基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的研究

張怡

（1.徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

工程機(jī)械產(chǎn)品體型龐大，尤其100T以上的礦用產(chǎn)品，沒(méi)有足夠的工況進(jìn)行完備的廠(chǎng)內(nèi)性能檢測(cè)和可靠性試驗(yàn)，需要通過(guò)礦區(qū)實(shí)際工況進(jìn)行驗(yàn)證，但由于礦區(qū)偏遠(yuǎn)，測(cè)試工作開(kāi)展不便利，定期監(jiān)測(cè)更是耗時(shí)耗力，且采集的數(shù)據(jù)信息不夠完整。

基于以上問(wèn)題，需要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性產(chǎn)品和新產(chǎn)品遠(yuǎn)程性能監(jiān)控，同時(shí)，建設(shè)遠(yuǎn)程測(cè)試監(jiān)控平臺(tái)，集成測(cè)試數(shù)據(jù)分析模塊。

礦山機(jī)械設(shè)備有著不同于其他行業(yè)設(shè)備的特點(diǎn)，需要總結(jié)設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)與實(shí)際工況下的設(shè)備異常數(shù)據(jù)，完善自動(dòng)診斷模型。同時(shí)，結(jié)合礦山機(jī)械設(shè)備管理流程，對(duì)核心部件進(jìn)行壽命周期電子文檔管理，完備設(shè)備健康狀態(tài)管理系統(tǒng)。

1 總體思路

這種基于網(wǎng)絡(luò)的多物理量協(xié)同采集的遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)主要由以下三層架構(gòu)組成。

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要由安裝在礦機(jī)結(jié)構(gòu)上的傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)以太網(wǎng)、內(nèi)置存儲(chǔ)等方式將采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集儀具有本地存儲(chǔ)功能，根據(jù)采樣配置不同，即使現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中斷幾天至十幾天，仍可完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸任務(wù)。實(shí)現(xiàn)礦機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行數(shù)據(jù)的不間斷采集與傳輸。并且整套系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)的原始數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)置存儲(chǔ)等方式，傳輸?shù)焦镜脑品?wù)器中。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層由安裝在被監(jiān)控產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理層的硬件設(shè)備一般內(nèi)置到數(shù)據(jù)采集儀中或者采用單獨(dú)的工控機(jī)，對(duì)監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析。數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等統(tǒng)一管理、分析結(jié)合設(shè)備的振動(dòng)、應(yīng)變、位移、壓力、傾角、CAN信號(hào)等數(shù)據(jù)，采取智能報(bào)警策略進(jìn)行智能預(yù)警，提醒運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備檢修與維護(hù)。

1.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

實(shí)現(xiàn)覆蓋產(chǎn)品的整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)故障管理。結(jié)合產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)指標(biāo)、評(píng)價(jià)指標(biāo)、可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)、應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)、故障代碼等，進(jìn)行測(cè)試采集的數(shù)據(jù)分析和結(jié)果評(píng)價(jià)，結(jié)合設(shè)備自身工況，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜圖表數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制，形成數(shù)據(jù)橫向比較，為產(chǎn)品優(yōu)化、運(yùn)行及維護(hù)策略提供依據(jù)。

2 總體方案探討

這種基于網(wǎng)絡(luò)的多物理量協(xié)同采集的遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)組成包括：（1）前端應(yīng)變片、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器等等模擬量傳感器。（2）CAN總線(xiàn)系統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)。（3）駕駛室和車(chē)輛前面的視頻和圖片信號(hào)（因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和應(yīng)變情況是和駕駛員的操作以及現(xiàn)場(chǎng)的路況強(qiáng)相關(guān)的，為了保證分析的準(zhǔn)確性，有準(zhǔn)確的標(biāo)簽，兼有同步采集的視頻或者圖片信號(hào)）。（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既可以采集模擬量信號(hào)，也可以采集數(shù)字量信號(hào)，還可以采集視頻信號(hào)，并且同步綜合分析。（5）前端數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要預(yù)留前端數(shù)據(jù)分析功能，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下由于通信信號(hào)很微弱，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理成一定的指標(biāo)量，然后，將指標(biāo)量發(fā)送到云平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)傳輸；可以采用聯(lián)邦學(xué)習(xí)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)有效性、多物理量信息的有效傳輸、數(shù)據(jù)的保密性的三個(gè)目標(biāo)的達(dá)成，考慮到現(xiàn)場(chǎng)如果部署基于Windows的工控機(jī)容易出現(xiàn)死機(jī)等情況，更多的是采用嵌入式系統(tǒng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。（6）大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)采集的大容量數(shù)據(jù)。（7）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況考慮用4G或5G的數(shù)據(jù)傳輸方式。（8）云智慧數(shù)據(jù)平臺(tái)，用于展示現(xiàn)場(chǎng)傳遞回來(lái)的數(shù)據(jù)情況，包括原始數(shù)據(jù)、指標(biāo)量數(shù)據(jù)、圖片等，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的結(jié)果。（9）AI算法模型庫(kù)，對(duì)于一系列現(xiàn)場(chǎng)的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行AI模型訓(xùn)練，并且將根據(jù)等級(jí)將訓(xùn)練好的AI系統(tǒng)模型，按照需求，可以下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的MCU等計(jì)算模塊中，用于現(xiàn)場(chǎng)工況的前端實(shí)時(shí)判斷。

