挖掘机配置安全监测系统的设计方案与应用技术研讨

摘要：当前工业生产中挖掘机需要配置安全监测系统，目的是保障现场施工作业人员人身生命安全，同时避免挖掘机由于操作不当或者驾驶舱内驾驶员视角盲区所导致的碰撞事故问题，为现场施工安全可靠性水平提高夯实安全管理基础。本文中所要讨论的是挖掘机配置安全监测系统的设计方案，其中探讨了主机系统、雷达传感器环境扫描监测预警系统的设计方案与应用技术，思考系统整体结构布局，最后总结挖掘机配置安全监测系统的设计应用效果。

关键词：挖掘机；安全监测系统；设计方案；结构布局；设计应用效果

挖掘机配置安全监测系统主要通过安装探头来做好各项监测工作，主要对挖掘机周围环境进行实时动态监测。这种动态监测探头的作用就是扩大挖掘机操作员的视野范围，提高挖掘机生产运行安全性。

一、挖掘机安全问题的概述

挖掘机属于参与工地施工的重要机械设备，它在运行操作过程中会面临各种安全问题，例如操作人员安全问题、车辆安全问题、设备安全问题以及环境安全问题等等。下文分别来谈：

（一）操作缺乏规范性

某些挖掘机设备操作人员不会规范操作挖掘机，而且某些施工单位为大量节约成本，会专门在人力资源方面做节省，选择没有相关资格证书的人员来操作挖掘机。长此以往，容易导致安全事故问题发生，例如操作速度过快、操作平稳性不高、生产工作节奏不强、操作负荷过重等等。如果操作负荷过重，可能导致挖掘机超负荷作业，引发设备故障问题甚至更严重事故。

（二）操作环境安全存在隐患

在操作环境方面存在安全隐患问题，大体来讲主要包含5点：

第一，挖掘机驾驶员在操作盲区环境碰撞行人。究其原因，主要是挖掘机在操作运行过程中存在多个视线盲区死角，容易碰撞导到周围行人或者施工人员。如果操作环境安全隐患问题较大，也会导致发生严重的人员伤亡事故，后果不堪设想。

第二，挖掘机与其它机械或者障碍之间如果碰撞也会造成较大的安全隐患问题。例如在某些狭小或者复杂的施工环境中，挖掘机在生产运行过程中发生碰撞事故在所难免，造成环境安全事故。

第三，设备倾覆问题更为严重。因为挖掘机在相对复杂的地形上作业，某些区域地形复杂但是驾驶员无法及时察觉地形变化，导致设备倾覆。

第四，物料掉落设备造成伤害。在挖掘或者搬运物料过程中，物料会从挖掘机铲斗或者作业臂上直接掉落，导致地面上人员受到伤害。

第五，挖掘机夜间作业存在盲区事故。这是因为挖掘机在夜间工作过程中遭遇光线不足问题，盲区问题进一步突出，容易发生挖掘机生产运行事故问题。

目前，挖掘机可以通过安装360°全景摄像头来解决盲区监控问题，做到实时查看周围生产工作情况，避免发生盲区碰撞问题。另外，配备盲区报警系统也可以适当解决问题，确保时刻检测行人或者物体进入盲区，一旦发现问题立刻报警提醒驾驶员。除此之外，设立安全通道、安排地面引导员、实施远程监控与无人机环境勘测、安装倾角传感器、定期检查与维护设备等都能解决挖掘机生产运行的安全隐患问题。当然，为挖掘机配置更为先进的安全监测系统也是可行的，下文将着重展开分析论述。

二、挖掘机配置安全监测系统的具体设计方案

（一）系统构成

在挖掘机中所配置的安全监测系统主要分为两大组成部分，分别是安装在挖掘机上的主机系统，同时还有部署在服务器上的远程监控管理系统。主机系统中还有两个独立子系统，包含视觉辅助监控识别预警系统以及雷达传感器环境扫描监测预警系统。另外看远程监控管理系统，它主要通过4G网络来接收并记录各种主机系统中所上传的位置坐标，同时记录作业时间与报警数据信息，方便管理人员查阅并采取相应措施展开安全监测工作，处理大量挖掘机生产过程中所产生的数据内容[1]。

