叉車安全智慧管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

王 丹 趙春暉 胡靜波

1北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007 2南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 南京 210017

0 引言

叉車是一種適用于短距離運送貨物的工業(yè)車輛，作為機電類特種設(shè)備之一，屬于場（廠）內(nèi)專用機動車輛的一種。雖然在工業(yè)企業(yè)中叉車一般不作為主要生產(chǎn)設(shè)備，但由于其操作過程具有一定的風(fēng)險，發(fā)生事故會造成較大的人員和財產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計，大部分特種設(shè)備事故均發(fā)生在使用環(huán)節(jié)，在叉車事故中違章作業(yè)是主要原因，具體包括無證操作、彎道車速過快、行駛中遮擋視線、設(shè)備本體維護缺失和貨物失衡等。

叉車事故主要表現(xiàn)為傾覆、碰撞、擠壓和墜落4類。雖然按相關(guān)法規(guī)要求，叉車的操作人員應(yīng)當(dāng)取得相應(yīng)資格證書。但存在很多企業(yè)僅要求操作人員持證上崗，而缺乏對操作人員的定期專業(yè)培訓(xùn)和內(nèi)部考核。操作人員在實際工作中駕駛的叉車類型可能和培訓(xùn)機構(gòu)的叉車類型不同，實際操作中也會遇到很多培訓(xùn)時無法模擬的突發(fā)工況。事故的發(fā)生多是因為操作人員技能水平不足，工作中遇到緊急情況時無法快速判斷和操作，導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)需求分析

通過對叉車使用單位管理狀況的監(jiān)督檢查，結(jié)合叉車日常檢驗檢測情況，叉車使用單位普遍在管理制度、管理人員、操作人員和設(shè)備狀況等方面存在一定的問題。

1）管理制度的建立實施 很多叉車使用單位沒有專門的部門或人員負責(zé)特種設(shè)備安全管理制度的建立與實施，所建立的管理制度與企業(yè)實際管理模式存在脫節(jié)現(xiàn)象。企業(yè)的安全管理制度并不是一成不辦的，在建立發(fā)布后需要在日常工作中根據(jù)實際情況，進行不斷地修訂和完善，達到指導(dǎo)企業(yè)特種設(shè)備使用管理的目的。叉車使用單位說一套、做一套的情況比較明顯。

2）管理人員的管理水平 叉車使用單位，由于特種設(shè)備數(shù)量相對較少，因此大部分沒有配備專職安全管理人員。企業(yè)配備的兼職安全管理人員普遍沒有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，安全管理水平較低。在日常監(jiān)督檢查中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)的管理人員對叉車相關(guān)的安全技術(shù)規(guī)范和標準的要求了解較淺，對企業(yè)叉車操作人員的管理不力等情況較多。

3）操作人員的技能水平 叉車操作人員應(yīng)當(dāng)經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，并取得相應(yīng)的特種設(shè)備作業(yè)人員資格證書。但很多使用單位只關(guān)注操作人員是否持證，缺乏對操作人員的定期專業(yè)培訓(xùn)和內(nèi)部考核。因操作人員技能水平的原因，工作中遇到緊急情況時無法快速判斷和操作，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。操作人員技能水平不高是目前存在的普遍現(xiàn)象。

4）叉車的現(xiàn)場使用狀況 安全技術(shù)規(guī)范中規(guī)定對叉車的修理應(yīng)當(dāng)由有資質(zhì)的單位進行，但并未對叉車的日常維護保養(yǎng)做類似的規(guī)定。因此，大部分叉車使用單位存在對日常維護保養(yǎng)不夠重視的情況，往往讓普通機修人員開展叉車的日常維護保養(yǎng)和自行檢查。甚至存在沒有按照安全技術(shù)規(guī)范的要求，進行規(guī)定項目的維護保養(yǎng)和自行檢查，造成叉車的運行狀況不佳，存在帶病運行的狀況。

同時，叉車作為一種工業(yè)車輛，具有流動作業(yè)的特點。當(dāng)前對于特種設(shè)備安全監(jiān)管實行的是屬地化管理，但叉車的流動性決定了很難保證在一個固定的區(qū)域內(nèi)使用，如何通過技術(shù)手段知曉叉車的使用區(qū)域，并對其進行有效監(jiān)管也是當(dāng)前面臨的一個管理難點。

