基于人臉識別的施工升降機安全監測系統設計

龔結龍，吳縉峰，朱 虹，呂 軍

（中電海康-浙江海康科技有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

工地安全施工和安全質量一直是國家有關部門再三強調的主題。為確保施工過程的安全，需對施工升降機設備工作過程和工作狀態進行實時安全監控。施工升降機是特種設備，需要專業的操作人員操作。而在工地實際施工過程中，會出現施工升降機司機非法代崗的現象。一旦出現非專業人員駕駛操作施工升降機，很容易出現安全事故。因此，對施工升降機的司機識別和違規操作進行提前預警，降低工程風險，避免發生重大工程事故是亟待解決的問題[1-4]。

根據升降機的事故特點和主要安全隱患，可采用物聯網技術對隱患點進行監控，對不安全的狀態進行報警和控制，并把相關數據遠程傳輸至服務器。服務器接收到這些數據后，可做進一步的挖掘和處理。系統拓撲圖如圖1所示。

系統的基本設計概念如下：

（1）數據本地處理。要求施工單位的施工升降機必須安裝“黑匣子”，保存施工升降機運行信息，同時必須具備運行警告裝置，以便出現超載等情況時進行語音提醒。

（2）報警聯動。設定運行參數閾值，若超過閾值或運行參數發生異常，則進行分析，第一時間發送短信給施工單位安全管理人員，通知其快速處理。

圖1 系統拓撲圖

（3）違章管理。系統能提供施工升降機超載、故障的歷史數據，并可生成對應的報表、統計分析數據。該類數據可供職能部門、施工單位對施工升降運行狀況、可能存在的潛在風險進行評估，監督施工升降機的維保工作實施。

（4）運行管理。可通過移動終端或PC等形式查看工地施工升降機的實時運行狀況，為職能部門移動執法、安全管理及施工單位安全管理提供依據。

本文主要敘述了設備端的軟硬件設計，后臺服務端和監控平臺的設計不做詳細介紹。

1 總體設計

1.1 總體框架

系統總體框架如圖2所示。

系統分為控制器和顯示器兩部分。控制器安裝在升降機吊籠上的電箱旁邊，顯示器安裝在司機操作臺旁邊。控制器和顯示器之間采用RS 485連接。

圖2 系統總體框架圖

控制器采用LPC2378實現，包括信號采集、數據計算、控制輸出、數據存儲和遠程傳輸模塊。

顯示器采用LPC1765實現，包括層呼叫接收模塊、司機管理模塊、顯示模塊和聲光報警模塊。

1.2 系統功能劃分

限位信號采集：采集升降機原有各限位的開關信號，得到升降機系統運行的安全狀態。需要采集的限位開關信號有上限行程開關、下限行程開關、極限開關、吊籠沖頂保護、斷繩開關、底籠門保護開關、吊籠單門開關、吊籠雙門開關等。

操作信號采集：采集司機的操作信號，用于分析司機的誤操作和違規操作。需要采集的操作信號有急停開關、啟動開關、上行、下行、電鈴等。

速度采集：采集速度，用于判斷升降機的高度及運行狀態。利用接近開關測量齒輪轉動的次數得到速度信號。該信號為頻率信號，通過脈沖頻率得到升降機速度值，而速度的方向需用操作信號進行判斷。

重量采集：采集重量信號，用于重量超載控制。該模塊由兩個重量傳感器組成，除了超重控制外，還可檢測載荷分布是否均勻。

人數采集：采集人員數量，防止人員超載。檢測人員數量有兩種方法：方法一，在工人安全帽上安裝RFID標簽，在吊籠內安裝RFID讀寫器，RFID讀寫器讀到的標簽數即為人員數量；方法二，通過攝像頭視頻處理算法得到人員數量。

遠程傳輸模塊：遠程傳輸模塊用于把設備端的運行數據傳輸到遠程服務平臺，即GPRS模塊。

存儲模塊：用于保存設備的運行數據、報警數據、操作記錄等。

控制器輸出：當設備檢測到報警狀態時，輸出控制信號，保證升降機處于安全狀態。輸出控制信號包括超載控制、超員控制、司機管理控制等。

顯示屏：用于為司機顯示設備的運行數據、報警數據、操作記錄等。同時，向司機提供定期維保提示。

層呼叫：每層安裝一個層呼叫器，吊籠內安裝一個接收器。層呼叫無線傳輸功能采用M60模塊實現。

司機管理：司機管理的目的是防止無證人員隨意開啟升降機。實現的方法有兩種：方法一，利用IC卡識別，如果卡號合法，就可以開啟升降機，否則鎖機；方法二，利用人臉識別技術判斷司機是否合法。