（二）系统设计方案

如上文所述，主机系统中的两个子系统相对独立，相互毫无干涉，二者的报警信息数据内容都会通过同一个中心控制计算机系统，基于4G模块与MQTT协议来发送信息数据到后台管理系统中，届时，系统会对所接收数据信息进行相应判断和操作。比如说，系统中专门设计配置了2台监视器，第一台监视器负责监控音频报警信号，第二台监视器则负责与系统控制计算机联动，分别指挥视觉系统与雷达系统，同时通过音频来播报报警信号，最后由后台服务器处理报警信号，实现数据信息转化[2]。

1视觉辅助监控识别预警系统的设计与技术应用

在设计视觉辅助监控识别预警系统中，需要为系统配置10英寸显示器，辅助计算机主机生产运行。在该系统中，还专门设计了支持AHD高清模拟信号4颗摄像头，与声光报警器共同组成视觉辅助监控识别系统，发挥视频辅助监控识别功能。所以说，系统中有3颗摄像头是独立运行的，所采用的深度学习算法能够完成机器视觉物体识别。而且，这3颗摄像头也有补光以及超广角摄像功能，它们分别安装在车辆护顶架三大方向（左方、右方和后方）。如果环境中光线不佳，则3颗摄像头负责补光处理，同时为系统操作人员提供人员侦测机制。另外，还有一颗摄像头装在系统监视器前端位置，它是挖掘机驾驶人员的视觉辅助，主要观察前方视觉盲区，再通过存储卡大量记录监控识别工作视频内容，客观真实挖掘机的生产应用技术操作流程。

视觉辅助系统完全可以满足智慧工地建设要求，它主要基于信息化以及数字化技术来操作，其中大量利用传感器、智能硬件、软件平台等手段来实现工地全方位管理与系统化操作，最大限度提高施工现场的工作效率与安全生产效率。通过系统的实时数据收集以及分析，也能对决策流程进行优化，确保挖掘机设备远程监控与AI智能识别预警系统都能成为目前智慧工地生产中不可或缺的重要组成部分。相比于传统施工管理模式与设备，视觉辅助系统的设备状态监控水平更高，可以不依赖人工检查来展开操作，不费时费力。容易发生遗漏或者误判问题。如果通过远程监控系统，则能够确保项目管理人员随时随地获取设备实时数据，掌握设备的运行状态。在这其中，对于工作时长、位置以及燃油消耗的判断相当准确，相应的故障报警参数也能被有效获取并体现出来。

视觉辅助系统本身拥有360全景远程AI智能安全管理系统，它的系统操作作用相比于传统远程监控系统更全面，配合AI智能识别预警系统来提高系统操作的自动化水平以及智能化水平。例如，它的机器学习算法以及图像识别技术表现突出，不但能够实时监测设备状态，同时也能消除设备周围的驾驶员盲区。如果人员靠近车身危险区域，则系统就会发出预警信息，保护现场驾驶员以及施工人员的挖掘机作业安全。举例来说，当行人靠近后就会自动预警，触发风险分析机制。在系统中，AI算法比较先进，能够快速捕捉人员并在显示器上显示彩色预警内容，配合语音提示器来提醒车内驾驶员。另一方面，车外声光报警器也会同时播报语音：“车辆盲区，危险，请远离危险区域！”如此就实现了真正的车内外双预警，这也说明了AI算法是比较先进的。如果挖掘机发生异常行为，系统也能识别这些行为，基于AI智能技术来对驾驶员行为进行全方位分析，识别出潜在的危险操作。如果挖掘机操作驾驶员疲劳驾驶产生不良操作，当系统发出警告后，包括驾驶员在内的所有工地人员都会采取安保措施，预防事故发生。在实时监控过程中，主要基于GPS定位、传感器技术来优化监控系统，确保实时跟踪设备的运行状态，分析生产运行工作中的空转作用，确保管理人员通过客户端来实时查看驾驶员的实际工作状态。所以，系统所提供的自动化预警与报告内容最为丰富，主要通过人工智能AI算法配合系统来发现问题，自动生成报告内容。其中，预警信息会专门发送的负责人方面，保证某些关键问题能够被快速处理解决。

