塔吊在線(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究

呂軍 吳海建 齊國(guó)強(qiáng) 鄢團(tuán)軍 吳縉峰 繆澤峰 王君

摘 要：為了解決無(wú)法有效監(jiān)管建筑工地塔吊的問(wèn)題，文中提出了一種基于人臉特征識(shí)別技術(shù)的實(shí)名制管理和安裝、使用一體化安全監(jiān)管策略。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了在線(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了信息化的塔吊安全監(jiān)管策略。實(shí)際應(yīng)用表明，該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔吊的全方位安全監(jiān)管，極大地提高了塔吊系統(tǒng)的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：塔吊；監(jiān)控系統(tǒng)；在線(xiàn)；人臉特征識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）08-00-04

0 引 言

塔吊是建筑工地上必不可少的一種起重設(shè)備，主要用于建筑施工中物料的垂直和水平輸送，具有使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高和施工效率高等特點(diǎn)。塔吊工作于多樣的施工場(chǎng)合中，自身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣，一旦出現(xiàn)塔機(jī)安全事故，將嚴(yán)重危害人身及財(cái)產(chǎn)安全，因此塔機(jī)運(yùn)行的安全問(wèn)題備受人們關(guān)注。

通過(guò)對(duì)大量塔吊出現(xiàn)的安全事故進(jìn)行分析、總結(jié)[1-2]，可將其事故原因概括為三個(gè)方面，即人的不安全行為、機(jī)的不安全狀態(tài)和環(huán)境的不安全因素。為此，文獻(xiàn)[3]將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于塔吊安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，設(shè)計(jì)專(zhuān)用WSN節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)位移、壓力和距離監(jiān)測(cè)功能，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)WSN節(jié)點(diǎn)及時(shí)上傳到監(jiān)控中心PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、處理、報(bào)警。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集起吊重量、起升高度、塔機(jī)變幅、回轉(zhuǎn)角度、風(fēng)速、電機(jī)電壓、電機(jī)電流、電機(jī)溫度等模擬信號(hào)，建立了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，能用U盤(pán)拷貝數(shù)據(jù)并分析塔機(jī)的工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[5]探討了塔式起重機(jī)監(jiān)控儀的工作原理，建立了數(shù)學(xué)模型分析塔吊受力情況，提出了一種測(cè)量塔吊力矩的直測(cè)力矩方法。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種智能化塔吊安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，能夠全方位保證塔機(jī)的安全運(yùn)行，具備塔機(jī)區(qū)域安全防護(hù)、塔機(jī)防碰撞、塔機(jī)超載、塔機(jī)防傾翻、指紋識(shí)別駕駛?cè)藛T等功能，能夠提供塔機(jī)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)警，并進(jìn)行制動(dòng)

控制。

上述文獻(xiàn)[3，5]中提到的塔吊監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)管對(duì)象重點(diǎn)仍在“機(jī)的不安全因素”，沒(méi)有加強(qiáng)對(duì)人的監(jiān)管。文獻(xiàn)[6]對(duì)

“人的不安全行為”和“機(jī)的不安全狀態(tài)”進(jìn)行了研究，采用指紋識(shí)別方式識(shí)別駕駛?cè)藛T[7]，但未將塔吊維保、施工工地的安全員納入識(shí)別管理范圍。指紋識(shí)別系統(tǒng)在安監(jiān)部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法過(guò)程中受不直觀、調(diào)查取證困難等因素的影響，無(wú)法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法要求。

本文從“人的行為”“機(jī)的狀態(tài)”和“環(huán)境因素”三方面

出發(fā)，提出了一種將“機(jī)的不安全狀態(tài)”和“人的不安全行為”列為重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象的塔吊在線(xiàn)安全監(jiān)管系統(tǒng)。該策略采用在線(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，形成大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體系和新的管理模式，預(yù)防塔吊安全事故，提高原有塔吊系統(tǒng)的安全性和可靠性，提高建筑工地現(xiàn)場(chǎng)“人的不安全行為”“機(jī)的不安全狀態(tài)”和“環(huán)境的不安全因素”的綜合安全管理水平。同時(shí)為了達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管執(zhí)法要求，特采用人臉識(shí)別技術(shù)[8]，可形成清晰的人臉圖像信息，極大地降低了現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法的難度。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的建構(gòu)

