在我国沿海地区港口卸货装货日益繁忙的背景下，集装箱起重机的使用率也逐渐加大，而安全却是重中之重。
集装箱正面起重机（以下简称集装箱正面吊）是装卸搬运集装箱机电液一体化的专用机械，随着铁路集装箱作业的快速增长 , 由于其作业灵活性和较高的生产效率，集装箱正面吊已经成为铁路集装箱作业场站的主型装卸机械。集装箱正面吊在露天场内作业，作业环境复杂，且在铁路货场分布分散，传统管理方式管理难度大，管理手段落后，对集装箱正面吊的作业运行情况监控不到位，缺少养护维修检修数据的采集统计，机械故障发生率较高，时常发生撞轧人员，造成严重人身伤害或死亡事故。因此，利用互联网 + 设备的理念，借助传感器、数据采集、数据传输、卫星定位、统计分析、图像检测、人体识别等技术，本文研究设计了集装箱正面吊安全监控系统，为集装箱正面吊运行状态监测管理及安全管理提供技术手段。
1 集装箱正面吊安全监控系统的构成
如图 1 所示，集装箱正面吊安全监控系统由运行状态监控模块和人体识别模块组成。
1.1运行状态监控模块
运行状态监控模块由数据采集、数据传输、车载终端、车载监控、远程中心和系统软件等组成，系统采集运行参数、燃油损耗、胎压胎温、定位数据、作业箱数等数据，通过有线或无线方式传输至车载终端，通过无线网络传至远程中心服务器，由系统软件进行管理调用，集装箱正面吊司机可通过车载监控显示器对数据进行监控，发现问题立即处理。
1）数据采集 通过轮胎胎压胎温传感器、GPS 模块和集装箱正面吊 CAN 总线上分布的传感器等，以串行的方式实时采集集装箱正面吊的运行状态数据。
2）车载终端 车载数据采集终端是数据采集单元的核心，由 32 位精简指令 ARM 处理器设计，通讯端口均采用全光电隔离设计，具备雷击和浪涌防护。车载数据采集终端有网口、3G/4G 接口、独立的 CAN 接口、无线胎压传感器接口、RS232/RS485 接口和 GPS 数据接口，便于数据采集。
3）数据传输 采集的集装箱正面吊运行状态数据通过车载数据采集终端内置的 3G/4G 无线通信模块，借助TCP/IP 通讯协议，以 HTTP 数据方式传送到远程数据服务器上。
4）车载监控 采用高分辨率显示器，将采集的集装箱正面吊运行数据实时展示于屏幕，司机实时进行监控，发现报警信息时，及时处理。
5）远程中心 远程中心是数据汇集和处理场所，汇集的监控数据通过核验、分析等处理，存储于服务器的数据库，为管理人员提供数据查询、调用等服务。
6）系统软件 设备管理人员使用系统软件登录 PC机或移动终端设备，通过系统软件实现对集装箱正面吊的远程实时监控、管理和维护。
1.2人体识别模块
人体识别模块由摄像装置、图像处理、图像显示、报警控制等组成。安装于集装箱正面吊后部及两侧的摄像装置采集图像并传输至图像处理系统，以分析判断是否被检测目标为人体。当人体进入预设的安全警戒区域时触发报警，视频流叠加报警信号输出到显示屏上，同时向司机及目标人体发出报警音响，并在出现危急情况时能实现自动刹车及自动脱挡。
1） 摄像装置 采用高性能 CMOS 感光处理芯片，具有大分辨率、镜头大广角、3D 数字降噪、宽动态、强光抑制等优点，IP65 的防护等级，工作温度为 -20℃～ 70℃，能在雨天等恶劣天气条件下正常工作。
2）图像处理 通过具有高性能 GPU 图像处理单元的图像处理器，同时处理 2 路 30 帧图像，实现实时图像的快速检测；利用计算机处理器分析每一帧图像，对检测目标进行定位。配有 HDMI 视频输出接口、2 路摄像头通讯接口、DC 电源接口、USB 接口、IO 报警输出接口。
3）图像显示 采用 7 寸 LED 显示屏作为显示器，带有 HDMI 输入口，物理分辨率大、亮度高，并支持声音和亮度的调节，可屏蔽电源按钮实现屏幕不可关闭，设定显示屏最小声音等级。