因此，搭建叉車安全智慧管理系統(tǒng)，通過技術(shù)手段降低叉車使用中存在的風(fēng)險，提高使用單位管理效能是本系統(tǒng)建立的根本目的。

2 系統(tǒng)組成

根據(jù)叉車運行特點和安全管理需求，系統(tǒng)可分為安全管理平臺和硬件終端兩部分，整體框架如圖1所示。

圖1 叉車安全智慧管理系統(tǒng)框架

系統(tǒng)通過硬件終端采集叉車操作人員身份信息、叉車行駛軌跡和叉車運行狀態(tài)，此外系統(tǒng)也留有數(shù)據(jù)接口，必要時可接收符合GB/T 38893—2020《工業(yè)車輛 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的標準數(shù)據(jù)以及叉車原廠控制系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過安全管理平臺對操作過程存在的風(fēng)險進行預(yù)判，風(fēng)險預(yù)警信息直接向硬件終端進行反饋，同時通過安全管理平臺向各個不同權(quán)限用戶發(fā)送綜合判定結(jié)果，及時對叉車運行進行報警和干預(yù)，從而進行叉車的安全管理，避免事故的發(fā)生。

2.1 安全管理平臺

通過管理平臺建立每臺叉車的電子身份證，歸集該臺叉車的各類信息。信息包括該叉車的生產(chǎn)企業(yè)、型號、主參數(shù)、出場時間、使用單位、定期檢查數(shù)據(jù)、維護保養(yǎng)數(shù)據(jù)、備品更換數(shù)據(jù)、定期檢驗數(shù)據(jù)、管理人員、操作人員、維修人員、工作排程、維修排程、運行時間、運行軌跡等各類信息等。管理平臺的主要模塊和功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)安全管理平臺功能

主要功能包括工作排程、維修排程、操作授權(quán)、自行檢查、日常點檢、故障報修、維修記錄和信息查看。身份管理是本平臺的重點，不同身份類別人員進入平臺后，可根據(jù)權(quán)限獲取該臺叉車的不同信息，并實現(xiàn)不同功能。身份分為管理人員、操作人員、維修人員和臨時人員。管理人員、操作人員和維修人員的身份需提前在管理平臺中進行確認和權(quán)限分配，未進行認證的人員均為臨時人員。

2.2 硬件終端

系統(tǒng)硬件裝置的目的是獲取該臺叉車的信息，該裝置由位置定位模塊、身份識別模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、預(yù)警提示模塊、輸出控制模塊、電池模塊和防短接模塊組成，安裝于叉車操作室內(nèi)。硬件終端應(yīng)當(dāng)符合TSG 81—2022《場（廠）內(nèi)專用機動車輛安全技術(shù)規(guī)程》安全監(jiān)控裝置的技術(shù)要求，即應(yīng)當(dāng)具有司機坐姿狀態(tài)感知功能和司機權(quán)限信息采集功能。

圖3 系統(tǒng)硬件重點組成

其中位置定位模塊采用GPS模塊，可對該臺叉車的地理位置進行實時記錄。身份識別模塊采用指紋驗證，只有經(jīng)過授權(quán)的操作人員才可啟動叉車。數(shù)據(jù)傳輸模塊作用是將叉車的定位信息、人員身份信息傳輸?shù)焦芾砥脚_，同時可接受管理平臺對叉車的預(yù)警信息，通過預(yù)警提示模塊進行聲光提示。防短接模塊的功能是防止將該智慧終端裝置進行短接，當(dāng)監(jiān)測到有認為短接或拆除該智慧終端裝置時，可發(fā)出聲光報警，并通過輸出控制模塊自動將車鎖定，無法繼續(xù)啟動。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。首先系統(tǒng)識別人員身份信息，不同身份人員可進入系統(tǒng)完成不同的工作任務(wù)。管理人員進入系統(tǒng)后可進行的管理操作包括叉車設(shè)備的添加刪除、基本信息的更改，可叉車各報警閾值的修改，叉車工作排程、修理排程等。