建立塔吊在線(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由在線(xiàn)安全監(jiān)控設(shè)備、通信基站、互聯(lián)網(wǎng)、智慧工地?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器及客戶(hù)監(jiān)控終端PC機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在線(xiàn)監(jiān)控設(shè)備安裝于塔吊上，采集塔吊的高度、幅度、載重、風(fēng)速和回轉(zhuǎn)角度信息，以及人臉圖像識(shí)別信息、預(yù)警報(bào)警信息和監(jiān)控設(shè)備信息，打包封裝通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的2G/3G/4G通信模塊經(jīng)由通信基站和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至預(yù)定IP地址的數(shù)據(jù)服務(wù)器。控制命令的下行傳輸流向正好與此相反。

以工地為單位，每個(gè)塔吊司機(jī)室均安裝在線(xiàn)安全監(jiān)控設(shè)備。在線(xiàn)安全監(jiān)控設(shè)備通過(guò)2G/3G/4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。租賃/維保單位、施工單位、安監(jiān)部門(mén)、工地安全員以及手機(jī)移動(dòng)客戶(hù)按照權(quán)限訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)的業(yè)務(wù)單元，開(kāi)展相關(guān)工作。

2 監(jiān)控策略

鑒于塔吊安全事故的分析、總結(jié)，提出一種將“人的不安全行為”和“機(jī)的不安全狀態(tài)”列為重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象的塔吊在線(xiàn)安全監(jiān)管策略，同時(shí)也考慮風(fēng)速等環(huán)境變量，該策略如圖2所示。

該策略將與塔吊有關(guān)聯(lián)的駕駛員、工地安全員、租賃公司人員、維保人員全部納入到系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)管，有效管控“人的不安全行為”。同時(shí)將“機(jī)的不安全狀態(tài)”也納入監(jiān)管。該策略的要點(diǎn)在于人臉識(shí)別的實(shí)名制管理業(yè)務(wù)流程的實(shí)現(xiàn)。人臉識(shí)別流程如圖3所示。通過(guò)實(shí)時(shí)比對(duì)司機(jī)的人臉特征信息，排除非法司機(jī)和非法操作塔吊的現(xiàn)象，達(dá)到在線(xiàn)監(jiān)管塔吊的目的。

在塔吊的使用過(guò)程中，維保是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但維保作假現(xiàn)象比較普遍，難于監(jiān)管。本系統(tǒng)建立了維保管理模塊，將保障塔吊的維保工作落到實(shí)處。塔吊監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)備的安裝時(shí)間和使用情況，定期向維保單位發(fā)送維保提醒，而維保人員則需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維保，且待維保結(jié)束后，還需要在監(jiān)控系統(tǒng)中登記。登記后，維保結(jié)果會(huì)發(fā)送給項(xiàng)目部的管理人員，待項(xiàng)目部人員核實(shí)后，一次維保過(guò)程完成。同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)將維保相關(guān)信息記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。維保流程如圖4所示。

同時(shí)，還將加節(jié)加高、拆卸和轉(zhuǎn)場(chǎng)納入監(jiān)管過(guò)程中。當(dāng)安裝人員將塔吊安裝完畢、加節(jié)加高和轉(zhuǎn)場(chǎng)后，需要在此系統(tǒng)中確認(rèn)。由于維保人員需要持證到現(xiàn)場(chǎng)維保，同時(shí)維保記錄還會(huì)在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)體現(xiàn)，大大降低了維保作假的可能性。維保過(guò)程中出現(xiàn)異常狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)鎖車(chē)，只有派人員到現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)通過(guò)后才能開(kāi)車(chē)。安裝、加節(jié)加高、拆卸和轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中，系統(tǒng)嚴(yán)禁塔吊運(yùn)行，以保證安全。

