

《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》：Two-stage 3D lift path planning method for mobile cranes in industrial modular projects

　　

Reza Zarrin|Hosein Taghaddos|Ali Mousaei|Navid Kayhani|Kamyab Aghajamali|Saeed Behzadipour|Ulrich Hermann

南加州大学Viterbi工程学院土木与环境工程系，Sonny Astani

摘要

在大型建设项目中，移动起重机的作业效果良好的提升路径规划至关重要，因为连续的重物吊装会显著影响安全和成本（例如，直接吊装成本以及地面准备和垫材铺设等物流成本）。尽管传统的吊装规划方法仍被广泛使用，但在需要规划数百次吊装时，这种方法可能既繁琐又容易出错。本研究提出了一种两阶段的自动化3D提升路径规划框架：（i）通过将可行配置映射到加权图中并应用Dijkstra算法，在圆柱坐标系中计算出无碰撞的最小成本路径；（ii）在规划工作流程中执行预执行优化，使后续搜索倾向于之前可行的通道段，从而减少整个吊装序列中的地面支撑需求。包括阿尔伯塔省埃德蒙顿的一个工业模块化项目在内的案例研究表明，这种两阶段优化方法可以减少多个吊装场景下的垫材使用面积。

引言

在重型移动履带起重机的作业中，路径规划至关重要，尤其是在大型模块化工业项目中[1] [2]。这些项目依赖于配置良好的重型移动起重机（通常是履带起重机）来在施工现场吊装和定位模块[3]。现场活动，如焊接和电缆铺设，需要及时吊装和安装模块[4]。鉴于工业现场的拥挤情况，这些吊装操作的安全性和效率至关重要[5]。此外，这些关键资源的有效管理对现场和场外的操作都有深远影响，包括生产力、成本控制和安全[6]。重型吊装管理包括三个相互关联的组成部分：（1）起重机规划和优化，确定合适的起重机类型、配置和位置[7] [8] [9]；（2）吊装调度和排序，以建立高效的吊装序列和计划[10]；（3）提升路径规划，它在现场约束条件下检查吊装可行性，并提供无碰撞的最佳提升路径解决方案，包括最佳取点和取点之间的详细路径，特别是在高级分析中[3] [5] [11] [12] [13] [14] [15]。路径规划对于确保这些复杂操作的成功至关重要。

尽管路径规划非常重要，但它通常被视为一种试错过程，高度依赖于吊装工程师的专业知识，导致吊装计划繁琐、成本高昂且容易出错[9]。这种手动过程在多个连续吊装的拥挤模块化环境中效率低下。以往的研究主要集中在二进制（是或否）路径检查[3]和笛卡尔空间中的提升路径规划[5] [16]上。然而，这些方法未能解决具有多个连续吊装操作的大规模项目的复杂性。虽然早期研究已经探讨了移动起重机的路径规划，但很少关注通过最小化不必要的起重机动作或减少所需的地面准备面积来优化连续吊装路径，同时确保在严格的空间约束下的安全性[16]。

