陳 星 張國健 冀行方

海南省鍋爐壓力容器與特種設備檢驗所 海口 570203

1 起重機檢測技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 起重機檢測背景

起重機常用于交通，電力，建筑，造船及港口等多個領域，在我國的社會建設發(fā)展中起著無可取代的作用，但由于起重機機械結構復雜，其安全性一直是一個需要給予關注的課題。而起重機的監(jiān)管，是保證起重機安全性的一個重要手段。例如，2013年3月，浙江臺州發(fā)生了一起整機傾覆事故，在安裝過程中工人拆除了力矩限制器，而在使用過程中因偶然因素超載，致使起重機起重臂斷裂，整機傾覆[1]。雖然該次事故的源于力矩限制器的拆除，通過對起重機的監(jiān)管，定期檢驗完全可以避免該類事故。但目前對起重機械的檢驗手段還較為簡單，特別是特檢機構還需要安排人工到現(xiàn)場檢查，由于條件限制通常用萬用表、測距儀等易于攜帶的檢測手段，這種方式不僅耗時耗力，效果也不是很理想，由于所監(jiān)管地域廣闊，起重機數(shù)量較多，很難做到全面細致的檢驗。而物聯(lián)網(wǎng)技術作為一種新興的領域，在解決這些問題過程中可以發(fā)揮較大的作用。

1.2 起重機檢測現(xiàn)狀

目前起重機主要的檢測手段有以下幾種：目測檢測、超聲檢測、射線檢測、滲透檢測、振動檢測、電磁檢測[2]以及較新的無人機拍照檢測[3]或文獻[4]提出的一種無人機渦流式檢測的思路。

1）目測檢測 依靠目視檢查機構試運行情況以及量具測量檢測起重機的整體質量狀況。

2）超聲檢測 超聲檢測是無損檢測手段中的一種，且是目前最廣泛應用的檢測手段，它基于壓電品體的逆壓電效應和壓電效應對材料的對接以及貼角焊縫的質量和裂紋進行檢測。

3）射線檢測 射線檢測也是無損檢測手段中的一種，它效率高，適應性強，定位準確，但成本較高，有一定安全隱患，目前主要應用于對起重機鋼結構對接焊縫進行檢測。

4）無人機拍照檢測 無人機拍照檢測是目前較為新型的檢測手段之一，它采用了機器視覺技術，將無人機拍攝的照片經(jīng)過灰度化、濾波處理、二值化、邊緣檢測等數(shù)字圖像處理步驟后經(jīng)過機器學習技術進行特征提取或依靠人工識別對起重機的故障進行診斷。它相較于以前的檢測方式可從更多角度對起重機結構進行檢測，可檢測范圍更大且無需檢測人員登高涉險。

5）無人機渦流式檢測 由于無人機拍照檢測依靠圖像處理對起重機機構進行健康檢測，易受到表面灰塵油污等因素的干擾，對結構內部裂紋的檢測效果也較為一般，周前飛提出了一種思路，即在無人機接觸式檢測手段中除了搭載攝像頭以外無人機還將搭載渦流傳感器等輔助檢測，檢測效率更高。

此外，對金屬結構的檢測方式還有電阻應變、光纖應變、聲發(fā)射等。

2 起重機安全檢查系統(tǒng)架構

本文提出的起重機安全檢查系統(tǒng)依靠工人佩戴專用帶有攝像頭的頭盔，即頭戴式視覺檢測設備，協(xié)助遠程檢測人員拍攝起重機的待檢測部件，如金屬結構、螺栓連接、制動器、吊鉤、鋼絲繩等，并記錄起重機運行過程。除頭盔外同時采用集成電源背包的數(shù)據(jù)采集器，通過M8/M12連接器將高清攝像頭以及磁吸式加速度傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連，所采集到的數(shù)據(jù)將經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器的初步處理后通過4G或5G網(wǎng)絡上傳到遠程服務器，在遠程服務器中用大數(shù)據(jù)，機器視覺等方式來判斷所監(jiān)測起重機螺栓、金屬結構、制動器等部件的狀況，或直接采用人工識別的方式檢查。同時現(xiàn)場工作人員可通過手機上專用的APP，從遠程服務器獲取操作提示以及檢測結果。該檢測系統(tǒng)整體上大致可分為采集模塊、通訊模塊、處理與分析模塊等3部分，如圖1所示。

