集裝箱正面起重機安全監控系統*

張彥慶 張向東

中國鐵路北京局集團有限公司貨運部 北京 100045

0 引言

集裝箱正面起重機（以下簡稱集裝箱正面吊）是裝卸搬運集裝箱機電液一體化的專用機械，隨著鐵路集裝箱作業的快速增長, 由于其作業靈活性和較高的生產效率，集裝箱正面吊已經成為鐵路集裝箱作業場站的主型裝卸機械[1]。集裝箱正面吊在露天場內作業，作業環境復雜，且在鐵路貨場分布分散，傳統管理方式管理難度大，管理手段落后，對集裝箱正面吊的作業運行情況監控不到位，缺少養護維修檢修數據的采集統計，機械故障發生率較高，時常發生撞軋人員，造成嚴重人身傷害或死亡事故。因此，利用互聯網+設備的理念，借助傳感器、數據采集、數據傳輸、衛星定位、統計分析、圖像檢測、人體識別等技術，本文研究設計了集裝箱正面吊安全監控系統，為集裝箱正面吊運行狀態監測管理及安全管理提供技術手段。

1 集裝箱正面吊安全監控系統的構成

如圖1所示，集裝箱正面吊安全監控系統由運行狀態監控模塊和人體識別模塊組成。

圖1 集裝箱正面吊安全監控系統構成示意圖

1.1 運行狀態監控模塊

運行狀態監控模塊由數據采集、數據傳輸、車載終端、車載監控、遠程中心和系統軟件等組成，系統采集運行參數、燃油損耗、胎壓胎溫、定位數據、作業箱數等數據，通過有線或無線方式傳輸至車載終端，通過無線網絡傳至遠程中心服務器，由系統軟件進行管理調用，集裝箱正面吊司機可通過車載監控顯示器對數據進行監控，發現問題立即處理。

1）數據采集 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，以串行的方式實時采集集裝箱正面吊的運行狀態數據。

2）車載終端 車載數據采集終端是數據采集單元的核心，由32位精簡指令ARM處理器設計，通訊端口均采用全光電隔離設計，具備雷擊和浪涌防護。車載數據采集終端有網口、3G/4G接口、獨立的CAN接口、無線胎壓傳感器接口、RS232/RS485接口和GPS數據接口，便于數據采集[2]。

3）數據傳輸 采集的集裝箱正面吊運行狀態數據通過車載數據采集終端內置的3G/4G無線通信模塊，借助TCP/IP通訊協議，以HTTP數據方式傳送到遠程數據服務器上。

4）車載監控 采用高分辨率顯示器，將采集的集裝箱正面吊運行數據實時展示于屏幕，司機實時進行監控，發現報警信息時，及時處理。

5）遠程中心 遠程中心是數據匯集和處理場所，匯集的監控數據通過核驗、分析等處理，存儲于服務器的數據庫，為管理人員提供數據查詢、調用等服務。

6）系統軟件 設備管理人員使用系統軟件登錄PC機或移動終端設備，通過系統軟件實現對集裝箱正面吊的遠程實時監控、管理和維護。

1.2 人體識別模塊

人體識別模塊由攝像裝置、圖像處理、圖像顯示、報警控制等組成。安裝于集裝箱正面吊后部及兩側的攝像裝置采集圖像并傳輸至圖像處理系統，以分析判斷是否被檢測目標為人體。當人體進入預設的安全警戒區域時觸發報警，視頻流疊加報警信號輸出到顯示屏上，同時向司機及目標人體發出報警音響，并在出現危急情況時能實現自動剎車及自動脫擋。

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數字降噪、寬動態、強光抑制等優點，IP65的防護等級，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，同時處理2路30幀圖像，實現實時圖像的快速檢測；利用計算機處理器分析每一幀圖像，對檢測目標進行定位。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節，可屏蔽電源按鈕實現屏幕不可關閉，設定顯示屏最小聲音等級。

4）報警控制 人體目標進入警戒區域即觸發系統報警，顯示器、機外揚聲器同時報警，提示司機及行人有危險[3]。

5）強制停車 當人進入設定危險區域內時，輸出IO報警信號控制自動脫擋和自動剎車。

2 集裝箱正面吊安全監控系統技術方案

集裝箱正面吊安全監控系統技術方案由運行狀態監控和人體識別2部分組成，為集裝箱正面吊的正常運行和作業安全提供技術保障。

2.1 運行狀態監控技術方案

運行狀態監控模塊采用傳感技術和無線通信技術采集數據至車載終端，司機進行實時監控，并傳輸至遠程中心服務器，通過系統軟件實現遠程設備管理。其中，實現數據準確采集是運行狀態監控模塊的基礎和技術關鍵。

