铁路门式起重机安全监控技术研究

王宴平 （中国铁路上海局集团有限公司 合肥货运中心，安徽 合肥 230001）

WANG Yanping (Hefei Freight Transportation Center,China Railway Shanghai Bureau Group,Hefei 230001,China)

0 引言

按照《起重机械安全监控管理系统》 （GB/T28264-2012）[1]，港口、工程等使用大中型起重机的行业率先研制并应用了起重机安全监控管理系统，如秦皇岛港、上海港等港口企业应用互联网技术研发的安全监控系统，实现了对起重机作业安全的实时监管和远程控制。铁路车站普遍使用的门式起重机，虽然起重量不大，一般60吨以下，但技术条件千差万别，距标准化、系列化、通用化要求相差甚远，装卸货物品类、规格杂乱，露天作业且场地狭小，工况较差，安全管控难度较大，安全事故多发。近年来，一些铁路单位相继研制了起重机安全监控管理系统，但因受起重机技术条件、作业环境等因素影响而尚未普及。因此，需要研制能够广泛适用于铁路通用门式起重机的安全监控管理系统。

1 铁路门式起重机安全监控系统

以具备CPU电控系统，可提供全部传感器参数、控制系统参数及状态存储地址的铁路通用门式起重机为基础，研究铁路门式起重机安全监控管理系统[2]。

1.1 系统结构

铁路门式起重机安全监控管理系统，应由车载平台控制子系统、车载数据采集子系统、车载视频监控子系统、WIFI无线传输子系统、地面无线接收子系统、地面监管服务器子系统、地面监管复示子系统、局段监管复示子系统、远程监管复示子系统等部分组成[3-4]。系统结构图见图1，网络拓扑图见图2。

（1）车载平台控制子系统。车载平台控制子系统，采用西门子PLCS7-300系列CPU，通过安装风速、震动、防撞、电流、重量等传感器，将传感器采集数据与控制系统联动[5]。所有传感器数据、司机操作数据、动作执行数据、各指示灯状态、设备报警等实时信息，均存储至控制系统PLC指定寄存器位置，供车载数据采集子系统采集。当风速过大时，自动停止作业，保证作业安全。通过防撞传感器检测障碍物，当大车运行前方1～3m内有障碍物时，大车自动降速运行；0～1m范围内有障碍物时，大车自动停止。通过在卷扬机构加装的编码器和电流传感器，当吊运货物重量临近限值时低速运行，超过限值时自动停止；当起升速度过快导致电流过大时，自动降速，保证卷扬机构安全。通过重量传感器，检测吊运货物的重量情况，较轻货物可以快速移动，以提高效率；较重货物慢速移动，保证安全。

图1 铁路门式起重机安全监控系统结构图

图2 铁路门式起重机安全监控系统网络拓扑图

（2）车载数据采集子系统。车载数据采集子系统，是门式起重机安全监控管理系统的核心，能够实现对门式起重机运行状态、故障信息、司机操作信息等进行实时采集、分析、判断、上传。根据《起重机械安全监控管理系统》 （GB/T28264-2012），铁路门式起重机械安全监控管理系统应采集的信息包括起重量、起升高度、大小车行程、司机操作指令、工作时间等数据信息和作业视频信息及制动器、限位器等机构的状态信息，采集信息见表1。

表1 铁路门式起重机安全监控管理系统信息采集表

车载数据采集子系统由工控机、采集软件、ETH-MPI转换器组成，通过ETH-MPI转换器与西门子DP接口连接，通过Modbus协议采集西门子PLCS7-300系列CPU指定寄存器的实时数据，并转换为TCP/IP协议保存至工控机的硬盘中，同时将实时数据通过WIFI网络转发至地面监管服务器子系统中[6]。采集单元安装在门式起重机电器机房内，通过以太网交换机与视频监控子系统及无线传输子系统连接，将设备运行数据直接转发至地面监管服务器子系统和视频监控子系统，以实现起重机作业模拟监控。对故障报警信息及实时状态信息进行分析处理后，通过字幕叠加技术，将视频监控子系统中的摄像机视频与故障报警信息实时叠加到司机室操作屏幕上。同时将故障报警信息转发至地面监控系统和远程监管复示子系统，以实现远程维护和故障处理，提高处置效率，减少停机时间。

