基于智能化的起重安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究應用

祝榮財

（浙江華東機電工程有限公司，浙江杭州，311228）

0 引言

當前起重機機械一般限于路面近距離作業(yè)，在工作過程中，起重機司機通過觀察起重機的工作狀態(tài)和作業(yè)現(xiàn)場，憑借操作經(jīng)驗來完成[1]。但對于水下、高空等一些特殊環(huán)境下的起重工作，不能通過視野觀察的方式來實現(xiàn)操作，這種操作模式已受限，不能正常開展工作。

本系統(tǒng)針對行業(yè)痛點，研究了網(wǎng)絡高清水下監(jiān)視系統(tǒng)，攻克了溫差，照明、密封及傳輸一系列難關，成功將施工狀態(tài)以實時圖像清晰的展現(xiàn)在起重機司機面前，在終端顯示出的畫質清晰，讓起重操作變得如此得心應手，安全施工提供了有效的技術保障。

1 起重安全監(jiān)控管理目標

起重安全監(jiān)控管理系統(tǒng)采用高清數(shù)字攝像頭，密封工藝先進，傳輸距離遠，成像清晰。通過自定義攝像頭IP，可接入原有視頻、監(jiān)控系統(tǒng)中，且可以將攝像機接入局域網(wǎng)，遠程升級及遠程維護，在遠程高清視頻監(jiān)控下可由操作員完成相關駕駛操作。系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下目標：滿足特殊環(huán)境下起重機操作臂實操的監(jiān)控操作，作業(yè)現(xiàn)場的高清掌控。通過高清攝像頭融入原有局域網(wǎng)或者局部點對點網(wǎng)絡，高清觀察到起重機的所有細致操作，了解工作目標，通過高清視頻監(jiān)控，為施工人員開展施工提供全面的輔助決策[2-3]。

2 系統(tǒng)框架設計

本系統(tǒng)通過監(jiān)控設備硬件、通信網(wǎng)絡以及軟件來組成一個完整的起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過監(jiān)控攝像頭動態(tài)獲取、采集作業(yè)視頻，然后經(jīng)過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)椒斩耍斩丝刹捎帽镜夭渴鸹蛟撇渴饍煞N方式。

監(jiān)控攝像頭具有成像清晰細膩，色彩豐富，防深水等優(yōu)點；系統(tǒng)監(jiān)控設備采用先進的編碼壓縮技術，優(yōu)異的自動聚焦和自動曝光技術，具有聚焦準、速度快，曝光效果佳等特點，其構成包括安裝在液壓抓梁上的高清攝像頭，攝像頭的視頻信息經(jīng)信號電纜傳輸至密封盒，通過信號電纜傳輸至監(jiān)控室內的液晶顯示器和硬盤錄像機。高清數(shù)字攝像頭能清晰的觀測到液壓抓梁的穿、脫銷過程，加裝整套可視化系統(tǒng)后保障了起重設備在水下作業(yè)的安全可視性，使水下穿銷動作具有雙重保障，進而提高液壓抓梁運行的安全性，保證能及早發(fā)現(xiàn)水工金屬結構產品在運行過程中的問題并及時處理，從而降低了設備運行的安全風險，大大加強了在機組檢修工作中閘門穿退銷動作的安全可靠性，操作人員能夠從人機界面中直觀的看到起重全過程的工況信息。

軟件系統(tǒng)用于實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集以及監(jiān)控視頻的查詢?yōu)g覽等功能，同時在動態(tài)監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)外，需要提供作業(yè)視頻回放、圖像抓取等功能。作業(yè)視頻回放用以后期安全生產的研判，圖像抓取用于抓取一些核心部位操作的視頻截圖。

3 系統(tǒng)軟件設計

整個起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)除了起重機司機通過移動端屏幕查看作業(yè)現(xiàn)場狀況，施工單位、客戶方均可通過監(jiān)控系統(tǒng)查看起重機工作狀態(tài)。監(jiān)控管理系統(tǒng)除了視頻監(jiān)控作業(yè)現(xiàn)場，同時可通過系統(tǒng)進行圖像抓拍，對某個操作動作進行定格分析。為了提供系統(tǒng)的維護性和擴展性，系統(tǒng)分為三層：表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)層，具體結構如圖1 所示。

圖1 軟件系統(tǒng)體系結構

（1）數(shù)據(jù)層

本層提供數(shù)據(jù)支撐，本層通過數(shù)據(jù)庫提供等相關數(shù)據(jù)的訪問服務，存儲本系統(tǒng)模塊的各類基礎數(shù)據(jù)，本層為業(yè)務層提供數(shù)據(jù)源，由業(yè)務層根據(jù)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)業(yè)務邏輯的組織和設定。