圖1 起重機檢測系統(tǒng)架構圖

2.1 采集模塊

采集模塊是起重機安全檢查系統(tǒng)的基石，主要包括帶有高清攝像頭的頭戴式檢測設備、磁吸式加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集器，用于從起重機機構上采集相關數(shù)據(jù)。

考慮到起重機的運行環(huán)境較為復雜，例如起重機建設在廠房內，無人機可能會因眾多的電子設備或金屬結構的電磁干擾而喪失自身的定位能力，不能正常運行，其他檢測手段往往需要復雜的安裝步驟，所以該系統(tǒng)采用現(xiàn)場工作人員攜帶頭戴式視覺檢測設備以及集成電源背包的數(shù)據(jù)采集器，磁吸式加速度傳感器的方式進行數(shù)據(jù)采集。頭戴式檢測設備主要用于對起重機危險部位金屬結構(可根據(jù)不斷更新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及由有限元模型得出的理論數(shù)據(jù)判斷危險點)、制動器、吊鉤、鋼絲繩等重要部件，以及起重機關于制動器，高度（深度）限位器，行程限制器等安全裝置的運行情況進行視覺信息采集。磁吸式加速度傳感器則用于采集起重機機構的振動信息。集成電源背包的數(shù)據(jù)采集器通過M8/M12接頭與磁吸式加速度傳感器和高清攝像頭建立數(shù)據(jù)連接，獲取高清攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)和磁吸式加速度傳感器采集到的振動數(shù)據(jù)，并對這些原始數(shù)據(jù)進行預處理。

2.2 通訊模塊

通訊模塊是整個起重機檢查系統(tǒng)的樞紐，負責實現(xiàn)檢測現(xiàn)場與遠程服務器間的數(shù)據(jù)交互，主要包括數(shù)據(jù)采集儀所裝載的4G/5G傳輸模塊和手機平臺上的檢測專用APP。數(shù)據(jù)采集器可將自身預處理過的數(shù)據(jù)采用4G/5G模塊通過網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程服務器當中，現(xiàn)場工作人員可以通過登錄檢測專用APP從遠程服務器獲取檢測結果以及操作指令。而檢驗人員則可通過APP實時與現(xiàn)場工作人員交流，給出判斷結果和檢測步驟的指示。

2.3 處理模塊

處理模塊是對從通訊模塊獲取的現(xiàn)場起重機的數(shù)據(jù)進行進一步處理的地方，主要在遠程服務器當中進行。它將從通訊模塊接收到的數(shù)據(jù)用MySQL數(shù)據(jù)庫或分布式存儲（HDFS）等形式儲存起來，之后可由人工判別或通過機器視覺或機器學習等數(shù)據(jù)處理方式對數(shù)據(jù)進行處理，得到對起重機檢測項目的判斷結果。并設置人機交互界面，檢測人員可通過Web端或APP端查看實時的未處理數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)處理判斷結果。

3 基于視覺的起重機安全檢查方案

基于視覺的檢測方案可以實現(xiàn)檢驗人員遠程對起重機設備的金屬結構、制動器、吊鉤、行程限制器、高度（深度）限位器等重要部件進行檢測。主要由頭戴式檢測設備、集成電源背包的數(shù)據(jù)采集器，遠程服務器，用戶端（包括APP端和Web端）組成。

