نظام مراقبة الرافعة العلوية: كشف الاقتحام ومضاد التصادم

تُعد المراقبة الأمنية البصرية بالذكاء الاصطناعي للرافعات العلوية خط الدفاع النشط الأخير في الحماية الذكية للرافعة؛ فهي تلتقط صورًا فورية لمنطقة الرفع عبر كاميرات صناعية مزودة بالذكاء الاصطناعي مثبتة على العربة الطرفية والعارضة الرئيسية، وتكشف اقتحام الأفراد أسفل وحول الحمولة بناءً على نموذج التعلم العميق YOLOv8، وعند رصد دخول شخص إلى منطقة خطرة، يتم تلقائيًا تفعيل تحذير التباطؤ أو إيقاف آمن STO، مما يرقى بالعزل المادي بين الشخص والحمولة من حاجز سلبي إلى حماية ذكية نشطة. قامت شركة كيلود للصناعات الثقيلة ببناء نظام متكامل للمراقبة الأمنية بالذكاء الاصطناعي يغطي الكشف والإنذار متعدد المستويات والترابط لمضاد التصادم، بالاعتماد على منصة حوسبة الحافة NVIDIA Jetson Orin NX ونموذج الكشف البصري المطوّر ذاتيًا. تشرح هذه المقالة هذه الممارسة الهندسية بشكل كامل بدءًا من بنية النظام وتدريب النموذج وصولاً إلى النشر الميداني.

بنية نظام المراقبة الأمنية البصرية بالذكاء الاصطناعي للرافعات

يتكون نظام المراقبة الأمنية البصرية بالذكاء الاصطناعي للرافعات العلوية من أربع طبقات: طبقة الاستشعار، وطبقة الاستدلال، وطبقة التحكم، وطبقة الإنذار. تشمل طبقة الاستشعار من 2 إلى 4 كاميرات صناعية مزودة بالذكاء الاصطناعي (مثبتة على جانبي العربة الطرفية للرافعة وأسفل العربة)، وتلتقط الكاميرات صورًا فورية عالية الدقة 1080P لمنطقة الرفع بمعدل 30 إطارًا في الثانية، وتنقلها عبر شبكة إيثرنت جيجابت إلى طبقة الاستدلال. تعمل طبقة الاستدلال على وحدة حوسبة الحافة NVIDIA Jetson Orin NX (بقدرة حوسبة 100TOPS)، وتشغل نموذج كشف الأجسام YOLOv8s، وتقوم بالكشف والتعرف الفوري على الأشخاص والحمولات والعوائق في كل إطار، مع زمن استجابة للاستدلال للإطار الواحد أقل من 15ms. تتصل طبقة التحكم بجهاز التحكم المنطقي PLC للرافعة عبر GPIO وواجهة PROFINET — عند اكتشاف اقتحام فرد، يتم إرسال إشارة تباطؤ أو إيقاف إلى PLC، والذي ينفذ بدوره التباطؤ الآمن SLS أو الإيقاف الآمن STO. تشمل طبقة الإنذار جهاز إنذار صوتي وضوئي في غرفة التشغيل (صفارة + ضوء تحذير دوار)، وإنذارًا منبثقًا على شاشة HMI، ودفعًا فوريًا للإنذار عبر منصة التشغيل والصيانة عن بعد. يبلغ زمن الاستجابة الكلي للنظام من طرف إلى طرف (من دخول الشخص إلى المنطقة الخطرة حتى تنفيذ PLC لإجراء السلامة) أقل من 100ms، مما يلبي متطلبات زمن الاستجابة للحماية النشطة وفقًا لمعيار GB/T 28264-2017 "آلات الرفع - نظام مراقبة وإدارة السلامة".

تنقسم منطقة الكشف إلى ثلاث مناطق أمان. المنطقة الخطرة (Danger Zone) هي منطقة دائرية نصف قطرها 3 متر حول الحمولة — دخول الشخص إلى هذه المنطقة يؤدي فورًا إلى إيقاف STO، وتنغلق فرامل الرافعة العلوية خلال 200ms. منطقة التحذير (Warning Zone) هي منطقة حلقية خارج المنطقة الخطرة بنصف قطر يتراوح بين 3 و6 متر — دخول الشخص إلى هذه المنطقة يؤدي إلى تفعيل إنذار صوتي ومرئي وتباطؤ الرافعة (خفض السرعة إلى 20% من السرعة الاسمية)، وتستمر إشارة التباطؤ حتى مغادرة الشخص لمنطقة التحذير. منطقة المراقبة (Monitor Zone) هي منطقة حلقية خارج منطقة التحذير بنصف قطر يتراوح بين 6 و10 متر — دخول الشخص إلى هذه المنطقة يؤدي فقط إلى تسجيل حدث في السجل دون أي تدخل تحكمي، ويستخدم ذلك لتحليل تكرار وأنماط نشاط الأفراد في منطقة الرفع. يمكن ضبط معاملات نصف القطر للمناطق الثلاث ميدانيًا عبر لوحة HMI بناءً على حمولة الرافعة وأبعاد الحمولة.