视觉辅助监控识别预警系统会与智慧工地建立联动，确保远程监控与AI智能识别预警系统来带来工地生产的革命性变化。其中，施工单位可以实时掌握设备运行状态，通过人工智能分析来预测某些潜在的故障与安全隐患问题，确保智能分析与预测潜在故障、安全隐患问题被有效与欧化。所以在未来的智慧工地中，视觉辅助监控识别预警系统是能够体现更高生产运行效率的，大幅度提高工地施工安全性，为工程施工数字化转型发展提供重要支持。

2 RTOS录像操作系统的设计与技术应用

在工程施工过程中，挖掘机一类车辆的供电电源电压波动巨大，如果电压不稳可能导致系统崩溃，直接断电无法生产运行。所以在安全监测系统中需要设计9～36VDC宽电压输入，同时配备RTOS录像操作系统，有效支持录像音频正常输入。在系统主机方面，则要确保从CH1～CH4四大视频输入接口都能正常接入视频信号，方便RTOS录像操作系统正常工作，有效应对挖掘机长期在野外恶劣环境中参与生产作业。通常情况下，硬件设计的环境温度跨度较大，可以从-40℃～75℃，RTOS录像操作系统也同样能够做到耐低温和耐高温，整体生产工作状态表现稳定。由于拥有录像功能，所以系统技术应用方面是支持左路、右路和后路三路画面盲区监测的，并提供预警警示，第一时间发现盲区并有效规避，解决系统故障问题。当然，在系统设置菜单中取消监测预警提醒是可行的，同时操作人员可以在监测框位置进行区域选择，在框内区域自定义选择监测点，提高系统监测工作灵活性。在系统前方视觉系统中，对于作业区域的监测点位完全为动态监测，无需录像就能快速真实反映系统监测数据内容[3]。

在观察并分析RTOS录像操作系统过程中，需要了解其显示功能是完全支持四分割画面的，或者单画面呈现监控对象内容，录像监控方式灵活多变，参考图1。

如图1，挖掘机配置安全监测系统能够为挖掘机驾驶操作人员提供良好无死角的视野，特别是设置前方单独画面，配合车辆驾驶人员安全驾驶。另外，系统中所设计的左、右、后三路ACC控制线比较精准严谨，3路控制线均能够正常接入挖掘机的左右转向灯，同时要求驾驶操作人员正常控制倒车档杆进行倒车。在这一过程中，挖掘机操控过程中的所有右转、左转的画面也会直观传递给驾驶操作人员。这一做法对于改善驾驶操作人员驾驶视野很有帮助，提高了挖掘机生产运行的安全性水平。总体来讲，挖掘机的显示系统能够满足RTOS录像操作系统同步运行，在远程操作端配备高清晰度显示屏，配合显示屏来真实体现挖掘机的实时图像，配合传感器传输真实设备的各种参数数据。另外，通过显示系统也能显示多个摄像头并采集图像，形成360°全景视图或者特定角度视图，为挖掘机驾驶员提供全面化、立体化的视觉信息。RTOS录像操作系统的设计与操作体现了较大的应用技术优势，它的安全性表现水平较高，主要配合远程操作技术来减少操作人员在危险环境中暴露情况，大幅度降低事故发生风险。驾驶员可以在相对安全的生产运行环境中，配合模拟器来展开精确操作与控制，避免现场操作可能带来的各种安全性隐患问题。在体现高效率方面，系统也能实现对图像数据的实时传输，同步操作技术表现十分出色，最大限度降低了远程操作以及现场操作延迟，大幅度提高生产工作效率。所以说，RTOS录像操作系统的多方位摄像头传感器容易覆盖挖掘机的不同角度，为操作人员提供多方位的视觉信息，如此对于提高判断以及操作能力都非常有帮助。在显示系统中，主要展示复杂的图像信息，为驾驶员更好应对各种复杂工况创造前提条件。