頭戴式檢測設備是基于視覺的起重機安全檢查方案的核心，如圖2所示。由于該部分主要通過圖像信息對待檢測項目進行評判，對圖像的清晰度就提出了一定的要求，故采用高清攝像機用于拍攝待檢測位置的圖像。橋式起重機一般設置在室內廠房里，其環(huán)境相對昏暗，昏暗的燈光將直接影響拍攝圖像的質量，進而影響檢驗人員對檢驗項目進行檢驗判斷，在頭戴式檢測設備上增加LED照明設備進行光線補充，提高拍攝圖像質量。由于圖像包含數(shù)據(jù)量較大，穩(wěn)定且快速的信號傳輸對整個檢測過程至關重要，這里采用當下傳輸速率較高的4G或5G網(wǎng)絡。

圖2 頭戴式檢測設備

對金屬結構的視覺數(shù)據(jù)采集處理方案為：現(xiàn)場工作人員登錄專用APP，輸入所檢測起重機型號、工況、使用時長等參數(shù)，遠程服務器根據(jù)所接收到起重機信息根據(jù)不斷更新的歷史數(shù)據(jù)以及參考相同類型的起重機有限元分析結果給出該起重機的金屬結構的危險點。并根據(jù)危險點給出現(xiàn)場工作人員應拍攝的起重機金屬結構部位，這些通訊可通過手機平臺上的APP實現(xiàn)。遠程專業(yè)人員通過現(xiàn)場工作人員進行拍攝，并通過網(wǎng)絡及時將處理后數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務器，遠程服務器對采集到的數(shù)字圖像進行灰度化、濾波處理、二值化、邊緣檢測等預處理步驟后，由遠程服務器基于人工識別或大數(shù)據(jù)評判的方式給出相應金屬結構的判斷結果，檢測人員與現(xiàn)場工作人員通過APP或Web實時查看檢測結果。最后遠程服務器將檢測相關數(shù)據(jù)歸檔存儲，作為之后檢測的參考。

對起重機吊鉤、制動器、鋼絲繩等部件的視覺檢測方案為：現(xiàn)場工作人員通過APP輸入吊鉤原始數(shù)據(jù)信息以及使用時長，并根據(jù)提示對吊鉤進行多角度拍攝，所獲得的數(shù)字圖像信息經(jīng)預處理后發(fā)送到遠程服務器當中，遠程服務器根據(jù)吊鉤原始數(shù)據(jù)以及圖像信息對吊鉤進行判斷，并把檢測結果歸檔存儲，把判斷結果反饋至APP端和Web端。對起重機制動片磨損和鋼絲繩的斷絲情況的視覺檢測依照吊鉤處理。對于起重機的復雜機構部分如制動器的零部件，鑄造起重機鉤口防磨保護鞍座等難以采用圖像識別智能處理的部分也可通過拍攝高清圖像發(fā)送至遠程服務器由檢驗人員人工協(xié)助識別。

對起重機運行的錄像拍攝檢測方案：現(xiàn)場工作人員按照要求無負載運行起重機起升、行走等機構，以及緊急停止裝置，采用高清攝像頭按照要求對起升、行走等機構的運動過程進行錄像，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務器由檢驗人員或大數(shù)據(jù)進一步識別，歸檔處理，由此判別起重機行程限制器，高度（深度）限位器，緊急停止裝置的安全狀態(tài)。同樣可以依靠錄像人工識別或大數(shù)據(jù)處理有：液壓制動器有無漏油現(xiàn)象，制動輪與摩擦片摩擦，有無缺陷和油污等情況。

4 基于振動的起重機安全檢查方案

起重機遠程安全檢查系統(tǒng)的振動檢測方案主要由磁吸式傳感器、數(shù)據(jù)采集器、遠程服務器以及用戶端實現(xiàn)。首先由現(xiàn)場工作人員通過APP輸入待檢測起重機的結構、型號以及需要檢驗的問題類型等參數(shù)，由遠程服務器合理地分配測點位置給現(xiàn)場工作人員，之后在相應的測點位置布置磁吸式加速度傳感器用于采集起重機的信號[5]。該振動檢測方案主要通過加速度傳感器來采集起重機的振動信號，通過對振動信號的分析處理完成檢測任務，實現(xiàn)檢測起重機是否存在有螺栓松動、明顯裂紋等問題[6]，所采集到的振動信號通過4G/5G網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程服務器當中。

