CN105329776A - 基于uwb的起重机作业全息监控及预警系统 - Google Patents

Abstract

基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，包括现场信息采集模块，现场信息采集模块包括UWB定位标签、UWB收发模块、同步控制器、工作状态传感单元和环境信息传感单元，UWB收发模块将接收UWB信号处理成实际位置信息，并计算安全距离检测结果；数据处理模块接收后实时传输给现场信息输出模块；数据处理模块根据接收的实时监测信息和预存储的起重机基本信息，使用分类算法处理，预测起重机的潜在故障，并实时传输给现场信息输出模块。其目的在于提供一种实时、全面、快速有效监测起重机运行状态，全面监控起重机与作业现场人员、物体和设备安全距离、智能分析潜在故障并发出警报的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统。

Description

基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统

技术领域

本发明涉及基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统。

背景技术

起重吊装设备是一种广泛应用于工业生产场所的特种设备。随着经济的发展，随之而来的是起重事故的增多，在全部产业部门事故中，起重机械伤害事故约占总数的20％左右。

起重机由于自身结构的特点，加上一些人为的操作因素，导致起重机在生产应用过程中存在极大的安全隐患。起重吊装作业自身具有以下的特点：(1)吊装物体具有很高的势能；(2)起重吊装作业是多种运动的组合，钢丝绳的软连接方式，形成起重机械的危险点多且分散的特点；(3)作业范围大，支撑结构横跨作业场地，高居其他设备、设施和人群之上，吊装带载可以在较大范围内移动运行，使危险的影响范围加大；(4)多人配合的群体作业，每一个环节都可能发生意外；(5)作业条件复杂，室内、室外等均有多因素的影响。由于以上特殊点，使得起重设备在使用前必须安检，现场作业需增加监督管理力度，对操作人员实施严格的管理制度。

以往传统安全监测方式是通过监测仪器人为间断地监测起重吊装设备的健康状态并进行测量、记录和分析。随着物联网技术的发展，这种方式已不能满足生产的需求，由于生产吊装作业特点，迫切需要一种实时、全面、快速有效监测起重机运行状态，全面监控起重机与作业现场人员、物体和设备安全距离、智能分析潜在故障的智能监控系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时、全面、快速有效监测起重机运行状态，全面监控起重机与作业现场人员、物体和设备安全距离、智能分析潜在故障并发出警报的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统。

本发明基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，包括：

现场信息采集模块，所述现场信息采集模块包括UWB定位标签、UWB收发模块、同步控制器、工作状态传感单元和环境信息传感单元，UWB收发模块接收UWB定位标签发送的UWB信号，UWB信号经过UWB收发模块处理后得到实际位置信息，UWB收发模块将所述实际位置信息传输给同步控制器，同步控制器用于协调UWB收发模块并将所述实际位置信息传输给数据处理模块；工作状态传感单元将实时采集的起重机工作状态信息传输给数据处理模块；环境信息传感单元将实时采集的环境信息传输给数据处理模块；

所述数据处理模块接收所述实际位置信息，经过处理后得出安全距离检测结果，所述安全距离检测结果为根据所述实际位置信息计算作业现场是否存在不满足安全距离的违规操作状况，所述数据处理模块将所述实际位置信息和安全距离检测结果实时传输给现场信息输出模块；所述数据处理模块还接收起重机自带PLC输出的起重机运行状态信息；所述数据处理模块还根据接收的实时监测信息和预存储的起重机基本信息，使用分类算法处理，预测起重机的潜在故障，实时将起重机的潜在故障报警信息传输给现场信息输出模块；

所述现场信息输出模块显示所述实际位置信息和安全距离检测结果，并显示起重机的潜在故障报警信息。

优选地，所述数据处理模块发现潜在故障或不满足安全距离的违规操作状况后，给出应对措施，如果需要人工干预，则传输给现场信息输出模块，所述现场信息输出模块接收到人工输入信息后传输给所述数据处理模块，所述数据处理模块得出处理结果并输出；如果不需要人工干预，所述数据处理模块直接将预存储的应急处理方案输出。