اختيار الكاميرات وتركيبها ونشرها

يؤثر اختيار الكاميرات الصناعية المزودة بالذكاء الاصطناعي ومواقع تركيبها بشكل مباشر على فعالية الكشف. توفر شركة كيلود للصناعات الثقيلة كاميرتين قياسيتين في نظام المراقبة الأمنية البصرية بالذكاء الاصطناعي للرافعات العلوية: في موقع تركيب العربة الطرفية، يتم استخدام كاميرا Hikvision DS-2CD2T87WD-L (بدقة 8 ميجابكسل، فئة النجوم، مستشعر 1/1.2 بوصة، حد أدنى للإضاءة 0.001Lux، مدى إضاءة بالأشعة تحت الحمراء 50m)، وفي موقع التركيب أسفل العربة، يتم استخدام كاميرا Imaging Source DMK 33GX290 (بدقة 1.9 ميجابكسل، مصراع شامل، مستشعر 1/3 بوصة، معدل إطارات 120fps، مناسب لكشف الحمولات والأفراد سريعي الحركة). يتم اختيار عدسة ببعد بؤري 6mm (بزاوية رؤية أفقية حوالي 52 درجة) لكاميرا العربة الطرفية، وتُثبت في الموضع المركزي على السطح السفلي للعارضة الطرفية للرافعة، بحيث تلتقط عموديًا لأسفل لتغطية منطقة الرفع بأكملها أسفل الرافعة. أما كاميرا أسفل العربة، فتُستخدم لها عدسة ببعد بؤري 3.6mm (بزاوية رؤية أفقية حوالي 87 درجة)، وتُثبت على السطح السفلي لمنصة العربة لتصوير المنطقة القريبة أسفل أداة الرفع مباشرة.

تُثبَّت الكاميرا على حامل توجيه متعدد الاتجاهات مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ (بقدرة تحميل 15 كجم للذراع الداعم، ويتحمل حمل الصدمة الناتج عن إقلاع وإيقاف الرافعة العلوية). تتصل الكاميرا عبر كابل شبكة محمي CAT6A بوحدة حوسبة الحافة Jetson Orin NX المثبتة داخل خزانة التحكم، ويُمدَّد الكابل على طول الجانب الداخلي للعارضة الرئيسية للرافعة العلوية ويُثبَّت برباطات كابلات، مع ضمان مسافة لا تقل عن 300 مم عن كابل طاقة محول التردد. يتم تزويد الكاميرا بالطاقة عبر PoE+ (بمعيار 802.3at، بقدرة 25 واط لكل منفذ)، وتقوم وحدة Jetson بتزويد الكاميرا بالطاقة عبر منفذ PoE+ في محول الشبكة، مما يلغي الحاجة إلى أسلاك طاقة منفصلة.

تدريب نموذج YOLOv8 للكشف عن الأهداف وتطبيقه

تُعد خوارزمية YOLOv8 جوهر نظام الرؤية الذكية للكشف في الرافعات العلوية. اختارت كيلود للصناعات الثقيلة إصدار YOLOv8s (Small، عدد المعاملات 11.2M، دقة mAP على مجموعة COCO 44.9%) لسيناريوهات مراقبة سلامة الرافعات العلوية. بعد تحسين النموذج باستخدام TensorRT FP16 على معالج NVIDIA Jetson Orin NX، تصل سرعة الاستدلال إلى 60 إطارًا في الثانية (بدقة إدخال 640x640)، مما يلبي متطلبات الكشف في الوقت الفعلي لتدفق فيديو بمعدل 30 إطارًا في الثانية. تتكون مجموعة بيانات التدريب من ثلاثة مصادر: صور مُعلَّمة تم جمعها من ميدان اختبار الرافعات العلوية الخاص بشركة كيلود للصناعات الثقيلة (حوالي 15000 صورة، تغطي ظروف إضاءة وطقس وأنواع حمولات مختلفة)، وصور مُصنَّعة لمحاكاة السيناريوهات النادرة (حوالي 5000 صورة، تحاكي حالات مثل سقوط شخص، أو تجمع عدة أشخاص، أو انسداد جزئي للرؤية)، وصور إضافية تم جمعها من ورش المصانع (حوالي 3000 صورة، تغطي خلفيات متنوعة لهياكل مصانع وتخطيطات خطوط إنتاج مختلفة).

