在我國沿海地區(qū)港口卸貨裝貨日益繁忙的背景下，集裝箱起重機的使用率也逐漸加大，而安全卻是重中之重。

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(yè)的快速增長 , 由于其作業(yè)靈活性和較高的生產(chǎn)效率，集裝箱正面吊已經(jīng)成為鐵路集裝箱作業(yè)場站的主型裝卸機械。集裝箱正面吊在露天場內(nèi)作業(yè)，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，且在鐵路貨場分布分散，傳統(tǒng)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(yè)運行情況監(jiān)控不到位，缺少養(yǎng)護(hù)維修檢修數(shù)據(jù)的采集統(tǒng)計，機械故障發(fā)生率較高，時常發(fā)生撞軋人員，造成嚴(yán)重人身傷害或死亡事故。因此，利用互聯(lián)網(wǎng) + 設(shè)備的理念，借助傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星定位、統(tǒng)計分析、圖像檢測、人體識別等技術(shù)，本文研究設(shè)計了集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)，為集裝箱正面吊運行狀態(tài)監(jiān)測管理及安全管理提供技術(shù)手段。

1 集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖 1 所示，集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)由運行狀態(tài)監(jiān)控模塊和人體識別模塊組成。

1.1運行狀態(tài)監(jiān)控模塊

運行狀態(tài)監(jiān)控模塊由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、車載終端、車載監(jiān)控、遠(yuǎn)程中心和系統(tǒng)軟件等組成，系統(tǒng)采集運行參數(shù)、燃油損耗、胎壓胎溫、定位數(shù)據(jù)、作業(yè)箱數(shù)等數(shù)據(jù)，通過有線或無線方式傳輸至車載終端，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至遠(yuǎn)程中心服務(wù)器，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行管理調(diào)用，集裝箱正面吊司機可通過車載監(jiān)控顯示器對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題立即處理。

1）數(shù)據(jù)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(tài)數(shù)據(jù)。

2）車載終端 車載數(shù)據(jù)采集終端是數(shù)據(jù)采集單元的核心，由 32 位精簡指令 ARM 處理器設(shè)計，通訊端口均采用全光電隔離設(shè)計，具備雷擊和浪涌防護(hù)。車載數(shù)據(jù)采集終端有網(wǎng)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(shù)據(jù)接口，便于數(shù)據(jù)采集。

3）數(shù)據(jù)傳輸 采集的集裝箱正面吊運行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過車載數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)置的 3G/4G 無線通信模塊，借助TCP/IP 通訊協(xié)議，以 HTTP 數(shù)據(jù)方式傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器上。

4）車載監(jiān)控 采用高分辨率顯示器，將采集的集裝箱正面吊運行數(shù)據(jù)實時展示于屏幕，司機實時進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)報警信息時，及時處理。

5）遠(yuǎn)程中心 遠(yuǎn)程中心是數(shù)據(jù)匯集和處理場所，匯集的監(jiān)控數(shù)據(jù)通過核驗、分析等處理，存儲于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，為管理人員提供數(shù)據(jù)查詢、調(diào)用等服務(wù)。

6）系統(tǒng)軟件 設(shè)備管理人員使用系統(tǒng)軟件登錄 PC機或移動終端設(shè)備，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對集裝箱正面吊的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控、管理和維護(hù)。

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(cè)的攝像裝置采集圖像并傳輸至圖像處理系統(tǒng)，以分析判斷是否被檢測目標(biāo)為人體。當(dāng)人體進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全警戒區(qū)域時觸發(fā)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(biāo)人體發(fā)出報警音響，并在出現(xiàn)危急情況時能實現(xiàn)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(shù)字降噪、寬動態(tài)、強光抑制等優(yōu)點，IP65 的防護(hù)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(xiàn)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(biāo)進(jìn)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(diào)節(jié)，可屏蔽電源按鈕實現(xiàn)屏幕不可關(guān)閉，設(shè)定顯示屏最小聲音等級。

4）報警控制 人體目標(biāo)進(jìn)入警戒區(qū)域即觸發(fā)系統(tǒng)報警，顯示器、機外揚聲器同時報警，提示司機及行人有危險。

5）強制停車 當(dāng)人進(jìn)入設(shè)定危險區(qū)域內(nèi)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(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案