优选地，还包括远程信息传输模块，所述远程信息传输模块接收所述数据处理模块传输的现场数据，并将所述现场数据发送出去；所述现场数据包括所述实际位置信息、所述安全距离检测结果、所述起重机工作状态信息、所述环境信息、所述潜在故障报警信息。

优选地，所述现场信息输出模块采用地图加文字信息的形式显示位置信息和安全距离检测结果。

优选地，所述分类算法为朴素贝叶斯分类算法、或决策树、或神经网络。

优选地，所述UWB收发模块将接收的UWB信号采用TDOA和AOA定位算法处理后得到UWB定位标签实际位置信息。

优选地，所述实时监测信息包括所述起重机运行状态信息、起重机工作状态信息、环境信息、实际位置信息，所述起重机基本信息包括起重机设备信息、关键部件信息、检验信息、预警信息。

优选地，所述起重机工作状态信息包括起重量、下降深度、金属结构应力、运行行程、整机振动、电机温度、操作指令、工作时间、累计工作时间、每次工作循环、抗风防滑状态、供电电缆卷筒状态、钢丝绳磨损量；所述环境信息包括温度、湿度、风速、风向；所述起重机运行状态信息包括行车运行速度、实时电流、失磁保护、大车运行偏斜、连锁保护。

优选地，所述UWB定位标签用于贴附在起重机作业现场的人员、物体和设备上，所述UWB标签中还存储有被贴附人员、物体和设备的相关信息。

优选地，所述现场信息采集模块还包括视频监控单元，所述视频监控单元采集关键部件的视频。

本发明基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统的有益效果如下：

1)UWB是一种新的通信技术，使用一种基带脉冲来直接传递信号，不需要使用载波，该基带脉冲具有非常低的功率谱密度以及极窄的脉冲宽度，所以UWB通信具有以下优点：传输速率高、系统容量大，结构简单、成本低、能耗小、定位精度高(10em)、抗多径干扰能力强、穿透力强、安全性高，而起重机作业现场往往工作环境恶劣，多尘埃或金属粉尘，室外还会遇到风、雨天等，所以在起重机作业现场使用UWB技术来采集位置信息非常合适。

2)UWB定位标签发送UWB信号，UWB收发模块接收UWB信号，UWB信号经过处理变成实际位置信息后传输给同步控制器，同步控制器将实际位置信息传输给数据处理模块；所述数据处理模块接收实际位置信息，经过处理后得出安全距离检测结果，并将实际位置信息和安全距离检测结果实时传输给现场信息输出模块，便于实时监控作业现场每一个个体的位置，及时发现运行违规情况，避免安全事故发生。

3)数据处理模块根据接收的实时监测信息和预存储的起重机基本信息，使用分类算法处理，预测起重机的潜在故障，实时将起重机的潜在故障报警信息传输给现场信息输出模块，工作人员根据现场信息输出模块显示的潜在故障报警信息，及时采取措施，一定程度上能减少故障发生率，提高工作效率。

4)由于对起重机及作业现场环境全面监控，根据数据处理模块收集的数据，一旦发生故障，方便工作人员对故障进行全面分析，缩短检修时间。

下面结合附图对本发明的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统原理框图；

图2为本发明基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统作业现场数据通信模型；

图3为本发明中UWB标签、UWB收发模块和同步控制器硬件配置关系图。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，包括：

