集裝箱正面起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)*

張彥慶 張向東

中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司貨運(yùn)部 北京 100045

0 引言

集裝箱正面起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱集裝箱正面吊）是裝卸搬運(yùn)集裝箱機(jī)電液一體化的專用機(jī)械，隨著鐵路集裝箱作業(yè)的快速增長(zhǎng), 由于其作業(yè)靈活性和較高的生產(chǎn)效率，集裝箱正面吊已經(jīng)成為鐵路集裝箱作業(yè)場(chǎng)站的主型裝卸機(jī)械[1]。集裝箱正面吊在露天場(chǎng)內(nèi)作業(yè)，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，且在鐵路貨場(chǎng)分布分散，傳統(tǒng)管理方式管理難度大，管理手段落后，對(duì)集裝箱正面吊的作業(yè)運(yùn)行情況監(jiān)控不到位，缺少養(yǎng)護(hù)維修檢修數(shù)據(jù)的采集統(tǒng)計(jì)，機(jī)械故障發(fā)生率較高，時(shí)常發(fā)生撞軋人員，造成嚴(yán)重人身傷害或死亡事故。因此，利用互聯(lián)網(wǎng)+設(shè)備的理念，借助傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星定位、統(tǒng)計(jì)分析、圖像檢測(cè)、人體識(shí)別等技術(shù)，本文研究設(shè)計(jì)了集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)，為集裝箱正面吊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理及安全管理提供技術(shù)手段。

1 集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示，集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)由運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊和人體識(shí)別模塊組成。

圖1 集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊

運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、車載終端、車載監(jiān)控、遠(yuǎn)程中心和系統(tǒng)軟件等組成，系統(tǒng)采集運(yùn)行參數(shù)、燃油損耗、胎壓胎溫、定位數(shù)據(jù)、作業(yè)箱數(shù)等數(shù)據(jù)，通過有線或無(wú)線方式傳輸至車載終端，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳至遠(yuǎn)程中心服務(wù)器，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行管理調(diào)用，集裝箱正面吊司機(jī)可通過車載監(jiān)控顯示器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題立即處理。

1）數(shù)據(jù)采集 通過輪胎胎壓胎溫傳感器、GPS模塊和集裝箱正面吊CAN總線上分布的傳感器等，以串行的方式實(shí)時(shí)采集集裝箱正面吊的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2）車載終端 車載數(shù)據(jù)采集終端是數(shù)據(jù)采集單元的核心，由32位精簡(jiǎn)指令A(yù)RM處理器設(shè)計(jì)，通訊端口均采用全光電隔離設(shè)計(jì)，具備雷擊和浪涌防護(hù)。車載數(shù)據(jù)采集終端有網(wǎng)口、3G/4G接口、獨(dú)立的CAN接口、無(wú)線胎壓傳感器接口、RS232/RS485接口和GPS數(shù)據(jù)接口，便于數(shù)據(jù)采集[2]。

3）數(shù)據(jù)傳輸 采集的集裝箱正面吊運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過車載數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)置的3G/4G無(wú)線通信模塊，借助TCP/IP通訊協(xié)議，以HTTP數(shù)據(jù)方式傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器上。

4）車載監(jiān)控 采用高分辨率顯示器，將采集的集裝箱正面吊運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示于屏幕，司機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息時(shí)，及時(shí)處理。

5）遠(yuǎn)程中心 遠(yuǎn)程中心是數(shù)據(jù)匯集和處理場(chǎng)所，匯集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過核驗(yàn)、分析等處理，存儲(chǔ)于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，為管理人員提供數(shù)據(jù)查詢、調(diào)用等服務(wù)。

6）系統(tǒng)軟件 設(shè)備管理人員使用系統(tǒng)軟件登錄PC機(jī)或移動(dòng)終端設(shè)備，通過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱正面吊的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理和維護(hù)。

1.2 人體識(shí)別模塊

人體識(shí)別模塊由攝像裝置、圖像處理、圖像顯示、報(bào)警控制等組成。安裝于集裝箱正面吊后部及兩側(cè)的攝像裝置采集圖像并傳輸至圖像處理系統(tǒng)，以分析判斷是否被檢測(cè)目標(biāo)為人體。當(dāng)人體進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全警戒區(qū)域時(shí)觸發(fā)報(bào)警，視頻流疊加報(bào)警信號(hào)輸出到顯示屏上，同時(shí)向司機(jī)及目標(biāo)人體發(fā)出報(bào)警音響，并在出現(xiàn)危急情況時(shí)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車及自動(dòng)脫擋。