4）报警控制 人体目标进入警戒区域即触发系统报警，显示器、机外扬声器同时报警，提示司机及行人有危险。
5）强制停车 当人进入设定危险区域内时，输出IO 报警信号控制自动脱挡和自动刹车。
2 集装箱正面吊安全监控系统技术方案
集装箱正面吊安全监控系统技术方案由运行状态监控和人体识别 2 部分组成，为集装箱正面吊的正常运行和作业安全提供技术保障。
2.1 运行状态监控技术方案
运行状态监控模块采用传感技术和无线通信技术采集数据至车载终端，司机进行实时监控，并传输至远程中心服务器，通过系统软件实现远程设备管理。其中，实现数据准确采集是运行状态监控模块的基础和技术关键。
1）运行状态参数采集 发动机和变速器是集装箱正面吊的重要部件，须保障发动机、变速器主要运行参数和液压系统参数正常。利用 CAN 数据总线采集发动机转速、冷却液温度、机油油压、变速器温度、车速等关键参数，车载数据采集终端通过解析 CAN 总线数据获取运行状态参数。通过监测参数的变化，判断设备运行技术状态，及时进行维护，减少故障的发生。
2）油耗采集 集装箱正面吊发动机采用电控电喷技术，根据设备工况和进气量精确控制喷油量，读取发动机工作时的喷油量；依据发动机的转速、车速等采用电喷数据计算法，推算出瞬时油耗和累加油耗，再将油耗数据通过 CAN 总线传输到车载数据采集终端，实时监控集装箱正面吊的油耗变化，避免发动机故障及油耗虚报等情况发生。
3）轮胎胎压胎温数据采集 集装箱正面吊轮胎胎压胎温超出正常范围会降低使用寿命、增加油耗、爆胎等。对集装箱正面吊胎压胎温进行实时监测，超出胎压胎温正常范围时，立即发出报警信息，提示采取相应措施，使轮胎处于安全运行状态。胎压胎温监测通过安装在轮胎的传感器模块采集胎压胎温数据，无线发射至接收模块，以串口方式将数据传输给车载数据采集终端，数据信息显示于车载监控，通过 3G/4G 无线通信模块发送到远程数据中心，如图 2 所示。
4）定位数据采集 车载数据采集终端的 GPS 接收机接收定位卫星的定位数据，由车载数据终端的 3G/4G无线通信模块将集装箱正面吊定位数据传输到远程监控中心，远程监控中心通过与 GIS 电子地图匹配，实现集装箱正面吊的定位。
5）作业箱数采集 车载数据终端根据吊具操作指令，按照集装箱正面吊的吊箱计数通讯协议，对集装箱吊装进行计数，通过集装箱正面吊吊具的伸缩位置和吊具操作指令判定集装箱箱型，分别统计 20 ft 集装箱和40 ft 集装箱的吊箱次数。
2.2 人体识别技术方案
人体识别模块的主要目标是保证作业区人员的安全，技术设计要求实现只对人体目标进行检测识别、精确人机距离定位、对司机和行人报警提示、遇危险情况能自动强制停车、数据存储分析等工作。
1）人体检测识别 采用高速摄像机采集设备周围图像，将图像视频流数据实时传送给计算机控制处理器，计算机处理器分析每一帧图像，根据深度学习模型的行人检测算法判断是否存在行人特征，判定被检测目标是否行人，当判定检测目标为人时，则把目标框住并跟踪目标移动。
2）人机距离定位 高速摄像机将图像视频流数据实时传送给计算机控制处理器，经检测确定为人体时，
计算出人体与设备之间的距离，并跟踪目标移动，识别是否进入到危险区域。
3）报警提示 控制处理器通过计算行人与设备之间的距离来识别危险程度。当被锁定的行人进入预设的安全警戒区域时系统自动触发报警，处理器将视频流叠加报警信号输出到显示屏上，提示司机注意，主控制器输出电信号控制扬声器，对行人发出警报。
4）强制停止运行 控制处理器通过计算行人与设备之间的距离，同时识别行人及设备的行进方向以及行进速度，分析碰撞机率。当识别出有人进入危险区域有可能碰撞时，发出报警信号给自动脱挡及自动刹车功能区，使设备及时停止运行，防止碰撞。