إعدادات تدريب النموذج. تم التدريب باستخدام إطار عمل Ultralytics YOLOv8، بدقة إدخال 640x640، وحجم دفعة 32، وعدد 300 دورة تدريب. استُخدمت تقنيات تحسين البيانات: Mosaic (باحتمال 0.8، تجميع 4 صور)، MixUp (باحتمال 0.2، خلط صورتين)، وHSV (تغيير H±25°/S±30%/V±30%)، ودوران عشوائي (±10 درجات). تم التدريب على بطاقة رسوميات NVIDIA RTX 4090 واحدة (بذاكرة 24GB)، حيث يستغرق كل دورة تدريب حوالي 10 دقائق، بإجمالي حوالي 50 ساعة لـ 300 دورة. بعد اكتمال التدريب، يُصدَّر النموذج بصيغة TensorRT FP16 engine (ملف بحجم حوالي 22MB) ويُثبَّت على Jetson Orin NX للتشغيل.

تصنيف أهداف الكشف. يُخرج نموذج YOLOv8s ثلاثة فئات للكشف، ويحتوي كل إطار اكتشاف على معرف الفئة، ودرجة الثقة (تُحتفظ بها إذا كانت ≥ 0.5)، وإحداثيات الصندوق المُطبَّعة (cx, cy, w, h). تُسقَط إحداثيات الصندوق على نظام الإحداثيات الأرضي عبر مصفوفة تحويل المنظور، ويقل خطأ التموضع عن 10 سم. تفاصيل الفئات الثلاث كالتالي:

رابعًا: خوارزمية كشف اقتحام الأفراد ومنطق المنطقة الآمنة

يتم تنفيذ منطق كشف اقتحام الأفراد بالتسلسل التالي. الخطوة الأولى: كشف الأهداف — يقوم نظام Jetson بتشغيل نموذج YOLOv8s ويُخرج جميع صناديق كشف الأشخاص في الإطار الحالي. الخطوة الثانية: تعيين الإحداثيات — يتم تعيين إحداثيات النقطة المركزية السفلية لصندوق كشف الشخص عبر مصفوفة تحويل المنظور إلى نظام الإحداثيات العالمي للأرض، للحصول على الموقع الفيزيائي للشخص على أرضية الورشة (x، y، الوحدة: متر). الخطوة الثالثة: حساب المسافة — يتم حساب المسافة الإقليدية بين موقع الشخص وموقع الحمولة (الموضع المطلق لجسر الرافعة + الموضع المطلق للعربة + إزاحة أبعاد الحمولة، المقروءة من PLC الخاص بالرافعة العلوية). الخطوة الرابعة: الحكم على المنطقة الآمنة — يتم مطابقة قاعدة المنطقة الآمنة ثلاثية المستويات وفقًا للمسافة dist: إذا كانت dist ≤ 3م فهي منطقة الخطر Danger وتُفعّل STO؛ إذا كانت 3م < dist ≤ 6م فهي منطقة التحذير Warning وتُفعّل التباطؤ والتنبيه؛ إذا كانت 6م 10م فلا يتم اتخاذ أي إجراء. الخطوة الخامسة: إخراج النتائج — يُخرج نظام Jetson إشارات إنذار ثلاثية المستويات عبر GPIO: GPIO1 (Danger) متصل بمدخل DI الخاص بالسلامة في PLC، GPIO2 (Warning) متصل بمدخل DI القياسي في PLC، GPIO3 (Monitor) متصل ببوابة IO-Link لتسجيل الأحداث.