圖1 監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)框圖

其中，第1項(xiàng)，前端傳感器；第2項(xiàng)，CAN總線(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)；第3項(xiàng)，視頻采集系統(tǒng)；第4項(xiàng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；第5項(xiàng)，前端數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)；第6項(xiàng)，大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)；第7項(xiàng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，布置在現(xiàn)場(chǎng)的工程機(jī)械上；第8項(xiàng)，云智慧數(shù)據(jù)平臺(tái)，包含服務(wù)器和服務(wù)器端軟件，布置在用戶(hù)單位中；第9項(xiàng)，AI算法模型庫(kù)，這套模型是在服務(wù)器端進(jìn)行計(jì)算和訓(xùn)練，然后，將計(jì)算好的模型導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)的前端數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)功能介紹

3.1 數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)

實(shí)時(shí)采集設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的振動(dòng)、應(yīng)變、位移、壓力、傾角、CAN信號(hào)等數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成各種特征值存入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)設(shè)備異常時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)，啟停機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)等專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)備特征值可以在設(shè)備整個(gè)生命周期進(jìn)行保存。

3.2 時(shí)頻域分析和智能預(yù)警

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，通過(guò)基于時(shí)域、頻域的分析方法以及多種小波、包絡(luò)等工程分析方法?？梢詫?duì)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行深入分析，提出多種特征值。根據(jù)不同故障類(lèi)型，進(jìn)行多參數(shù)智能預(yù)警。

3.3 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)估

結(jié)合產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)指標(biāo)、評(píng)價(jià)指標(biāo)、可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)、應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)、故障代碼等，進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析和結(jié)果評(píng)價(jià)，并形成數(shù)據(jù)橫向比較結(jié)果輸出。

3.4 核心部件壽命預(yù)測(cè)

核心部件的壽命預(yù)測(cè)模型。針對(duì)礦山機(jī)械系統(tǒng)核心設(shè)備，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行工況與設(shè)備壽命進(jìn)行周期管理。

4 實(shí)施方案

根據(jù)我們最終想要的結(jié)果或者目的，制定數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用方案，如表1所示，這也直接會(huì)決定我們監(jiān)控方案的制定，同時(shí)，直接決定了數(shù)據(jù)的算法要求、分析軟件程序的開(kāi)發(fā)程序和內(nèi)置數(shù)據(jù)輸出模板式樣。

表1 某產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

根據(jù)監(jiān)控產(chǎn)品的特性，完成監(jiān)控對(duì)象和傳感器選型，如表2所示，不同的采集方式，決定了采集設(shè)備的類(lèi)別；監(jiān)控量的需求，決定了采集設(shè)備的通道數(shù)量。建議在產(chǎn)品涉及前期考慮將更多的監(jiān)控信號(hào)引入產(chǎn)品控制器，以便通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)應(yīng)用前期通過(guò)數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)在大容量硬盤(pán)中，然后，拷貝到服務(wù)器進(jìn)行分析的方式，后期可將算法進(jìn)行優(yōu)化，再將算法移植到前端進(jìn)行實(shí)施分析。（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以合二為一，可以使用采集儀內(nèi)置的嵌入式系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)可以使用外掛的移動(dòng)硬盤(pán)，也可以使用內(nèi)置的存儲(chǔ)卡，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以使用外置的4G路由器。（3）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以統(tǒng)一放置于儀器箱中。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的探索，得益于我們互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，有效地運(yùn)用這些技術(shù)能夠讓我們能夠更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)控、故障分析、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)化等，增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。