大型港口機械智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究應(yīng)用

劉文全

大連港機械有限公司 遼寧 大連 116113

引言

當前各大港口都配備了各種專業(yè)化機械設(shè)備，每種設(shè)備各有其功能和使用特點，不同機械設(shè)備的相互配合促進了港口工作的順利實施。但機械設(shè)備運行中可能因人為、環(huán)境等因素而導(dǎo)致故障，易誘發(fā)重大事故。為降低港口機械故障率，相關(guān)人員需采用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)構(gòu)建在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測與控制發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常，做到設(shè)備問題的早發(fā)現(xiàn)和早處理。

1 港口機械設(shè)備在監(jiān)測維護上的問題

大型港口的運行中對機械設(shè)備的依賴性較大，但由于機械設(shè)備運行的固有特點，必須將設(shè)備監(jiān)測與維護作為常態(tài)化工作。原先的技術(shù)相對落后，大型港口內(nèi)針對機械設(shè)備的監(jiān)測與維護大部分停留在人工工作上，主要為日常檢測、事后維修模式，難以準確評估機械設(shè)備的運行狀態(tài)與使用情況。結(jié)合港口機械設(shè)備的監(jiān)測維護工作，主要存在以下問題：①監(jiān)測人員的專業(yè)能力參差不齊，缺乏技術(shù)人才，無法利用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建智能化監(jiān)測新模式，難以準確評估各種機械的運行狀態(tài)、故障情況。②現(xiàn)場通信不佳，未配備各種先進的通信設(shè)施，后臺支持不夠，監(jiān)測和維護中的數(shù)據(jù)傳輸有延遲，影響了設(shè)備監(jiān)測、維護的實時性。③故障診斷技術(shù)相對落后，主要為簡易診斷和精密診斷，前者通過配備便攜式測振儀、軸承檢測儀等專業(yè)儀器，或者通過人為目測、耳聽、手摸來收集機械運行的相關(guān)情況，依據(jù)所掌握的信息判定機械是否存在異常情況[1]。依據(jù)實際的檢測情況，簡易診斷的局限性較大，機械清潔度必須達到相應(yīng)規(guī)定，檢測過程中的危險性較大，極易出現(xiàn)錯誤判斷，或者漏判，診斷結(jié)果不具有實時性。精密診斷參考經(jīng)驗診斷結(jié)果，利用在線精密儀器來判定，能減小人為因素對檢測結(jié)果的干擾。

2 大型港口機械智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用要點

大型港口的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)要發(fā)揮其作用，在前期的設(shè)計中需給這一系統(tǒng)設(shè)置總體框架，包含邊緣層、平臺層和應(yīng)用層。邊緣層位于底層，在機械設(shè)備工作期間負責(zé)采集設(shè)備的各種運行數(shù)據(jù)，再通過其中所配備的邊緣計算設(shè)備處理采集的各類數(shù)據(jù)，將處理數(shù)據(jù)再上傳到控制中心。在線監(jiān)測系統(tǒng)中的平臺層相當于人體的神經(jīng)中樞，其能依據(jù)各種工況下的數(shù)據(jù)處理需求完成應(yīng)用場景的數(shù)字化建模[2]。以異構(gòu)數(shù)據(jù)不同層級之間的邏輯關(guān)聯(lián)作為前提，引入機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能技術(shù)，尋找內(nèi)在函數(shù)之間的映射關(guān)系，達到數(shù)據(jù)一體化分析目標，從海量數(shù)據(jù)中提取出更有價值的內(nèi)容。在得到了關(guān)于機械設(shè)備檢修維護的知識圖譜后，應(yīng)用層能就前期工作、數(shù)據(jù)情況等確定設(shè)備檢修維護方案，或者制定合理化建議。

港口運行期間為發(fā)揮在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能優(yōu)勢，有關(guān)人員需分析各類設(shè)備的運行特點，為機械設(shè)備配備專業(yè)化監(jiān)測裝置，如起重機電機驅(qū)動軸附近應(yīng)合理安裝振動、溫度傳感器。一旦設(shè)備進入運行裝置，這些傳感器能自動采集機械的運行狀態(tài)、參數(shù)等數(shù)據(jù)，并預(yù)處理、分析數(shù)據(jù)，以無線傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測云平臺。由于平臺內(nèi)包含人工智能技術(shù)，其智能化模塊能自動監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，將采集數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)相對比，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行異常，并安排專人進行檢修與維護。

2.1 數(shù)據(jù)采集及傳輸

智能在線監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和傳輸為關(guān)鍵功能，由專業(yè)裝置采集轉(zhuǎn)動軸的振動信息，經(jīng)由信息處理即可獲取起重電機、車輪、滑輪等部件的運行狀態(tài)。

