叉车安全监控管理系统及其应用分析

2022-08-04张庆丰马建蔚

起重运输机械 2022年14期

张庆丰史海马建蔚陆凯

宁波市特种设备检验研究院宁波 315048

0 引言

目前，我国登记在用的叉车已超过 110 万台，叉车事故居高不下，呈上升趋势，已引起国家市场监督管理总局的重视[1]。以某市为例，随着该市叉车专项整治工作的不断推进，叉车的使用登记率不断提高。2017 年全市在用登记叉车1 300 余台，2018 年全市在用登记叉车1 700 余台，增长率30.7%。2020 年末全市叉车登记总量相对于2019 年新增了800 余台，达到了3 500 余台。2021 年末新增叉车1 500 余台，登记叉车总量达到5 000 余台。如此高的上牌率表明全市叉车得到了有效监管，切实保障人民生命财产安全，但由于叉车司机违法操作、使用单位未有效落实使用安全管理制度等原因，叉车事故也时有发生。同时，叉车登记总量的快速提升，也对市场监督管理部门的叉车监管能力提出了考验。为提升全市叉车的作业安全性和市场监督管理部门的监管能力，叉车安全监控管理系统应运而生。

叉车安全监控管理系统是集传感器、嵌入式技术、物联网、远程通讯等技术相融合的系统平台，将叉车的行车参数和状态通过传感器传输到控制系统中，经控制器的计算处理，监控系统显示、存储监控参数或输出控制信号。通过远程无线传输模块，可将监控参数远程传输给监控中心，以便于叉车监督管理部门的远程监控。叉车安全监控的应用不仅提高了叉车运行的本质安全性，也为叉车监管部门提供了全新的数字化科技管理手段。

鉴于安全监控系统在提高叉车安全性和提升监管能力上提供了重要技术保障，国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会于2020 年6 月正式批准发布GB/T 38893—2020《工业车辆安全监控管理系统》，并于2021 年1 月1 日起实施。《场（厂）内专用机动车辆安全技术规程》第2 次征求意见稿相关条款中明确指出叉车应设置司机权限信息采集器、乘驾式电动叉车应设置转弯监控装置和司机坐/站姿状态感知系统等监控功能[2]。

为了提高叉车安全性，加强叉车安全监管，该市市场监督管理局推行了叉车智慧化安全监管试点工作，运用信息化、智能化等监管技术，提出了叉车的“智慧监管+保险+服务”模式，应用叉车安全监控系统建立了一种智慧化监管信息平台。该叉车安全监控管理系统的推广对规范叉车作业行为，提高作业安全性，加强叉车安全监管有积极意义，但在监控系统硬件安装的合理性、设备集成化、监控采集信号单元的完整性等方面和监控系统推广普及程度和推广方式上有待进一步完善。

1 叉车安全监控系统工作原理

叉车安全监控系统由硬件和软件组成[3]，其功能单元包括信息采集单元、信息处理单元、信息存储单元、信息显示单元、信息输出接口单元、控制输出单元等，如图1 所示。

图1 叉车安全监控系统的组成

叉车安全监控系统的工作原理为信息采集单元通过传感器采集叉车的行车参数和行车状态，（行车参数包括起重量、起升高度、运行速度、门架倾斜角度、人体感应距离、车轮转向角度等；行车状态包括作业区域、停车制动、操作者站/坐姿、倒车、操作者权限信息、视频装置等）。传感器将电信号传递给安全监控系统的嵌入式控制器，经控制器的软件算法控制处理，存储监控数据，并以图像、文字、声音等方式输出监控的参数和状态，或是输出控制信号，控制叉车的运行（如自动行驶限速、自动停车锁止等）。为支持远程监控中心的监控管理需求，安全监控系统配置对外开放的通讯协议接口，如网络接口、4G 接口和GPS 接口，通过这些标准协议接口可将叉车的实时行车数据通过远程无线传输模块传递给叉车监管单位，实现远程管理。

安全监控系统与叉车直接关联的部分是该系统的输入部分和输出部分，其中输入部分主要通过监控数据采集传感器与叉车的机构互连，而输出部分则分2 种情形：若输出信号是以显示、存储的方式，则该输出信号对操作人员或监管人员产生提示作用；若输出信号是控制信号，则该信号通过电信号与叉车的电气控制回路互联，该输出信号对叉车本体直接发出控制指令（如自动限速、自动锁车等）。根据输出信号是否对叉车本体运行产生影响可将监控系统输出信号分为无反作用输出信号和有反作用输出信号，无反作用输出信号对叉车状态不构成影响，反作用输出信号对叉车状态构成影响。