由分析可知，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為兩類：一類是起重機信息、作業(yè)信息等結構化數(shù)據(jù)，一類是起重機作業(yè)圖像文件數(shù)據(jù)，對于結構化的數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)庫查詢、管理，這些數(shù)據(jù)通過通用接口來調用。攝像頭采集的起重機作業(yè)圖像數(shù)據(jù)以文件的方式存儲，在ftp 站點進行存儲，存儲結構以攝像頭拍攝的起重機編號為主來組織，以“起重機編號”“-拍攝日期”“-起重機作業(yè)圖像”這種結構形式來存儲各個起重機作業(yè)圖像文件，在進行圖像文件檢索時，首先根據(jù)起重機編號來檢索，這些結構也存儲在結構化數(shù)據(jù)庫中，提高了整個圖像文件的檢索效率，能夠在圖像中快速地查詢到其對應的文件。在數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)訪問時，對于一般結構化數(shù)據(jù)，可通過記錄集的形式來實現(xiàn)訪問，如查詢到起重機作業(yè)數(shù)據(jù)等，而對于起重機作業(yè)圖像采用ftp 地址形式來展示出起重機拍攝的圖像信息，在顯示出的圖像信息后，無須對從ftp 上下載起重機作業(yè)圖像文件，只需要通過結構化的存儲地址在網(wǎng)上進行瀏覽。

（2）業(yè)務邏輯層

業(yè)務邏輯層用于實現(xiàn)各類作業(yè)診斷邏輯業(yè)務邏輯的設置以及系統(tǒng)相關的設定等，如設置的業(yè)務類型、數(shù)據(jù)存儲讀取的一些參數(shù)等。在業(yè)務邏輯層中，各類起重機作業(yè)信息的分析需要設定相應的模型來實現(xiàn)，業(yè)務模型需要數(shù)據(jù)支撐，在建立業(yè)務模型時，需要讀取各種業(yè)務數(shù)據(jù)等。

監(jiān)控視頻采集功能：監(jiān)控攝像頭動態(tài)采集現(xiàn)場視頻、圖像，系統(tǒng)攝像頭可自行定義IP 地址，一般與駕駛室監(jiān)控終端保持在同一個網(wǎng)段內，然后可通過Internet 來實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的上傳。

監(jiān)控視頻回放：可對服務端存儲的監(jiān)控視頻進行回放操作，可選擇某個時間點的監(jiān)控回放，或設置不同倍速的視頻回放等，視頻回放過程中可截圖保存，系統(tǒng)提供完善的視頻回放操作。

攝像頭配置：對監(jiān)控攝像頭的Ip 地址、訪問網(wǎng)絡參數(shù)、視頻圖像規(guī)格等進行配置，配置后保存在服務端，系統(tǒng)中對每個監(jiān)控攝像頭和起重機進行綁定，通過起重機、司機姓名等可檢索到監(jiān)控視頻。

網(wǎng)絡設置：設置駕駛室終端的采用的通信網(wǎng)絡參數(shù)，包括采集數(shù)據(jù)上傳的服務器地址、數(shù)據(jù)傳輸速率的限制等參數(shù)。

（3）表示層

本層完成系統(tǒng)的各類功能顯示，界面顯示布局設置等，一般基于瀏覽器端實現(xiàn)，在瀏覽器端通過HTML5、JS 以及相關的組件（如JQuery）等展示出起重機信息、作業(yè)信息以及視頻圖像信息等。

本系統(tǒng)終端主要分為兩個終端：第一終端為駕駛室的終端，用于駕駛司機現(xiàn)場作業(yè)，第二終端為施工單位相關部門的視頻監(jiān)控終端，為一些重大的搶險、救援提供現(xiàn)場動態(tài)，調度人員在局域網(wǎng)中結合現(xiàn)場的外景視頻，使主管領導對現(xiàn)場研判提供全面支持。

4 系統(tǒng)采用的關鍵技術

（1）基于WebSocket 的視頻監(jiān)控傳輸技術

本系統(tǒng)在采用了WebSocket 技術來實現(xiàn)起重機作業(yè)監(jiān)控預信息，當服務端獲取車輛出現(xiàn)作業(yè)行為時，以服務的方式發(fā)布，Web 端采用WebSocket 技術實現(xiàn)監(jiān)控信息的動態(tài)獲取。WebSocket 是一種基于TCP 連接的全雙工通信協(xié)議，通過調用WebSocket，實現(xiàn)客戶端與服務端數(shù)據(jù)通信更加靈活、快捷，其允許服務端向客戶端推送數(shù)據(jù)，客戶端與服務端只需要一次連接，兩者之間可創(chuàng)建永久的通信連接，實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信。當服務端獲取到起重作業(yè)行為時，主動向服務端推送視頻信息。圖2 為起重機視頻監(jiān)控活動圖。