（3）车载视频监控子系统。车载视频监控子系统，是安全监控管理系统的重要组成部分，主要由网络高清摄像机（IPC）、智能POE交换机及网络硬盘录像机（NVR）等组成。IPC摄像机通过POE交换机与NVR相连，实现视频监控功能。IPC摄像机采用1080P全高清红外摄像，可以实现全天候视频监控。NVR支持16路同时录像功能，采用H265硬件压缩技术实现录像存储，可实现录像历史回放、远程查看等功能。

车载视频监控子系统，将采集到的起重机作业过程、机构运行等视频信息，显示在车载显示器（如图3所示）和远程监控终端上，供司机和远程监控人员实时监控。系统还能将采集的起重量、起升速度、起升高度、风速等数据信息叠加至监控画面中。当某项数据超出警戒值时，对应的字幕信息颜色变为警示红色，且立即全屏显示，提示司机有警示信息，当警示信息消失后自动切换为宫格显示。

（4）WIFI无线传输子系统。WIFI无线传输子系统，作为门式起重机安全监控数据的上传通道，由交换机和无线网桥组成。无线网桥（如图4所示）一般有2.4GHz和5.8GHz两个频段。2.4GHz频段，覆盖范围好，绕射能力强，但传输速度慢，受民用频段干扰严重，数据上传的实时性无法保证；5.8GHz频段，受外界干扰少，传输速度快，传输距离最远可达3km以上，虽其绕射能力不强，但对于铁路货运场站内高层建筑等障碍物不多的环境，还比较适用。

图3 起重机车载显示器

图4 无线网桥

（5）地面无线接收子系统。地面无线接收子系统，由无线网桥接收器、以太网交换机、接收数据软件、视频和数据转发软件组成，主要负责接收WIFI无线传输子系统发送的视频信息和实时数据，并上传至远程服务器和各监控终端。

WIFI无线传输子系统将信息发送至地面无线接收子系统，再通过以太网交换机将数据传输至工业控制机的接收数据软件，对数据进行解析、存储后，再由转发软件将相应数据转发至各监控终端。在无线信号不稳定或受干扰等情况下，地面无线接收子系统采用断点续传、校验重传等技术，可准确接收、存储、转发视频及数据信息，并分发到地面监管终端、各复示终端和远程监管终端[7]。

（6）地面监管服务器子系统。地面监管服务器子系统，由IBM或DELL标准机架式服务器、磁盘阵列柜、虚拟化软件、数据采集存储软件、数据库等组成，且要求CPU物理核心6个以上、内存32GB以上、SSD存储1T以上。地面监管服务器子系统通过虚拟化技术虚拟为2台虚拟机，分别部署数据采集软件和数据库，全部采集数据存储于磁盘阵列柜中，保证存储容量充足。当操作系统故障时，可保障数据安全，并可快速切换虚拟机，保证系统正常运行。

地面监管服务器子系统，通过地面无线接收子系统接收车载数据采集子系统所采集并转发的数据（包括起重机的运行状态、变频器信息、司机操作信息等），并以时间为基准存储于数据库中。根据需要，还可将原始数据和分析结果上传至段级、局级、铁总级服务器，以实现对全段、全局乃至全路门式起重机实时监督管理。

（7）地面监管复示子系统。地面监管复示子系统，通过网络与地面监管服务器子系统连接，可访问或查询地面监管服务器子系统内数据，其结构主要由台式电脑、安全监管复示软件、声光报警器等组成，且要求CPU性能I7以上、内存8GB以上、硬盘500G以上、显示器24寸以上且分辨率1080P以上。

地面监管复示子系统，可实时显示每台起重机运行参数、司机操作、视频监控、报警信息等，通过声光报警装置及时提醒监管人员异常操作、设备故障等情况，还可以进行历史回放、操作记录模拟、运行过程模拟、各部件运行统计等操作[8]。

（8）局段监管复示子系统。铁路局、站段设置复示终端，可调取查阅管理权限范围内全部门式起重机的实时运行数据、监控视频及历史记录等。由于局/段管理的门式起重机数量较多，实时查看全部门式起重机的实时信息，所需设备、人员较多，现实工作中也没有必要。因此，局段监管复示子系统的主要功能是对管辖范围内门式起重机的数据进行汇总、分析。

局段监管复示子系统可选用与车站复示终端同样的设备，配置局段复示软件，根据需要可扩展局段复示大屏，将关键信息、统计信息，数据变化趋势等直观显示在大屏上，也可对个别门式起重机的数据单独查询，为全局、全段门式起重机的管理提供依据。