智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊包含以下兩部分：由單位監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點組合成的子網(wǎng)；傳感器將數(shù)字信號傳輸給監(jiān)測子站后，依據(jù)相應(yīng)協(xié)議傳輸回監(jiān)控中心的信號線路，為骨干網(wǎng)。在系統(tǒng)運行期間，子網(wǎng)中的數(shù)據(jù)在傳輸中可用有線和無線傳輸兩種模式。但骨干網(wǎng)相對特殊，如選擇有線傳輸方式，線路架設(shè)的成本偏高，在自然災(zāi)害影響下可能干擾通信線纜、信號傳輸設(shè)備；無線傳輸方案下僅需架設(shè)天線，操作簡單，系統(tǒng)安全性好，具有較強的兼容性、可擴展性，后續(xù)的維護難度低、工作量小。大型港口中可借鑒電力系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，建成集成Linux 內(nèi)核低功耗芯片的監(jiān)測子站，采用支持子網(wǎng)Zig Bee、骨干網(wǎng) IEEE802.1的通信協(xié)議。在系統(tǒng)運行中將采集的數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點后再與互聯(lián)網(wǎng)連接，或者由高增益天線完成遠距離傳輸，最終數(shù)據(jù)被接入內(nèi)網(wǎng)，監(jiān)控中心統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)分析、對比結(jié)果為參考判定故障類型、位置及原因[3]。信息時代到來后，無線通信技術(shù)廣受關(guān)注，其得到了普遍應(yīng)用，應(yīng)用GPRS、4G、5G網(wǎng)絡(luò)支持的公共平臺，能大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率。在早期的發(fā)展階段，監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸由以太網(wǎng)專線或者專用網(wǎng)絡(luò)完成，當傳感器采集到設(shè)備信息后，直接以前期既定協(xié)議規(guī)定將數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控子站，最后由各類無線終端實現(xiàn)遠程傳輸。

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的遠程故障檢測

大型港口中的在線監(jiān)測系統(tǒng)還具備遠程故障檢測功能，在此功能下系統(tǒng)能自動判定故障，在最短的時間內(nèi)確定故障位置，在故障早期進行專業(yè)化處理。以港口中的起重機械為例，其軸承故障相對常見，一旦該設(shè)備發(fā)生此類故障，其振動信號時域、頻域譜峰分布異常，有助于輔助故障判定與處理。當前很多大型港口都建立了相對完善的在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有強大的故障檢測功能，不論是軟件故障還是硬件故障，利用該系統(tǒng)都能高效、準確判定。監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)配備有各種類型的傳感器，這些傳感器可在機械設(shè)備運行期間自動采集、分析和存儲信息，其采集到的設(shè)備運行狀況數(shù)據(jù)在經(jīng)過邊緣計算設(shè)備的濾波與解調(diào)處理后，可直接被上傳到監(jiān)控中心自動存儲，系統(tǒng)服務(wù)器從振動信號時域、頻域譜線中提取特征集，將此結(jié)果可用于設(shè)備的模式識別算法診斷，通過在線或離線訓(xùn)練，調(diào)取特定時間內(nèi)的設(shè)備運行日志或者其他數(shù)據(jù)，由應(yīng)用層整合各類數(shù)據(jù)給出設(shè)備檢修、維護意見。

如圖1所示，其結(jié)果為起重電機振動傳感器監(jiān)測到的故障結(jié)果，包含驅(qū)動側(cè)（MIH）監(jiān)測波形和從動側(cè)（MOH）波形。依據(jù)圖示結(jié)果，電機從動端測點的振動幅度變化較為明顯，但整體振動幅度較低，時域波形有沖擊峰，振動幅值處于正常標準；包絡(luò)譜中的頻率為7.2Hz，此數(shù)值與仿真試驗臺預(yù)先測點標定的軸承保持架損壞特征頻率高度一致；電機驅(qū)動端振動幅值相對穩(wěn)定且無異常，整個趨勢中有間隙躍升，時域波形的穩(wěn)定性好，但包絡(luò)譜中的頻率峰值異常大，經(jīng)由一系列分析與判定，發(fā)現(xiàn)此設(shè)備軸承保持架有些微磨損現(xiàn)象，在后續(xù)的工作中需重點檢查軸承保持架使用情況[4]。