圖2 起重機視頻監(jiān)控活動圖

起重機作業(yè)監(jiān)控的設計時，需要調用一些必要的參數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，系統(tǒng)實現(xiàn)調用以下接口來實現(xiàn)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)相關功能的實現(xiàn)。

（2）視頻監(jiān)控接口設計

本系統(tǒng)涉及的起重機監(jiān)控視頻由攝像頭生產廠家提供，在攝像頭監(jiān)控視頻顯示頁面中，通過調用ezopen 地址來訪問，在訪問視頻接口時，需要獲取視頻訪問的許可，以accessToken 的形式表示。在頁面端調用視頻監(jiān)控視頻的接口結構為：

（3）監(jiān)控信息訂閱接口

系統(tǒng)通過傳遞的拍攝的圖像、視頻，由服務端對圖像、視頻進行分析，獲取起重機的作業(yè)狀態(tài)信息等，這種監(jiān)控信息的顯示，通過服務端的接口服務來實現(xiàn)。

起重機作業(yè)行為采用了訂閱服務接口的方式來實現(xiàn)，當在服務端監(jiān)控到起重機有作業(yè)行為時，系統(tǒng)在客戶端會動態(tài)的顯示出作業(yè)視頻，包括操作臂位置、施工對象。

接口定義為：

Subscribe_URL：監(jiān)控服務地址；

JSON_Para：監(jiān)控參數(shù)類型；

客戶端監(jiān)控作業(yè)行為時，通過WebSocket 調用實現(xiàn)，定義一個WebSocket 對象，其后定義一些JSON 參數(shù)，通過訂閱的方式來獲取訂閱的監(jiān)控信息，WebSocket 對象提供了實時動態(tài)監(jiān)聽服務端返回的起重機作業(yè)。

5 系統(tǒng)硬件部署

系統(tǒng)開發(fā)后實施部署后，需要安裝調試硬件，系統(tǒng)硬件部署分為安裝部署服務器、監(jiān)控攝像頭部署和網(wǎng)絡部署等。

（1）服務器部署：提供兩種服務器部署方式，根據(jù)施工單位網(wǎng)絡情況進行部署，如果施工單位需要多個部門對施工現(xiàn)場進行監(jiān)控，需要在施工單位的局域網(wǎng)中安裝監(jiān)控服務器，服務器包括應用服務器、視頻數(shù)據(jù)庫等，其中應用服務器用于實現(xiàn)本監(jiān)控管理系統(tǒng)的中間件部署，視頻數(shù)據(jù)庫用于存儲攝像頭采集的視頻、圖像文件等；如果起重安全監(jiān)控工作由一些獨立的部門進行監(jiān)控，可采用第三方云服務方式進行部署，如服務器部署在華為云、阿里云等云平臺上，起重安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的應用部署在云端，同時監(jiān)控視頻文件存儲在云服務器中。

（2）監(jiān)控攝像頭部署

一般起重機施工在室外作業(yè)，不具備有線網(wǎng)絡的部署條件，監(jiān)控攝像頭部署在起重機操作臂處，需要按照作業(yè)類型來部署監(jiān)控攝像頭的位置。對一些特殊作業(yè)環(huán)境，如水下作業(yè)環(huán)境，需要配置一種抗壓盒子，以保護攝像頭的安全，同時增加相應的探照燈，來協(xié)助完成拍照。

（3）駕駛室終端部署

駕駛室終端提供兩種功能：其一是為起重機司機提供監(jiān)控視頻查看的終端，其二在攝像頭的監(jiān)控視頻后，通過本終端連接Internet 實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的上傳工作，駕駛室終端可配置小型一體機、功能機等，以滿足視頻查看和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（4）網(wǎng)絡部署

監(jiān)控攝像頭安裝部署后，需要部署網(wǎng)絡通信，一般推薦基于4G 或5G 的網(wǎng)絡通信，攝像頭通過電纜與駕駛室的終端相連，獲取視頻圖像，駕駛室終端除了查看視頻監(jiān)控外，還能夠通過4G/5G 或Wifi 網(wǎng)絡與服務端器實現(xiàn)通信，通過Internet 完成視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的上傳，上傳的視頻可傳至云端或施工單位的存儲服務器中。

6 小結

論文針對一些特殊環(huán)境下的起重操作需求，通過高清攝像監(jiān)控，設計了基于智能化的起重安全監(jiān)控系統(tǒng)。論文首先論述了系統(tǒng)研究目標，從軟件、硬件角度全面概括了系統(tǒng)的總體框架，在此基礎上分別軟件的框架、功能以及硬件部署實施進行了論述，重點論述了視頻監(jiān)控的關鍵技術。本系統(tǒng)的實施以實時動態(tài)地獲取操作臂的工作狀態(tài)，使起重機司機提供施工輔助參考，同時為施工方監(jiān)控提供全面的視頻監(jiān)控。