2 监控系统的监控内容分析

该系统监控内容的等级分为高低2 个等级，高等级为应监控，低等级为宜监控。对于各种不同类型的叉车所需配备的监控系统信息采集单元是不同的，为方便分析讨论，结合目前在用叉车中平衡重式叉车所占比例为最大的事实，选取平衡重式叉车为探讨对象。系统信息采集单元数据见表1，表中只列出了通常情况下的监控内容的等级。

表1 系统信息采集单元

1）电动平衡重式叉车安全监控系统应监控的参数有2 个，即运行速度（步驾式宜控）和车轮转向角度。这2 个数据的监控主要为符合起升过程中对运行速度的控制和转弯限速控制，即电动叉车起升至设定高度时，叉车的最大行驶速度将被限制；电动叉车在转弯时，车辆被自动限速。由此可见，监控这2 个参数，经监控系统的控制器处理，输出的控制信号为有反作用输出信号，这2 个监控参数将对叉车本体运行状态构成影响。

2）电动平衡重式叉车应监控的状态有5 个，分别为作业区域警示（步驾式宜控）、停车制动状态、操作者站/坐姿状态（步驾式宜控）、倒车状态和操作权限信息。其中，作业区域警示、停车制动状态、倒车状态对应的输出信号为无反作用输出信号，只需监控系统发出提示信号；而操作者站/坐姿状态（步驾式宜控）和操作权限信息这2 个监控状态所对应的输出信号为有反作用输出信号，分别为当操作者离开设定区域，叉车自动锁止运行和作业动作；拆除采集器或采集信息与设定信息不一致时，限制车辆启动。

3）内燃平衡重式叉车监控系统应监控的参数有1个，针对电控发动机的叉车运行速度有监控要求。

4）内燃平衡重式叉车应监控的状态数量与电动平衡重式叉车一样均为5 个，不同之处在于操作者站/坐姿状态这监控状态只针对电液换向型内燃车辆。

5）视频装置的监控要求取决于叉车的吨位和起升高度。

3 加装安全监控系统的技术要点分析

加装叉车安全监控系统对叉车的影响主要在于监控数据传感器在叉车机构上的安装和有反作用控制输出信号与叉车控制回路的互联。电动平衡重式叉车具备整机控制电路系统，电动平衡重式叉车多为直流电动机驱动，其控制原理为：以嵌入式控制器为控制核心，通过采集操作信号；嵌入式控制器输出PWM，经电动机驱动电路控制行走电动机以及油泵电动机的启停、变向和加减速，从而实现叉车的启停、进退、变速和工作装置的工作等。内燃平衡重式叉车无整机控制电路系统，其电气系统仅为仪表、灯光和发动机的启动电路。嵌入式控制系统的最大优点是可扩展性，电动平衡重式叉车与内燃式对比，加装反作用控制输出信号更容易，可将扩展的监控数据传感器接口与嵌入式电动机控制板互连，并增加相应的输出接口串入到电动机控制回路，更新软件即可实现加装的监控内容对叉车的控制。

然而，对内燃平衡重式叉车加装监控系统的反作用输出信号不仅要重新设计电控系统，还要加装机械结构作为控制执行机构反作用于叉车机构。如对内燃柴油机叉车的速度进行控制以限制运行速度，就需要限制柴油机的转速，而柴油机转速的控制取决于柴油机的供油量。柴油机通过控制高压油泵调速器上调速弹簧的预紧力来改变供油量。喷油量加大，转速就会上升，减少喷油量即降低转速。由此可见，对此类叉车进行运行速度控制需要设计附加的机械结构或改变调速装置来控制喷油量的大小，故改装难度、工作量均较大。另外，改变发动机的调速装置结构或添加附属机构将改变发动机的组成机构，这种改变是否能够界定施工定性、保证安全性尚待商榷。

对内燃平衡重式叉车的发动机进行速度控制的加装工作技术难度较复杂，工作量也较大[4]。因此，对其运行速度和车轮转向角度等监控参数不作应监控的要求，而对电动平衡重式叉车则有应监控的要求。