现场信息采集模块，现场信息采集模块包括UWB定位标签、UWB收发模块、同步控制器、工作状态传感单元和环境信息传感单元，UWB定位标签用于贴附在起重机作业现场的人员、物体和设备上，包含于标签中的信息内容包括姓名、单位、部门等个人信息和工作内容、操作方法，每个UWB定位标签都有一个唯一的地址，用于实时定位和跟踪，允许数千个UWB定位标签同时使用，室内、室外环境下都可以；参见图3，UWB收发模块接收UWB定位标签发送的UWB信号，UWB收发模块将接收的UWB信号采用TDOA和AOA定位算法处理后得到UWB定位标签实际位置信息，并传输给同步控制器，同步控制器将实际位置信息通过无线网、CAN现场总线或以太网传输给数据处理模块，同步控制器用于协调整个定位网络，使UWB收发模块和数据处理模块协同工作，使整个定位网络工作在一个实时状态；工作状态传感单元是一种嵌入式数据采集传感单元，将实时采集的起重机工作状态信息传输给数据处理模块；环境信息传感单元将实时采集的环境信息传输给数据处理模块；起重机工作状态信息包括起重量、下降深度、金属结构应力、运行行程、整机振动、电机温度、操作指令、工作时间、累计工作时间、每次工作循环、抗风防滑状态、供电电缆卷筒状态、钢丝绳磨损量等；环境信息包括温度、湿度、风速、风向等。

数据处理模块接收实际位置信息，经过处理后得出安全距离检测结果，并将实际位置信息和安全距离检测结果实时传输给现场信息输出模块；数据处理模块还接收起重机自带可编程逻辑控制器PLC(PLC：ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器)输出的起重机运行状态信息，起重机运行状态信息包括行车运行速度、实时电流、失磁保护、大车运行偏斜、连锁保护等；数据处理模块还根据接收的起重机运行状态信息、起重机工作状态信息、环境信息、位置信息以及预存储的起重机设备信息、关键部件信息、检验信息、预警信息，使用分类算法处理，预测起重机的潜在故障，实时将起重机的潜在故障报警信息传输给现场信息输出模块。其中，分类算法比较通用的有决策树、朴素贝叶斯分类算法、神经网络等，各种算法各有优缺点，最简洁而有效的是朴素贝叶斯分类算法。

现场信息输出模块显示位置信息和安全距离检测结果，并显示起重机的潜在故障报警信息，现场信息输出模块采用地图加文字的形式显示位置信息和安全距离检测结果，但并不限于此形式。

还可以包括远程信息传输模块，远程信息传输模块接收数据处理模块传输的现场数据，并将现场数据发送给远程管理系统和数据管理中心，方便远程监控人员了解现场情况，也方便长期保存起重机现场数据；现场数据包括位置信息、碰撞结果、起重机工作状态信息、环境信息、起重机的潜在故障信息。

具体实施时，现场信息采集模块还可以包括视频监控单元，视频监控单元采集关键部件的监控视频，监控视频可以在本地存储，也可以通过远程信息传输模块发送到数据管理中心。

具体实施时，数据处理模块发现故障后，根据计算结果给出应对措施，如果需要人工干预，则传输给现场信息输出模块，现场信息输出模块接收到人工输入信息后传输给数据处理模块，数据处理模块得出处理结果并输出给现场控制系统；如果不需要人工干预，数据处理模块直接将预存储的应急处理方案输出给现场控制系统，现场控制系统对设备实施动作控制。其中，现场控制系统是现有的起重机正常工作的自动化控制系统。

以门式起重机为例，基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统需要输入的信息和实时监控的信息如下：

(1)人员：监控系统现场以读取标签的形式获取操作人员、维修人员、检验人员等的详细信息，包含于标签中的信息内容包括姓名、单位、部门等个人信息和工作内容、操作方法。

(2)设备信息：起重机名称、类别、型号、企业代码、特种设备注册代码、制造编号、出厂日期和起重机的跨度、轨距、幅度、最大轮压、起升高度、工作速度、工作级别、额定起重量、防爆等级等等自身性能参数。

(3)关键部件信息：起升电机、行车金属结构、钢丝绳等关键零部件信息以及其报废、维修、危险报警值等判断依据。

(4)实时监控信息：起重量、起升高度/下降深度、运行行程、大车运行偏斜、风速、同一或不同一轨道运行机构安全距离、操作指令、工作时间、累计工作时间、每次工作循环、起重机构制动器状态、抗风防滑状态、连锁保护(门限位和机构之间的运行连锁)、供电电缆卷筒状态、视频系统、实时时间、实时位置、电机温度、整机振动、实时电流、金属结构应力、钢丝绳磨损量等实时状态参数，也包括由实时监控信息得出的作业记录、操作记录、违规记录等信息。