2 硬件設計

2.1 主控設計

主控硬件基本框圖如圖3所示。控制器采用LPC2378實現。根據升降機監控參數要求，采集升降機的實時數據。需要采集的信息包括限位信號、操作信號、速度、稱重AD值。

圖3 主控硬件框圖

RS 485通信模塊控制掛載在RS 485總線上的設備，保證各設備間的相互通信。其中，顯示器端作為中心節點，統一調度各節點發送數據的時隙。

采集司機ID：采集司機的ID，具體采集命令根據采集模塊的要求實施。

采集人數：計算吊籠門從開啟到關閉時的籠內人數，從而確定吊籠內部的乘坐人數。具體采集命令待定。

與顯示屏板通信：與顯示屏通信的數據幀包括實時數據幀、參數讀取幀、參數配置幀和維保提示幀。

2.2 RS 485通信模塊

2.3 人臉機

本文選用飛瑞斯公司的辨臉通人臉機，可注冊多名司機或管理員身份信息及頭像。該人臉機基于“人臉無法替代”的特性和為企業級用戶提供“便捷&有效”的考勤管理理念而設計，將最新Face Image+ V4人臉識別算法配合強大的ARM處理器，實現脫機使用，系統工作穩定。同時，通過專利設計的“多光源人臉識別”技術與高性能、低功耗ARM處理器的完美結合，分析人臉特征作為身份識別的依據，提供準確的考勤記錄，取代市場上的指紋、打卡考勤機。

人臉機采用RS 485輸出接口，與顯示器和主控之間采用RS 485通信。

2.4 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊用于主控和后臺之間的數據交互，包括設備注冊、心跳保活、狀態上報、遠程參數配置、司機照片上傳及違章信息上傳等。

3 軟件設計

3.1 主控端任務

主控端主要劃分為傳感器信號采集任務、計算任務、輸出任務、GPRS通信任務及與顯示屏通信任務等，主控任務流程如圖4所示。

顯示器任務主要分為層呼叫采集任務、與控制器通信任務、輸出聲光報警任務及顯示任務等，如圖5所示。

圖4 主控任務流程圖

3.2 顯示器任務

3.3 人臉識別流程

人臉識別流程如圖6所示。

上電開機后，人臉識別設備進入待機休眠模式，點擊屏幕，進入識別模式。識別成功后，向上位機發送識別成功幀，包括司機ID號（4 B），之后結束識別進入休眠模式；如果識別失敗，向上位機發送識別失敗幀并進入休眠模式。

圖5 顯示器任務

圖6 人臉識別流程

3.4 系統數據流圖

系統數據流圖如圖7所示。整體上可歸納為實時參數和配置參數的流向過程。

3.5 主控計算任務

主控計算任務用于計算升降機當前的安全狀態。

3.5.1 自檢

自檢分為兩部分：一部分直接檢查系統自身各傳感器是否正常工作；另一部分通過各傳感器信號之間的邏輯關系進行故障判斷。

3.5.2 載重計算

載重計算方法為：

W=（W終－W起）/（AD－AD起）×（AD終－AD起）+W起式中，AD為兩個傳感器AD值的平均值。

3.5.3 速度和高度計算

速度和高度計算方法：位置1。

超速報警：當升降機運行速度大于安全速度時，超速報警位置1。

無證司機報警：當系統未檢測到合法司機，但設備被啟動時，系統報警。

3.5.5 數據存儲

要求存儲的數據包括每次開機時長、實時數據和操作記錄等。

圖7 系統數據流圖

SPEED=m脈沖×步長

高度=原有高度+SPEED×脈沖時間

高度在吊籠底且籠門打開時清零。

3.5.4 報警計算

超載報警：當載重量大于報警設定值時，超載報警位置1。

偏載報警：當兩個稱重傳感器測量到的載重量差值大于偏載設定值時，偏載報警位置1。

超員報警：當前載重人數超過報警設定值時，超員報警

4 系統使用

監控平臺的主要功能包括司機身份管理、日常維保管理、運行狀態管理、安裝維保鎖定、設備在線管理及報警管理等。監控平臺實時數據頁面如圖8所示。

圖8 平臺實時數據頁面

5 結 語

本文針對施工升降機安全施工要求，設計了基于人臉識別的施工升降機監測系統。采用人臉機識別司機，消除了IC卡和指紋儀識別的缺點，對司機的識別率高達99%以上。采用多傳感器相結合的方式，對施工升降機施工過程中的數據進行實時采集和監控，極大地降低了因違規操作帶來的安全事故。該系統數據采集準確率高，穩定性好，整體成本低，具有較高的實用價值。