橋門式起重機(jī)考試自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)研究

熊 治， 張?zhí)煊拢?張 桐， 李彥林， 張 齊

（1.重慶市質(zhì)量安全考試中心， 重慶 400023；2.重慶韋娜軟件有限公司， 重慶 400020）

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)對(duì)起重機(jī)械的需求越來越大，起重機(jī)械屬于涉及生命安全、危險(xiǎn)性較大的特種設(shè)備，額定起重量大于等于3 t且提升高度大于等于2 m的起重機(jī)由國家納入特種設(shè)備目錄進(jìn)行管理[1]。據(jù)國家市場監(jiān)管總局統(tǒng)計(jì)，截止2017年底，全國起重機(jī)械數(shù)量達(dá)223.75萬臺(tái)，占特種設(shè)備總量17.3%，但起重機(jī)械的事故發(fā)生率僅次于電梯。

1 研究背景

橋門式起重機(jī)是起重機(jī)中數(shù)量最大的一類，通常體積龐大、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要在較大空間范圍內(nèi)運(yùn)行。隨著起重機(jī)制造技術(shù)的快速發(fā)展和遙控技術(shù)的運(yùn)用，橋門式起重機(jī)朝著輕量化、智能化、自動(dòng)化的趨勢發(fā)展。操作人員需要依據(jù)操作規(guī)范，方能順利完成貨物的吊裝、運(yùn)行、卸載等工作。安全操作起重機(jī)，快速完成吊裝任務(wù)，這對(duì)起重機(jī)操作人員的綜合素質(zhì)與業(yè)務(wù)技能提出了更高的要求。起重機(jī)司機(jī)和指揮人員的操作不僅涉及自身安全，而且與起重機(jī)、他人生命和吊裝貨物安全密切相關(guān)。如果操作不當(dāng)將造成重大的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。因此，操作人員上崗前必須進(jìn)行相應(yīng)的安全教育和技能培訓(xùn)，通過嚴(yán)格考核合格后持證方能上崗[2]。

目前，橋門式起重機(jī)操作人員考試主要采取傳統(tǒng)的人工評(píng)分方式。操作人員根據(jù)考試規(guī)范依次操作起重機(jī)完成起步、定點(diǎn)落物、曲線運(yùn)行、卸載等動(dòng)作，考評(píng)員根據(jù)動(dòng)作完成度和耗時(shí)情況，對(duì)碰桿、倒桿等錯(cuò)誤行為進(jìn)行扣分，最后予以綜合評(píng)價(jià)。人工評(píng)價(jià)主要依賴考評(píng)員對(duì)考試過程的事實(shí)判斷，帶有一定的主觀因素，且對(duì)錯(cuò)誤行為無法回放，可能存在誤判或者爭議。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)則可以基本解決公正性的問題。隨著信息化、智能化的發(fā)展趨勢，橋門式起重機(jī)實(shí)操考試應(yīng)用信息化、自動(dòng)化手段是大勢所趨，自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)就是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立全自動(dòng)、信息化的“一體化”考試系統(tǒng)，可最大程度減少考試過程中的人為因素，極大地提高考試評(píng)判的準(zhǔn)確性、客觀性和公正性[3]。

2 系統(tǒng)組成

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋門式起重機(jī)考試全自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)主要由考試過程檢測部分、現(xiàn)場監(jiān)控控制單元、視頻監(jiān)控部分、終端計(jì)算機(jī)等四大部分組成（見圖1）。監(jiān)測部分能夠及時(shí)、完整地獲取考生操作起重機(jī)在考試全過程中的動(dòng)態(tài)信息，采集考試操作過程中的各種狀態(tài)信號(hào)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸。信號(hào)經(jīng)過控制單元處理、數(shù)據(jù)加密打包后，通過RS485總線傳送給終端計(jì)算機(jī)，在上位機(jī)軟件中通過判定規(guī)則和邏輯關(guān)系進(jìn)行綜合評(píng)判，視頻監(jiān)控系統(tǒng)亦可對(duì)關(guān)鍵時(shí)點(diǎn)進(jìn)行抓拍，考試全程由高清攝像機(jī)進(jìn)行視頻錄像，實(shí)現(xiàn)全過程記錄和可追溯。

圖1 系統(tǒng)主要組成部分

2.1 考試過程監(jiān)測部分

根據(jù)橋門式起重機(jī)實(shí)作考試評(píng)分規(guī)則，考生在考試過程中對(duì)起重機(jī)各項(xiàng)操作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，主要包括行駛路線檢測、壓餅檢測、碰桿和倒桿檢測等。

2.1.1 行駛路線檢測

根據(jù)考試評(píng)分規(guī)則，考生在考試過程中，吊桶必須按照規(guī)定的路線通過各個(gè)定位樁。系統(tǒng)擬采用高精度超聲波定位系統(tǒng)對(duì)吊桶的位置進(jìn)行定位，定位時(shí)間間隔大約為2 s/次。根據(jù)定位數(shù)據(jù)，得出吊桶在定位樁區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行軌跡（見圖2）。