（9）远程监管复示子系统。远程监管复示子系统利用互联网技术，实现跨区域实时存储、查询起重机视频、运行数据、设备信息、故障处理、统计报表等功能，并可远程指导设备维护[9]。通过三级联网，可实现铁路局、站段、车站对管辖范围内所有门式起重机运用信息进行监控。应用云技术将门式起重机监控数据存储在云端，安全高效。系统还可将门式起重机作业视频、设备状态和故障信息推送到手机APP（手机监控画面如图5所示），或者通过短信发送到手机，使各级管理人员能实时掌握门式起重机安全作业情况，及时处理突发情况。

1.2 系统功能

（1）作业过程视频监控。通过监控终端或调取历史数据，可对起重机周围的车辆、货物、人员等作业环境进行监控，对起重机司机操控和地面装卸人员作业过程是否标准进行监控，对滑触线、电气房、小车电机房设备的物理状态进行监控。管理人员不用到现场，就能随时掌握现场安全生产情况，及时处理现场安全问题。把安全管理从事后处理向事前预防、事中控制转变，提高安全监管效能。

（2）设备运行状态监控。通过PLC可获取大小车及吊具的运行速度及方向、吊索起重量、起升次数等作业动态信息，经汇总分析，实现对起重机各机构作业状态进行监控[10]。通过采集控制杆、按键、开关等操作信息，实现对操作人员行为状态进行监控（如图6所示）。通过采集电流电压、卷扬机转速、变频器状态、各传感器状态等设备信息，实现对起重机设备参数状态进行监控。通过风速仪采集作业地点风速、风力等信息，通过温度传感器采集环境温度，实现对起重机作业环境进行监控。以上数据全程采集、无线传输并存储在服务器中。通过对设备运行状态数据记录，能实时掌握起重机各机构、各部位运行状态，对起重量超负荷、作业环境突变等紧急情况及时预警，达到超前防范目的。

图5 手机监控画面

图6 起重机司机操作信息实时监控

（3）设备故障自诊断。当门式起重机变频器发生故障时，系统通过PLC获取变频器故障代码，实时与故障代码表对比分析，给出故障信息，并将故障信息同步到司机室操作屏幕、地面监控值班室、远程监控平台，及时做出处理，免除维修人员现场处理故障及由此造成的延误[11]。同时，通过对起重机作业动态信息、设备状态信息、作业环境信息及操作信息的统计分析及累计运算，可对一定时期内起重机运行数据（包括运行长度、大小车速度、载重、电流、制动次数、运行时间等）进行统计（如图7所示）。通过分析，系统可自动提醒设备维修保养、设备损耗等事项，实现对关键部位、关键零部件的全寿命周期管理，做到超前预警[12]。既可避免故障维修对生产的影响，又能防止过度维修造成的浪费，为起重机由计划修向状态修创造条件。

（4）生产数据统计。利用重量传感器，可自动统计起重机一次或在一定时期内的吊装重量。通过在卷扬机构、大小车走行轮上加装的编码器，可实时掌握吊具（钩头）及大小车的位置状态。通过大车、小车、吊具（钩头）三者位置变化频次、变化幅度，结合吊装重量，可自动判断起重机工作周期。通过电流传感器及智能电表，可实时掌握各执行部件的工作状态及整机能耗情况。基于以上数据，可按日、月、季、年，分别统计同比、环比的工作量 (吨)、运转小时、耗电量、人员工时、维修保养停机时间等数据（如图8）。根据此数据，可计算机械利用率、劳动生产率等经济效益指标，为核算班组收入、核定劳动班制和生产定员提供原始依据，不仅提高统计效率和工作质量，还节省统计人力、物力[13-14]。

图7 起重机运行数据统计

图8 起重机作业统计报告

2 结束语

以上研究成果，已在铁路上海局合肥北站、铁路南昌局吉安南站、沈阳局辽阳站等铁路门式起重机上应用，取得了明显成效，门式起重机作业安全监控、设备运行状态监管、故障诊断处理和生产统计能力大幅度提高，铁路货运安全管理水平、货运信息化和设备质量明显提升。在此基础上，下一步，我们将重点研究铁路门式起重机的自动控制技术，实现装卸机械操作自动化、管理智能化，为铁路现代物流发展提供技术支持与服务保障。