4 加装安全监控系统的应用实例

为进一步加强叉车安全监管工作，预防和减少叉车安全事故发生，某市2021 年推行了叉车智慧化安全监管试点工作，探索叉车“智慧监管+保险+服务”模式，应用物联智控技术，建立智慧化监管信息平台。该系统以物联网、人工智能、大数据、云计算为依托，通过摄像头采集作业人员和叉车的影像，识别不安全操作行为，向叉车作业人员实时发出语音预警提示。叉车使用管理单位和监管部门可通过平台（电脑Web端和手机移动端）远程查看叉车运行情况。

各叉车使用单位参加智慧化安全监管试点后，配合做好智慧化监控集成装置安装、调试以及设备、人员的数据信息采集等工作，该智慧化监控集成装置即为叉车安全监控系统，首年应支付硬件安装费、保险费，以后每年支付设备维护费、保险费。截止2021 年底，在全市范围内共计完成叉车监控系统260 余台。

如图2 所示，该内燃平衡重式叉车的监控系统主要由摄像头和监控设备主体等构成，摄像头置于叉车司机室前方，监控设备主体位于叉车司机室后方，监控设备主体配以体积较大的电控柜，该安装设备存在以下问题：

图2 加装的安全监控装置

1）摄像头安装固定不牢靠，随着叉车的运行，摄像头安装支架不断抖动，易使摄像头连接松动；

2）监控设备主体电控柜体积庞大，安装位置不合理，导致发动机罩打开时电控柜与发动机罩干涉，致使发动机罩壳无法完全打开锁定；

3）设备运行功能不可靠，无法可靠实现预定的功能。

查看监控设备主体，该叉车监控系统实质为一台部标机，如图3 所示。部标机原本用来对两客一危车辆的行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的状态信息进行记录、存储并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。其主要产品功能特点为：支持数字视频输入，最高支持1080P；支持1 个HDD 硬盘和2 个SD 卡存储；支持4G、WIFI、GPS 和北斗双模定位；支持行车状态记录功能，包括车速、转向、刹车、倒车、车门开启统计、司机身份识别等；4 路可控报警输出；具备2 个USB2.0接口，4 个RS232、1 个RS485 接口；4G 手机监控，轨迹回放，超出预定行驶路线自动报警。

图3 部标机

根据部标机的功能，结合标准GB/T 38893—2020《工业车辆安全监控管理系统》对内燃平衡重式叉车安全监控系统监控状态的要求，超出预定行驶区域部标机具备自动报警功能，与叉车安全监控系统的作业区域警示要求一致；部标机的司机身份识别与监控系统中的操作权限信息要求一致；部标机能与4G 手机互联，实时显示运行状态与视频监视区的功能要求一致，但是否能实时显示盲区有待考证。部标机自带功能与叉车监控系统要求不一致的有停车制动状态、倒车状态，部标机只能对刹车、倒车进行记录等，不能进行实时显示或提示。

从监控状态的符合性论证看，部标机的功能非常接近监控系统对内燃平衡重式叉车的要求，但对于电动平衡重式叉车而言，部标机无法满足监控系统中对运行速度和车轮转向角度的要求。

从监控系统的要求看，部标机自带的通讯接口、存储功能、管理权限与监控系统中的通讯协议、记录和控制功能、信号接口、显示等要求接近。显而易见，部标机对监控采集单元的采集点数量是不足的。

《场（厂）内专用机动车辆安全技术规程》第2 次征求意见稿只要求内燃平衡重式叉车设置司机权限信息采集器，这样部标机作为内燃平衡重式叉车的安全监控系统依然符合，但对电动平衡重式叉车的监控系统需要有转向限速功能，显然部标机不具备此功能。

综上所述，该安全监控系统的安装并未考虑叉车自身的结构与工作情况，只将部标机简单地移植到叉车上，将其当作叉车的安全监控系统。这种做法不符合GB/T 38893—2020《工业车辆安全监控管理系统》和《场（厂）内专用机动车辆安全技术规程》第2 次征求意见稿的要求，与国家标准、技术规范的要求尚有需要完善的地方。

根据国务院关于进一步贯彻实施《中华人民共和国行政处罚法》的通知对规范电子技术监控设备的规定：“行政机关设置电子技术监控设备要确保符合标准、设置合理、标志明显，严禁违法要求当事人承担或者分摊设置电子监控设备的费用”。因此，叉车监管单位对此类叉车监控系统的推广应首先确保监控系统的性能要求满足国家相应的标准及技术规范，循序渐进，合适考虑政府补贴的方式，适量减轻企业负担，并加强宣传和推广，逐步稳步叉车安全监控系统的安装。