集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案由運行狀態(tài)監(jiān)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(yè)安全提供技術(shù)保障。

2.1 運行狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)方案

運行狀態(tài)監(jiān)控模塊采用傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)采集數(shù)據(jù)至車載終端，司機進(jìn)行實時監(jiān)控，并傳輸至遠(yuǎn)程中心服務(wù)器，通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備管理。其中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集是運行狀態(tài)監(jiān)控模塊的基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵。

1）運行狀態(tài)參數(shù)采集 發(fā)動機和變速器是集裝箱正面吊的重要部件，須保障發(fā)動機、變速器主要運行參數(shù)和液壓系統(tǒng)參數(shù)正常。利用 CAN 數(shù)據(jù)總線采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、機油油壓、變速器溫度、車速等關(guān)鍵參數(shù)，車載數(shù)據(jù)采集終端通過解析 CAN 總線數(shù)據(jù)獲取運行狀態(tài)參數(shù)。通過監(jiān)測參數(shù)的變化，判斷設(shè)備運行技術(shù)狀態(tài)，及時進(jìn)行維護(hù)，減少故障的發(fā)生。

2）油耗采集 集裝箱正面吊發(fā)動機采用電控電噴技術(shù)，根據(jù)設(shè)備工況和進(jìn)氣量精確控制噴油量，讀取發(fā)動機工作時的噴油量；依據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、車速等采用電噴數(shù)據(jù)計算法，推算出瞬時油耗和累加油耗，再將油耗數(shù)據(jù)通過 CAN 總線傳輸?shù)杰囕d數(shù)據(jù)采集終端，實時監(jiān)控集裝箱正面吊的油耗變化，避免發(fā)動機故障及油耗虛報等情況發(fā)生。

3）輪胎胎壓胎溫數(shù)據(jù)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(jìn)行實時監(jiān)測，超出胎壓胎溫正常范圍時，立即發(fā)出報警信息，提示采取相應(yīng)措施，使輪胎處于安全運行狀態(tài)。胎壓胎溫監(jiān)測通過安裝在輪胎的傳感器模塊采集胎壓胎溫數(shù)據(jù)，無線發(fā)射至接收模塊，以串口方式將數(shù)據(jù)傳輸給車載數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)信息顯示于車載監(jiān)控，通過 3G/4G 無線通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，如圖 2 所示。

4）定位數(shù)據(jù)采集 車載數(shù)據(jù)采集終端的 GPS 接收機接收定位衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)，由車載數(shù)據(jù)終端的 3G/4G無線通信模塊將集裝箱正面吊定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過與 GIS 電子地圖匹配，實現(xiàn)集裝箱正面吊的定位。

5）作業(yè)箱數(shù)采集 車載數(shù)據(jù)終端根據(jù)吊具操作指令，按照集裝箱正面吊的吊箱計數(shù)通訊協(xié)議，對集裝箱吊裝進(jìn)行計數(shù)，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(tǒng)計 20 ft 集裝箱和40 ft 集裝箱的吊箱次數(shù)。

2.2 人體識別技術(shù)方案

人體識別模塊的主要目標(biāo)是保證作業(yè)區(qū)人員的安全，技術(shù)設(shè)計要求實現(xiàn)只對人體目標(biāo)進(jìn)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(shù)據(jù)存儲分析等工作。

1）人體檢測識別 采用高速攝像機采集設(shè)備周圍圖像，將圖像視頻流數(shù)據(jù)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(jù)深度學(xué)習(xí)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(biāo)是否行人，當(dāng)判定檢測目標(biāo)為人時，則把目標(biāo)框住并跟蹤目標(biāo)移動。

2）人機距離定位 高速攝像機將圖像視頻流數(shù)據(jù)實時傳送給計算機控制處理器，經(jīng)檢測確定為人體時，

計算出人體與設(shè)備之間的距離，并跟蹤目標(biāo)移動，識別是否進(jìn)入到危險區(qū)域。

3）報警提示 控制處理器通過計算行人與設(shè)備之間的距離來識別危險程度。當(dāng)被鎖定的行人進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全警戒區(qū)域時系統(tǒng)自動觸發(fā)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(fā)出警報。