遠程服務器對采集的數(shù)據(jù)進行分析得到結果是振動檢測方案的關鍵。分析的手段多種多樣，但都需對信號進行時域、頻域或時頻域分析，再通過觀察分析結果做出是否存在問題的判斷，可結合貝葉斯決策、機器學習等一系列大數(shù)據(jù)手段，幫助檢測人員完成決策過程。簡單的方法是對振動信號進行傅里葉變換等手段得到頻域圖像，通過觀察振動信號的調幅和調制等現(xiàn)象粗略地判斷起重機是否存在問題[7]。更進一步的方法是通過對信號的時頻域分析，得到一組能反映當前振動信號的特征值，然后通過貝葉斯決策、KNN近鄰算法、支持向量機等方法對特征值進行模式分類，或者通過神經(jīng)網(wǎng)絡對信號的頻域或時頻域圖像分類得到結果，這樣即可通過大數(shù)據(jù)與相應的算法得出起重機相關檢測項目是否合格的判斷結果。起重機遠程檢測方案的框架和路線如圖3所示。

圖3 振動檢測系統(tǒng)架構圖

5 以橋式起重機為例的實現(xiàn)流程

1) 現(xiàn)場工作人員根據(jù)將所檢測橋式起重機的具體型號、工況、使用年限等信息通過手機端的APP傳輸至遠程服務器，遠程服務器智能規(guī)劃檢測工序及具體操作步驟，并傳遞給現(xiàn)場工作人員的手機端。

2）現(xiàn)場工作人員根據(jù)APP的提示對所要檢測的部位按照所指示操作步驟進行檢測，如拍攝起重機危險點的金屬結構，拍攝起重機制動器、吊鉤、鋼絲繩、限位器等部件的工作狀態(tài)，根據(jù)指示布置磁吸式加速度傳感器，按照指示操作橋式起重機進行起升和行走并錄像等。此時，檢測數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)采集器中預處理后被實時傳輸?shù)竭h程服務器。

3）遠程服務器通過機器視覺或機器學習等數(shù)據(jù)處理手段或結合人工識別對數(shù)據(jù)分種類進行處理，給出對起重機檢測項目的判斷結果，并反饋至現(xiàn)場工作人員的APP端，檢測人員通過APP端和Web端實時查看原始數(shù)據(jù)和判斷結果，并與現(xiàn)場工作人員聯(lián)系。

6 結論

1）起重機檢測對于起重機的安全性具有很重要的意義。利用遠程檢測技術可以進一步提高起重機檢測的效率，降低人工成本，時間成本。

2）本起重機安全檢查系統(tǒng)依靠視覺和振動兩種方式來對起重機進行檢測，并將所采集到的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡或5G網(wǎng)絡進行遠距離傳輸，在服務器端對數(shù)據(jù)進行分析，存儲等處理。

3）本起重機安全檢查系統(tǒng)視覺數(shù)據(jù)依靠頭戴式視覺檢測裝置進行采集。在保證了拍攝角度的靈活性和多邊性的基礎上規(guī)避了無人機在復雜環(huán)境中運行困難的問題。振動數(shù)據(jù)依靠安裝在起重機測點上的磁吸式加速度傳感器進行收集，解決了聲發(fā)射檢測手段易受外界雜聲干擾的實際問題。

4）本起重機檢測系統(tǒng)采取機器學習，機器視覺等數(shù)據(jù)處理技術，能夠在用一定的數(shù)據(jù)訓練后自主判斷起重機故障與否的結果，減少檢驗人員的工作量。