鐵路門式起重機(jī)安全監(jiān)控技術(shù)研究

王宴平 （中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 合肥貨運(yùn)中心，安徽 合肥 230001）

WANG Yanping (Hefei Freight Transportation Center,China Railway Shanghai Bureau Group,Hefei 230001,China)

0 引言

按照《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》 （GB/T28264-2012）[1]，港口、工程等使用大中型起重機(jī)的行業(yè)率先研制并應(yīng)用了起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，如秦皇島港、上海港等港口企業(yè)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)起重機(jī)作業(yè)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)管和遠(yuǎn)程控制。鐵路車站普遍使用的門式起重機(jī)，雖然起重量不大，一般60噸以下，但技術(shù)條件千差萬別，距標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化要求相差甚遠(yuǎn)，裝卸貨物品類、規(guī)格雜亂，露天作業(yè)且場(chǎng)地狹小，工況較差，安全管控難度較大，安全事故多發(fā)。近年來，一些鐵路單位相繼研制了起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，但因受起重機(jī)技術(shù)條件、作業(yè)環(huán)境等因素影響而尚未普及。因此，需要研制能夠廣泛適用于鐵路通用門式起重機(jī)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。

1 鐵路門式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)

以具備CPU電控系統(tǒng)，可提供全部傳感器參數(shù)、控制系統(tǒng)參數(shù)及狀態(tài)存儲(chǔ)地址的鐵路通用門式起重機(jī)為基礎(chǔ)，研究鐵路門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[2]。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵路門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，應(yīng)由車載平臺(tái)控制子系統(tǒng)、車載數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、WIFI無線傳輸子系統(tǒng)、地面無線接收子系統(tǒng)、地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)、地面監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)、局段監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)等部分組成[3-4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖2。

（1）車載平臺(tái)控制子系統(tǒng)。車載平臺(tái)控制子系統(tǒng)，采用西門子PLCS7-300系列CPU，通過安裝風(fēng)速、震動(dòng)、防撞、電流、重量等傳感器，將傳感器采集數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)[5]。所有傳感器數(shù)據(jù)、司機(jī)操作數(shù)據(jù)、動(dòng)作執(zhí)行數(shù)據(jù)、各指示燈狀態(tài)、設(shè)備報(bào)警等實(shí)時(shí)信息，均存儲(chǔ)至控制系統(tǒng)PLC指定寄存器位置，供車載數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集。當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)，自動(dòng)停止作業(yè)，保證作業(yè)安全。通過防撞傳感器檢測(cè)障礙物，當(dāng)大車運(yùn)行前方1～3m內(nèi)有障礙物時(shí)，大車自動(dòng)降速運(yùn)行；0～1m范圍內(nèi)有障礙物時(shí)，大車自動(dòng)停止。通過在卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)加裝的編碼器和電流傳感器，當(dāng)?shù)踹\(yùn)貨物重量臨近限值時(shí)低速運(yùn)行，超過限值時(shí)自動(dòng)停止；當(dāng)起升速度過快導(dǎo)致電流過大時(shí)，自動(dòng)降速，保證卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)安全。通過重量傳感器，檢測(cè)吊運(yùn)貨物的重量情況，較輕貨物可以快速移動(dòng)，以提高效率；較重貨物慢速移動(dòng)，保證安全。

圖1 鐵路門式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 鐵路門式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（2）車載數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。車載數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，是門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、故障信息、司機(jī)操作信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、判斷、上傳。根據(jù)《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》 （GB/T28264-2012），鐵路門式起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)采集的信息包括起重量、起升高度、大小車行程、司機(jī)操作指令、工作時(shí)間等數(shù)據(jù)信息和作業(yè)視頻信息及制動(dòng)器、限位器等機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息，采集信息見表1。