1）運行狀態參數采集 發動機和變速器是集裝箱正面吊的重要部件，須保障發動機、變速器主要運行參數和液壓系統參數正常。利用CAN數據總線采集發動機轉速、冷卻液溫度、機油油壓、變速器溫度、車速等關鍵參數，車載數據采集終端通過解析CAN總線數據獲取運行狀態參數。通過監測參數的變化，判斷設備運行技術狀態，及時進行維護，減少故障的發生。

2）油耗采集 集裝箱正面吊發動機采用電控電噴技術，根據設備工況和進氣量精確控制噴油量，讀取發動機工作時的噴油量；依據發動機的轉速、車速等采用電噴數據計算法，推算出瞬時油耗和累加油耗，再將油耗數據通過CAN總線傳輸到車載數據采集終端，實時監控集裝箱正面吊的油耗變化，避免發動機故障及油耗虛報等情況發生。

3）輪胎胎壓胎溫數據采集 集裝箱正面吊輪胎胎壓胎溫超出正常范圍會降低使用壽命、增加油耗、爆胎等。對集裝箱正面吊胎壓胎溫進行實時監測，超出胎壓胎溫正常范圍時，立即發出報警信息，提示采取相應措施，使輪胎處于安全運行狀態。胎壓胎溫監測通過安裝在輪胎的傳感器模塊采集胎壓胎溫數據，無線發射至接收模塊，以串口方式將數據傳輸給車載數據采集終端，數據信息顯示于車載監控，通過3G/4G無線通信模塊發送到遠程數據中心，如圖2所示。

圖2 輪胎胎壓胎溫數據采集示意圖

4）定位數據采集 車載數據采集終端的GPS接收機接收定位衛星的定位數據，由車載數據終端的3G/4G無線通信模塊將集裝箱正面吊定位數據傳輸到遠程監控中心，遠程監控中心通過與GIS電子地圖匹配，實現集裝箱正面吊的定位[4]。

5）作業箱數采集 車載數據終端根據吊具操作指令，按照集裝箱正面吊的吊箱計數通訊協議，對集裝箱吊裝進行計數，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，分別統計20 ft集裝箱和40 ft集裝箱的吊箱次數。

2.2 人體識別技術方案

人體識別模塊的主要目標是保證作業區人員的安全，技術設計要求實現只對人體目標進行檢測識別、精確人機距離定位、對司機和行人報警提示、遇危險情況能自動強制停車、數據存儲分析等工作。

1）人體檢測識別 采用高速攝像機采集設備周圍圖像，將圖像視頻流數據實時傳送給計算機控制處理器，計算機處理器分析每一幀圖像，根據深度學習模型的行人檢測算法判斷是否存在行人特征，判定被檢測目標是否行人，當判定檢測目標為人時，則把目標框住并跟蹤目標移動。

2）人機距離定位 高速攝像機將圖像視頻流數據實時傳送給計算機控制處理器，經檢測確定為人體時，計算出人體與設備之間的距離，并跟蹤目標移動，識別是否進入到危險區域。

3）報警提示 控制處理器通過計算行人與設備之間的距離來識別危險程度。當被鎖定的行人進入預設的安全警戒區域時系統自動觸發報警，處理器將視頻流疊加報警信號輸出到顯示屏上，提示司機注意，主控制器輸出電信號控制揚聲器，對行人發出警報。

4）強制停止運行 控制處理器通過計算行人與設備之間的距離，同時識別行人及設備的行進方向以及行進速度，分析碰撞機率。當識別出有人進入危險區域有可能碰撞時，發出報警信號給自動脫擋及自動剎車功能區，使設備及時停止運行，防止碰撞。

5）數據存儲分析 系統將識別出來的人員位置、環境、時間以及設備信息等數據存儲于數據庫，并進行數據分析，為人機安全管理提供技術數據，便于加強人機安全管理。

3 集裝箱正面吊安全監控系統功能

集裝箱正面吊安全監控系統的主要功能包括實時運行監控、設備管理維護、設備定位及軌跡回放、統計分析、人身安全保障等，如圖3所示。司機通過本系統對設備狀態參數進行監測、對作業區的人進行安全監控，管理人員可利用移動終端隨時隨地訪問和辦公，對集裝箱正面吊進行管理。

