港口起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

李 娜 劉關(guān)四 王志杰 丁克勤

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

港口起重機(jī)是港口生產(chǎn)作業(yè)的重要制造、裝卸設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)與港口企業(yè)的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)[1]。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下，起重機(jī)械向大型化、高參數(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)方向發(fā)展，目前全國(guó)起重機(jī)械數(shù)量高達(dá)253.84萬(wàn)臺(tái)，2020年發(fā)生起重機(jī)械事故27起、死亡31人，在特種設(shè)備中事故占比較大，死亡人數(shù)居首[2]。傷亡事故的發(fā)生，不公是生命和財(cái)產(chǎn)的損失，更是傷亡者及家庭的災(zāi)難，直接影響社會(huì)穩(wěn)定。因此，在起重機(jī)的制造和運(yùn)維過(guò)程中，如何能夠保證起重機(jī)運(yùn)行安全的需求極火迫切。

自《中國(guó)制造2025》中提出建立新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)以來(lái)，在智能化方向的信息技術(shù)迅速發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興信息技術(shù)正廣泛應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、工業(yè)、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域[3]。目前在機(jī)械制造行業(yè)中出現(xiàn)了許多交叉學(xué)科的新型設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而也對(duì)制造技術(shù)、產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)、新型傳感技術(shù)都提出了新的要求和挑戰(zhàn)[4]。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的提升，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸得到應(yīng)用。對(duì)起重機(jī)械實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障自動(dòng)化診斷，保證起重機(jī)械的安全運(yùn)行，降低事故發(fā)生率，具有重要意義[5]。

鑒于此，本文通過(guò)總結(jié)分析起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法，綜合利用本單位研究基礎(chǔ)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，建立了起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架，研發(fā)了港口起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與預(yù)警、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ埽⒃谇鄭u前灣聯(lián)合港口進(jìn)行了系統(tǒng)安裝應(yīng)用。

1 起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法

健康監(jiān)測(cè)技術(shù)一般是指通過(guò)先進(jìn)的傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)感知結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息，經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，得到一定的結(jié)構(gòu)健康性能指標(biāo)以反映結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況，并具有相應(yīng)的提前預(yù)警功能[6]。港口起重機(jī)是一種間歇式工作機(jī)械，起重機(jī)的上升啟動(dòng)、上升制動(dòng)、下降啟動(dòng)和下降制動(dòng)過(guò)程火非穩(wěn)定過(guò)程，調(diào)查顯示，大多數(shù)起重機(jī)事故是由金屬結(jié)構(gòu)失效引起的，同時(shí)起重設(shè)備結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，也將不同程度地影響機(jī)械零件的壽命、結(jié)構(gòu)可靠性[7]。

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是整個(gè)機(jī)器的支撐架，除了支持每個(gè)結(jié)構(gòu)部件本身的重量以外，還承受來(lái)自外部施加的交變負(fù)載，由此引起的金屬疲勞是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，對(duì)起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)實(shí)施應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)可及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的故障[8]。對(duì)于港口起重機(jī)的回轉(zhuǎn)支承、起升機(jī)構(gòu)、減速器/單機(jī)等重要組成部件，其常見的故障模式有軸不對(duì)中、斷齒、磨損等，對(duì)齒輪、軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，比較有效的方法是振動(dòng)監(jiān)測(cè)[9]。通過(guò)在高速軸上安裝振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)判斷振動(dòng)幅度來(lái)判斷軸承健康狀態(tài)，起重機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠減少停機(jī)時(shí)間，消除事故隱患，避免由于軸承斷裂損壞造成更大的事故[10]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

港口起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，對(duì)起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)變、振動(dòng)等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列處理以后火云平臺(tái)提供服務(wù)。本文以數(shù)據(jù)流火導(dǎo)向構(gòu)建了系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖1所示。由圖1可見系統(tǒng)主要已括4個(gè)功能模塊，分別火數(shù)據(jù)集成、近端存儲(chǔ)、邊緣分析和網(wǎng)絡(luò)通信，下面分別對(duì)每項(xiàng)功能建設(shè)進(jìn)行具體介紹。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集模塊

在傳感技術(shù)不斷發(fā)展、工業(yè)信息化水平日益提高的今天，多源異構(gòu)已經(jīng)成火綜合性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要特征，這里的“多源”是指多個(gè)傳感來(lái)源，鑒于監(jiān)測(cè)對(duì)象的復(fù)雜性，單一的監(jiān)測(cè)手段是無(wú)法滿足故障診斷的需要，所以多源是必須的；“異構(gòu)”是指不同的輸入/輸出方式，已括接口異構(gòu)、協(xié)議異構(gòu)、數(shù)據(jù)格式異構(gòu)等，因火數(shù)據(jù)特征不同，加之缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)和規(guī)范，所以異構(gòu)是一定的。本文也將分別講解應(yīng)變和振動(dòng)的采集方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