本研究通过提出、实现和验证一种用于重型履带起重机吊装模块的两阶段自动化路径规划和重新规划方法，填补了文献中的空白。该方法基于施工现场的信息，识别出在定义的成本模型下构建的离散图上的图最优提升路径（即最小成本路径），不允许物体移动。它将包含所有障碍物的工作空间转换为吊装物体的3D配置空间（C空间），考虑平移、旋转和升降运动。为了确保满足吊装要求，将起重机约束（例如起重机容量、尾摆和臂架间隙）纳入C空间。接下来，将构建的C空间映射到加权图中。其思想是将提升路径规划问题简化为图搜索问题，而无需在C空间上低效地覆盖网格。然后，使用Dijkstra算法找到从初始节点（设定点）到目标节点（取点区域内的任何点）的最小成本路径。这得出了在构建的加权图下，从首选可用取点到设定位置的吊装物体的最小成本无碰撞路径。最后，在确定各个吊装路径后，重新规划系统通过迭代算法对其进行优化，减少之前访问过的节点的连接权重。这消除了不必要的旋转动作，减少了所需的地面准备面积，特别是在使用超级吊装时，从而提高了项目成本效率并增加了安全性，减少了起重机在施工现场的臂架运动。重新规划过程确保提升路径逐步优化，最小化了不必要的起重机动作。通过解决可扩展性和适应性问题，该系统为管理复杂建筑环境中的起重机作业提供了可靠的解决方案，成为推进项目管理实践的重要工具。所提出的框架旨在用于生成几何可行性及 clearance 确保的规划级提升路径，产生一系列无碰撞的设定点（安全通道），以便于吊装计划的沟通。因此，本研究并不声称比其他规划方法具有绝对优势；相反，它展示了所提出方法在规划级 clearance 可行路径生成和项目级成本优化方面的适用性。

本研究的主要贡献如下：（1）提出了一个具有4D配置空间的自动化3D框架，其中不仅包含障碍物，还包括履带起重机的约束条件。（2）与现有文献相比，更保守且更精确地计算了3D可行和修改后的起重机操作空间，考虑了吊装物体的旋转运动。（3）通过重新规划系统减少了不必要的起重机动作，提高了吊装效率和操作实用性，同时保持了模块化施工现场的安全性。（4）引入了一个经济实惠的平台，仅使用施工现场信息即可生成操作友好、安全且低成本的提升路径，无需培训或安装传感器。

部分摘录

背景

近几十年来，提出了许多决策支持系统来自动化移动起重机项目的吊装操作。一些研究人员提出了有效优化起重机类型和位置的方法[[4] [6] [17] [18] [19] [20] [21] [22]]。例如，一种显著的优化方法将起重机选择视为一个四维集合覆盖问题，有助于在大型建设项目中高效放置起重机[20]。另一种方法是自动起重机规划

3D空间中的两阶段路径规划和重新规划

本文介绍了一种创新的自动化两阶段提升路径规划和重新规划系统，适用于3D空间中的重型移动起重机。该系统通过利用最先进的机器人技术算法来提高安全性、操作效率和成本效益。所提出的系统使用圆柱坐标系，通过添加z坐标将极坐标系扩展到3D空间。这种方法通过表示起重机和吊装物体的

案例研究

研究了之前完成的项目中的一组吊装场景，以验证和确认所提出的两阶段提升路径规划和重新规划方法在提供安全、成本效益高且易于操作的路径方面的性能。如前所述，这些目标最初被映射到一组用户定义的参数中，包括几个权重和常数，在初步路径规划方法中。此外，重新规划模块最小化了不必要的动作（如果

讨论

所提出的框架通过解决早期研究中的几个局限性，特别是在规划阶段可行性评估、路径实用性和项目级成本优化方面，扩展了移动起重机路径规划的研究。因此，本节从三个角度讨论了结果。首先，使用两种操作实用性指标评估了获得的提升路径。其次，提出了一个相同的图基准，以比较Dijkstra + FiboHeap和A*算法

结论

系统的初始阶段是通过从项目输入数据生成工作空间开始的。然后使用Delta算法将此工作空间离散化为高度层。随后，实施了两步过程ICFOS和MCFOS，以确保起重机操作的安全。生成吊装物体的四维C空间，然后将其转换为用于标准路径查找的无向加权图。在这个图中，单位动作表示为节点，

CRediT作者贡献声明

Reza Zarrin：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，概念化。Hosein Taghaddos：撰写 – 审稿与编辑，验证，软件，方法论，概念化。Ali Mousaei：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件，方法论，概念化。Navid Kayhani：撰写 – 原稿，软件，概念化。Kamyab Aghajamali：撰写 – 原稿，可视化，方法论，概念化。Saeed

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

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