一种受限空间内立式设备翻身就位的干涉判定与吊点优化方法及系统与流程

本发明涉及石油化工装置大型立式设备的吊装，具体涉及一种受限空间内立式设备翻身就位的干涉判定与吊点优化方法及系统。

背景技术：

1、在石油化工装置建设中，大型立式设备（如酯化反应器、预缩聚反应器、立式塔器等）需在聚酯楼、反应器楼等混凝土或钢结构框架内部完成由水平至竖直的翻身就位，是施工组织的核心环节之一。

2、就现有作业方式而言，一种常见做法是在建筑物外部完成设备的整体翻身，再由大型吊车吊入框架内部，该方案虽流程清晰，但过度依赖开阔场地和大型吊车站位，且受制于吊装口净空尺寸及吊车台班占用周期，在当下装置大型化、布局紧凑化的趋势下，实施难度与日俱增。另一种更为普遍的现场做法是将设备以水平姿态引入框架内，利用框架内部空间直接进行翻转，目前该类作业主要依赖起重班组的经验来确定吊点并规划路径，缺少定量化的干涉预判手段，安全裕度往往依赖人工反复核验。

3、为弥补经验法的不足，近年来出现了二维简化判定模型，将设备简化为单一圆柱与圆盘的组合，并将建筑构件抽象为单根水平横梁，以翻转角度为变量建立一维距离函数来求取极限位置。相较于纯经验操作，这一思路有所进步，但应用于实际受限空间时存在多处显著局限：

4、框架内部为典型三维环境，立柱、斜撑、楼板边缘及相邻工艺管道束均构成潜在干涉物，单根横梁模型无法反映多构件共同作用下的真实边界；设备本体并非光滑回转体，表面的接管、人孔、补强圈、吊耳及保温层等凸出结构往往是翻身过程中的最前端干涉点，单一筒体半径表达会直接遗漏这些高危部位；翻转运动并非绕固定底端的纯旋转，在主吊与溜尾滑轮组的共同约束下，设备的瞬时回转中心随翻转角度动态迁移，固定铰点假设会引入不可忽略的轨迹偏差；该二维判据最终给出的是接触与否的二值结果，既无法量化设备与周边构件的真实净距，也无法指示最危险翻转角度及具体碰撞部位，因而难以反向指导吊点布置与支撑梁选位。

5、由此可见，现有方法在空间维度、几何表征、运动学描述与判定形式四个层面均存在结构性不足，尚无法为受限空间内立式设备翻身提供完整且可靠的施工前验证手段。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种受限空间内立式设备翻身就位的干涉判定与吊点优化方法及系统，以解决现有技术在受限空间立式设备翻身就位中，因依赖二维简化模型和经验判断，无法对全过程进行三维连续、定量化的干涉判定并反向指导吊点优化的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种受限空间内立式设备翻身就位的干涉判定与吊点优化方法，包括以下步骤：

3、s1：建立基准空间坐标系，将立式设备构建为设备几何体集合，所述设备几何体集合由若干基本几何体组合而成，各基本几何体分别对应于立式设备的主体轮廓及其外凸特征；

4、s2：将受限空间内处于立式设备翻转路径上的固定构筑物构建为环境障碍物集合，所述环境障碍物集合包含若干障碍物，各障碍物分别对应于相应的固定构筑物；

5、s3：以翻转角度为运动变量，以主吊索和溜尾吊索分别连接立式设备上的吊点与外部系挂点的位置关系作为约束条件，求解立式设备在各翻转角度下的空间位姿；

6、s4：根据空间位姿对设备几何体集合进行空间变换，采用角度离散采样结合区间极值补算的方式，计算立式设备在翻转全过程中各离散翻转角度下的空间干涉量，所述空间干涉量为任一变换后的基本几何体与任一障碍物之间的最小有符号距离；

7、s5：以翻转全过程中空间干涉量的最小值判断当前吊点方案可行性：当最小值小于零时，判定立式设备与固定构筑物发生贯穿，当前吊点方案不可行；

8、当最小值大于等于零且小于预设安全阈值时，判定当前吊点方案存在碰撞风险，调整吊点或外部系挂点位置并返回步骤s3重新计算，直至满足收敛条件或达到最大迭代次数；

9、当最小值大于等于预设安全阈值时，判定当前吊点位置可行；

10、s6：输出判定为可行的吊点位置，标记空间干涉量取得最小值时所对应的翻转角度值和取得该最小值的几何体-障碍物组合，作为施工过程中避障监测的预警依据。

11、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

12、所述立式设备包括酯化反应器、预缩聚反应器、立式搅拌釜、立式换热器和立式塔器；所述受限空间为聚酯楼、反应器楼或催化裂化楼的框架内部。

13、进一步地，步骤s1中，所述基本几何体包括圆柱体、椭球体和长方体；其中，所述圆柱体用于表达立式设备的主筒体、裙座筒段或接管类部位，所述椭球体用于表达立式设备的上封头或下封头，所述长方体用于表达立式设备的吊耳本体、加强筋或方形接管法兰。

