基于人臉識別的施工升降機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔結(jié)龍，吳縉峰，朱 虹，呂 軍

（中電?？?浙江海康科技有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

工地安全施工和安全質(zhì)量一直是國家有關(guān)部門再三強(qiáng)調(diào)的主題。為確保施工過程的安全，需對施工升降機(jī)設(shè)備工作過程和工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)控。施工升降機(jī)是特種設(shè)備，需要專業(yè)的操作人員操作。而在工地實(shí)際施工過程中，會(huì)出現(xiàn)施工升降機(jī)司機(jī)非法代崗的現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)非專業(yè)人員駕駛操作施工升降機(jī)，很容易出現(xiàn)安全事故。因此，對施工升降機(jī)的司機(jī)識別和違規(guī)操作進(jìn)行提前預(yù)警，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，避免發(fā)生重大工程事故是亟待解決的問題[1-4]。

根據(jù)升降機(jī)的事故特點(diǎn)和主要安全隱患，可采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對隱患點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，對不安全的狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警和控制，并把相關(guān)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器接收到這些數(shù)據(jù)后，可做進(jìn)一步的挖掘和處理。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)概念如下：

（1）數(shù)據(jù)本地處理。要求施工單位的施工升降機(jī)必須安裝“黑匣子”，保存施工升降機(jī)運(yùn)行信息，同時(shí)必須具備運(yùn)行警告裝置，以便出現(xiàn)超載等情況時(shí)進(jìn)行語音提醒。

（2）報(bào)警聯(lián)動(dòng)。設(shè)定運(yùn)行參數(shù)閾值，若超過閾值或運(yùn)行參數(shù)發(fā)生異常，則進(jìn)行分析，第一時(shí)間發(fā)送短信給施工單位安全管理人員，通知其快速處理。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

（3）違章管理。系統(tǒng)能提供施工升降機(jī)超載、故障的歷史數(shù)據(jù)，并可生成對應(yīng)的報(bào)表、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)可供職能部門、施工單位對施工升降運(yùn)行狀況、可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，監(jiān)督施工升降機(jī)的維保工作實(shí)施。

（4）運(yùn)行管理?？赏ㄟ^移動(dòng)終端或PC等形式查看工地施工升降機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，為職能部門移動(dòng)執(zhí)法、安全管理及施工單位安全管理提供依據(jù)。

本文主要敘述了設(shè)備端的軟硬件設(shè)計(jì)，后臺(tái)服務(wù)端和監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)不做詳細(xì)介紹。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體框架

系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

系統(tǒng)分為控制器和顯示器兩部分?？刂破靼惭b在升降機(jī)吊籠上的電箱旁邊，顯示器安裝在司機(jī)操作臺(tái)旁邊。控制器和顯示器之間采用RS 485連接。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

控制器采用LPC2378實(shí)現(xiàn)，包括信號采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、控制輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸模塊。

顯示器采用LPC1765實(shí)現(xiàn)，包括層呼叫接收模塊、司機(jī)管理模塊、顯示模塊和聲光報(bào)警模塊。

1.2 系統(tǒng)功能劃分

限位信號采集：采集升降機(jī)原有各限位的開關(guān)信號，得到升降機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全狀態(tài)。需要采集的限位開關(guān)信號有上限行程開關(guān)、下限行程開關(guān)、極限開關(guān)、吊籠沖頂保護(hù)、斷繩開關(guān)、底籠門保護(hù)開關(guān)、吊籠單門開關(guān)、吊籠雙門開關(guān)等。

操作信號采集：采集司機(jī)的操作信號，用于分析司機(jī)的誤操作和違規(guī)操作。需要采集的操作信號有急停開關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)、上行、下行、電鈴等。

速度采集：采集速度，用于判斷升降機(jī)的高度及運(yùn)行狀態(tài)。利用接近開關(guān)測量齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)得到速度信號。該信號為頻率信號，通過脈沖頻率得到升降機(jī)速度值，而速度的方向需用操作信號進(jìn)行判斷。

重量采集：采集重量信號，用于重量超載控制。該模塊由兩個(gè)重量傳感器組成，除了超重控制外，還可檢測載荷分布是否均勻。

人數(shù)采集：采集人員數(shù)量，防止人員超載。檢測人員數(shù)量有兩種方法：方法一，在工人安全帽上安裝RFID標(biāo)簽，在吊籠內(nèi)安裝RFID讀寫器，RFID讀寫器讀到的標(biāo)簽數(shù)即為人員數(shù)量；方法二，通過攝像頭視頻處理算法得到人員數(shù)量。

遠(yuǎn)程傳輸模塊：遠(yuǎn)程傳輸模塊用于把設(shè)備端的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)，即GPRS模塊。

存儲(chǔ)模塊：用于保存設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、操作記錄等。

控制器輸出：當(dāng)設(shè)備檢測到報(bào)警狀態(tài)時(shí)，輸出控制信號，保證升降機(jī)處于安全狀態(tài)。輸出控制信號包括超載控制、超員控制、司機(jī)管理控制等。

顯示屏：用于為司機(jī)顯示設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、操作記錄等。同時(shí)，向司機(jī)提供定期維保提示。

層呼叫：每層安裝一個(gè)層呼叫器，吊籠內(nèi)安裝一個(gè)接收器。層呼叫無線傳輸功能采用M60模塊實(shí)現(xiàn)。

司機(jī)管理：司機(jī)管理的目的是防止無證人員隨意開啟升降機(jī)。實(shí)現(xiàn)的方法有兩種：方法一，利用IC卡識別，如果卡號合法，就可以開啟升降機(jī)，否則鎖機(jī)；方法二，利用人臉識別技術(shù)判斷司機(jī)是否合法。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控設(shè)計(jì)