1）攝像裝置 采用高性能CMOS感光處理芯片，具有大分辨率、鏡頭大廣角、3D數(shù)字降噪、寬動(dòng)態(tài)、強(qiáng)光抑制等優(yōu)點(diǎn)，IP65的防護(hù)等級(jí)，工作溫度為-20℃～70℃，能在雨天等惡劣天氣條件下正常工作。

2）圖像處理 通過具有高性能GPU圖像處理單元的圖像處理器，同時(shí)處理2路30幀圖像，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像的快速檢測(cè)；利用計(jì)算機(jī)處理器分析每一幀圖像，對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行定位。配有HDMI視頻輸出接口、2路攝像頭通訊接口、DC電源接口、USB接口、IO報(bào)警輸出接口。

3）圖像顯示 采用7寸LED顯示屏作為顯示器，帶有HDMI輸入口，物理分辨率大、亮度高，并支持聲音和亮度的調(diào)節(jié)，可屏蔽電源按鈕實(shí)現(xiàn)屏幕不可關(guān)閉，設(shè)定顯示屏最小聲音等級(jí)。

4）報(bào)警控制 人體目標(biāo)進(jìn)入警戒區(qū)域即觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警，顯示器、機(jī)外揚(yáng)聲器同時(shí)報(bào)警，提示司機(jī)及行人有危險(xiǎn)[3]。

5）強(qiáng)制停車 當(dāng)人進(jìn)入設(shè)定危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí)，輸出IO報(bào)警信號(hào)控制自動(dòng)脫擋和自動(dòng)剎車。

2 集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案

集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案由運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和人體識(shí)別2部分組成，為集裝箱正面吊的正常運(yùn)行和作業(yè)安全提供技術(shù)保障。

2.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)方案

運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊采用傳感技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)采集數(shù)據(jù)至車載終端，司機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并傳輸至遠(yuǎn)程中心服務(wù)器，通過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備管理。其中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集是運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊的基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵。

1）運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)采集 發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器是集裝箱正面吊的重要部件，須保障發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器主要運(yùn)行參數(shù)和液壓系統(tǒng)參數(shù)正常。利用CAN數(shù)據(jù)總線采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、機(jī)油油壓、變速器溫度、車速等關(guān)鍵參數(shù)，車載數(shù)據(jù)采集終端通過解析CAN總線數(shù)據(jù)獲取運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。通過監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化，判斷設(shè)備運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，減少故障的發(fā)生。

2）油耗采集 集裝箱正面吊發(fā)動(dòng)機(jī)采用電控電噴技術(shù)，根據(jù)設(shè)備工況和進(jìn)氣量精確控制噴油量，讀取發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的噴油量；依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、車速等采用電噴數(shù)據(jù)計(jì)算法，推算出瞬時(shí)油耗和累加油耗，再將油耗數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)杰囕d數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)時(shí)監(jiān)控集裝箱正面吊的油耗變化，避免發(fā)動(dòng)機(jī)故障及油耗虛報(bào)等情況發(fā)生。

3）輪胎胎壓胎溫?cái)?shù)據(jù)采集 集裝箱正面吊輪胎胎壓胎溫超出正常范圍會(huì)降低使用壽命、增加油耗、爆胎等。對(duì)集裝箱正面吊胎壓胎溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，超出胎壓胎溫正常范圍時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警信息，提示采取相應(yīng)措施，使輪胎處于安全運(yùn)行狀態(tài)。胎壓胎溫監(jiān)測(cè)通過安裝在輪胎的傳感器模塊采集胎壓胎溫?cái)?shù)據(jù)，無(wú)線發(fā)射至接收模塊，以串口方式將數(shù)據(jù)傳輸給車載數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)信息顯示于車載監(jiān)控，通過3G/4G無(wú)線通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，如圖2所示。

圖2 輪胎胎壓胎溫?cái)?shù)據(jù)采集示意圖

4）定位數(shù)據(jù)采集 車載數(shù)據(jù)采集終端的GPS接收機(jī)接收定位衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)，由車載數(shù)據(jù)終端的3G/4G無(wú)線通信模塊將集裝箱正面吊定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過與GIS電子地圖匹配，實(shí)現(xiàn)集裝箱正面吊的定位[4]。

5）作業(yè)箱數(shù)采集 車載數(shù)據(jù)終端根據(jù)吊具操作指令，按照集裝箱正面吊的吊箱計(jì)數(shù)通訊協(xié)議，對(duì)集裝箱吊裝進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過集裝箱正面吊吊具的伸縮位置和吊具操作指令判定集裝箱箱型，分別統(tǒng)計(jì)20 ft集裝箱和40 ft集裝箱的吊箱次數(shù)。