圖1 大型港口機械智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究應(yīng)用

2.3 運動控制

大型港口機械的在線監(jiān)測系統(tǒng)同樣能在運動控制中發(fā)揮作用。具體來說，在系統(tǒng)進行運動控制時，單板機可由RS485總線與變頻設(shè)備之間建立之間聯(lián)系，使相互之間的信息傳輸不再受限。單板機與電腦控制可經(jīng)由串口完成數(shù)據(jù)傳輸，在這一聯(lián)系下在線監(jiān)測系統(tǒng)的信息傳輸更為便捷和高效，系統(tǒng)的相應(yīng)模塊比較熟悉變頻設(shè)備對電機轉(zhuǎn)動的操作指令，一旦監(jiān)測到數(shù)據(jù)格式異常等現(xiàn)象，將自動預(yù)警。運動控制就是配備特定型號的變頻設(shè)備，由此設(shè)備的控制模塊完成電機啟?？刂?。與此同時，單板機能自動識別嵌入式指令，相應(yīng)模塊能自動計算數(shù)據(jù)，計算精度高且時間消耗少。在線監(jiān)測系統(tǒng)的運動控制流程為：電腦軟件以RS232通信形式發(fā)送指令，一旦單板機接收到該指令，能自動解析設(shè)備的運行、停止、左右旋轉(zhuǎn)、左右方向運行等，最后將結(jié)果傳輸給變頻設(shè)備，由此設(shè)備驅(qū)動電機運行[5]?？刂葡到y(tǒng)的運行過程中常常存在諸多不確定性因素，為實現(xiàn)高效、精準控制，必須在原有基礎(chǔ)上細化通信協(xié)議的內(nèi)容，保障在后續(xù)的工作中各部分能自動執(zhí)行通信協(xié)議。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

3.1 智能化與自動化

大型港口有賴于各種機械設(shè)備，其自動化程度較高。信息技術(shù)深入發(fā)展的過程中，在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能更全、性能更穩(wěn)，能逐步邁向自動化、智能化。在線監(jiān)測技術(shù)不同于傳統(tǒng)技術(shù)，其能從多個角度分析和利用數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在故障診斷、分析方面的準確度較高，可替代人工排查故障模式，達到全面化監(jiān)控機械設(shè)備的目的。另外，在線監(jiān)測技術(shù)能提前形成設(shè)備維護圖譜，參考知識庫、形成的生產(chǎn)計劃等，針對不同類型的故障制定最優(yōu)的檢修方案，實施專業(yè)化維護，及時消除設(shè)備風(fēng)險，保障機械良好的運行狀態(tài)。原先的監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)專家系統(tǒng)可依賴動力學(xué)原理，建設(shè)和模擬工況場景，再采用專業(yè)化計算方法得到可靠結(jié)果。一旦負梯度下降算法與傳統(tǒng)算法不一致，應(yīng)更為關(guān)注建模過程中實踐的作用。如在實際的工作中存在非線性問題，可直接采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法反向傳播處理問題，此方式的準確性遠遠高于傳統(tǒng)SVM等設(shè)備學(xué)習(xí)核函數(shù)，且在選取模型時的敏感性顯著降低。

3.2 準確性與有效性

在線監(jiān)測終端之間如能構(gòu)成建模形式，可大大提高建模水平。與傳統(tǒng)的建模方式相比，即使面臨更高復(fù)雜度的場景情況，同樣也能建立對應(yīng)的模型。振動信號的語言時間序列特點突出，技術(shù)人員在相應(yīng)的工作中能結(jié)合業(yè)務(wù)需求類型來確定框架形式，將框架與API同步訓(xùn)練、部署。為在港口運行中高效、準確判定設(shè)備故障類型，在前期的工作中需收集驗證、訓(xùn)練數(shù)據(jù)，參考建成的模型從大量數(shù)據(jù)中清晰標注設(shè)備正常運行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)相對比，計算偏差。在從數(shù)據(jù)中提取了故障信息后，可通過網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練實現(xiàn)故障定位。如在在線監(jiān)測系統(tǒng)中采用半監(jiān)督方式，在標注數(shù)據(jù)方面完全能由系統(tǒng)自動實現(xiàn)，不再需要人工完成，標注結(jié)果的準確度較高?，F(xiàn)階段的條件下，監(jiān)督計算方法在監(jiān)測系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用范圍有限，有關(guān)技術(shù)尚不成熟，未來還有較大的發(fā)展空間。因此，技術(shù)人員在行業(yè)發(fā)展中應(yīng)主動了解前沿技術(shù)，不斷在原有監(jiān)測系統(tǒng)的前提下引進新方法、新技術(shù)，以增強系統(tǒng)功能。另外，相關(guān)人員也需考慮在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用環(huán)境，從而開發(fā)新功能，減小環(huán)境因素等對監(jiān)測系統(tǒng)運行的負面影響。

4 結(jié)束語

大型港口中機械設(shè)備具有不可替代性，為提高機械設(shè)備的運行效率，有關(guān)人員需合理設(shè)計在線監(jiān)測系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)采用人工智能、云計算、數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)。未來大型港口中還需持續(xù)研究在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用形式，拓展其應(yīng)用空間。