數(shù)據(jù)融合技術在港口設備智能維保系統(tǒng)中的應用

張昊 馬利娜 余丹炯 韋燚

隨著國際經(jīng)濟貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的港口作業(yè)模式已無法滿足日益增長的貨物吞吐需求，港口自動化作業(yè)技術應運而生。港口自動化作業(yè)始于20世紀80年代，至今已有40年的發(fā)展歷史，目前已發(fā)展至第四代全自動化碼頭作業(yè)。以自動化為基礎，港口作業(yè)將向智能化方向發(fā)展，即實現(xiàn)港口作業(yè)無人化，從而有效提高港口作業(yè)效率和安全性。港口設備智能維保系統(tǒng)作為港口高效穩(wěn)定運行的重要保障，是智慧港口必不可少的組成部分。為了提高港口作業(yè)自動化和智能化水平以及降低港口安全管理成本，可以在港口設備智能維保系統(tǒng)中應用數(shù)據(jù)融合技術，實現(xiàn)對港口設備多源數(shù)據(jù)的綜合利用：在港口設備的關鍵位置設置傳感器，采集設備振動、應變、溫度等運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)融合技術將多源監(jiān)測數(shù)據(jù)有機結合，深度挖掘其中的有效信息，從而提高港口設備智能維保系統(tǒng)的可靠性和準確性;同時，利用多源數(shù)據(jù)融合分析結果識別設備異常狀態(tài)，預測可能發(fā)生的故障并實施預判性維護，從而提高港口設備運行效率，實現(xiàn)港口資源的有效利用。本文以港口岸橋為例，分析數(shù)據(jù)融合技術在港口設備智能維保系統(tǒng)中的應用，以期為港口設備智能維保提供借鑒。

1數(shù)據(jù)融合技術介紹

數(shù)據(jù)融合技術指通過計算機技術綜合分析多源數(shù)據(jù)，充分挖掘多源數(shù)據(jù)中隱藏的信息，從而更加全面地評估對象的狀態(tài)。相較于單一傳感器監(jiān)測和人工觀測，數(shù)據(jù)融合技術能通過對多源數(shù)據(jù)的優(yōu)化組合來挖掘更多有效信息，從而有效提高觀測精度和判斷準確度。各類復雜的機械和電氣控制系統(tǒng)往往具有多個狀態(tài)特征量，且狀態(tài)表達極為復雜，單個傳感器無法有效、全面地監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài);因此，在對復雜系統(tǒng)實施狀態(tài)監(jiān)測時，常常同時采集多源狀態(tài)數(shù)據(jù)，如設備的振動、溫度、壓力、應變、速度等數(shù)據(jù)，并將多源數(shù)據(jù)有機結合后實施綜合處理，以提高系統(tǒng)評估的準確性和可靠性。此外，結合模糊評價技術，可充分利用原本無法融人信息化體系的人工觀測數(shù)據(jù)?？梢?，數(shù)據(jù)融合技術能夠高效、全面地利用復雜系統(tǒng)采集的多源數(shù)據(jù)，為后續(xù)的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、維護保養(yǎng)、數(shù)據(jù)可視化等提供支持。

2基于港口設備維保要求的港口設備智能維保系統(tǒng)架構

2.1港口設備維保要求

根據(jù)《港口設施維護管理規(guī)定》，港口設施維護是優(yōu)港口、轉方式、調(diào)結構的重要內(nèi)容，其目的是為了保證港口設施使用安全，提高港口設施運行效率，保障港口資源有效利用。港口設備維保的具體要求包括：貫徹預防為主的方針，事前維護優(yōu)于事后維修;遵循科學管理、合理使用、定期檢測、適時維修的原則，提倡科技進步、節(jié)能減排，鼓勵開發(fā)和應用新技術、新材料、新方法;注重港口設備維保策略的理論支撐，以先進的方法論指導港口設備維保工作，使港口設施始終保持良好狀態(tài)，提高港口設施的安全性、適用性和耐久性。

2.2港口設備智能維保系統(tǒng)架構

港口設備智能維保系統(tǒng)自下而上分為設備層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)挖掘層、應用層和表示層（見圖1）。

設備層由裝卸搬運作業(yè)設備組成，包括岸橋、堆場門式起重機、自動導引車、集裝箱跨運車等，是港口設備智能維保系統(tǒng)維護保養(yǎng)的對象。

數(shù)據(jù)層由各類數(shù)據(jù)采集設備和通信設備組成，主要實現(xiàn)設備層工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。在港口設備智能維保系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)層是連接底層硬件與上層軟件的橋梁。第五代移動通信技術（5G）和第六代無線網(wǎng)絡技術（wi-Fi6）為工業(yè)場景提供了低延時、高穩(wěn)定、多接人的無線通信手段，使得部分場景下的港口設備能夠擺脫有線通信的限制。

數(shù)據(jù)挖掘層、應用層和表示層都屬于上層軟件的范疇。數(shù)據(jù)挖掘層的主要功能是處理數(shù)據(jù)層采集的設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)特征，從而為應用層和表示層提供支撐，例如：實時分析起重機電機的振動數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)電機的異常狀態(tài)。應用層的主要功能是根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘層提取的數(shù)據(jù)特征，為存在故障隱患的設備安排預判性維護任務，合理調(diào)度港口各項維保工作，從而提高港口設施設備的安全性、適用性和耐久性。表示層的主要功能是在多平臺可視化展示港口整體運作情況，輔助港口發(fā)展規(guī)劃、規(guī)章制度修訂等戰(zhàn)略性決策。