表1 鐵路門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)信息采集表

車載數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由工控機(jī)、采集軟件、ETH-MPI轉(zhuǎn)換器組成，通過ETH-MPI轉(zhuǎn)換器與西門子DP接口連接，通過Modbus協(xié)議采集西門子PLCS7-300系列CPU指定寄存器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議保存至工控機(jī)的硬盤中，同時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過WIFI網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)中[6]。采集單元安裝在門式起重機(jī)電器機(jī)房?jī)?nèi)，通過以太網(wǎng)交換機(jī)與視頻監(jiān)控子系統(tǒng)及無線傳輸子系統(tǒng)連接，將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)作業(yè)模擬監(jiān)控。對(duì)故障報(bào)警信息及實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行分析處理后，通過字幕疊加技術(shù)，將視頻監(jiān)控子系統(tǒng)中的攝像機(jī)視頻與故障報(bào)警信息實(shí)時(shí)疊加到司機(jī)室操作屏幕上。同時(shí)將故障報(bào)警信息轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)和故障處理，提高處置效率，減少停機(jī)時(shí)間。

（3）車載視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。車載視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，是安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的重要組成部分，主要由網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)（IPC）、智能POE交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（NVR）等組成。IPC攝像機(jī)通過POE交換機(jī)與NVR相連，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。IPC攝像機(jī)采用1080P全高清紅外攝像，可以實(shí)現(xiàn)全天候視頻監(jiān)控。NVR支持16路同時(shí)錄像功能，采用H265硬件壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)錄像存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)錄像歷史回放、遠(yuǎn)程查看等功能。

車載視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，將采集到的起重機(jī)作業(yè)過程、機(jī)構(gòu)運(yùn)行等視頻信息，顯示在車載顯示器（如圖3所示）和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端上，供司機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控人員實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)還能將采集的起重量、起升速度、起升高度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)信息疊加至監(jiān)控畫面中。當(dāng)某項(xiàng)數(shù)據(jù)超出警戒值時(shí)，對(duì)應(yīng)的字幕信息顏色變?yōu)榫炯t色，且立即全屏顯示，提示司機(jī)有警示信息，當(dāng)警示信息消失后自動(dòng)切換為宮格顯示。

（4）WIFI無線傳輸子系統(tǒng)。WIFI無線傳輸子系統(tǒng)，作為門式起重機(jī)安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的上傳通道，由交換機(jī)和無線網(wǎng)橋組成。無線網(wǎng)橋（如圖4所示）一般有2.4GHz和5.8GHz兩個(gè)頻段。2.4GHz頻段，覆蓋范圍好，繞射能力強(qiáng)，但傳輸速度慢，受民用頻段干擾嚴(yán)重，數(shù)據(jù)上傳的實(shí)時(shí)性無法保證；5.8GHz頻段，受外界干擾少，傳輸速度快，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)3km以上，雖其繞射能力不強(qiáng)，但對(duì)于鐵路貨運(yùn)場(chǎng)站內(nèi)高層建筑等障礙物不多的環(huán)境，還比較適用。

圖3 起重機(jī)車載顯示器

圖4 無線網(wǎng)橋

（5）地面無線接收子系統(tǒng)。地面無線接收子系統(tǒng)，由無線網(wǎng)橋接收器、以太網(wǎng)交換機(jī)、接收數(shù)據(jù)軟件、視頻和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件組成，主要負(fù)責(zé)接收WIFI無線傳輸子系統(tǒng)發(fā)送的視頻信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器和各監(jiān)控終端。

WIFI無線傳輸子系統(tǒng)將信息發(fā)送至地面無線接收子系統(tǒng)，再通過以太網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至工業(yè)控制機(jī)的接收數(shù)據(jù)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲(chǔ)后，再由轉(zhuǎn)發(fā)軟件將相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至各監(jiān)控終端。在無線信號(hào)不穩(wěn)定或受干擾等情況下，地面無線接收子系統(tǒng)采用斷點(diǎn)續(xù)傳、校驗(yàn)重傳等技術(shù)，可準(zhǔn)確接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)視頻及數(shù)據(jù)信息，并分發(fā)到地面監(jiān)管終端、各復(fù)示終端和遠(yuǎn)程監(jiān)管終端[7]。

