技术领域
[0001] 本发明涉及机械设备安全检测技术领域，具体为一种基于边缘处理的闭合设备的动态安全检测方法及系统。
相关背景技术
[0002] 闭合设备，例如各种压机、折弯机、剪板机、剪纸机、升级台等各类非标闭合设备等是制造业的常见的一种加工设备，闭合设备的特点是具有两个可产生上下相对闭合运动的部件，从而在闭合时会产生剪切或者挤压的动作。在这个过程中，一旦有异物或者操作人员的身体部位进入闭合区域，就很容易造成安全事故，同时异物的入侵也可能导致设备的损伤。
[0003] 因此为了减少安全事故的产生，有必要在这种闭合设备上设置相关的安全防护措施，而目前随着物联网的快速发展，部分闭合设备上开始引入自动化、智能化的安全防护手段，比如安装红外光幕，采用人机分离的安全原理进行防护，当检测到异物入侵时，设备会自动停机。但这种措施仅停留在控制设备刹车停止的阶段，无法衡量设备的停止距离(即该距离为设备收到停止信号后的初始位置到发出停止指令，最终让设备完全静止的最终位置的差值)，进而也无法根据设备实际停止距离的多少来衡量设备的安全性能，以通知操作人员是简单维护保养设备还是停止使用设备。
具体实施方式
[0054] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0055] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0056] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0057] 本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0058] 同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0059] 本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0060] 实施例1
[0061] 参照图1为本发明的一个实施例，提供了一种基于边缘处理的闭合设备的动态安全检测方法，其特征在于：
[0062] 预部署场景网络和设备，同步在边缘端和云端进行统一配置，检测闭合设备的闭合运动区域，将检测到的遮挡情况作为数据传输至数据库中，以边缘处理的方式在边缘端进行每台闭合设备的刹车单元性能计算，将数据通过MQTT协议传输至网关，云端监控每台闭合设备的遮挡情况和刹车单元性能。
[0063] 统一配置包括网关创建MQTT代理，定义每个设备的编号，MQTT代理创建对应数字的主题，边缘端将信息发布在与自身设备编号相同的主题中，MQTT代理订阅所有的主题，接收所有的数据，将所有编号在云端的数据库中创建标题。
[0064] 边缘端是具备边缘计算的本地处理能力、具备无线通信能力、具备本地采集通信协议解析能力、支持外部输入、支持物联网MQTT协议的智能终端设备，将遮挡情况和刹车单元计算结果通过MQTT协议传输至网关；
[0065] 云端是具备无线通信能力、具备数据库存储、具备监控功能的监控站应用系统。
[0066] 网关是指能够实现网络互联的通信设备，支持物联网MQTT通信协议，具有无线通信能力，接收各个设备的边缘端传输的数据，通过将数据统一传输给云端。
[0067] 遮挡情况是发射器发射出的检测信号被接收器接收得到面积；
[0068] 所述发射器和接收器安装于闭合设备下方，检测是否有异物入侵，发射器由电源、驱动电路与激光二极管组成，通过边缘端供电进行工作，接收器由三个接收电路模块组成，分别检测左、中、右侧的遮挡情况，将数据外部输入至边缘端。
[0069] 检测闭合设备的闭合运动区域是检测异物入侵，检测是否因有异物进入光电传感器导致接收端接收不到光信号，若是则判断光电传感器被遮挡，闭合设备有异物入侵，则边缘端立刻发送信号至设备控制器，设备控制器控制刹车单元令闭合设备停止工作，记录遮挡瞬间的闭合设备的起始位置，以及记录闭合设备完全停止后的终止位置，最终得出该次停止行为的闭合设备的实际停止距离并且发送数据至网关，若无异物入侵，则闭合设备继续工作。
[0070] 构建偏微分方程评估刹车性能，量化刹车性能的刹车能力，表达式为：
[0071]
[0072]
[0073] 其中，β为异物和设备之间的摩擦系数，m1为闭合设备质量，m2为刹车单元质量，dt为闭合设备刹车距离函数，F(t)为闭合设备刹车系统的制动力函数，υ(t)为闭合设备刹车速度函数；
