基于軌道衡物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)在線監(jiān)測診斷技術(shù)的研究與應(yīng)用

韓強(qiáng) 殷鵬

(酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司檢驗檢測中心 甘肅嘉峪關(guān) 735100)

大型鋼鐵企業(yè)物資計量的主要設(shè)備為軌道衡、汽車衡、平臺秤等。隨著酒鋼（集團(tuán)）公司產(chǎn)能的不斷提升，利用軌道衡進(jìn)行鋼鐵冶煉的原燃料、產(chǎn)品、鐵水計量呈迅猛增長趨勢。公司與內(nèi)外部顧客依靠軌道衡進(jìn)行結(jié)算，因此貿(mào)易結(jié)算成為了推動軌道衡計量技術(shù)不斷發(fā)展的主要力量。軌道衡計量噸位較大，產(chǎn)品結(jié)算數(shù)額巨大，軌道衡計量過程中若誤差有微小變化或設(shè)備隱患處理不及時，都會給企業(yè)和客戶帶來巨大損失。為此，軌道衡運維模式的進(jìn)步與變革就成為目前最需要探索的主題。針對酒鋼當(dāng)前在用的13 臺軌道衡運行狀態(tài)管理中存在的問題，結(jié)合計量業(yè)務(wù)管理要求及技術(shù)發(fā)展方向，以借助物聯(lián)網(wǎng)、狀態(tài)在線監(jiān)測、大數(shù)據(jù)分析診斷思路，提出軌道衡全壽命周期全天候的管理方案[1]，即基于軌道衡物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)在線監(jiān)測診斷。對軌道衡各部位運行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、信息集成和信息共享，建立設(shè)備運行物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和大數(shù)據(jù)集成共享評價模型，對實現(xiàn)軌道衡精細(xì)化管理和智能化維修具有重要意義。

1 軌道衡運維現(xiàn)狀描述

酒鋼（集團(tuán)）公司軌道衡無人值守計量項目投運前，軌道衡現(xiàn)場配有操作人員進(jìn)行計量、維護(hù)。各計量站全部實現(xiàn)無人值守計量模式后，計量員在集中計量大廳遠(yuǎn)程進(jìn)行計量檢斤工作，維護(hù)人員也隨之改變了維護(hù)方式，采用更為先進(jìn)的設(shè)備點巡檢系統(tǒng)，以提高設(shè)備維護(hù)管理水平。即便如此，由于軌道衡現(xiàn)場無人值守，若設(shè)備出現(xiàn)故障，遠(yuǎn)程維護(hù)人員無法及時發(fā)現(xiàn)，只能靠傳統(tǒng)的巡檢來發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能存在影響計量的問題。

2 軌道衡傳統(tǒng)運維模式中存在的問題

軌道衡使用、維護(hù)中一直存在著維護(hù)難度大、處理時效性弱、巡檢工作繁重、潛在問題不易被發(fā)現(xiàn)、機(jī)械部件故障影響行車安全等問題，根據(jù)近年軌道衡運維經(jīng)驗，困擾其使用、維護(hù)和管理的問題主要表現(xiàn)在以下3個方面。

2.1 人力資源的問題

軌道衡運維主力軍平均年齡偏大，現(xiàn)場設(shè)備更新?lián)Q代速度加快，新人運維經(jīng)驗需要時間積累，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障時，年齡大的職工對先進(jìn)設(shè)備不甚了解，僅憑經(jīng)驗作業(yè)，新人因經(jīng)驗不足無法快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行診斷并處理問題。

2.2 繁重的巡檢任務(wù)

為優(yōu)化人員配置，提高勞動生產(chǎn)率，造成人手不足；傳統(tǒng)運維模式下人員分配，已無法滿足軌道衡點多面廣的地理位置需求。單點或多點故障，人員應(yīng)接不暇，無法第一時間到達(dá)與處理，往往是亡羊補(bǔ)牢，事后補(bǔ)救，影響設(shè)備運行。

2.3 軌道衡的行車安全

軌道衡機(jī)械部分的隱患造成機(jī)車掉道，輕則損壞機(jī)車，重則物料（如鐵水）外溢造成嚴(yán)重的人員及設(shè)備事故。

3 軌道衡物聯(lián)網(wǎng)需求建模

軌道衡作為冶金企業(yè)大宗原料、產(chǎn)品結(jié)算的主要溯源設(shè)備。其硬件設(shè)備是保障計量準(zhǔn)確、運行穩(wěn)定的基礎(chǔ)，是過衡安全的可靠保障。要對軌道衡進(jìn)行全面有效的管理，需要多維度對硬件設(shè)備合理分類，并進(jìn)行精細(xì)化管理[2]。具體分類情況如下。