5）数据存储分析 系统将识别出来的人员位置、环境、时间以及设备信息等数据存储于数据库，并进行数据分析，为人机安全管理提供技术数据，便于加强人机安全管理。
3 集装箱正面吊安全监控系统功能
集装箱正面吊安全监控系统的主要功能包括实时运行监控、设备管理维护、设备定位及轨迹回放、统计分析、人身安全保障等，如图 3 所示。司机通过本系统对设备状态参数进行监测、对作业区的人进行安全监控，管理人员可利用移动终端随时随地访问和办公，对集装箱正面吊进行管理。
3.1 实时运行监控功能
实时运行监控包括运行数据监控、报警提示和轮胎胎压胎温监测。运行监控数据均被存储在远程服务器数据库中，方便调阅查询，历史追溯。
1）运行数据监控 运行数据监控可实时监测开机状态、发动机转速、冷却液温度、机油油压、变速器温度、车速、瞬时油耗、吊箱次数、工作小时、燃油油耗、行驶里程等，如图 4 所示。
2）报警提示 实时监控正面吊监测数据异常信息，并以不同的颜色区分不同的级别，根据报警信息的级别以声、光、电提示或图表显示。司机、移动终端可接收实时报警信息，以便及时停机处理，防止发生故障，影响生产。
3）轮胎胎压胎温监测 显示集装箱正面吊左前内侧和外侧轮胎、右前内侧和外侧轮胎、左后侧轮胎、右后侧轮胎的胎温胎压，胎温胎压异常时用不同颜色表示，且轮胎图标闪烁显示，如图 5 所示。
3.2 设备管理维护功能
1）基础信息管理 录入集装箱正面吊的设备编号、型号、主要零部件型号、运行时间、投入使用时间、设备照片等基础信息。
2）维保管理 记录设备维修保养制度落实情况，设备维修保养的人员、时间、内容、验收等信息以图片、文档形式存档，便于监督维保质量。
3）故障管理 记录存储故障与报警信息，按照故障与报警级别向相应的监管人员推送信息，监管人员可随时登录系统查询，便于及时处理。系统内设有常见问题解决方案，提供解决建议，提高排故效率。
3.3 设备定位及轨迹回放功能
集装箱正面吊 GPS 历史定位数据和 GIS 电子地图匹配，实时显示设备实际的位置，并按照自定义方式查询显示设备的运行轨迹和行驶里程，可回放。
3.4 统计分析功能
1）作业统计分析 对集装箱正面吊的工作时间、吊箱次数 ( 包括 20 ft 和 40 ft 吊箱次数 )、集装箱正面吊使用情况 ( 包括工作、怠速、停车时 )、总油耗、瞬时油耗等进行统计，为管理人员制定设备保养计划提供数据依据。
2）运行参数统计分析 对集装箱正面吊的冷却液温度、刹车油温度、发动机转速、变速器压力和温度、机油油压、液压油温度、蓄电池电压、车速、轮胎胎压胎温等参数按照选定周期进行统计分析，生成报表，便于管理人员和维护人员对正面吊的技术状态进行分析和判断。
3.5 人身安全保障功能
集装箱正面吊作业区环境较复杂，人员进入作业区的现象屡禁不止，人体识别模块为集装箱正面吊作业防止撞轧人员的发生提供了保障。
1）人体准确快速识别 能对多种姿态的人员进行包括站立、下蹲、半蹲、骑自行车等的准确识别，如图6所示。能对多个人体目标进行快速探测识别，每秒可处理 30 帧图像，报警响应时间小于 500 ms。
2）自适应光线场景 能在强光、逆光和夜间弱光场景条件下有效识别人员。
3）自定义报警区域 根据现场实际环境，可自行标定危险作业区域范围（半径 1 ～ 15 m），人员在危险区域外则不干扰司机正常工作；可实现多种侦测角度和区域组合（90º ～ 360º），满足不同安全驾驶需要，如图 7 所示。
4）实时监控及报警 实时输出视频图像，当有人进行设定区域时，对司机和行人发出声音报警，显示屏明暗度和报警音量可调节。
5）紧急停车联锁 当人与机械距离达到紧急危险状态时，发出报警信号并自动脱挡、刹车，强制集装箱正面吊停止运行，在消除安全隐患后方可继续作业，确保人身安全。