圖2 吊桶壓餅及曲線運(yùn)行路線

2.1.2 壓餅檢測

采用高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)，檢測吊桶擺放位置，并計(jì)算吊桶中心偏離位置，由此判斷吊桶是否正確落在目標(biāo)區(qū)域。超聲波定位返回?cái)?shù)據(jù)（見圖3）。

圖3 壓餅位置檢測數(shù)據(jù)顯示

2.1.3 碰桿、倒桿檢測

采用姿態(tài)傳感器，可以對(duì)吊桶姿態(tài)及定位樁姿態(tài)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)檢測，并由此判斷定位樁的擦桿、倒樁情況。

各傳感器節(jié)點(diǎn)使用低功耗Zigbee無線通信模塊，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該傳感器具有體積小、低功耗、無需布線、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，只需將傳感器直接捆綁或者粘貼到吊桶及定位樁上即可。可快速搭建考試場地，進(jìn)一步提升本系統(tǒng)的市場推廣性[4]。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控控制單元

利用自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備與終端計(jì)算機(jī)通過RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場傳感設(shè)備和電腦端的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。通信模塊采用高性能工業(yè)級(jí)無線模塊，為用戶提供高速、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。

2.3 視頻監(jiān)控部分

通過在考試場地布置高清攝像機(jī)，實(shí)行考試場地全覆蓋（見圖4）。對(duì)考生考試過程進(jìn)行全程錄像。當(dāng)考生出現(xiàn)違規(guī)操作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)抓拍圖像記錄并保存，便于事后查證。

圖4 系統(tǒng)現(xiàn)場布置示意圖

2.4 終端計(jì)算機(jī)部分

終端計(jì)算機(jī)自行開發(fā)考試評(píng)分系統(tǒng)軟件，根據(jù)前端反饋數(shù)據(jù)，按照考試評(píng)分規(guī)則和邏輯關(guān)系，逐項(xiàng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)分并加總。主要功能包括：數(shù)據(jù)同步、自動(dòng)評(píng)分、考試模擬動(dòng)畫、移動(dòng)端評(píng)分界面、考試成績記錄等。

2.4.1 數(shù)據(jù)同步

數(shù)據(jù)同步需要與現(xiàn)已開發(fā)使用的質(zhì)量安全人員管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接口交互。數(shù)據(jù)同步內(nèi)容包括考試學(xué)員身份信息及科目、項(xiàng)目、時(shí)間等信息[5]。

2.4.2 自動(dòng)評(píng)分

傳感器設(shè)備將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過傳輸節(jié)點(diǎn)返回。軟件端需要監(jiān)聽數(shù)據(jù)接口，在有數(shù)據(jù)返回時(shí)，拿到數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)根據(jù)自定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析，并將解析后的數(shù)據(jù)交由后續(xù)自動(dòng)評(píng)分處理完成自動(dòng)評(píng)分（見圖 5）。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.4.3 考試模擬動(dòng)畫

通過硬件傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)，在軟件的考試評(píng)分界面中展示學(xué)員考試過程的模擬動(dòng)畫（見圖6）。考試動(dòng)畫需要攝像頭與模擬動(dòng)畫配合完成，攝像頭可真實(shí)展示考試全過程，模擬動(dòng)畫則可通過硬件傳感器數(shù)據(jù)模擬考試過程中的壓圈、未按規(guī)定路線行駛等違規(guī)狀態(tài)進(jìn)行展示。

圖6 模擬動(dòng)畫圖

2.4.4 移動(dòng)端評(píng)分界面

軟件系統(tǒng)的評(píng)分可在電腦端或者移動(dòng)端進(jìn)行（見圖7）。評(píng)分內(nèi)容依據(jù)考試大綱及評(píng)分表，逐項(xiàng)進(jìn)行評(píng)分，最后加總。評(píng)分界面如下圖7所示。

圖7 評(píng)分系統(tǒng)界面

2.4.5 考試成績顯示及記錄

在考生完成考試操作后，評(píng)分系統(tǒng)完成自動(dòng)評(píng)分，并顯示在LED屏上。

有權(quán)限的系統(tǒng)用戶可在成績記錄查詢模塊中查看考試記錄。可單獨(dú)對(duì)某條考試記錄信息進(jìn)行查看考試評(píng)分表、考試錄像和考試違規(guī)截圖等操作。

3 結(jié)語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋門式起重機(jī)考試全自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，充分利用嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了橋門式起重機(jī)實(shí)操考試過程中（起步、行駛、卸貨等）各種狀態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并傳送到上位機(jī)評(píng)分系統(tǒng)完成自動(dòng)評(píng)分。該系統(tǒng)不影響起重機(jī)的正常工作，具有操作簡單、抗干擾性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。橋門式起重機(jī)實(shí)操考試模式由傳統(tǒng)人工評(píng)價(jià)方式向全自動(dòng)評(píng)分方式轉(zhuǎn)變，極大地提高了考試公正性和效率，對(duì)其他類別特種設(shè)備考試信息化升級(jí)也有積極借鑒意義[6]。