（6）地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)。地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)，由IBM或DELL標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式服務(wù)器、磁盤陣列柜、虛擬化軟件、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，且要求CPU物理核心6個(gè)以上、內(nèi)存32GB以上、SSD存儲(chǔ)1T以上。地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)通過虛擬化技術(shù)虛擬為2臺(tái)虛擬機(jī)，分別部署數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，全部采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于磁盤陣列柜中，保證存儲(chǔ)容量充足。當(dāng)操作系統(tǒng)故障時(shí)，可保障數(shù)據(jù)安全，并可快速切換虛擬機(jī)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)，通過地面無線接收子系統(tǒng)接收車載數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)所采集并轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)（包括起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、變頻器信息、司機(jī)操作信息等），并以時(shí)間為基準(zhǔn)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)需要，還可將原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果上傳至段級(jí)、局級(jí)、鐵總級(jí)服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全段、全局乃至全路門式起重機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)督管理。

（7）地面監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)。地面監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)連接，可訪問或查詢地面監(jiān)管服務(wù)器子系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)主要由臺(tái)式電腦、安全監(jiān)管復(fù)示軟件、聲光報(bào)警器等組成，且要求CPU性能I7以上、內(nèi)存8GB以上、硬盤500G以上、顯示器24寸以上且分辨率1080P以上。

地面監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示每臺(tái)起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)、司機(jī)操作、視頻監(jiān)控、報(bào)警信息等，通過聲光報(bào)警裝置及時(shí)提醒監(jiān)管人員異常操作、設(shè)備故障等情況，還可以進(jìn)行歷史回放、操作記錄模擬、運(yùn)行過程模擬、各部件運(yùn)行統(tǒng)計(jì)等操作[8]。

（8）局段監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)。鐵路局、站段設(shè)置復(fù)示終端，可調(diào)取查閱管理權(quán)限范圍內(nèi)全部門式起重機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻及歷史記錄等。由于局/段管理的門式起重機(jī)數(shù)量較多，實(shí)時(shí)查看全部門式起重機(jī)的實(shí)時(shí)信息，所需設(shè)備、人員較多，現(xiàn)實(shí)工作中也沒有必要。因此，局段監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)的主要功能是對(duì)管轄范圍內(nèi)門式起重機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析。

局段監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)可選用與車站復(fù)示終端同樣的設(shè)備，配置局段復(fù)示軟件，根據(jù)需要可擴(kuò)展局段復(fù)示大屏，將關(guān)鍵信息、統(tǒng)計(jì)信息，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)等直觀顯示在大屏上，也可對(duì)個(gè)別門式起重機(jī)的數(shù)據(jù)單獨(dú)查詢，為全局、全段門式起重機(jī)的管理提供依據(jù)。

（9）遠(yuǎn)程監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)。遠(yuǎn)程監(jiān)管復(fù)示子系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)、查詢起重機(jī)視頻、運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、故障處理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能，并可遠(yuǎn)程指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)[9]。通過三級(jí)聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)鐵路局、站段、車站對(duì)管轄范圍內(nèi)所有門式起重機(jī)運(yùn)用信息進(jìn)行監(jiān)控。應(yīng)用云技術(shù)將門式起重機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，安全高效。系統(tǒng)還可將門式起重機(jī)作業(yè)視頻、設(shè)備狀態(tài)和故障信息推送到手機(jī)APP（手機(jī)監(jiān)控畫面如圖5所示），或者通過短信發(fā)送到手機(jī)，使各級(jí)管理人員能實(shí)時(shí)掌握門式起重機(jī)安全作業(yè)情況，及時(shí)處理突發(fā)情況。

1.2 系統(tǒng)功能

（1）作業(yè)過程視頻監(jiān)控。通過監(jiān)控終端或調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，可對(duì)起重機(jī)周圍的車輛、貨物、人員等作業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)起重機(jī)司機(jī)操控和地面裝卸人員作業(yè)過程是否標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)滑觸線、電氣房、小車電機(jī)房設(shè)備的物理狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。管理人員不用到現(xiàn)場(chǎng)，就能隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)情況，及時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)安全問題。把安全管理從事后處理向事前預(yù)防、事中控制轉(zhuǎn)變，提高安全監(jiān)管效能。

