基于人脸识别的施工升降机安全监测系统设计

基于人脸识别的施工升降机安全监测系统设计
龚结龙;吴缙峰;朱虹;吕军
【摘要】为确保工地施工过程的安全,需对施工升降机的工作状态进行实时安全监控.现有系统司机识别常采用IC卡方式打卡认证,容易作假;指纹识别存在需要多次识别或误读可能性较大等缺点.为了解决司机违规代岗和违章操作等问题,采用人脸机对司机身份进行识别,并结合载重、限位等多传感器数据采集,提供超载报警、限位报警、维保超期报警、设备锁车报警等提醒功能,对施工升降机工作状态进行实时监控.文中设计的施工升降机安全监测系统对司机身份的识别准确率超99％,对违规操作预警成功率超95％,极大地避免了因违规操作引起的安全问题.
【期刊名称】《物联网技术》
【年(卷),期】2018(008)012
【总页数】5页(P32-35,37)
【关键词】人脸识别;物联网;施工升降机;安全预警
【作者】龚结龙;吴缙峰;朱虹;吕军
【作者单位】中电海康-浙江海康科技有限公司,浙江杭州 310012;中电海康-浙江海康科技有限公司,浙江杭州 310012;中电海康-浙江海康科技有限公司,浙江杭州310012;中电海康-浙江海康科技有限公司,浙江杭州 310012
【正文语种】中文
【中图分类】TP277
0 引言
工地安全施工和安全质量一直是国家有关部门再三强调的主题。

为确保施工过程的安全，需对施工升降机设备工作过程和工作状态进行实时安全监控。

施工升降机是特种设备，需要专业的操作人员操作。

而在工地实际施工过程中，会出现施工升降机司机非法代岗的现象。

一旦出现非专业人员驾驶操作施工升降机，很容易出现安全事故。

因此，对施工升降机的司机识别和违规操作进行提前预警，降低工程风险，避免发生重大工程事故是亟待解决的问题[1-4]。

根据升降机的事故特点和主要安全隐患，可采用物联网技术对隐患点进行监控，对不安全的状态进行报警和控制，并把相关数据远程传输至服务器。

服务器接收到这些数据后，可做进一步的挖掘和处理。

系统拓扑图如图1所示。

系统的基本设计概念如下：
（1）数据本地处理。

要求施工单位的施工升降机必须安装“黑匣子”，保存施工升降机运行信息，同时必须具备运行警告装置，以便出现超载等情况时进行语音提醒。

（2）报警联动。

设定运行参数阈值，若超过阈值或运行参数发生异常，则进行分析，第一时间发送短信给施工单位安全管理人员，通知其快速处理。

图1 系统拓扑图
（3）违章管理。

系统能提供施工升降机超载、故障的历史数据，并可生成对应的报表、统计分析数据。

该类数据可供职能部门、施工单位对施工升降运行状况、可能存在的潜在风险进行评估，监督施工升降机的维保工作实施。

（4）运行管理。

可通过移动终端或PC等形式查看工地施工升降机的实时运行状况，为职能部门移动执法、安全管理及施工单位安全管理提供依据。

本文主要叙述了设备端的软硬件设计，后台服务端和监控平台的设计不做详细介绍。

1 总体设计
1.1 总体框架
系统总体框架如图2所示。

系统分为控制器和显示器两部分。

控制器安装在升降机吊笼上的电箱旁边，显示器安装在司机操作台旁边。

控制器和显示器之间采用RS 485连接。

图2 系统总体框架图
控制器采用LPC2378实现，包括信号采集、数据计算、控制输出、数据存储和远程传输模块。

显示器采用LPC1765实现，包括层呼叫接收模块、司机管理模块、显示模块和声光报警模块。

1.2 系统功能划分
限位信号采集：采集升降机原有各限位的开关信号，得到升降机系统运行的安全状态。

需要采集的限位开关信号有上限行程开关、下限行程开关、极限开关、吊笼冲顶保护、断绳开关、底笼门保护开关、吊笼单门开关、吊笼双门开关等。

操作信号采集：采集司机的操作信号，用于分析司机的误操作和违规操作。

需要采集的操作信号有急停开关、启动开关、上行、下行、电铃等。

速度采集：采集速度，用于判断升降机的高度及运行状态。

利用接近开关测量齿轮转动的次数得到速度信号。

该信号为频率信号，通过脉冲频率得到升降机速度值，而速度的方向需用操作信号进行判断。

重量采集：采集重量信号，用于重量超载控制。

该模块由两个重量传感器组成，除了超重控制外，还可检测载荷分布是否均匀。

人数采集：采集人员数量，防止人员超载。

检测人员数量有两种方法：方法一，在工人安全帽上安装RFID标签，在吊笼内安装RFID读写器，RFID读写器读到的标签数即为人员数量；方法二，通过摄像头视频处理算法得到人员数量。