(5)检验信息：包括以往的检验信息、检验证书、报告详情和检验计划信息，检验时间、检验单位、检验人员、受检设备、检验类别、下次检验时间等项目。

(6)预警信息：性能参数的计算、预警对象的选择、报警判别的信息等。

(7)关键部件的视频监控。

尽管本发明的实施例已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于包括：

现场信息采集模块，所述现场信息采集模块包括UWB定位标签、UWB收发模块、同步控制器、工作状态传感单元和环境信息传感单元，UWB收发模块接收UWB定位标签发送的UWB信号，UWB信号经过UWB收发模块处理后得到实际位置信息，UWB收发模块将所述实际位置信息传输给同步控制器，同步控制器用于协调UWB收发模块并将所述实际位置信息传输给数据处理模块；工作状态传感单元将实时采集的起重机工作状态信息传输给数据处理模块；环境信息传感单元将实时采集的环境信息传输给数据处理模块；

所述数据处理模块接收所述实际位置信息，经过处理后得出安全距离检测结果，所述安全距离检测结果为根据所述实际位置信息计算作业现场是否存在不满足安全距离的违规操作状况，所述数据处理模块将所述实际位置信息和安全距离检测结果实时传输给现场信息输出模块；所述数据处理模块还接收起重机自带PLC输出的起重机运行状态信息；所述数据处理模块还根据接收的实时监测信息和预存储的起重机基本信息，使用分类算法处理，预测起重机的潜在故障，实时将起重机的潜在故障报警信息传输给现场信息输出模块；

所述现场信息输出模块显示所述实际位置信息和安全距离检测结果，并显示起重机的潜在故障报警信息。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：所述数据处理模块发现潜在故障或不满足安全距离的违规操作状况后，给出应对措施，如果需要人工干预，则传输给现场信息输出模块，所述现场信息输出模块接收到人工输入信息后传输给所述数据处理模块，所述数据处理模块得出处理结果并输出；如果不需要人工干预，所述数据处理模块直接将预存储的应急处理方案输出。

3.根据权利要求1或2所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：还包括远程信息传输模块，所述远程信息传输模块接收所述数据处理模块传输的现场数据，并将所述现场数据发送出去；所述现场数据包括所述实际位置信息、所述安全距离检测结果、所述起重机工作状态信息、所述环境信息、所述潜在故障报警信息。

4.根据权利要求3所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：所述现场信息输出模块采用地图加文字信息的形式显示实际位置信息和安全距离检测结果。

5.根据权利要求4所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：所述分类算法为朴素贝叶斯分类算法、或决策树、或神经网络。

6.根据权利要求5所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：所述UWB收发模块将接收的UWB信号采用TDOA和AOA定位算法处理后得到UWB定位标签实际位置信息。

7.根据权利要求6所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：所述实时监测信息包括所述起重机运行状态信息、起重机工作状态信息、环境信息、实际位置信息，所述起重机基本信息包括起重机设备信息、关键部件信息、检验信息、预警信息。

8.根据权利要求7所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：所述起重机工作状态信息包括起重量、下降深度、金属结构应力、运行行程、整机振动、电机温度、操作指令、工作时间、累计工作时间、每次工作循环、抗风防滑状态、供电电缆卷筒状态、钢丝绳磨损量；所述环境信息包括温度、湿度、风速、风向；所述起重机运行状态信息包括行车运行速度、实时电流、失磁保护、大车运行偏斜、连锁保护。

9.根据权利要求8所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：所述UWB定位标签用于贴附在起重机作业现场的人员、物体和设备上，所述UWB标签中还存储有被贴附人员、物体和设备的相关信息。

10.根据权利要求8所述的基于UWB的起重机作业全息监控及预警系统，其特征在于：所述现场信息采集模块还包括视频监控单元，所述视频监控单元采集关键部件的监控视频。