桥门式起重机考试自动评分系统研究

熊 治， 张天勇， 张 桐， 李彦林， 张 齐

（1.重庆市质量安全考试中心， 重庆 400023；2.重庆韦娜软件有限公司， 重庆 400020）

引言

随着社会经济的飞速发展，工业企业对起重机械的需求越来越大，起重机械属于涉及生命安全、危险性较大的特种设备，额定起重量大于等于3 t且提升高度大于等于2 m的起重机由国家纳入特种设备目录进行管理[1]。据国家市场监管总局统计，截止2017年底，全国起重机械数量达223.75万台，占特种设备总量17.3%，但起重机械的事故发生率仅次于电梯。

1 研究背景

桥门式起重机是起重机中数量最大的一类，通常体积庞大、结构相对复杂，需要在较大空间范围内运行。随着起重机制造技术的快速发展和遥控技术的运用，桥门式起重机朝着轻量化、智能化、自动化的趋势发展。操作人员需要依据操作规范，方能顺利完成货物的吊装、运行、卸载等工作。安全操作起重机，快速完成吊装任务，这对起重机操作人员的综合素质与业务技能提出了更高的要求。起重机司机和指挥人员的操作不仅涉及自身安全，而且与起重机、他人生命和吊装货物安全密切相关。如果操作不当将造成重大的安全事故和经济损失。因此，操作人员上岗前必须进行相应的安全教育和技能培训，通过严格考核合格后持证方能上岗[2]。

目前，桥门式起重机操作人员考试主要采取传统的人工评分方式。操作人员根据考试规范依次操作起重机完成起步、定点落物、曲线运行、卸载等动作，考评员根据动作完成度和耗时情况，对碰杆、倒杆等错误行为进行扣分，最后予以综合评价。人工评价主要依赖考评员对考试过程的事实判断，带有一定的主观因素，且对错误行为无法回放，可能存在误判或者争议。自动评分系统则可以基本解决公正性的问题。随着信息化、智能化的发展趋势，桥门式起重机实操考试应用信息化、自动化手段是大势所趋，自动评分系统就是基于无线传感器网络技术，建立全自动、信息化的“一体化”考试系统，可最大程度减少考试过程中的人为因素，极大地提高考试评判的准确性、客观性和公正性[3]。

2 系统组成

基于无线传感器网络的桥门式起重机考试全自动评分系统主要由考试过程检测部分、现场监控控制单元、视频监控部分、终端计算机等四大部分组成（见图1）。监测部分能够及时、完整地获取考生操作起重机在考试全过程中的动态信息，采集考试操作过程中的各种状态信号，并通过无线网络实现数据信息的实时传输。信号经过控制单元处理、数据加密打包后，通过RS485总线传送给终端计算机，在上位机软件中通过判定规则和逻辑关系进行综合评判，视频监控系统亦可对关键时点进行抓拍，考试全程由高清摄像机进行视频录像，实现全过程记录和可追溯。

图1 系统主要组成部分

2.1 考试过程监测部分

根据桥门式起重机实作考试评分规则，考生在考试过程中对起重机各项操作状态信号进行实时采集，主要包括行驶路线检测、压饼检测、碰杆和倒杆检测等。

2.1.1 行驶路线检测

根据考试评分规则，考生在考试过程中，吊桶必须按照规定的路线通过各个定位桩。系统拟采用高精度超声波定位系统对吊桶的位置进行定位，定位时间间隔大约为2 s/次。根据定位数据，得出吊桶在定位桩区域内的运行轨迹（见图2）。

图2 吊桶压饼及曲线运行路线

2.1.2 压饼检测

采用高精度室内定位系统，检测吊桶摆放位置，并计算吊桶中心偏离位置，由此判断吊桶是否正确落在目标区域。超声波定位返回数据（见图3）。

图3 压饼位置检测数据显示

2.1.3 碰杆、倒杆检测

采用姿态传感器，可以对吊桶姿态及定位桩姿态进行有效的实时检测，并由此判断定位桩的擦杆、倒桩情况。

各传感器节点使用低功耗Zigbee无线通信模块，构建无线传感器网络。该传感器具有体积小、低功耗、无需布线、安装方便等优点，只需将传感器直接捆绑或者粘贴到吊桶及定位桩上即可。可快速搭建考试场地，进一步提升本系统的市场推广性[4]。

2.2 现场监控控制单元

利用自主研发的数据采集设备与终端计算机通过RS485总线进行数据通信。实现现场传感设备和电脑端的远程数据通信。通信模块采用高性能工业级无线模块，为用户提供高速、稳定可靠的数据传输通道。

2.3 视频监控部分

通过在考试场地布置高清摄像机，实行考试场地全覆盖（见图4）。对考生考试过程进行全程录像。当考生出现违规操作时，系统自动抓拍图像记录并保存，便于事后查证。

图4 系统现场布置示意图

2.4 终端计算机部分

终端计算机自行开发考试评分系统软件，根据前端反馈数据，按照考试评分规则和逻辑关系，逐项实现自动评分并加总。主要功能包括：数据同步、自动评分、考试模拟动画、移动端评分界面、考试成绩记录等。

2.4.1 数据同步

数据同步需要与现已开发使用的质量安全人员管理系统进行数据接口交互。数据同步内容包括考试学员身份信息及科目、项目、时间等信息[5]。

2.4.2 自动评分

传感器设备将实时采集的数据通过传输节点返回。软件端需要监听数据接口，在有数据返回时，拿到数据并对数据根据自定义的数据格式进行解析，并将解析后的数据交由后续自动评分处理完成自动评分（见图 5）。

图5 数据传输示意图

2.4.3 考试模拟动画

通过硬件传感器信号数据，在软件的考试评分界面中展示学员考试过程的模拟动画（见图6）。考试动画需要摄像头与模拟动画配合完成，摄像头可真实展示考试全过程，模拟动画则可通过硬件传感器数据模拟考试过程中的压圈、未按规定路线行驶等违规状态进行展示。

图6 模拟动画图

2.4.4 移动端评分界面

软件系统的评分可在电脑端或者移动端进行（见图7）。评分内容依据考试大纲及评分表，逐项进行评分，最后加总。评分界面如下图7所示。

图7 评分系统界面

2.4.5 考试成绩显示及记录

在考生完成考试操作后，评分系统完成自动评分，并显示在LED屏上。

有权限的系统用户可在成绩记录查询模块中查看考试记录。可单独对某条考试记录信息进行查看考试评分表、考试录像和考试违规截图等操作。

3 结语

基于无线传感器网络的桥门式起重机考试全自动评分系统，充分利用嵌入式、物联网、互联网技术，实现了桥门式起重机实操考试过程中（起步、行驶、卸货等）各种状态信号的实时采集，并传送到上位机评分系统完成自动评分。该系统不影响起重机的正常工作，具有操作简单、抗干扰性好、工作稳定等优点。桥门式起重机实操考试模式由传统人工评价方式向全自动评分方式转变，极大地提高了考试公正性和效率，对其他类别特种设备考试信息化升级也有积极借鉴意义[6]。