熊 治， 張?zhí)煊拢?張 桐， 李彥林， 張 齊

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

引言

隨著社會經濟的飛速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)對起重機械的需求越來越大，起重機械屬于涉及生命安全、危險性較大的特種設備，額定起重量大于等于3 t且提升高度大于等于2 m的起重機由國家納入特種設備目錄進行管理[1]。據國家市場監(jiān)管總局統(tǒng)計，截止2017年底，全國起重機械數量達223.75萬臺，占特種設備總量17.3%，但起重機械的事故發(fā)生率僅次于電梯。

1 研究背景

橋門式起重機是起重機中數量最大的一類，通常體積龐大、結構相對復雜，需要在較大空間范圍內運行。隨著起重機制造技術的快速發(fā)展和遙控技術的運用，橋門式起重機朝著輕量化、智能化、自動化的趨勢發(fā)展。操作人員需要依據操作規(guī)范，方能順利完成貨物的吊裝、運行、卸載等工作。安全操作起重機，快速完成吊裝任務，這對起重機操作人員的綜合素質與業(yè)務技能提出了更高的要求。起重機司機和指揮人員的操作不僅涉及自身安全，而且與起重機、他人生命和吊裝貨物安全密切相關。如果操作不當將造成重大的安全事故和經濟損失。因此，操作人員上崗前必須進行相應的安全教育和技能培訓，通過嚴格考核合格后持證方能上崗[2]。

目前，橋門式起重機操作人員考試主要采取傳統(tǒng)的人工評分方式。操作人員根據考試規(guī)范依次操作起重機完成起步、定點落物、曲線運行、卸載等動作，考評員根據動作完成度和耗時情況，對碰桿、倒桿等錯誤行為進行扣分，最后予以綜合評價。人工評價主要依賴考評員對考試過程的事實判斷，帶有一定的主觀因素，且對錯誤行為無法回放，可能存在誤判或者爭議。自動評分系統(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，橋門式起重機實操考試應用信息化、自動化手段是大勢所趨，自動評分系統(tǒng)就是基于無線傳感器網絡技術，建立全自動、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，極大地提高考試評判的準確性、客觀性和公正性[3]。

2 系統(tǒng)組成

基于無線傳感器網絡的橋門式起重機考試全自動評分系統(tǒng)主要由考試過程檢測部分、現場監(jiān)控控制單元、視頻監(jiān)控部分、終端計算機等四大部分組成（見圖1）。監(jiān)測部分能夠及時、完整地獲取考生操作起重機在考試全過程中的動態(tài)信息，采集考試操作過程中的各種狀態(tài)信號，并通過無線網絡實現數據信息的實時傳輸。信號經過控制單元處理、數據加密打包后，通過RS485總線傳送給終端計算機，在上位機軟件中通過判定規(guī)則和邏輯關系進行綜合評判，視頻監(jiān)控系統(tǒng)亦可對關鍵時點進行抓拍，考試全程由高清攝像機進行視頻錄像，實現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

根據橋門式起重機實作考試評分規(guī)則，考生在考試過程中對起重機各項操作狀態(tài)信號進行實時采集，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

根據考試評分規(guī)則，考生在考試過程中，吊桶必須按照規(guī)定的路線通過各個定位樁。系統(tǒng)擬采用高精度超聲波定位系統(tǒng)對吊桶的位置進行定位，定位時間間隔大約為2 s/次。根據定位數據，得出吊桶在定位樁區(qū)域內的運行軌跡（見圖2）。

圖2 吊桶壓餅及曲線運行路線

2.1.2 壓餅檢測

采用高精度室內定位系統(tǒng)，檢測吊桶擺放位置，并計算吊桶中心偏離位置，由此判斷吊桶是否正確落在目標區(qū)域。超聲波定位返回數據（見圖3）。

圖3 壓餅位置檢測數據顯示

2.1.3 碰桿、倒桿檢測

采用姿態(tài)傳感器，可以對吊桶姿態(tài)及定位樁姿態(tài)進行有效的實時檢測，并由此判斷定位樁的擦桿、倒樁情況。

各傳感器節(jié)點使用低功耗Zigbee無線通信模塊，構建無線傳感器網絡。該傳感器具有體積小、低功耗、無需布線、安裝方便等優(yōu)點，只需將傳感器直接捆綁或者粘貼到吊桶及定位樁上即可?？煽焖俅罱荚噲龅?，進一步提升本系統(tǒng)的市場推廣性[4]。

2.2 現場監(jiān)控控制單元

利用自主研發(fā)的數據采集設備與終端計算機通過RS485總線進行數據通信。實現現場傳感設備和電腦端的遠程數據通信。通信模塊采用高性能工業(yè)級無線模塊，為用戶提供高速、穩(wěn)定可靠的數據傳輸通道。

2.3 視頻監(jiān)控部分

通過在考試場地布置高清攝像機，實行考試場地全覆蓋（見圖4）。對考生考試過程進行全程錄像。當考生出現違規(guī)操作時，系統(tǒng)自動抓拍圖像記錄并保存，便于事后查證。

圖4 系統(tǒng)現場布置示意圖

2.4 終端計算機部分

終端計算機自行開發(fā)考試評分系統(tǒng)軟件，根據前端反饋數據，按照考試評分規(guī)則和邏輯關系，逐項實現自動評分并加總。主要功能包括：數據同步、自動評分、考試模擬動畫、移動端評分界面、考試成績記錄等。

2.4.1 數據同步

數據同步需要與現已開發(fā)使用的質量安全人員管理系統(tǒng)進行數據接口交互。數據同步內容包括考試學員身份信息及科目、項目、時間等信息[5]。

2.4.2 自動評分

傳感器設備將實時采集的數據通過傳輸節(jié)點返回。軟件端需要監(jiān)聽數據接口，在有數據返回時，拿到數據并對數據根據自定義的數據格式進行解析，并將解析后的數據交由后續(xù)自動評分處理完成自動評分（見圖 5）。

圖5 數據傳輸示意圖

2.4.3 考試模擬動畫

通過硬件傳感器信號數據，在軟件的考試評分界面中展示學員考試過程的模擬動畫（見圖6）?？荚噭赢嬓枰獢z像頭與模擬動畫配合完成，攝像頭可真實展示考試全過程，模擬動畫則可通過硬件傳感器數據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)進行展示。

圖6 模擬動畫圖

2.4.4 移動端評分界面

軟件系統(tǒng)的評分可在電腦端或者移動端進行（見圖7）。評分內容依據考試大綱及評分表，逐項進行評分，最后加總。評分界面如下圖7所示。

圖7 評分系統(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，評分系統(tǒng)完成自動評分，并顯示在LED屏上。

有權限的系統(tǒng)用戶可在成績記錄查詢模塊中查看考試記錄?？蓡为殞δ硹l考試記錄信息進行查看考試評分表、考試錄像和考試違規(guī)截圖等操作。

3 結語

基于無線傳感器網絡的橋門式起重機考試全自動評分系統(tǒng)，充分利用嵌入式、物聯網、互聯網技術，實現了橋門式起重機實操考試過程中（起步、行駛、卸貨等）各種狀態(tài)信號的實時采集，并傳送到上位機評分系統(tǒng)完成自動評分。該系統(tǒng)不影響起重機的正常工作，具有操作簡單、抗干擾性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。橋門式起重機實操考試模式由傳統(tǒng)人工評價方式向全自動評分方式轉變，極大地提高了考試公正性和效率，對其他類別特種設備考試信息化升級也有積極借鑒意義[6]。