圖4 系統(tǒng)工作流程

身份識別為操作人員可進入指紋驗證環(huán)節(jié)，授權(quán)人員是指經(jīng)過培訓(xùn)取得叉車操作證，并且在管理人員的工作排程中有對應(yīng)操作任務(wù)的人員，無工作排程的操作人員流程結(jié)束。

管理人員進入平臺后進行的管理操作主要是對叉車進行的臺賬管理，主要內(nèi)容包括：叉車的基礎(chǔ)信息、保養(yǎng)記錄、修理記錄、使用記錄、日常自行檢查記錄、年度全面檢查信息、法定年檢報告等內(nèi)容的輸入和修改。該模塊可對叉車的基本信息和各類記錄進行分類存儲，其中使用記錄和日常自行檢查記錄等可通過掃描車身二維碼的方式，進行記錄。保養(yǎng)記錄、檢查記錄等有制式表格要求的，在系統(tǒng)中預(yù)錄入表格表式，操作者只需要選擇記錄內(nèi)容即可。

維修人員的維修記錄主要內(nèi)容包括現(xiàn)場叉車運行數(shù)據(jù)的實時上傳、故障上報、維修申請、實時地圖、設(shè)備健康度等。故障上報可將叉車出現(xiàn)的故障或故障現(xiàn)象進行上報。工作量統(tǒng)計根據(jù)叉車的實時地圖中可以對廠區(qū)內(nèi)所有叉車的位置進行觀察，點擊該查車后，可顯示當(dāng)前使用者、交接班時間、工作狀態(tài)（載荷、車速等）等信息。設(shè)備健康度可根據(jù)采集到的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合故障、使用統(tǒng)計、違章統(tǒng)計等情況，綜合定量地給出該叉車的健康分值。

通過管理操作和維修記錄操作，安全管理平臺的運維管理模塊可完成的主要功能包括：統(tǒng)計分析、風(fēng)險預(yù)測、維修計劃、定檢計劃、備品備件管理等內(nèi)容。統(tǒng)計分析包括出車統(tǒng)計、人員工作量統(tǒng)計、車輛工作時長統(tǒng)計、故障統(tǒng)計、違章統(tǒng)計等。風(fēng)險預(yù)測可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合特定的算法完成叉車的故障預(yù)警（設(shè)備本體）、使用過程的風(fēng)險預(yù)測（結(jié)合使用狀況）等。維修計劃中可智能生成叉車的維修計劃，并且可人工對該計劃進行調(diào)整。

異常狀態(tài)包括叉車未按照要求進行點檢、叉車未按要求開展周期性自行檢查、叉車法定檢驗逾期等情況，出現(xiàn)異常狀態(tài)時流程結(jié)束。在正常啟動叉車后，可開始工作，系統(tǒng)實時獲取叉車的運行狀態(tài)。

工作異常包括超速行駛、超工作范圍行駛、裝置短接等情況。超速行駛可通過硬件終端的位置定位模塊計算獲得。工作范圍由管理人員在安全管理平臺進行設(shè)置，劃定區(qū)域，通過位置定位模塊識別叉車當(dāng)前的經(jīng)緯度，超出預(yù)設(shè)的范圍則判斷為超過工作范圍。當(dāng)工作異常時，一方面通過硬件終端的預(yù)警提示模塊，以聲光報警的方式提示叉車操作者，當(dāng)長時間未返回工作范圍時，在聲光報警的同時通過輸出控制模塊對叉車進行降速后停止啟動；另一方面通過安全管理平臺進行記錄并上報。

當(dāng)安全管理平臺判斷出該臺叉車出現(xiàn)異常狀況時，通過輸出控制模塊對叉車進行干預(yù)。如果此時叉車處于停止狀態(tài)，則通過輸出控制模塊將該臺叉車的電源鎖定，叉車自動關(guān)閉并無法繼續(xù)啟動叉車；如果此時叉車處于運行狀態(tài)，則自動降速到車速為0后，叉車自動關(guān)閉并無法繼續(xù)啟動叉車。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 安全管理平臺