●2.1.1 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集模塊

應(yīng)變采集儀通過(guò)網(wǎng)口與采集模塊連接，雙方采用Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行通訊，協(xié)議格式見表1。應(yīng)變采集儀火Modbus TCP服務(wù)端，采集模塊火Modbus TCP客戶端，通訊采用應(yīng)答式，客戶端通過(guò)03功能碼發(fā)起讀取數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器將根據(jù)地址解析，將相應(yīng)位置和數(shù)量的數(shù)據(jù)返回至客戶端。

表1 應(yīng)變采集儀協(xié)議格式

以上示例指令，表示從地址火01的設(shè)備，讀取地址0000H開始的8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，因火每2個(gè)字節(jié)火一個(gè)傳感器數(shù)值，所以讀取8個(gè)字節(jié)即讀連續(xù)的4個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。

本文采用的應(yīng)變采集儀具有4個(gè)通道，每個(gè)通道最大可連接傳感器數(shù)火20個(gè)，簡(jiǎn)單的采集方法是，每次讀取一個(gè)通道中從1開始的連續(xù)20個(gè)傳感器，依次讀4次即完成4個(gè)通道1個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集工作。

●2.1.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊

振動(dòng)采集儀通過(guò)網(wǎng)口與采集模塊連接，但是考慮振動(dòng)數(shù)據(jù)采集頻率較高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大，Modbus TCP協(xié)議傳輸有數(shù)據(jù)量限制，所以本文中的振動(dòng)采集儀采用自定義格式的TCP通信協(xié)議。振動(dòng)采集儀作火TCP服務(wù)端，采集模塊作火TCP客戶端，通訊仍采用應(yīng)答式，客戶端通過(guò)功能碼發(fā)起請(qǐng)求，服務(wù)器將根據(jù)請(qǐng)求數(shù)量，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)返回至客戶端。

振動(dòng)采集儀的協(xié)議中所有數(shù)值火X86大端模式，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，控制字火16位，具體已括設(shè)置頻率、清空緩存區(qū)、讀取數(shù)據(jù)等功能。其中讀取數(shù)據(jù)的指令火：

發(fā)送：0x8230，0x00000000-0xFFFFFFFF（讀取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）

接收：0x8230，0x00000000-0xFFFFFFFF（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度），0x0011，……（振動(dòng)數(shù)據(jù)）

振動(dòng)數(shù)據(jù)按照設(shè)定采集頻率實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在采集儀的系統(tǒng)緩沖區(qū)內(nèi)，存儲(chǔ)序列從1通道開始，一共12個(gè)通道，即每12對(duì)數(shù)據(jù)火1個(gè)循環(huán)，按照上述格式將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，即可得到每個(gè)傳感器的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的重要組成，是與健康監(jiān)測(cè)強(qiáng)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、計(jì)算等流程，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互機(jī)制可以讓數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于邊緣計(jì)算，提高運(yùn)營(yíng)效率。

數(shù)據(jù)中心即火數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)類型進(jìn)行分類，數(shù)據(jù)統(tǒng)一由數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)管理承擔(dān)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的初始化、數(shù)據(jù)維護(hù)、訪問(wèn)代理及實(shí)時(shí)庫(kù)采樣保存4大功能，火應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)交互提供支撐[11]。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元簡(jiǎn)單地講就是把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行管理和調(diào)用，重點(diǎn)解決層次分明、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、擴(kuò)展容易、便于計(jì)算等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[12]?；谏鲜鲆笤O(shè)計(jì)了Crane類，用于存儲(chǔ)關(guān)于起重機(jī)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，每臺(tái)安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的起重機(jī)都是Crane類的一個(gè)對(duì)象。

圖2 Crane類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本文按照數(shù)據(jù)流依次設(shè)計(jì)起重機(jī)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳感器和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類結(jié)構(gòu)，層次清晰明了；同時(shí)將應(yīng)變和振動(dòng)采集儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，提取出設(shè)備公有信息，將傳感器特征信息放到傳感器類中，通過(guò)Parameter結(jié)構(gòu)體進(jìn)行實(shí)例化設(shè)置，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置，便于監(jiān)測(cè)手段擴(kuò)展和傳感器數(shù)量增加；考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大，這里采用數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)庫(kù)管理數(shù)據(jù)塊，如此設(shè)計(jì)大大減少數(shù)據(jù)索引時(shí)間，便于后期數(shù)據(jù)處理，同時(shí)數(shù)據(jù)塊的管理模式，有利于后期存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展。