منطق الضبط الديناميكي لنصف قطر المنطقة الآمنة. تؤثر الأبعاد الفعلية للحمولة ومسار الرفع على نصف قطر منطقة الخطر. عندما يكون حجم الحمولة أقل من 1م، يبقى نصف قطر منطقة الخطر على القيمة الافتراضية 3م؛ وعندما يتراوح حجم الحمولة بين 1م و3م، يزداد نصف قطر منطقة الخطر تلقائيًا وفقًا لطول قطر الحمولة (R_danger=3.0m+L_diag/2)؛ وعندما يتجاوز حجم الحمولة 3م، يُثبَّت نصف قطر منطقة الخطر على 5م (لمنع تفعيل STO المتكرر بسبب منطقة آمنة كبيرة جدًا مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الإنتاج). يتم عرض القيمة الحالية لنصف قطر المنطقة الآمنة في الوقت الفعلي على صفحة كشف السلامة في واجهة الإنسان والآلة HMI، ويمكن للمشغل ضبطها يدويًا بدقة (بخطوات 0.5م). يتم تسجيل جميع تعديلات معاملات المنطقة الآمنة في سجل أحداث PLC، مع فترة حفظ لا تقل عن 90 يومًا.

تتبع الأهداف المتعددة ومعالجة منع الاهتزاز. عند اكتشاف عدة أهداف بشرية في إطار واحد، يخصص النظام معرّف تتبع فريد Track ID لكل هدف، ويحقق مطابقة الأهداف عبر الإطارات وتتبع المسارات باستخدام خوارزمية DeepSORT خفيفة الوزن. عندما يظهر الشخص المرتبط بمعرّف Track ID معين في نفس الموقع لأكثر من 5 إطارات متتالية، يؤكد النظام دخول الشخص إلى المنطقة الآمنة ويُطلق الإنذار، مما يمنع الإنذارات الخاطئة الناتجة عن أخطاء الكشف في إطار واحد. أثناء بقاء الشخص داخل المنطقة الآمنة، يستمر الإنذار؛ وبمجرد مغادرته المنطقة الآمنة، يتم إلغاء الإنذار تلقائيًا (مع تأخير 2 ثانية لإزالة الاهتزاز). يتم تسجيل أحداث الإنذار المتتالية تلقائيًا في قاعدة بيانات SQLite المحلية، ويتضمن تنسيق التسجيل الطابع الزمني ومعرّف Track ID وإحداثيات الشخص ومستوى المنطقة الآمنة المُفعّل وحالة تشغيل الرافعة العلوية (السرعة/الموضع/الاتجاه).

خامسًا: التحكم المترابط في مضاد التصادم وتفعيل STO

يتم تحقيق الترابط بين نظام الفحص البصري ونظام التحكم في السلامة للرافعة العلوية عبر واجهة مزدوجة GPIO + PROFINET. تُستخدم واجهة GPIO للكبح السريع في السيناريوهات الطارئة — حيث يتصل GPIO1 (Danger) في نظام Jetson مباشرة بقناة الإدخال لوحدة F-DI الخاصة بالسلامة في PLC، وعند ارتفاع جهد GPIO1 إلى 24V، يُفعّل PLC أمر STO خلال دورة الفحص الأمني التالية (20ms). أما واجهة PROFINET فتُستخدم للتباطؤ التدريجي في السيناريوهات غير الطارئة — حيث يكتب نظام Jetson بيانات طلب التباطؤ بشكل دوري إلى PLC عبر دور جهاز IO الخاص بـ PROFINET (بعد استيراد ملف GSDML إلى TIA Portal للتهيئة)، وتتضمن البيانات مستوى التباطؤ (0~3) والنسبة المئوية للسرعة المستهدفة، ويستجيب PLC لطلب التباطؤ خلال دورة الإدخال/الإخراج القياسية (10ms).

إجراء استئناف التشغيل بعد تفعيل STO. عند تفعيل مستوى الأمان Level 3، تتوقف الرافعة العلوية فورًا، ويواصل نظام Jetson مراقبة حالة المنطقة الخطرة بشكل مستمر — وبعد التأكد من خلو المنطقة من الأفراد، يرسل إشارة "إزالة الخطر" عبر PROFINET إلى PLC. عند استلام PLC للإشارة، تظهر نافذة حوار على واجهة الإنسان والآلة (HMI) لتأكيد إعادة التعيين، تتطلب من المشغل التحقق بصريًا من سلامة منطقة الرفع ثم النقر على زر "تأكيد إعادة التعيين"، وعندها فقط يقوم PLC بتحرير حالة STO والسماح بإعادة التمكين والتشغيل. يتم تلقائيًا رفع السجل الكامل لحدث STO إلى البوابة الطرفية (Edge Gateway)، ثم يتم دفعه عبر OPC UA إلى نظام إدارة السلامة للأرشفة.