14、步骤s1中，立式设备的主体轮廓采用圆柱体或椭球体表达，外凸特征包括立式设备表面的接管、人孔、补强圈、保温层、平台支耳和吊耳本体。

15、进一步地，步骤s2中，所述障碍物包括线段类、矩形面类和凸多面体类；其中，所述线段类用于表达横梁、立柱或斜撑的中心线并以等效外半径形成圆柱包络，所述矩形面类用于表达楼板边缘、平台栏杆或吊装口边缘，所述凸多面体类用于表达楼梯、设备基础凸台或工艺管道束。

16、步骤s3中，所述求解立式设备在各翻转角度下的空间位姿，具体为：

17、将主吊索长度约束方程与溜尾吊索长度约束方程联立，附加立式设备在沿水平转轴方向上不摆动的工艺约束方程，以立式设备瞬时回转中心的空间坐标为未知量进行几何联立求解或牛顿迭代法数值求解。

18、进一步地，步骤s4中，所述空间干涉量采用解析几何公式、分离轴定理或gjk算法中的一种进行求解。

19、步骤s5中，所述调整吊点或外部系挂点位置，包括候选方案遍历方式和数值优化方式，具体为：

20、候选方案遍历方式：预先列出若干组吊点或外部系挂点的候选组合，分别代入步骤s3和步骤s4计算对应的空间干涉量的最小值，取使该值最大的候选组合作为最终方案；

21、数值优化方式：采用梯度下降、粒子群算法或遗传算法中的一种，以空间干涉量的最小值最大化为目标函数，在连续变量空间内求解最优的吊点或外部系挂点的位置。

22、进一步地，步骤s3中，立式设备的空间位姿在以下退化条件下简化为二维形式：

23、所述设备几何体集合仅包含表达主筒体的圆柱体和表达裙座底盘的圆盘两个基本几何体，所述环境障碍物集合仅包含一个线段类障碍物，且所述立式设备的瞬时回转中心坐标取为常量；

24、在退化条件下，空间干涉量简化为主筒体与障碍物线段之间，以及裙座底盘与障碍物线段之间距离的最小值。

25、进一步地，步骤s3中，所述以主吊索和溜尾吊索分别连接立式设备上的吊点与外部系挂点的位置关系作为约束条件，具体为：

26、在任意翻转角度下，主起吊滑轮组系挂点与顶部吊点之间的距离等于主吊索当前长度，溜尾滑轮组系挂点与溜尾吊点之间的距离等于溜尾吊索当前长度；主吊索当前长度和溜尾吊索当前长度根据施工动作策略预先确定。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

28、本发明通过建立基准空间坐标系，将立式设备构建为由若干基本几何体组合而成的设备几何体集合，将受限空间内处于翻转路径上的固定构筑物构建为环境障碍物集合，相较于现有技术中将设备简化为单一圆柱与圆盘、将建筑构件抽象为单根水平横梁的二维简化模型，本发明实现了从二维平面到三维空间的根本性跨越，能够真实反映框架内部立柱、斜撑、楼板边缘及相邻工艺管道束等多构件共同作用下的实际边界条件，显著提高了干涉判定的准确性和可靠性。

29、本发明将立式设备表面的接管、人孔、补强圈、保温层、平台支耳和吊耳本体等外凸特征均作为独立的基本几何体纳入设备几何体集合，本发明通过对外凸特征的独立建模和全过程干涉判定，有效避免了因几何表征粗糙而导致的安全隐患。

30、本发明以主吊索和溜尾吊索分别连接吊点与外部系挂点的位置关系作为约束条件，通过联立主吊索长度约束方程与溜尾吊索长度约束方程，求解立式设备在各翻转角度下的空间位姿，准确反映了设备在主吊与溜尾滑轮组共同约束下瞬时回转中心随翻转角度动态迁移的物理本质，相较于现有技术中固定铰点假设，消除了不可忽略的轨迹偏差，为后续干涉判定提供了精确的运动学基础。

31、本发明采用角度离散采样结合区间极值补算的方式，计算立式设备在翻转全过程中各离散翻转角度下的空间干涉量，并以全过程空间干涉量的最小值作为判断当前吊点方案可行性的依据，不仅给出了接触与否的二值结果，还能量化设备与周边构件的真实净距，指示最危险翻转角度及具体碰撞部位，为施工安全提供了明确的量化依据。

32、本发明可应用于酯化反应器、预缩聚反应器、立式搅拌釜、立式换热器和立式塔器等多种立式设备，以及聚酯楼、反应器楼或催化裂化楼的框架内部等多种受限空间。