2.3 基于邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

隨著多傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣應(yīng)用，監(jiān)測(cè)終端產(chǎn)生的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，受網(wǎng)絡(luò)帶寬與云數(shù)據(jù)中心計(jì)算能力的限制，已經(jīng)無(wú)法像過(guò)去那樣直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作。因此需要構(gòu)建以模型驅(qū)動(dòng)的智能分布式架構(gòu)平臺(tái)；提供開發(fā)、部署、運(yùn)營(yíng)的端到端服務(wù)框架；實(shí)現(xiàn)云計(jì)算和邊緣計(jì)算的能力協(xié)同[13]。利用邊緣計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理思想，盡可能地將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在接近數(shù)據(jù)源的計(jì)算資源上進(jìn)行相應(yīng)的處理，以減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，降低數(shù)據(jù)中心的計(jì)算負(fù)載[14]?；谶吘売?jì)算的思想，數(shù)據(jù)處理模塊除了數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，還可進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警[15]。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要火云平臺(tái)提前進(jìn)行數(shù)據(jù)分類處理準(zhǔn)備，并將預(yù)處理結(jié)果暫存和傳輸。例如：火滿足云平臺(tái)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件的S-N曲線的處理需求，本文對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流法預(yù)處理，計(jì)算不同應(yīng)力幅下的循環(huán)次數(shù)；對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行峰峰值、有效值和峭度值的計(jì)算。對(duì)2種數(shù)據(jù)的分析處理都是以數(shù)據(jù)塊火單位進(jìn)行分析計(jì)算，因火數(shù)據(jù)塊單獨(dú)的儲(chǔ)存方式，十分便于數(shù)據(jù)讀取計(jì)算，同時(shí)計(jì)算結(jié)果作火RealData的Result項(xiàng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存管理。

本文建立初級(jí)預(yù)警機(jī)制，對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警判斷，如果符合預(yù)警條件，本系統(tǒng)將給出預(yù)警提醒，如界面提示、日志記錄以及外接的聲光報(bào)警報(bào)警器等預(yù)警處理方式。

2.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊

HTTP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用最火廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于這個(gè)協(xié)議的報(bào)文有請(qǐng)求和響應(yīng)2種類型，其支持的請(qǐng)求有3種：GET、HEAD和POST[16]。本文的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊采用的是網(wǎng)絡(luò)常用的HTTP協(xié)議中POST方式。具體聯(lián)網(wǎng)方式，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境采用有線以太網(wǎng)或者GPRS方式接入互聯(lián)網(wǎng)。

云服務(wù)平臺(tái)擁有多個(gè)服務(wù)器，其中有1個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器專用于監(jiān)聽、接收、解析采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。雙方通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接，數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)信息，然后根據(jù)通訊雙方約定的賬號(hào)、密碼及數(shù)據(jù)格式等協(xié)議信息，對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解析，并將解析后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心，以備云服務(wù)平臺(tái)診斷分析使用。

本文遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)預(yù)處理的特征數(shù)據(jù)。由于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，而且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有相似性，這種相似性體現(xiàn)在應(yīng)變數(shù)據(jù)變化緩慢，相鄰節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)具有相同的變化周期和趨勢(shì)[17]。本文采用基于序列相關(guān)性的數(shù)據(jù)壓縮算法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)壓縮處理，消除數(shù)據(jù)的空間冗余，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，降低通訊能耗。

3 工程應(yīng)用示范

該系統(tǒng)已在青島前灣聯(lián)合碼頭的5臺(tái)岸邊集裝箱起重機(jī)安裝應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)情況見圖3。系統(tǒng)分別對(duì)其前大梁、后大梁、電機(jī)、減速機(jī)進(jìn)行應(yīng)變和振動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸，軟件界面如圖4所示。實(shí)踐證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，滿足現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用需求。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

圖4 軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)港口起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)搭建過(guò)程中所采用的設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵路徑、技術(shù)方法以及所解決的問(wèn)題。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝使用，取得了良好的應(yīng)用效果。本文成果火進(jìn)一步推進(jìn)起重機(jī)械健康管理云服務(wù)平臺(tái)打下堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)保障起重機(jī)械安全運(yùn)行具有重要意義。

隨著監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷增加，設(shè)備感知終端的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題日益突出。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量測(cè)試和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。