（2）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。通過PLC可獲取大小車及吊具的運(yùn)行速度及方向、吊索起重量、起升次數(shù)等作業(yè)動(dòng)態(tài)信息，經(jīng)匯總分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)各機(jī)構(gòu)作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[10]。通過采集控制桿、按鍵、開關(guān)等操作信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員行為狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控（如圖6所示）。通過采集電流電壓、卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變頻器狀態(tài)、各傳感器狀態(tài)等設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)設(shè)備參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通過風(fēng)速儀采集作業(yè)地點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)力等信息，通過溫度傳感器采集環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。以上數(shù)據(jù)全程采集、無線傳輸并存儲(chǔ)在服務(wù)器中。通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄，能實(shí)時(shí)掌握起重機(jī)各機(jī)構(gòu)、各部位運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)起重量超負(fù)荷、作業(yè)環(huán)境突變等緊急情況及時(shí)預(yù)警，達(dá)到超前防范目的。

圖5 手機(jī)監(jiān)控畫面

圖6 起重機(jī)司機(jī)操作信息實(shí)時(shí)監(jiān)控

（3）設(shè)備故障自診斷。當(dāng)門式起重機(jī)變頻器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)通過PLC獲取變頻器故障代碼，實(shí)時(shí)與故障代碼表對(duì)比分析，給出故障信息，并將故障信息同步到司機(jī)室操作屏幕、地面監(jiān)控值班室、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，及時(shí)做出處理，免除維修人員現(xiàn)場(chǎng)處理故障及由此造成的延誤[11]。同時(shí)，通過對(duì)起重機(jī)作業(yè)動(dòng)態(tài)信息、設(shè)備狀態(tài)信息、作業(yè)環(huán)境信息及操作信息的統(tǒng)計(jì)分析及累計(jì)運(yùn)算，可對(duì)一定時(shí)期內(nèi)起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括運(yùn)行長(zhǎng)度、大小車速度、載重、電流、制動(dòng)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（如圖7所示）。通過分析，系統(tǒng)可自動(dòng)提醒設(shè)備維修保養(yǎng)、設(shè)備損耗等事項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵零部件的全壽命周期管理，做到超前預(yù)警[12]。既可避免故障維修對(duì)生產(chǎn)的影響，又能防止過度維修造成的浪費(fèi)，為起重機(jī)由計(jì)劃修向狀態(tài)修創(chuàng)造條件。

（4）生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。利用重量傳感器，可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)起重機(jī)一次或在一定時(shí)期內(nèi)的吊裝重量。通過在卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、大小車走行輪上加裝的編碼器，可實(shí)時(shí)掌握吊具（鉤頭）及大小車的位置狀態(tài)。通過大車、小車、吊具（鉤頭）三者位置變化頻次、變化幅度，結(jié)合吊裝重量，可自動(dòng)判斷起重機(jī)工作周期。通過電流傳感器及智能電表，可實(shí)時(shí)掌握各執(zhí)行部件的工作狀態(tài)及整機(jī)能耗情況。基于以上數(shù)據(jù)，可按日、月、季、年，分別統(tǒng)計(jì)同比、環(huán)比的工作量 (噸)、運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)、耗電量、人員工時(shí)、維修保養(yǎng)停機(jī)時(shí)間等數(shù)據(jù)（如圖8）。根據(jù)此數(shù)據(jù)，可計(jì)算機(jī)械利用率、勞動(dòng)生產(chǎn)率等經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，為核算班組收入、核定勞動(dòng)班制和生產(chǎn)定員提供原始依據(jù)，不僅提高統(tǒng)計(jì)效率和工作質(zhì)量，還節(jié)省統(tǒng)計(jì)人力、物力[13-14]。

圖7 起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖8 起重機(jī)作業(yè)統(tǒng)計(jì)報(bào)告

2 結(jié)束語

以上研究成果，已在鐵路上海局合肥北站、鐵路南昌局吉安南站、沈陽局遼陽站等鐵路門式起重機(jī)上應(yīng)用，取得了明顯成效，門式起重機(jī)作業(yè)安全監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)管、故障診斷處理和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)能力大幅度提高，鐵路貨運(yùn)安全管理水平、貨運(yùn)信息化和設(shè)備質(zhì)量明顯提升。在此基礎(chǔ)上，下一步，我們將重點(diǎn)研究鐵路門式起重機(jī)的自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝卸機(jī)械操作自動(dòng)化、管理智能化，為鐵路現(xiàn)代物流發(fā)展提供技術(shù)支持與服務(wù)保障。