3數(shù)據(jù)融合技術在港口岸橋智能維保系統(tǒng)中的應用

3.1數(shù)據(jù)采集

港口岸橋智能維保系統(tǒng)要求在岸橋關鍵位置安裝傳感器，采集岸橋實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括岸橋振動、應變、運動等數(shù)據(jù)。

（1）振動數(shù)據(jù)振動傳感器將岸橋振動過程中的物理量（如位移、加速度等）轉化為電信號輸出。振動數(shù)據(jù)可用于評估金屬結構剛度、旋轉機構狀態(tài)等。一般情況下，采用低頻振動傳感器監(jiān)測金屬結構（岸橋主梁）振動狀態(tài)，采用高頻振動傳感器監(jiān)測高速旋轉部件（如傳動系統(tǒng)電動機、變速箱等）振動狀態(tài)。

（2）應變數(shù)據(jù)應變傳感器安裝于岸橋金屬結構相對較為薄弱、易產(chǎn)生應力集中的位置，以采集岸橋金屬結構的應變數(shù)據(jù)，從而監(jiān)測金屬結構應變情況，避免作業(yè)時因結構應變過大而出現(xiàn)斷裂等情況。此外，應變數(shù)據(jù)可用于修正理論模型計算值的誤差，使岸橋數(shù)字孿生模型更加接近實際。

（3）運動數(shù)據(jù)運動數(shù)據(jù)主要有以下采集方式：一是在岸橋重要位置安裝測量加速度、角度等數(shù)據(jù)的姿態(tài)傳感器;二是直接運用定位技術獲得設備整體或某個部件的位置數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器包括陀螺儀、加速度計等運動傳感器，可采集被監(jiān)測部件的加速度、速度、角加速度、角速度等運動數(shù)據(jù)。定位技術包括刻度標尺定位、磁釘定位、全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）定位等，其中：刻度標尺定位、磁釘定位精度較高，但需要提前布置刻度標尺、磁釘?shù)容o助裝置;GPS定位僅需GPS傳感器，但精度稍低。通過以上方式獲得的運動數(shù)據(jù)可用于修正岸橋數(shù)字孿生模型運動狀態(tài)和計算理論受力情況，并且通過不同方式采集的數(shù)據(jù)還可以互相驗證，從而提高系統(tǒng)的準確性和可靠性。

3.2數(shù)據(jù)分析與應用

數(shù)據(jù)融合技術的功能是充分挖掘不同傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)數(shù)據(jù)融合程度的不同，數(shù)據(jù)融合可以分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。

數(shù)據(jù)層融合是將不同傳感器采集的原始數(shù)據(jù)直接融合的過程，例如：采用紅外線熱成像攝像頭對岸橋電動機、變速箱等部件實施無接觸式溫度檢測，將熱成像數(shù)據(jù)與普通光學圖像數(shù)據(jù)相結合，可獲得帶有溫度數(shù)據(jù)的光學圖像數(shù)據(jù);識別帶有溫度數(shù)據(jù)的圖像，即可讀取特定位置的溫度。熱成像與光學圖像數(shù)據(jù)層融合示意見圖2。

特征層融合指從不同來源的原始數(shù)據(jù)中提取并融合多個特征信息的過程。通過多種測量手段獲取岸橋運動特征：電機編碼器采集岸橋電機轉角和轉速數(shù)據(jù)，據(jù)此可計算整個傳動系統(tǒng)的運動狀態(tài);姿態(tài)傳感器采集對應部件的加速度數(shù)據(jù)，據(jù)此可計算設備速度、位置等;刻度標尺定位系統(tǒng)和GPS傳感器等采集對應部件的位置數(shù)據(jù)，據(jù)此可計算設備的速度、加速度等。電機編碼器和刻度標尺定位系統(tǒng)的測量精度較高，但電機編碼器只能用于電機監(jiān)測，刻度標尺定位系統(tǒng)只能用于有軌部分定位;姿態(tài)傳感器和GPS傳感器的測量精度較低，安裝要求也較低。特征層融合的作用是綜合分析通過上述測量手段獲取的岸橋運動特征，修正岸橋數(shù)字孿生模型的運動狀態(tài)。相較于單一測量手段，多種測量手段相結合可有效降低測量誤差。岸橋運動狀態(tài)特征層融合示意見圖3。

決策層融合指對不同來源的原始數(shù)據(jù)實施預處理和特征提取，并依據(jù)單個特征進行初步?jīng)Q策，再通過綜合分析多個初步?jīng)Q策結果獲得聯(lián)合決策結果的過程。例如：分析岸橋振動、溫度、運動數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中1個或多個數(shù)據(jù)分析結果存在異常，如主梁振動異常、結構應變過大、電動機溫度偏高等;先根據(jù)每個異常狀態(tài)初步判斷異常原因，再綜合多個初步結果推斷岸橋異常的根本原因。岸橋異常判斷決策層融合示意見圖4。

4結束語

智能化是港口設備維保系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，數(shù)據(jù)融合技術是涉及港口設備智能維保系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)處理的關鍵技術。將數(shù)據(jù)融合技術應用于港口設備智能維保系統(tǒng)，通過對設備多源數(shù)據(jù)的有機結合和高效利用，能進一步提高港口設備智能維保系統(tǒng)的準確性和可靠性，為港口設備高效、安全運行提供保障，為港口信息化和智能化生產(chǎn)提供支撐。