3.1 軌道衡物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分類

（1）軌道衡本體設(shè)備，包含線路軌、稱量軌、過渡器、稱重傳感器、基礎(chǔ)墩座、基坑、秤體限位器等。（2）軌道衡輔助設(shè)備，包含軌距軌縫過渡器監(jiān)控攝像機(jī)、車廂監(jiān)控攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)等。稱重儀表、稱重傳感器實時采集系統(tǒng)工作電壓、電流、通信數(shù)據(jù)；測距傳感器、角度傳感器和液位傳感器實時采集線路軌與承重軌軌距、承重軌高差、基坑液位等指標(biāo)，形成系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)；控制器通過攝像頭等外部輔助設(shè)施實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，形成外部環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測服務(wù)平臺或企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器，用戶通過大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用。

3.2 軌道衡物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)特點

3.2.1 體量大

據(jù)統(tǒng)計，軌道衡信息化點巡檢系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)近20余項，隨著這些指標(biāo)數(shù)據(jù)的不斷積累，數(shù)據(jù)量、工作量可想而知。若一天過衡200節(jié)，每臺秤則有圖像、視頻約20 G數(shù)據(jù)增長量，可見在線監(jiān)測數(shù)據(jù)具有大數(shù)據(jù)的大體量特征。

3.2.2 多樣性

軌道衡在線監(jiān)測數(shù)據(jù)多樣性主要體現(xiàn)在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軌縫、軌距、基坑液位等需監(jiān)測物理量繁多，數(shù)據(jù)種類不同，有設(shè)備動態(tài)監(jiān)測信息、人工檢修維護(hù)信息等。

3.2.3 價值性

軌道衡在線監(jiān)測數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著大量的分析價值，維保單位可利用積累的海量數(shù)據(jù)，通過類比、關(guān)聯(lián)、趨勢分析，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)寶貴知識，為設(shè)備管理，預(yù)知維修，安全風(fēng)險防控提供輔助決策依據(jù)。

4 軌道衡運行大數(shù)據(jù)平臺需求建模

軌道衡在線監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺的研究，主要是運用大數(shù)據(jù)[3-4]、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，搭建監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺，整合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集的海量狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備運行全壽命周期的管理，并對設(shè)備進(jìn)行綜合分析與故障診斷，從而為用戶提供管理和維護(hù)決策支持。平臺總體需求包括以下4方面內(nèi)容。

（1）利用物聯(lián)網(wǎng)搭建軌道衡狀態(tài)監(jiān)測體系，通過對傳感器分零點、秤體總零點、傳感器垂直度、軌縫、軌距、基坑液位等數(shù)據(jù)的收集，做到對軌道衡運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。（2）構(gòu)建數(shù)據(jù)采集終端，負(fù)責(zé)將衡器狀態(tài)的數(shù)字信號進(jìn)行收集、計算并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，既可以通過互聯(lián)網(wǎng)將衡器狀態(tài)信息發(fā)送到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，又可以利用Intranet將衡器狀態(tài)信息發(fā)送到企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器。（3）構(gòu)建數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，由服務(wù)器、路由器、防火墻、平臺管理軟件組成。數(shù)據(jù)服務(wù)平臺通過互聯(lián)網(wǎng)接收到所有安裝并正常運行的衡器在線監(jiān)測設(shè)備發(fā)回來的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的ETL 操作。對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析、診斷、預(yù)警。為衡器在線監(jiān)測平臺客戶端做數(shù)據(jù)支撐。（4）開發(fā)用戶客戶端?？蛻舳税≒C端的瀏覽器和微信小程序?？蛻舳素?fù)責(zé)展示衡器的狀態(tài)等相關(guān)信息。

5 軌道衡物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)對接整體架構(gòu)

將軌道衡運行大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)對接整體架構(gòu)分為大數(shù)據(jù)來源層、數(shù)據(jù)采集與存儲層、數(shù)據(jù)故障診斷分析層、使用層，共4層架構(gòu)。