2.2 人體識(shí)別技術(shù)方案

人體識(shí)別模塊的主要目標(biāo)是保證作業(yè)區(qū)人員的安全，技術(shù)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)只對(duì)人體目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別、精確人機(jī)距離定位、對(duì)司機(jī)和行人報(bào)警提示、遇危險(xiǎn)情況能自動(dòng)強(qiáng)制停車、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析等工作。

1）人體檢測(cè)識(shí)別 采用高速攝像機(jī)采集設(shè)備周圍圖像，將圖像視頻流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)控制處理器，計(jì)算機(jī)處理器分析每一幀圖像，根據(jù)深度學(xué)習(xí)模型的行人檢測(cè)算法判斷是否存在行人特征，判定被檢測(cè)目標(biāo)是否行人，當(dāng)判定檢測(cè)目標(biāo)為人時(shí)，則把目標(biāo)框住并跟蹤目標(biāo)移動(dòng)。

2）人機(jī)距離定位 高速攝像機(jī)將圖像視頻流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)控制處理器，經(jīng)檢測(cè)確定為人體時(shí)，計(jì)算出人體與設(shè)備之間的距離，并跟蹤目標(biāo)移動(dòng)，識(shí)別是否進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域。

3）報(bào)警提示 控制處理器通過計(jì)算行人與設(shè)備之間的距離來識(shí)別危險(xiǎn)程度。當(dāng)被鎖定的行人進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全警戒區(qū)域時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，處理器將視頻流疊加報(bào)警信號(hào)輸出到顯示屏上，提示司機(jī)注意，主控制器輸出電信號(hào)控制揚(yáng)聲器，對(duì)行人發(fā)出警報(bào)。

4）強(qiáng)制停止運(yùn)行 控制處理器通過計(jì)算行人與設(shè)備之間的距離，同時(shí)識(shí)別行人及設(shè)備的行進(jìn)方向以及行進(jìn)速度，分析碰撞機(jī)率。當(dāng)識(shí)別出有人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域有可能碰撞時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)給自動(dòng)脫擋及自動(dòng)剎車功能區(qū)，使設(shè)備及時(shí)停止運(yùn)行，防止碰撞。

5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析 系統(tǒng)將識(shí)別出來的人員位置、環(huán)境、時(shí)間以及設(shè)備信息等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為人機(jī)安全管理提供技術(shù)數(shù)據(jù)，便于加強(qiáng)人機(jī)安全管理。

3 集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)功能

集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控、設(shè)備管理維護(hù)、設(shè)備定位及軌跡回放、統(tǒng)計(jì)分析、人身安全保障等，如圖3所示。司機(jī)通過本系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)作業(yè)區(qū)的人進(jìn)行安全監(jiān)控，管理人員可利用移動(dòng)終端隨時(shí)隨地訪問和辦公，對(duì)集裝箱正面吊進(jìn)行管理。

圖3 集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)功能

3.1 實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控功能

實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控包括運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、報(bào)警提示和輪胎胎壓胎溫監(jiān)測(cè)。運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均被存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便調(diào)閱查詢，歷史追溯[5]。

1）運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控 運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開機(jī)狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、機(jī)油油壓、變速器溫度、車速、瞬時(shí)油耗、吊箱次數(shù)、工作小時(shí)、燃油油耗、行駛里程等，如圖4所示。

圖4 集裝箱正面吊實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

2）報(bào)警提示 實(shí)時(shí)監(jiān)控正面吊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常信息，并以不同的顏色區(qū)分不同的級(jí)別，根據(jù)報(bào)警信息的級(jí)別以聲、光、電提示或圖表顯示。司機(jī)、移動(dòng)終端可接收實(shí)時(shí)報(bào)警信息，以便及時(shí)停機(jī)處理，防止發(fā)生故障，影響生產(chǎn)。

3）輪胎胎壓胎溫監(jiān)測(cè) 顯示集裝箱正面吊左前內(nèi)側(cè)和外側(cè)輪胎、右前內(nèi)側(cè)和外側(cè)輪胎、左后側(cè)輪胎、右后側(cè)輪胎的胎溫胎壓，胎溫胎壓異常時(shí)用不同顏色表示，且輪胎圖標(biāo)閃爍顯示，如圖5所示。

圖5 輪胎胎壓胎溫監(jiān)控

3.2 設(shè)備管理維護(hù)功能

1）基礎(chǔ)信息管理 錄入集裝箱正面吊的設(shè)備編號(hào)、型號(hào)、主要零部件型號(hào)、運(yùn)行時(shí)間、投入使用時(shí)間、設(shè)備照片等基礎(chǔ)信息。