ضبط النظام والتحقق الميداني

يتم ضبط نظام المراقبة الأمنية البصرية الذكي على أربع مراحل. المرحلة الأولى هي معايرة الكاميرا — باستخدام لوحة معايرة بنمط رقعة الشطرنج (12×9 خانات، طول ضلع الخانة 30 مم)، يتم التقاط 15 إلى 20 صورة معايرة بزوايا مختلفة، ثم حساب مصفوفة المعاملات الداخلية للكاميرا ومعاملات التشويه باستخدام دالة calibrateCamera من مكتبة OpenCV. بعد اكتمال معايرة المعاملات الداخلية، يتم معايرة مصفوفة تحويل المنظور: تُفرد قماشة معايرة على أرضية الورشة (شبكة 4×3 م، المسافة بين النقاط 500 مم)، ويتم التقاط صورة علوية واحدة ثم تحديد 4 نقاط زوايا و4 نقاط مقابلة بإحداثيات أرضية معروفة لحساب مصفوفة تحويل المنظور. بعد اكتمال المعايرة، يُستخدم محدد مسافة ليزري لقياس الإحداثيات الفعلية لأي نقطة على الأرض، للتحقق من أن خطأ الإسقاط أقل من 10 سم.

المرحلة الثانية هي اختبار قبول النموذج — يتم نشر سيناريو اختبار في ميدان الاختبار (حمولة + نموذج بشري)، واختبار دقة الكشف تحت أربع ظروف إضاءة: الإضاءة العادية (500 لوكس)، الإضاءة المنخفضة (50 لوكس، مع إضاءة بالأشعة تحت الحمراء فقط)، الإضاءة الخلفية، والضباب مع المطر (محاكاة بالرش). معيار القبول: في الإضاءة العادية، دقة كشف الأشخاص mAP ≥ 95%، في الإضاءة المنخفضة mAP ≥ 90%، في الإضاءة الخلفية mAP ≥ 85%، وفي الضباب مع المطر mAP ≥ 80%. يتم تنفيذ اختبار دخول النموذج البشري إلى مناطق الأمان الثلاث 20 مرة لكل منطقة، مع اشتراط تحقيق معدل تفعيل 100% لمنطقة الخطر Level 3 (20/20 تفعيل STO)، ومعدل تفعيل ≥ 95% لمنطقة التحذير Level 2 (≥ 19/20 تفعيل إنذار التباطؤ)، ومعدل تسجيل 100% لمنطقة المراقبة Level 1 (20/20 تسجيل لسجل الأحداث).

المرحلة الثالثة هي التحقق من النشر الميداني — يتم نشر معاملات المعايرة والنموذج على وحدة Jetson الخاصة بالرافعة العلوية، ويتم عرض صورة الكاميرا وتراكب إطارات الكشف في الوقت الفعلي عبر صفحة المراقبة الأمنية في واجهة الإنسان والآلة (HMI). يتم التحقق من عدم وجود مناطق عمياء في التغطية العلوية لكاميرا العربة الطرفية وكاميرا أسفل العربة في ثلاثة أوضاع للرافعة (الطرف الأيسر / المنتصف / الطرف الأيمن لمسار السير الكامل)، بحيث يغطي تركيب صور الكاميرتين الجانبيتين كامل منطقة الرفع أسفل الرافعة (نطاق التغطية حوالي 20 م × 6 م). باستخدام أجهزة اللاسلكي، يتم التنسيق مع الأفراد في الموقع للمشي على طول حدود منطقة الأمان، للتحقق من اتساق تفعيل الإنذار في كل نقطة حدودية. المرحلة الرابعة هي الدخول في وضع التشغيل — يدخل النظام فترة تشغيل تجريبي لمدة 24 ساعة، يتم خلالها فحص سجلات الكشف كل 8 ساعات لمراقبة معدل الإنذارات الكاذبة ومعدل الإنذارات الفائتة، مع اشتراط ألا يتجاوز معدل الإنذارات الكاذبة 5 مرات / 24 ساعة، وألا يتجاوز معدل الإنذارات الفائتة مرة واحدة / 24 ساعة. بعد اجتياز التشغيل التجريبي، ينتقل النظام إلى التشغيل الرسمي.

الأسئلة الشائعة (FAQ)