[0074] 将根据遮挡模块的遮挡情况，分为一级报警和二级报警两个报警等级；
[0075] 一级报警：一个接收模块被遮挡了，说明遮挡物体积较小，危险系数较低。令闭合设备缓慢闭合，提示工作人员进行有效避让。
[0076] 要求在一段刹车距离之内，速度降至可控区间内，因此损失函数为：
[0077]
[0078] υmin≤υ(T)≤υmax
[0079] 其中，T是预期的刹车时间，dtarget为目标停止距离，υmin为规定一级报警最小速度，υmax为规定一级报警最大速度，k1与k2为权重系数；
[0080] 根据拉格朗日公式为，输出一级报警下最优的制动力函数F(t)1，
[0081]
[0082] 其中，λ1，λ2，λ3代表是拉格朗日系数；
[0083] 边缘端通过求解上述拉格朗日函数的欧拉‑拉格朗日方程，可以得到一级报警下最优的制动力函数F1。
[0084] 二级报警：两个或两个以上接收模块被遮挡了，说明遮挡物体积较大或特大。令闭合设备立刻停止，并进行报警。
[0085] 对于停止距离与停止时间有要求，因此损失函数为：
[0086]
[0087] 求得的拉格朗日函数为：
[0088]
[0089] 其中，λ代表是拉格朗日系数。
[0090] 边缘端根据拉格朗日公式为，输出二级报警下最优的制动力函数F(t)2。
[0091] 所述设备控制器是数字运算和控制一体的可编程控制器，设备控制器连接边缘端，当遮挡发生时，边缘端触发报警等级判断，给设备控制器一个控制指令，设备控制器控制刹车单元，使闭合设备停止或减速，设备控制器得到控制指令时，将距离函数d(t)传送至边缘端进行制动力F(t)计算。
[0092] 所述监控功能是读取数据库中存储的数据，将数据可视化，供监控人员实时监控闭合设备和刹车单元性能，出现异常立刻开启报警，报警后，工作人员根据异常类别进行排查。
[0093] 所述数据库存储网关传输的数据，有定时清理冗余功能。
[0094] 所述异常包括发生遮蔽、制动力F(t)1
[0095] 实施例2
[0096] 参照图2，为本发明的一个实施例，提供了一种基于边缘处理的闭合设备的动态安全检测方法的系统，其特征在于：光电检测模块、报警模块、设备控制模块、数据传输模块、数据库、云监控模块以及客户端；
[0097] 所述边缘处理模块包括光电检测模块、数据传输模块和设备控制模块，光电检测模块设于闭合设备上，光电检测模块通过判断检测区域是否有遮挡来进行闭合设备的安全检测，光电检测模块与数据传输模块相连以向数据传输模块传输检测信息，设备控制模块分别与光电检测模块和闭合设备相连，设备控制模块用于根据光电检测模块的检测情况控制闭合设备工作；数据传输模块与设备控制模块相连以生成设备控制模块的操作日志；
[0098] 所述数据库与数据传输模块相连以用于存储数据传输模块传输的数据，云监控模块分别与光电检测模块和数据库相连，监控和显示闭合设备的工作情况，客户端与云监控模块相连以用于接收云监控模块发送的数据和信息。
[0099] 当有异物进入光电传感器的检测区域中导致接收端接收不到光信号时，即可判断光电传感器被遮挡，闭合设备有异物入侵，此时光电检测模块会通过设备控制模块控制闭合设备停止或减速，同时在遮挡瞬间开始闭合设备的位置记录与时间记录，传输位置与时间记录至边缘端计算制动力。通过数据传输模块将光电检测模块产生的遮挡信息、对应的闭合设备位置信息、制动力发送至服务器数据库；
[0100] 数据传输模块为工业网关，并使用MQTT协议连接数据库，数据传输模块传输光电检测模块生成的检测结果，将检测结果传输至云端数据库中，并生成设备控制模块的操作日志；
[0101] 数据库用于存储数据，并且每隔一段时间清除存储数据释放空间内存，用户根据自身需求设置清除数据的时间间隔；
[0102] 云监控模块包括显示模块和报警模块，显示模块用于对采集到的闭合设备使用情况进行数字化和图形化显示，使操作人员可通过显示模块直观的观测到光电检测模块的遮挡情况、每次停止设备的停止距离值、刹车单元制动力；
[0103] 报警模块用于当光电检测模块被遮挡的情况下进行报警提示，报警模块包括预报警状态和报警锁死状态，在预报警状态中当光电检测模块被遮挡，闭合设备的停止距离等于预设值时，报警模块通过客户端通知操作人员需要维修保养设备；
[0104] 在报警锁死状态时，当光电检测模块被遮挡，且闭合设备的停止距离大于等于设备的安全距离时，报警模块通过客户端发出报警提示闭合设备安全性能异常，并锁死闭合设备。