2）維保管理 記錄設(shè)備維修保養(yǎng)制度落實(shí)情況，設(shè)備維修保養(yǎng)的人員、時(shí)間、內(nèi)容、驗(yàn)收等信息以圖片、文檔形式存檔，便于監(jiān)督維保質(zhì)量。

3）故障管理 記錄存儲(chǔ)故障與報(bào)警信息，按照故障與報(bào)警級(jí)別向相應(yīng)的監(jiān)管人員推送信息，監(jiān)管人員可隨時(shí)登錄系統(tǒng)查詢，便于及時(shí)處理。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有常見問題解決方案，提供解決建議，提高排故效率。

3.3 設(shè)備定位及軌跡回放功能

集裝箱正面吊GPS歷史定位數(shù)據(jù)和GIS電子地圖匹配，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備實(shí)際的位置，并按照自定義方式查詢顯示設(shè)備的運(yùn)行軌跡和行駛里程，可回放[6]。

3.4 統(tǒng)計(jì)分析功能

1）作業(yè)統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)集裝箱正面吊的工作時(shí)間、吊箱次數(shù)(包括20 ft和40 ft吊箱次數(shù))、集裝箱正面吊使用情況(包括工作、怠速、停車時(shí))、總油耗、瞬時(shí)油耗等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為管理人員制定設(shè)備保養(yǎng)計(jì)劃提供數(shù)據(jù)依據(jù)[7]。

2）運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)集裝箱正面吊的冷卻液溫度、剎車油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器壓力和溫度、機(jī)油油壓、液壓油溫度、蓄電池電壓、車速、輪胎胎壓胎溫等參數(shù)按照選定周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成報(bào)表，便于管理人員和維護(hù)人員對(duì)正面吊的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷。

3.5 人身安全保障功能

集裝箱正面吊作業(yè)區(qū)環(huán)境較復(fù)雜，人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)的現(xiàn)象屢禁不止，人體識(shí)別模塊為集裝箱正面吊作業(yè)防止撞軋人員的發(fā)生提供了保障。

1）人體準(zhǔn)確快速識(shí)別 能對(duì)多種姿態(tài)的人員進(jìn)行包括站立、下蹲、半蹲、騎自行車等的準(zhǔn)確識(shí)別，如圖6所示。能對(duì)多個(gè)人體目標(biāo)進(jìn)行快速探測(cè)識(shí)別，每秒可處理30幀圖像，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于500 ms。

圖6 人體檢測(cè)識(shí)別

2）自適應(yīng)光線場(chǎng)景 能在強(qiáng)光、逆光和夜間弱光場(chǎng)景條件下有效識(shí)別人員。

3）自定義報(bào)警區(qū)域 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，可自行標(biāo)定危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域范圍（半徑1～15 m），人員在危險(xiǎn)區(qū)域外則不干擾司機(jī)正常工作；可實(shí)現(xiàn)多種偵測(cè)角度和區(qū)域組合（90o～360o），滿足不同安全駕駛需要，如圖7所示。

圖7 自定義報(bào)警區(qū)域

4）實(shí)時(shí)監(jiān)控及報(bào)警 實(shí)時(shí)輸出視頻圖像，當(dāng)有人進(jìn)行設(shè)定區(qū)域時(shí)，對(duì)司機(jī)和行人發(fā)出聲音報(bào)警，顯示屏明暗度和報(bào)警音量可調(diào)節(jié)。

5）緊急停車聯(lián)鎖 當(dāng)人與機(jī)械距離達(dá)到緊急危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)脫擋、剎車，強(qiáng)制集裝箱正面吊停止運(yùn)行，在消除安全隱患后方可繼續(xù)作業(yè)，確保人身安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集為載體、數(shù)據(jù)分析處理終端為核心，對(duì)集裝箱正面吊運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、作業(yè)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)維修檢修記錄、人體圖像識(shí)別及距離等進(jìn)行分析處理，生成數(shù)據(jù)報(bào)表、趨勢(shì)分析、數(shù)據(jù)報(bào)警等信息，為集裝箱正面吊在操作、保養(yǎng)、檢查、維修、作業(yè)安全等方面提供高效管理路徑，保證作業(yè)人身安全,有廣闊的應(yīng)用前景，適用機(jī)械設(shè)備范圍廣，可應(yīng)用于裝載機(jī)、挖掘機(jī)、汽車起重機(jī)、抓（扒）料機(jī)等流動(dòng)式裝卸機(jī)械設(shè)備。隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，集裝箱正面吊運(yùn)用管理的智能化將是發(fā)展趨勢(shì)[8]。