根據(jù)系統(tǒng)組成和數(shù)據(jù)量采集的特點，系統(tǒng)采用基于Hadoop的開發(fā)環(huán)境進行安全管理平臺開發(fā)。Hadoop是一個由Apache基金會所開發(fā)的分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，用戶可以在不了解分布式底層細節(jié)的情況下去開發(fā)分布式程序，充分利用集群的威力進行數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)計算。Hadoop的框架最核心的工具是HDFS和MapReduce，其他工具，諸如Hive、Pig、HBase等共同組成了Hadoop的生態(tài)圈，如圖5所示。在這個生態(tài)圈里，各組件發(fā)揮各自的作用，組成了生態(tài)系統(tǒng)。

圖5 系統(tǒng)安全管理平臺拓撲結(jié)構(gòu)

首先對平臺內(nèi)各類數(shù)據(jù)進行規(guī)定，設(shè)計各類數(shù)據(jù)表，如設(shè)備維修數(shù)據(jù)表如圖6所示。

圖6 設(shè)備維修數(shù)據(jù)表設(shè)計

由于平臺同時留有第三方叉車安全監(jiān)控系統(tǒng)和叉車自有控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，因此會造成數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量大的情況，需要進行數(shù)據(jù)降維處理。針對多維數(shù)據(jù)的行降維處理，本項目采用主成分分析法(PCA)。引入這樣一個算法的原因是在實際情況中，經(jīng)常會采集過多的數(shù)據(jù)特征（維度），如果刪除其中一個指標對于算法而言并不會丟失太多的信息。PCA就是用來解決這種問題的算法，其核心思想是將N維特征映射到K維上(N＞K)，而K維是全新的重新構(gòu)造出來的K維特征，而不是簡單地從N維特征中拿走N—K維特征。如電動叉車發(fā)動機，假設(shè)采集了3個度的變量,即振動、溫度和電流。通過PCA算法，可以將這3個維度映射為兩個維度(PC1和PC2)，以便找出PC1和PC2之間的關(guān)系。PC1和PC2并沒有實際的物理含義，但并不妨礙推導(dǎo)出有意義的結(jié)果，這也是基于機器學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)預(yù)測性維護與傳統(tǒng)的基于設(shè)備故障機理算法的最大區(qū)別。

此外，平臺的數(shù)據(jù)格式多樣化是主要特征之一,這就要求系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)能夠適應(yīng)對各種非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行高效管理的需求。通過使用鍵值(key-value)對文件等非二維表的結(jié)構(gòu),具有很好的包容性，適應(yīng)了非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)多樣化的特點。同時，采用NoSQL數(shù)據(jù)庫主要面向分析型業(yè)務(wù)，一致性要求可以降低，只要保證最終一致性即可，給并發(fā)性能的提升讓出了空間。在分布式數(shù)據(jù)存儲中,因涉及工業(yè)數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或敏感數(shù)，還應(yīng)注意保護數(shù)據(jù)的隱私和安全。為此，研發(fā)過程應(yīng)當(dāng)首先應(yīng)識別出關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、敏感數(shù)據(jù)，然后通過字段級、記錄級、文件級、目錄級、系統(tǒng)級和設(shè)備級對這些數(shù)據(jù)進行如密保護,同時增強身份認證,授權(quán)和權(quán)限管控策略,以避免暴露給第三方。

4.2 硬件終端

設(shè)計研制系統(tǒng)硬件終端，該終端帶有指紋識別模塊，可以離線使用。同時具備藍牙連接功能，特殊情況可手機藍牙連接設(shè)備，手機端通過人臉識別驗證后方可啟動叉車。硬件終端如圖7所示，安裝于叉車司機室內(nèi)。

圖7 硬件終端

5 結(jié)語

1）系統(tǒng)具有人員身份識別功能，只有通過人機匹配后才可啟動叉車，避免了無證駕駛的現(xiàn)象。

2）該裝置可對叉車使用過程常見的違章現(xiàn)象進行識別并發(fā)出預(yù)警，并采取降低車速直至停止使用的措施，降低事故發(fā)生的概率。

3）該裝置可配合管理平臺，對叉車逾期未檢驗、未按規(guī)定點檢等狀況進行識別，并停止叉車的使用。