[0105] 云监控模块还包括数据监测模块，用户可在数据监测模块中设置预报警及报警锁死设备的数值。
[0106] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0107] 在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0108] 计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0109] 应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
[0110] 实施例3
[0111] 本实施例中，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。本实施例分别对现有传统的方法、本实施例的方法进行了实验。
[0112] 在闭合设备上安装光电检测模块，配置数据传输模块，确保其与云端服务器和数据库的连接，在客户端设备上安装云监控模块，在闭合设备的闭合区域内放置模拟异物，启动闭合设备，并观察光电检测模块的响应，记录设备从发出停止指令到完全停止的时间(刹车时间T)和距离(刹车距离S)。
[0113] 通过数据传输模块，将光电检测模块的数据发送至云端数据库，在客户端设备上，使用云监控模块实时查看闭合设备的工作状态和安全状况，记录并分析设备的停止距离与预设的安全距离的差值，根据记录的刹车时间T和刹车距离S，评估设备的安全性能。
[0114] 如果实际停止距离接近预警值，则在云监控模块上发出维修保养的提示。
[0115] 如果停止距离大于或等于安全停止距离，则在云监控模块上发出设备锁死的警告。
[0116] 预设的最大安全停止距离：Smax＝5cm，预设的最大刹车时间：Tmax＝2s。
[0117]实验编号 异物类型 刹车时间T(s) 刹车距离S(cm)
1 木块 1.5 4.5
2 塑料块 1.8 5.2
3 金属块 1.2 3.8
[0118] 实验1：刹车时间T＝1.5s
[0119] 结论：设备安全性能良好。
[0120] 实验2：刹车时间T＝1.8sSmax。
[0121] 结论：设备刹车距离超出预设值，需要维护保养。
[0122] 实验3：刹车时间T＝1.2s
[0123] 结论：设备安全性能良好。
[0124] 平均刹车时间：(1.5+1.8+1.2)/3＝1.5s
[0125] 平均刹车距离：(4.5+5.2+3.8)/3＝4.5cm
[0126] 从上述数据中，我们可以看到在大多数情况下，设备的刹车时间和刹车距离都在安全范围内。但在某些特定情况(如实验2中的塑料块入侵)下，刹车距离可能会超出预设的安全值，这时就需要对设备进行维护保养。
[0127] 此外，通过对多次实验数据的平均值进行分析，可以得到设备的平均刹车性能，从而为设备的日常维护和长期改进提供参考数据。
[0128]数据指标 实施前 实施后 变化率
设备响应时间(秒) 3 1 ‑66.7％
设备实际停止距离(米) 1.5 0.5 ‑66.7％
异物检测准确率(％) 85 98 +15.3％
数据传输延迟(毫秒) 200 50 ‑75％
报警准确率(％) 80 95 +18.8％
[0129] 从数据表中，可以观察到实施本发明后，设备的响应时间从3秒降低到1秒，减少了66.7％，这意味着设备在遇到紧急情况时可以更快速地做出响应。设备实际停止距离也从
1.5米减少到0.5米，减少了66.7％，这进一步证明了本发明在提高设备安全性方面的效果。
异物检测准确率从85％提高到98％，增加了15.3％，显示出光电检测模块的高准确性。数据传输延迟从200毫秒降低到50毫秒，减少了75％，这意味着系统的实时性得到了显著提升。
最后，报警准确率从80％提高到95％，增加了18.8％，这进一步证明了系统在真实危险情况下的高准确性。
[0130] 在闭合设备中安装滚轴刹车单元。滚轴中的因存在滚珠而能够随着刹车单元的运动而运动。则在进行刹车时，滚轴随着刹车单元因惯性将移动一小段距离、移动一小段时间。这段距离和时间则能够反应刹车单元的刹车能力。距离越长，则刹车能力越弱。时间越长，则刹车能力越弱。
[0131] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
