基于智能化的起重安全监控管理系统的研究应用

祝荣财

（浙江华东机电工程有限公司，浙江杭州，311228）

0 引言

当前起重机机械一般限于路面近距离作业，在工作过程中，起重机司机通过观察起重机的工作状态和作业现场，凭借操作经验来完成[1]。但对于水下、高空等一些特殊环境下的起重工作，不能通过视野观察的方式来实现操作，这种操作模式已受限，不能正常开展工作。

本系统针对行业痛点，研究了网络高清水下监视系统，攻克了温差，照明、密封及传输一系列难关，成功将施工状态以实时图像清晰的展现在起重机司机面前，在终端显示出的画质清晰，让起重操作变得如此得心应手，安全施工提供了有效的技术保障。

1 起重安全监控管理目标

起重安全监控管理系统采用高清数字摄像头，密封工艺先进，传输距离远，成像清晰。通过自定义摄像头IP，可接入原有视频、监控系统中，且可以将摄像机接入局域网，远程升级及远程维护，在远程高清视频监控下可由操作员完成相关驾驶操作。系统主要实现以下目标：满足特殊环境下起重机操作臂实操的监控操作，作业现场的高清掌控。通过高清摄像头融入原有局域网或者局部点对点网络，高清观察到起重机的所有细致操作，了解工作目标，通过高清视频监控，为施工人员开展施工提供全面的辅助决策[2-3]。

2 系统框架设计

本系统通过监控设备硬件、通信网络以及软件来组成一个完整的起重机安全监控管理系统。通过监控摄像头动态获取、采集作业视频，然后经过通信网络传输到服务端，服务端可采用本地部署或云部署两种方式。

监控摄像头具有成像清晰细腻，色彩丰富，防深水等优点；系统监控设备采用先进的编码压缩技术，优异的自动聚焦和自动曝光技术，具有聚焦准、速度快，曝光效果佳等特点，其构成包括安装在液压抓梁上的高清摄像头，摄像头的视频信息经信号电缆传输至密封盒，通过信号电缆传输至监控室内的液晶显示器和硬盘录像机。高清数字摄像头能清晰的观测到液压抓梁的穿、脱销过程，加装整套可视化系统后保障了起重设备在水下作业的安全可视性，使水下穿销动作具有双重保障，进而提高液压抓梁运行的安全性，保证能及早发现水工金属结构产品在运行过程中的问题并及时处理，从而降低了设备运行的安全风险，大大加强了在机组检修工作中闸门穿退销动作的安全可靠性，操作人员能够从人机界面中直观的看到起重全过程的工况信息。

软件系统用于实现监控数据的采集以及监控视频的查询浏览等功能，同时在动态监控现场作业外，需要提供作业视频回放、图像抓取等功能。作业视频回放用以后期安全生产的研判，图像抓取用于抓取一些核心部位操作的视频截图。

3 系统软件设计

整个起重机安全监控管理系统除了起重机司机通过移动端屏幕查看作业现场状况，施工单位、客户方均可通过监控系统查看起重机工作状态。监控管理系统除了视频监控作业现场，同时可通过系统进行图像抓拍，对某个操作动作进行定格分析。为了提供系统的维护性和扩展性，系统分为三层：表示层、业务逻辑层和数据层，具体结构如图1 所示。

图1 软件系统体系结构

（1）数据层

本层提供数据支撑，本层通过数据库提供等相关数据的访问服务，存储本系统模块的各类基础数据，本层为业务层提供数据源，由业务层根据数据来实现业务逻辑的组织和设定。

由分析可知，本系统数据分为两类：一类是起重机信息、作业信息等结构化数据，一类是起重机作业图像文件数据，对于结构化的数据可通过数据库查询、管理，这些数据通过通用接口来调用。摄像头采集的起重机作业图像数据以文件的方式存储，在ftp 站点进行存储，存储结构以摄像头拍摄的起重机编号为主来组织，以“起重机编号”“-拍摄日期”“-起重机作业图像”这种结构形式来存储各个起重机作业图像文件，在进行图像文件检索时，首先根据起重机编号来检索，这些结构也存储在结构化数据库中，提高了整个图像文件的检索效率，能够在图像中快速地查询到其对应的文件。在数据层提供数据访问时，对于一般结构化数据，可通过记录集的形式来实现访问，如查询到起重机作业数据等，而对于起重机作业图像采用ftp 地址形式来展示出起重机拍摄的图像信息，在显示出的图像信息后，无须对从ftp 上下载起重机作业图像文件，只需要通过结构化的存储地址在网上进行浏览。

（2）业务逻辑层

业务逻辑层用于实现各类作业诊断逻辑业务逻辑的设置以及系统相关的设定等，如设置的业务类型、数据存储读取的一些参数等。在业务逻辑层中，各类起重机作业信息的分析需要设定相应的模型来实现，业务模型需要数据支撑，在建立业务模型时，需要读取各种业务数据等。

监控视频采集功能：监控摄像头动态采集现场视频、图像，系统摄像头可自行定义IP 地址，一般与驾驶室监控终端保持在同一个网段内，然后可通过Internet 来实现视频数据的上传。

监控视频回放：可对服务端存储的监控视频进行回放操作，可选择某个时间点的监控回放，或设置不同倍速的视频回放等，视频回放过程中可截图保存，系统提供完善的视频回放操作。