远程传输模块：远程传输模块用于把设备端的运行数据传输到远程服务平台，即GPRS模块。

存储模块：用于保存设备的运行数据、报警数据、操作记录等。

控制器输出：当设备检测到报警状态时，输出控制信号，保证升降机处于安全状态。

输出控制信号包括超载控制、超员控制、司机管理控制等。

显示屏：用于为司机显示设备的运行数据、报警数据、操作记录等。

同时，向司机提供定期维保提示。

层呼叫：每层安装一个层呼叫器，吊笼内安装一个接收器。

层呼叫无线传输功能采用M60模块实现。

司机管理：司机管理的目的是防止无证人员随意开启升降机。

实现的方法有两种：方法一，利用IC卡识别，如果卡号合法，就可以开启升降机，否则锁机；方法二，利用人脸识别技术判断司机是否合法。

2 硬件设计
2.1 主控设计
主控硬件基本框图如图3所示。

控制器采用LPC2378实现。

根据升降机监控参数要求，采集升降机的实时数据。

需要采集的信息包括限位信号、操作信号、速度、称重AD值。

图3 主控硬件框图
RS 485通信模块控制挂载在RS 485总线上的设备，保证各设备间的相互通信。

其中，显示器端作为中心节点，统一调度各节点发送数据的时隙。

采集司机ID：采集司机的ID，具体采集命令根据采集模块的要求实施。

采集人数：计算吊笼门从开启到关闭时的笼内人数，从而确定吊笼内部的乘坐人数。

具体采集命令待定。

与显示屏板通信：与显示屏通信的数据帧包括实时数据帧、参数读取帧、参数配置
帧和维保提示帧。

2.2 RS 485通信模块
2.3 人脸机
本文选用飞瑞斯公司的辨脸通人脸机，可注册多名司机或管理员身份信息及头像。

该人脸机基于“人脸无法替代”的特性和为企业级用户提供“便捷&有效”的考勤管理理念而设计，将最新Face Image+ V4人脸识别算法配合强大的ARM处理器，实现脱机使用，系统工作稳定。

同时，通过专利设计的“多光源人脸识别”技术与高性能、低功耗ARM处理器的完美结合，分析人脸特征作为身份识别的依据，提供准确的考勤记录，取代市场上的指纹、打卡考勤机。

人脸机采用RS 485输出接口，与显示器和主控之间采用RS 485通信。

2.4 GPRS通信模块
GPRS通信模块用于主控和后台之间的数据交互，包括设备注册、心跳保活、状态上报、远程参数配置、司机照片上传及违章信息上传等。

3 软件设计
3.1 主控端任务
主控端主要划分为传感器信号采集任务、计算任务、输出任务、GPRS通信任务及与显示屏通信任务等，主控任务流程如图4所示。

显示器任务主要分为层呼叫采集任务、与控制器通信任务、输出声光报警任务及显示任务等，如图5所示。

图4 主控任务流程图
3.2 显示器任务
3.3 人脸识别流程
人脸识别流程如图6所示。

上电开机后，人脸识别设备进入待机休眠模式，点击屏幕，进入识别模式。

识别成
功后，向上位机发送识别成功帧，包括司机ID号（4 B），之后结束识别进入休眠模式；如果识别失败，向上位机发送识别失败帧并进入休眠模式。

图5 显示器任务
图6 人脸识别流程
3.4 系统数据流图
系统数据流图如图7所示。

整体上可归纳为实时参数和配置参数的流向过程。

3.5 主控计算任务
主控计算任务用于计算升降机当前的安全状态。

3.5.1 自检
自检分为两部分：一部分直接检查系统自身各传感器是否正常工作；另一部分通过各传感器信号之间的逻辑关系进行故障判断。

3.5.2 载重计算
载重计算方法为：
W=（W终－W起）/（AD－AD起）×（AD终－AD起）+W起式中，AD为两个传感器AD值的平均值。

3.5.3 速度和高度计算
速度和高度计算方法：位置1。

超速报警：当升降机运行速度大于安全速度时，超速报警位置1。

无证司机报警：当系统未检测到合法司机，但设备被启动时，系统报警。

3.5.5 数据存储
要求存储的数据包括每次开机时长、实时数据和操作记录等。

图7 系统数据流图
SPEED=m脉冲×步长
高度=原有高度+SPEED×脉冲时间
高度在吊笼底且笼门打开时清零。

3.5.4 报警计算
超载报警：当载重量大于报警设定值时，超载报警位置1。

偏载报警：当两个称重传感器测量到的载重量差值大于偏载设定值时，偏载报警位置1。

超员报警：当前载重人数超过报警设定值时，超员报警
4 系统使用
监控平台的主要功能包括司机身份管理、日常维保管理、运行状态管理、安装维保锁定、设备在线管理及报警管理等。

监控平台实时数据页面如图8所示。

图8 平台实时数据页面
5 结语
本文针对施工升降机安全施工要求，设计了基于人脸识别的施工升降机监测系统。

采用人脸机识别司机，消除了IC卡和指纹仪识别的缺点，对司机的识别率高达99%以上。

采用多传感器相结合的方式，对施工升降机施工过程中的数据进行实时采集和监控，极大地降低了因违规操作带来的安全事故。

该系统数据采集准确率高，稳定性好，整体成本低，具有较高的实用价值。

参考文献
【相关文献】
[1] GB 10055-2007，施工升降机安全规程[R].2007.
[2] GB/T 6067-1985，起重机械安全规范[R].1985.
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[4] GB/T 28264-2012，起重机械安全监控系统[R].2012.
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