主控硬件基本框圖如圖3所示?？刂破鞑捎肔PC2378實(shí)現(xiàn)。根據(jù)升降機(jī)監(jiān)控參數(shù)要求，采集升降機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。需要采集的信息包括限位信號、操作信號、速度、稱重AD值。

圖3 主控硬件框圖

RS 485通信模塊控制掛載在RS 485總線上的設(shè)備，保證各設(shè)備間的相互通信。其中，顯示器端作為中心節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)一調(diào)度各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙。

采集司機(jī)ID：采集司機(jī)的ID，具體采集命令根據(jù)采集模塊的要求實(shí)施。

采集人數(shù)：計(jì)算吊籠門從開啟到關(guān)閉時(shí)的籠內(nèi)人數(shù)，從而確定吊籠內(nèi)部的乘坐人數(shù)。具體采集命令待定。

與顯示屏板通信：與顯示屏通信的數(shù)據(jù)幀包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀、參數(shù)讀取幀、參數(shù)配置幀和維保提示幀。

2.2 RS 485通信模塊

2.3 人臉機(jī)

本文選用飛瑞斯公司的辨臉通人臉機(jī)，可注冊多名司機(jī)或管理員身份信息及頭像。該人臉機(jī)基于“人臉無法替代”的特性和為企業(yè)級用戶提供“便捷&有效”的考勤管理理念而設(shè)計(jì)，將最新Face Image+ V4人臉識別算法配合強(qiáng)大的ARM處理器，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)使用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。同時(shí)，通過專利設(shè)計(jì)的“多光源人臉識別”技術(shù)與高性能、低功耗ARM處理器的完美結(jié)合，分析人臉特征作為身份識別的依據(jù)，提供準(zhǔn)確的考勤記錄，取代市場上的指紋、打卡考勤機(jī)。

人臉機(jī)采用RS 485輸出接口，與顯示器和主控之間采用RS 485通信。

2.4 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊用于主控和后臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，包括設(shè)備注冊、心跳?；睢顟B(tài)上報(bào)、遠(yuǎn)程參數(shù)配置、司機(jī)照片上傳及違章信息上傳等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控端任務(wù)

主控端主要?jiǎng)澐譃閭鞲衅餍盘柌杉蝿?wù)、計(jì)算任務(wù)、輸出任務(wù)、GPRS通信任務(wù)及與顯示屏通信任務(wù)等，主控任務(wù)流程如圖4所示。

顯示器任務(wù)主要分為層呼叫采集任務(wù)、與控制器通信任務(wù)、輸出聲光報(bào)警任務(wù)及顯示任務(wù)等，如圖5所示。

圖4 主控任務(wù)流程圖

3.2 顯示器任務(wù)

3.3 人臉識別流程

人臉識別流程如圖6所示。

上電開機(jī)后，人臉識別設(shè)備進(jìn)入待機(jī)休眠模式，點(diǎn)擊屏幕，進(jìn)入識別模式。識別成功后，向上位機(jī)發(fā)送識別成功幀，包括司機(jī)ID號（4 B），之后結(jié)束識別進(jìn)入休眠模式；如果識別失敗，向上位機(jī)發(fā)送識別失敗幀并進(jìn)入休眠模式。

圖5 顯示器任務(wù)

圖6 人臉識別流程

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖7所示。整體上可歸納為實(shí)時(shí)參數(shù)和配置參數(shù)的流向過程。

3.5 主控計(jì)算任務(wù)

主控計(jì)算任務(wù)用于計(jì)算升降機(jī)當(dāng)前的安全狀態(tài)。

3.5.1 自檢

自檢分為兩部分：一部分直接檢查系統(tǒng)自身各傳感器是否正常工作；另一部分通過各傳感器信號之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行故障判斷。

3.5.2 載重計(jì)算

載重計(jì)算方法為：

W=（W終－W起）/（AD－AD起）×（AD終－AD起）+W起式中，AD為兩個(gè)傳感器AD值的平均值。

3.5.3 速度和高度計(jì)算

速度和高度計(jì)算方法：位置1。

超速報(bào)警：當(dāng)升降機(jī)運(yùn)行速度大于安全速度時(shí)，超速報(bào)警位置1。

無證司機(jī)報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)未檢測到合法司機(jī)，但設(shè)備被啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。

3.5.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

要求存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括每次開機(jī)時(shí)長、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和操作記錄等。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

SPEED=m脈沖×步長

高度=原有高度+SPEED×脈沖時(shí)間

高度在吊籠底且籠門打開時(shí)清零。

3.5.4 報(bào)警計(jì)算

超載報(bào)警：當(dāng)載重量大于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，超載報(bào)警位置1。

偏載報(bào)警：當(dāng)兩個(gè)稱重傳感器測量到的載重量差值大于偏載設(shè)定值時(shí)，偏載報(bào)警位置1。

超員報(bào)警：當(dāng)前載重人數(shù)超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，超員報(bào)警

4 系統(tǒng)使用

監(jiān)控平臺(tái)的主要功能包括司機(jī)身份管理、日常維保管理、運(yùn)行狀態(tài)管理、安裝維保鎖定、設(shè)備在線管理及報(bào)警管理等。監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁面如圖8所示。

圖8 平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁面

5 結(jié) 語

本文針對施工升降機(jī)安全施工要求，設(shè)計(jì)了基于人臉識別的施工升降機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。采用人臉機(jī)識別司機(jī)，消除了IC卡和指紋儀識別的缺點(diǎn)，對司機(jī)的識別率高達(dá)99%以上。采用多傳感器相結(jié)合的方式，對施工升降機(jī)施工過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，極大地降低了因違規(guī)操作帶來的安全事故。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率高，穩(wěn)定性好，整體成本低，具有較高的實(shí)用價(jià)值。