圖3 集裝箱正面吊安全監控系統功能

3.1 實時運行監控功能

實時運行監控包括運行數據監控、報警提示和輪胎胎壓胎溫監測。運行監控數據均被存儲在遠程服務器數據庫中，方便調閱查詢，歷史追溯[5]。

1）運行數據監控 運行數據監控可實時監測開機狀態、發動機轉速、冷卻液溫度、機油油壓、變速器溫度、車速、瞬時油耗、吊箱次數、工作小時、燃油油耗、行駛里程等，如圖4所示。

圖4 集裝箱正面吊實時運行狀態監控

2）報警提示 實時監控正面吊監測數據異常信息，并以不同的顏色區分不同的級別，根據報警信息的級別以聲、光、電提示或圖表顯示。司機、移動終端可接收實時報警信息，以便及時停機處理，防止發生故障，影響生產。

3）輪胎胎壓胎溫監測 顯示集裝箱正面吊左前內側和外側輪胎、右前內側和外側輪胎、左后側輪胎、右后側輪胎的胎溫胎壓，胎溫胎壓異常時用不同顏色表示，且輪胎圖標閃爍顯示，如圖5所示。

圖5 輪胎胎壓胎溫監控

3.2 設備管理維護功能

1）基礎信息管理 錄入集裝箱正面吊的設備編號、型號、主要零部件型號、運行時間、投入使用時間、設備照片等基礎信息。

2）維保管理 記錄設備維修保養制度落實情況，設備維修保養的人員、時間、內容、驗收等信息以圖片、文檔形式存檔，便于監督維保質量。

3）故障管理 記錄存儲故障與報警信息，按照故障與報警級別向相應的監管人員推送信息，監管人員可隨時登錄系統查詢，便于及時處理。系統內設有常見問題解決方案，提供解決建議，提高排故效率。

3.3 設備定位及軌跡回放功能

集裝箱正面吊GPS歷史定位數據和GIS電子地圖匹配，實時顯示設備實際的位置，并按照自定義方式查詢顯示設備的運行軌跡和行駛里程，可回放[6]。

3.4 統計分析功能

1）作業統計分析 對集裝箱正面吊的工作時間、吊箱次數(包括20 ft和40 ft吊箱次數)、集裝箱正面吊使用情況(包括工作、怠速、停車時)、總油耗、瞬時油耗等進行統計，為管理人員制定設備保養計劃提供數據依據[7]。

2）運行參數統計分析 對集裝箱正面吊的冷卻液溫度、剎車油溫度、發動機轉速、變速器壓力和溫度、機油油壓、液壓油溫度、蓄電池電壓、車速、輪胎胎壓胎溫等參數按照選定周期進行統計分析，生成報表，便于管理人員和維護人員對正面吊的技術狀態進行分析和判斷。

3.5 人身安全保障功能

集裝箱正面吊作業區環境較復雜，人員進入作業區的現象屢禁不止，人體識別模塊為集裝箱正面吊作業防止撞軋人員的發生提供了保障。

1）人體準確快速識別 能對多種姿態的人員進行包括站立、下蹲、半蹲、騎自行車等的準確識別，如圖6所示。能對多個人體目標進行快速探測識別，每秒可處理30幀圖像，報警響應時間小于500 ms。

圖6 人體檢測識別

2）自適應光線場景 能在強光、逆光和夜間弱光場景條件下有效識別人員。

3）自定義報警區域 根據現場實際環境，可自行標定危險作業區域范圍（半徑1～15 m），人員在危險區域外則不干擾司機正常工作；可實現多種偵測角度和區域組合（90o～360o），滿足不同安全駕駛需要，如圖7所示。

圖7 自定義報警區域

4）實時監控及報警 實時輸出視頻圖像，當有人進行設定區域時，對司機和行人發出聲音報警，顯示屏明暗度和報警音量可調節。

5）緊急停車聯鎖 當人與機械距離達到緊急危險狀態時，發出報警信號并自動脫擋、剎車，強制集裝箱正面吊停止運行，在消除安全隱患后方可繼續作業，確保人身安全。

4 結束語

集裝箱正面吊安全監控系統是以數據采集為載體、數據分析處理終端為核心，對集裝箱正面吊運行狀態參數、作業數據、養護維修檢修記錄、人體圖像識別及距離等進行分析處理，生成數據報表、趨勢分析、數據報警等信息，為集裝箱正面吊在操作、保養、檢查、維修、作業安全等方面提供高效管理路徑，保證作業人身安全,有廣闊的應用前景，適用機械設備范圍廣，可應用于裝載機、挖掘機、汽車起重機、抓（扒）料機等流動式裝卸機械設備。隨著應用技術的發展，集裝箱正面吊運用管理的智能化將是發展趨勢[8]。