3 監(jiān)控設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)上述在線(xiàn)安全監(jiān)控策略，特研發(fā)了安裝于塔機(jī)的在線(xiàn)安全監(jiān)控設(shè)備。圖5所示為塔吊在線(xiàn)安全監(jiān)控設(shè)備功能框圖。監(jiān)控設(shè)備采用靈活的模塊化設(shè)計(jì)思路，每個(gè)功能模塊均可通過(guò)拔插方式接入或者退出系統(tǒng)。

控制主機(jī)能外接高度傳感器、幅度傳感器、載重傳感器、風(fēng)速傳感器和回轉(zhuǎn)傳感器等。

（1）高度傳感器可實(shí)現(xiàn)塔吊吊鉤的高度測(cè)量，將吊鉤的高度信息實(shí)時(shí)傳遞至控制主機(jī)，控制主機(jī)采集到高度信息后，按照控制邏輯進(jìn)行相應(yīng)的處理。

（2）幅度傳感器將塔吊小車(chē)在塔吊懸臂上與塔基的距離信息實(shí)時(shí)傳遞至控制主機(jī)。

（3）載重傳感器作為塔吊重要的傳感器，實(shí)時(shí)采集塔吊的吊重信息并傳遞至控制主機(jī)，作為力矩超載的判別依據(jù)。

（4）風(fēng)速傳感器感知塔吊所在環(huán)境的風(fēng)速，風(fēng)速超過(guò)設(shè)定預(yù)警值時(shí)，司機(jī)不可操作塔吊。

（5）回轉(zhuǎn)傳感器實(shí)現(xiàn)塔吊繞著自身塔基旋轉(zhuǎn)的角度測(cè)量功能，是塔吊區(qū)域防碰撞、群塔間防碰撞的重要依據(jù)。

2G/3G/4G模塊將控制主機(jī)的信息上報(bào)給平臺(tái)，將平臺(tái)信息下發(fā)至控制主機(jī)。使用群塔通信模塊可實(shí)現(xiàn)群塔防碰撞功能。當(dāng)塔吊離線(xiàn)時(shí)，離線(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊里，當(dāng)某時(shí)塔吊上線(xiàn)后，將離線(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)補(bǔ)傳至監(jiān)控平臺(tái)。

監(jiān)控系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有控制信號(hào)輸出模塊。該模塊接收控制主機(jī)的控制信號(hào)，輸出9路繼電器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)塔吊幅度內(nèi)減、幅度外減、幅度外限、幅度內(nèi)限、高度減速、高度下限、高度上限、回轉(zhuǎn)左限和回轉(zhuǎn)右限等功能。

為了能夠方便操作、配置參數(shù)和查看數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備帶有液晶顯示器。當(dāng)有預(yù)警和報(bào)警信號(hào)時(shí)，聲光報(bào)警電路會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的聲音和發(fā)光報(bào)警。

人臉識(shí)別設(shè)備通過(guò)RS 232與控制主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)塔吊操作人員的人臉識(shí)別。人臉識(shí)別設(shè)備因其結(jié)構(gòu)安裝和識(shí)別位置要求較高，需要具備靈活安裝的能力。

施工工地某些區(qū)域存在高壓線(xiàn)、建筑物等影響塔吊正常運(yùn)行的區(qū)域，一般將其設(shè)定為塔吊禁行區(qū)，啟用禁行區(qū)規(guī)避功能。在塔吊密集布置的區(qū)域，需要啟用群塔通信功能，通信模塊的通信距離約1 km，以保證通信的可靠性，實(shí)現(xiàn)群塔防碰撞功能，減少和規(guī)避塔吊之間的碰撞事故。