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

5）數(shù)據(jù)存儲分析 系統(tǒng)將識別出來的人員位置、環(huán)境、時間以及設(shè)備信息等數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為人機安全管理提供技術(shù)數(shù)據(jù)，便于加強人機安全管理。

3 集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)功能

集裝箱正面吊安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括實時運行監(jiān)控、設(shè)備管理維護(hù)、設(shè)備定位及軌跡回放、統(tǒng)計分析、人身安全保障等，如圖 3 所示。司機通過本系統(tǒng)對設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測、對作業(yè)區(qū)的人進(jìn)行安全監(jiān)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(jìn)行管理。

3.1 實時運行監(jiān)控功能

 

實時運行監(jiān)控包括運行數(shù)據(jù)監(jiān)控、報警提示和輪胎胎壓胎溫監(jiān)測。運行監(jiān)控數(shù)據(jù)均被存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，方便調(diào)閱查詢，歷史追溯。

1）運行數(shù)據(jù)監(jiān)控 運行數(shù)據(jù)監(jiān)控可實時監(jiān)測開機狀態(tài)、發(fā)動機轉(zhuǎn)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(shù)、工作小時、燃油油耗、行駛里程等，如圖 4 所示。

2）報警提示 實時監(jiān)控正面吊監(jiān)測數(shù)據(jù)異常信息，并以不同的顏色區(qū)分不同的級別，根據(jù)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(fā)生故障，影響生產(chǎn)。

3）輪胎胎壓胎溫監(jiān)測 顯示集裝箱正面吊左前內(nèi)側(cè)和外側(cè)輪胎、右前內(nèi)側(cè)和外側(cè)輪胎、左后側(cè)輪胎、右后側(cè)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(biāo)閃爍顯示，如圖 5 所示。

3.2 設(shè)備管理維護(hù)功能

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

2）維保管理 記錄設(shè)備維修保養(yǎng)制度落實情況，設(shè)備維修保養(yǎng)的人員、時間、內(nèi)容、驗收等信息以圖片、文檔形式存檔，便于監(jiān)督維保質(zhì)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(yīng)的監(jiān)管人員推送信息，監(jiān)管人員可隨時登錄系統(tǒng)查詢，便于及時處理。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有常見問題解決方案，提供解決建議，提高排故效率。

3.3 設(shè)備定位及軌跡回放功能

集裝箱正面吊 GPS 歷史定位數(shù)據(jù)和 GIS 電子地圖匹配，實時顯示設(shè)備實際的位置，并按照自定義方式查詢顯示設(shè)備的運行軌跡和行駛里程，可回放。

3.4 統(tǒng)計分析功能

1）作業(yè)統(tǒng)計分析 對集裝箱正面吊的工作時間、吊箱次數(shù) ( 包括 20 ft 和 40 ft 吊箱次數(shù) )、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(jìn)行統(tǒng)計，為管理人員制定設(shè)備保養(yǎng)計劃提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2）運行參數(shù)統(tǒng)計分析 對集裝箱正面吊的冷卻液溫度、剎車油溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)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(shù)按照選定周期進(jìn)行統(tǒng)計分析，生成報表，便于管理人員和維護(hù)人員對正面吊的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行分析和判斷。

3.5 人身安全保障功能

集裝箱正面吊作業(yè)區(qū)環(huán)境較復(fù)雜，人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)的現(xiàn)象屢禁不止，人體識別模塊為集裝箱正面吊作業(yè)防止撞軋人員的發(fā)生提供了保障。

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

2）自適應(yīng)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(qū)域 根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境，可自行標(biāo)定危險作業(yè)區(qū)域范圍（半徑 1 ～ 15 m），人員在危險區(qū)域外則不干擾司機正常工作；可實現(xiàn)多種偵測角度和區(qū)域組合（90o ～ 360o），滿足不同安全駕駛需要，如圖 7 所示。

4）實時監(jiān)控及報警 實時輸出視頻圖像，當(dāng)有人進(jìn)行設(shè)定區(qū)域時，對司機和行人發(fā)出聲音報警，顯示屏明暗度和報警音量可調(diào)節(jié)。

5）緊急停車聯(lián)鎖 當(dāng)人與機械距離達(dá)到緊急危險狀態(tài)時，發(fā)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(xù)作業(yè)，確保人身安全。