5.1 大數(shù)據(jù)來源層

稱重儀表、稱重傳感器實時采集稱重系統(tǒng)的工作電壓、工作電流、通信狀態(tài)等數(shù)據(jù)；測距傳感器、角度傳感器和液位傳感器實時采集軌道衡線路軌與承重軌軌距、承重軌高差、基坑液位等技術(shù)指標(biāo)，形成內(nèi)部診斷數(shù)據(jù)；控制器通過紅外光柵、非接觸式讀卡器攝像頭等外部輔助設(shè)施實時采集稱重現(xiàn)場數(shù)據(jù)，形成外部環(huán)境數(shù)據(jù)。

5.2 數(shù)據(jù)采集與存儲層

由于現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有不同的特征，所以該層中的組件必須能夠以各種格式、大小和各種通信媒介中讀取。技術(shù)難點主要集中在實時采集圖像、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)格式的兼容性。

5.3 數(shù)據(jù)故障診斷分析層

該層主要運用各類分析引擎、模型計算、數(shù)據(jù)規(guī)律預(yù)測、模型驗證等手段，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)寶貴知識，為軌道衡管理、預(yù)知維修、安全風(fēng)險防控提供輔助決策依據(jù)。

5.4 用戶使用層

該層主要是將數(shù)據(jù)故障診斷分析層獲取的價值數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶或維護(hù)單位?；蛘哂脩敉ㄟ^PC 端在IE瀏覽器的地址欄中輸入地址，即可訪問在線監(jiān)測平臺，手機(jī)微信小程序搜索“衡器在線監(jiān)測平臺”即可登錄查詢，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測可視化功能。

6 軌道衡在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的實施方法

（1）通過軌道衡測距傳感器、角度傳感器和液位傳感器，將軌道衡的傳感器垂直度、軌距、軌縫、角高、基坑積水等基本數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測。（2）數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)將衡器狀態(tài)的數(shù)字信號進(jìn)行收集、計算并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)平臺；數(shù)據(jù)采集終端既可以通過互聯(lián)網(wǎng)將軌道衡狀態(tài)信息發(fā)送到在線監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，也可以利用Intranet 將軌道衡狀態(tài)信息發(fā)送到企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器。（3）數(shù)據(jù)服務(wù)平臺由服務(wù)器、路由器、防火墻、平臺管理軟件組成。數(shù)據(jù)服務(wù)平臺通過互聯(lián)網(wǎng)接收到所有安裝并正常運行的在線監(jiān)測設(shè)備發(fā)回來的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的ETL操作。對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析、診斷、預(yù)警。為軌道衡在線監(jiān)測平臺客戶端做數(shù)據(jù)支撐。（4）客戶端包括PC 端的瀏覽器網(wǎng)頁版和微信小程序兩個部分。用戶在瀏覽器的地址欄中輸入訪問地址，即可訪問衡器在線監(jiān)測平臺；也可通過手機(jī)“微信”中的小程序功能，搜索“衡器在線監(jiān)測平臺”即可。

7 軌道衡運行狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)的應(yīng)用與效果評價

7.1 零點監(jiān)測

傳感器零點是反應(yīng)傳感器工作狀態(tài)最直接指標(biāo)，當(dāng)傳感器零點波動超出一定范圍時，可能是此傳感器工作狀態(tài)欠佳，已經(jīng)影響衡器計量精度了。系統(tǒng)通過監(jiān)測傳感器的分零點來保證衡器穩(wěn)定運行。

7.2 軌縫監(jiān)測

軌縫是指在斷軌軌道衡中稱重軌與引線軌之間的距離，軌縫過大或過小都會影響計量精度。為保證軌道衡正常運行，應(yīng)使軌縫距離值保持在5～15 mm[5]。每個承載器選用4只測量精度為±0.5 mm的測距傳感器對軌縫進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)軌縫距離超出5～15 mm 時系統(tǒng)給予報警。處理完故障后，系統(tǒng)警示消失。

7.3 軌距監(jiān)測

軌距是指在軌道衡兩條稱重軌之間的距離，軌距大小不僅影響軌道衡精度，更重要的是影響行車安全。因此，軌距監(jiān)測是十分必要的。每個稱重臺面選用1只測量精度為±0.5 mm的測距傳感器對軌距進(jìn)行實時監(jiān)測，在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)可以實時監(jiān)控兩條稱重軌之間的軌距。當(dāng)軌距超出-2～+5 mm 時系統(tǒng)給予報警。處理完故障后，系統(tǒng)警示消失。