為降低在線(xiàn)安全監(jiān)控設(shè)備的自身維護(hù)成本，必須考慮設(shè)備的設(shè)計(jì)可靠性。塔吊自身較高，安裝環(huán)境惡劣，易受塔吊電磁環(huán)境、雷電、陽(yáng)光、雨水、粉塵等影響，設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取防雷措施、接地措施及EMC、防水、防塵、防陽(yáng)光照射老化問(wèn)題等。

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、檢查、執(zhí)法的方便性，設(shè)計(jì)了手持設(shè)備，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)現(xiàn)塔吊現(xiàn)場(chǎng)與控制主機(jī)的通信，將使用者關(guān)心的數(shù)據(jù)從控制主機(jī)上下載到手機(jī)設(shè)備，同時(shí)也能將指令上傳到控制主機(jī)。手持設(shè)備大大減少了攀爬塔吊的次數(shù)，也提高了現(xiàn)場(chǎng)巡查效率。

4 監(jiān)控管理平臺(tái)

遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web服務(wù)器以及Web瀏覽器組成[9]。在線(xiàn)安全監(jiān)管設(shè)備通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)通信，發(fā)送塔吊的工作狀態(tài)信息、人員信息到遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺(tái)，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)發(fā)送的遠(yuǎn)程控制指令。用戶(hù)通過(guò)登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控管理平臺(tái)查詢(xún)、管理和控制塔吊的狀態(tài)。塔吊遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)為使用者提供了互動(dòng)管理界面。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)安全監(jiān)控，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備均安裝在江蘇省某市某建筑工地的塔吊司機(jī)室內(nèi)。設(shè)備的主要部件如圖6所示。圖6（a）所示為由控制主板和各功能模塊組合而成的控制主機(jī)。圖6（b）所示為監(jiān)控設(shè)備的顯示器，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。圖6（c）所示為人臉識(shí)別系統(tǒng)。圖7所示為系統(tǒng)安裝在升降機(jī)內(nèi)的顯示器。圖8所示為平臺(tái)登錄界面。圖9所示為系統(tǒng)首頁(yè)界面。圖10所示為系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)模擬塔吊運(yùn)行的界面。

系統(tǒng)使用結(jié)果表明：工地現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備能夠正確采集司機(jī)、安全員和維保人員的人臉特征信息，采集塔吊的運(yùn)行狀態(tài)信息與故障數(shù)據(jù)，保持與應(yīng)用服務(wù)器的正常通信，具備遠(yuǎn)程鎖車(chē)/遠(yuǎn)程解鎖功能；應(yīng)用服務(wù)器能夠正確解析、存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端上報(bào)的數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地發(fā)送和接收維保指令；管理人員能夠通過(guò)網(wǎng)站對(duì)所屬塔吊的維保情況進(jìn)行有效監(jiān)管。該系統(tǒng)還包含當(dāng)前政府監(jiān)管部分的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)了工地安監(jiān)的信息化和智能化。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文從人-機(jī)-環(huán)境角度出發(fā)，提出了一種將“人的不安全行為”和“機(jī)的不安全狀態(tài)”列為重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象的塔吊在線(xiàn)安全監(jiān)管策略及系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了在線(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，闡明了系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件流程，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)針對(duì)當(dāng)前普遍存在的駕駛員識(shí)別不利于現(xiàn)場(chǎng)快速調(diào)查取證和人員排查的情況，采用人臉識(shí)別技術(shù)提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和兼容性。同時(shí)對(duì)事故多發(fā)易發(fā)的塔吊安裝、加高、拆卸階段進(jìn)行了深入研究并將其納入監(jiān)管。

實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔吊“人的不安全行為”和“機(jī)的不安全狀態(tài)”的全方位監(jiān)管，具有良好的應(yīng)用前景與市場(chǎng)推廣價(jià)值。

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