3雷达传感器环境扫描监测预警系统的设计与技术应用

雷达传感器环境扫描监测预警系统属于挖掘机所配置的高级技术系统，它的安全监测功能表现优越，因为系统中所配置激光雷达应用技术水平较高，主要配置了2个L1型4D激光雷达，配合1个超声波区域测距传感器，这些设备全由中心控制计算机操控，如图2[4]。

L1型3D激光雷达性能表现优异，安全可靠性表现理想，可以满足-10℃～60℃的工作环境操作，精细化控制温度范围，整个监控过程可以达到人眼安全级别。在激光雷达中，也包含了高速电机与低速电机，确保在竖直方向实现180°测量，同时也能实现360°·90°半球形超广角扫描，满足三维空间测量作业要求。挖掘机在参与生产施工过程中的激光雷达点云密度也控制在150万点/秒，所对应的最高车速达到200km/h。所以说，L1的点云密度可以满足挖掘机生产施工应用场景的所有要求。L1型激光雷达的一体化集成水平相当之高，其中的激光雷达、测绘照相机、高精度惯导模块都相当强势，可以满足高程精度为5cm，平面精度为10cm的动态监控操作，单次作业面积最高达到3km2。它的高点云密度有效点云数据率可以控制在240000点/秒，配合3次回波多回波操作来优化调整测量距离，最大可以达到500m距离。另外，L1型激光雷达的高防护等级可以达到IP44以上，其中实时点云结合liveview来实时显示、测量安全数据问题，支持智图后台动态处理。所以，从整体来讲，挖掘机配置雷达传感器环境扫描监测预警系统是相当有必要的，它可以为挖掘机配置系统整体结构布局奠定良好基础，提高平台应用效能，为挖掘机整体生产运行水平提高创造前提技术条件。在后续的挖掘机配置安全监测系统过程中，它的整体结构布局内容也能更加丰富，满足多路安全监测工作要求，切实提高安全监测工作水平，拓宽安全监测工作视野。

三、挖掘机配置安全监测系统的整体结构布局

挖掘机所配置的安全监测系统功能健全，生产技术表现优势明显，系统的整体结构布局比较理想。例如，摄像头监控显示器与主控计算机系统相关联，因为在驾驶室内就能帮助驾驶操作人员拓宽视野。

另外，在左路、右路、后路3路的摄像头全部安装在车架之上，所有视野点位都没有明显阻挡情况发生，所以可以保证挖掘机驾驶操作人员的监测范围区域最大化。所以，在挖掘机量测则会倒置安装激光4D雷达，确保覆盖车辆左右3个方向优化，确保软件设定来预警警示检测，满足检测区域范围有所优化。作为挖掘机生产操作的辅助驾驶系统，它对于车辆所带来的主动操作帮助非常有利，可以帮助驾驶员做出正确判断[5]。

总结：

在挖掘机中配置安全监测系统，其设计方案内容丰富，充分考虑到生产运行技术性与驾驶操作人员安全性问题，这两点结合大幅度提高了挖掘机在工地施工中的整体运作效率，最大限度减少事故风险的发生。同时，系统设计与技术应用也最大限度降低了施工现场生产成本，是目前最为重要的施工生产安全辅助系统。

参考文献：

[1] 赵力，赵静，张扬. 露天矿卡车调度系统中挖掘机工况研究[J]. 科技创新与应用，2022，12（2）：23-28.

[2] 覃世明，李颖琳，陈炳森，等. 基于单片机的夹木器控制系统设计[J]. 装备制造技术，2023（7）：293-295，299.

[3] 连春平. 大型矿用挖掘机智能化现状及发展趋势[J]. 露天采矿技术，2023，38（5）：70-73.

[4] 罗朝传，张疏影，朱蕾，等. GNSS安全监测系统的设计与实现[J]. 四川水利，2024，45（4）：107-110.

[5] 岳仁峰，张嘉琦，范学忠，等. 智能立体车库光纤安全监测系统设计[J]. 科学技术创新，2024（6）：108-111.