摄像头配置：对监控摄像头的Ip 地址、访问网络参数、视频图像规格等进行配置，配置后保存在服务端，系统中对每个监控摄像头和起重机进行绑定，通过起重机、司机姓名等可检索到监控视频。

网络设置：设置驾驶室终端的采用的通信网络参数，包括采集数据上传的服务器地址、数据传输速率的限制等参数。

（3）表示层

本层完成系统的各类功能显示，界面显示布局设置等，一般基于浏览器端实现，在浏览器端通过HTML5、JS 以及相关的组件（如JQuery）等展示出起重机信息、作业信息以及视频图像信息等。

本系统终端主要分为两个终端：第一终端为驾驶室的终端，用于驾驶司机现场作业，第二终端为施工单位相关部门的视频监控终端，为一些重大的抢险、救援提供现场动态，调度人员在局域网中结合现场的外景视频，使主管领导对现场研判提供全面支持。

4 系统采用的关键技术

（1）基于WebSocket 的视频监控传输技术

本系统在采用了WebSocket 技术来实现起重机作业监控预信息，当服务端获取车辆出现作业行为时，以服务的方式发布，Web 端采用WebSocket 技术实现监控信息的动态获取。WebSocket 是一种基于TCP 连接的全双工通信协议，通过调用WebSocket，实现客户端与服务端数据通信更加灵活、快捷，其允许服务端向客户端推送数据，客户端与服务端只需要一次连接，两者之间可创建永久的通信连接，实现双向的数据通信。当服务端获取到起重作业行为时，主动向服务端推送视频信息。图2 为起重机视频监控活动图。

图2 起重机视频监控活动图

起重机作业监控的设计时，需要调用一些必要的参数来实现系统功能，系统实现调用以下接口来实现作业监控系统相关功能的实现。

（2）视频监控接口设计

本系统涉及的起重机监控视频由摄像头生产厂家提供，在摄像头监控视频显示页面中，通过调用ezopen 地址来访问，在访问视频接口时，需要获取视频访问的许可，以accessToken 的形式表示。在页面端调用视频监控视频的接口结构为：

（3）监控信息订阅接口

系统通过传递的拍摄的图像、视频，由服务端对图像、视频进行分析，获取起重机的作业状态信息等，这种监控信息的显示，通过服务端的接口服务来实现。

起重机作业行为采用了订阅服务接口的方式来实现，当在服务端监控到起重机有作业行为时，系统在客户端会动态的显示出作业视频，包括操作臂位置、施工对象。

接口定义为：

Subscribe_URL：监控服务地址；

JSON_Para：监控参数类型；

客户端监控作业行为时，通过WebSocket 调用实现，定义一个WebSocket 对象，其后定义一些JSON 参数，通过订阅的方式来获取订阅的监控信息，WebSocket 对象提供了实时动态监听服务端返回的起重机作业。

5 系统硬件部署

系统开发后实施部署后，需要安装调试硬件，系统硬件部署分为安装部署服务器、监控摄像头部署和网络部署等。

（1）服务器部署：提供两种服务器部署方式，根据施工单位网络情况进行部署，如果施工单位需要多个部门对施工现场进行监控，需要在施工单位的局域网中安装监控服务器，服务器包括应用服务器、视频数据库等，其中应用服务器用于实现本监控管理系统的中间件部署，视频数据库用于存储摄像头采集的视频、图像文件等；如果起重安全监控工作由一些独立的部门进行监控，可采用第三方云服务方式进行部署，如服务器部署在华为云、阿里云等云平台上，起重安全监控管理系统的应用部署在云端，同时监控视频文件存储在云服务器中。

（2）监控摄像头部署

一般起重机施工在室外作业，不具备有线网络的部署条件，监控摄像头部署在起重机操作臂处，需要按照作业类型来部署监控摄像头的位置。对一些特殊作业环境，如水下作业环境，需要配置一种抗压盒子，以保护摄像头的安全，同时增加相应的探照灯，来协助完成拍照。

（3）驾驶室终端部署

驾驶室终端提供两种功能：其一是为起重机司机提供监控视频查看的终端，其二在摄像头的监控视频后，通过本终端连接Internet 实现视频数据的上传工作，驾驶室终端可配置小型一体机、功能机等，以满足视频查看和数据传输的需求。

（4）网络部署

监控摄像头安装部署后，需要部署网络通信，一般推荐基于4G 或5G 的网络通信，摄像头通过电缆与驾驶室的终端相连，获取视频图像，驾驶室终端除了查看视频监控外，还能够通过4G/5G 或Wifi 网络与服务端器实现通信，通过Internet 完成视频监控数据的上传，上传的视频可传至云端或施工单位的存储服务器中。

6 小结

论文针对一些特殊环境下的起重操作需求，通过高清摄像监控，设计了基于智能化的起重安全监控系统。论文首先论述了系统研究目标，从软件、硬件角度全面概括了系统的总体框架，在此基础上分别软件的框架、功能以及硬件部署实施进行了论述，重点论述了视频监控的关键技术。本系统的实施以实时动态地获取操作臂的工作状态，使起重机司机提供施工辅助参考，同时为施工方监控提供全面的视频监控。