7.4 角高監(jiān)測

角高是指在軌道衡的秤體基礎(chǔ)下沉變化量，秤體的角高不僅影響計量精度也影響行車安全。因此，秤體的角高監(jiān)測是十分必要的。每個稱重臺面選用2只測量精度為±0.5 mm的測距傳感器對軌距進(jìn)行實時監(jiān)測，在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)控衡器的角高大小。當(dāng)角高超出設(shè)定范圍時系統(tǒng)給予報警。處理完故障后，系統(tǒng)警示消失。

7.5 稱重傳感器垂直度監(jiān)測

稱重傳感器是軌道衡稱重的關(guān)鍵部件。傳感器的傾斜角度不僅影響計量精度還影響行車安全[6]。因此，對傳感器是否垂直的監(jiān)測是十分必要的。選用與稱重傳感器數(shù)量相同的測量精度為±0.5°的角度傳感器對稱重傳感器[7]垂直度進(jìn)行實時監(jiān)測，在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)控每一只傳感器的傾斜角度。當(dāng)傳感器的傾斜角度超出設(shè)定范圍時系統(tǒng)給予報警。處理完故障后，系統(tǒng)警示消失。

7.6 基坑積水位監(jiān)測

秤體基坑積水會損壞傳感器及軌道衡其他電器設(shè)備。在線監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測基坑是否存在積水。當(dāng)基坑積水到達(dá)一定高度時系統(tǒng)給予報警。處理完后，系統(tǒng)警示消失。

7.7 系統(tǒng)報警管理功能

該系統(tǒng)已對各監(jiān)控節(jié)點的報警閾值范圍做出設(shè)定，報警閾值的設(shè)定值應(yīng)小于安全閾值，比如：軌縫的安全閾值是10 mm，則報警閾值設(shè)定為2 mm，當(dāng)軌縫小于2 mm 時，系統(tǒng)以短信方式提示維護(hù)管理人員，但此時設(shè)備仍能正常使用。做到故障的事前預(yù)防，提高設(shè)備的在線運轉(zhuǎn)率。

7.8 報警信息查詢功能

系統(tǒng)針對每臺軌道衡在一段時間內(nèi)發(fā)生的報警情況進(jìn)行統(tǒng)計。通過數(shù)據(jù)綜合分析出軌道衡的運行狀態(tài)，可以針對特定報警信息制訂出相應(yīng)的維修維護(hù)方案，保障衡器穩(wěn)定運行。

7.9 微信小程序功能

登錄微信小程序用戶即可看到角色下的所有軌道衡。軌道衡列表中就是當(dāng)前用戶下所有正在運行的衡器和運行狀態(tài)，出現(xiàn)異常的衡器顯示在列表的頂端以醒目的紅色顯示狀態(tài)異常，正常則以綠色顯示。點擊設(shè)備名稱進(jìn)入該軌道衡的詳細(xì)監(jiān)測界面，每一項監(jiān)測數(shù)值后面都有一個狀態(tài)圖標(biāo)顯示，當(dāng)該數(shù)值超出正常數(shù)據(jù)時則后邊狀態(tài)圖標(biāo)已紅色顯示[8]。正常以綠色顯示。

7.10 為用戶提供管理和維護(hù)決策支持

可以查看軌道衡在線監(jiān)測平臺自動給出的設(shè)備運行檢修維護(hù)計劃的詳細(xì)內(nèi)容。

8 結(jié)語

酒鋼嘉北4#軌道衡大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測診斷技術(shù)的成功應(yīng)用，轉(zhuǎn)變了對現(xiàn)有設(shè)備的維護(hù)思路和方法，將軌道衡維護(hù)采用的事后維修和計劃性維修向設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)警診斷進(jìn)行轉(zhuǎn)變，以設(shè)備診斷、在線監(jiān)測、預(yù)防性維修為手段，將物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于軌道衡狀態(tài)監(jiān)測診斷中，使軌道衡點檢由衡器狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備自動完成，極大地降低了點檢維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，設(shè)備點檢工作實現(xiàn)了故障預(yù)警自動化，提高了設(shè)備安全性、穩(wěn)定性，達(dá)到了“防患于未然”的維護(hù)方式。