大型港口機(jī)械智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究應(yīng)用

劉文全

大連港機(jī)械有限公司 遼寧 大連 116113

引言

當(dāng)前各大港口都配備了各種專業(yè)化機(jī)械設(shè)備，每種設(shè)備各有其功能和使用特點(diǎn)，不同機(jī)械設(shè)備的相互配合促進(jìn)了港口工作的順利實(shí)施。但機(jī)械設(shè)備運(yùn)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(jī)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(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)械設(shè)備在監(jiān)測(cè)維護(hù)上的問題

大型港口的運(yùn)行中對(duì)機(jī)械設(shè)備的依賴性較大，但由于機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的固有特點(diǎn)，必須將設(shè)備監(jiān)測(cè)與維護(hù)作為常態(tài)化工作。原先的技術(shù)相對(duì)落后，大型港口內(nèi)針對(duì)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)與維護(hù)大部分停留在人工工作上，主要為日常檢測(cè)、事后維修模式，難以準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與使用情況。結(jié)合港口機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)維護(hù)工作，主要存在以下問題：①監(jiān)測(cè)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(cè)新模式，難以準(zhǔn)確評(píng)估各種機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)、故障情況。②現(xiàn)場(chǎng)通信不佳，未配備各種先進(jìn)的通信設(shè)施，后臺(tái)支持不夠，監(jiān)測(cè)和維護(hù)中的數(shù)據(jù)傳輸有延遲，影響了設(shè)備監(jiān)測(cè)、維護(hù)的實(shí)時(shí)性。③故障診斷技術(shù)相對(duì)落后，主要為簡(jiǎn)易診斷和精密診斷，前者通過配備便攜式測(cè)振儀、軸承檢測(cè)儀等專業(yè)儀器，或者通過人為目測(cè)、耳聽、手摸來收集機(jī)械運(yùn)行的相關(guān)情況，依據(jù)所掌握的信息判定機(jī)械是否存在異常情況[1]。依據(jù)實(shí)際的檢測(cè)情況，簡(jiǎn)易診斷的局限性較大，機(jī)械清潔度必須達(dá)到相應(yīng)規(guī)定，檢測(cè)過程中的危險(xiǎn)性較大，極易出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，或者漏判，診斷結(jié)果不具有實(shí)時(shí)性。精密診斷參考經(jīng)驗(yàn)診斷結(jié)果，利用在線精密儀器來判定，能減小人為因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。

2 大型港口機(jī)械智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用要點(diǎn)

大型港口的智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要發(fā)揮其作用，在前期的設(shè)計(jì)中需給這一系統(tǒng)設(shè)置總體框架，包含邊緣層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。邊緣層位于底層，在機(jī)械設(shè)備工作期間負(fù)責(zé)采集設(shè)備的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，再通過其中所配備的邊緣計(jì)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(cè)系統(tǒng)中的平臺(tái)層相當(dāng)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(chǎng)景的數(shù)字化建模[2]。以異構(gòu)數(shù)據(jù)不同層級(jí)之間的邏輯關(guān)聯(lián)作為前提，引入機(jī)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(dá)到數(shù)據(jù)一體化分析目標(biāo)，從海量數(shù)據(jù)中提取出更有價(jià)值的內(nèi)容。在得到了關(guān)于機(jī)械設(shè)備檢修維護(hù)的知識(shí)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(hù)方案，或者制定合理化建議。

港口運(yùn)行期間為發(fā)揮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能優(yōu)勢(shì)，有關(guān)人員需分析各類設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，為機(jī)械設(shè)備配備專業(yè)化監(jiān)測(cè)裝置，如起重機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸附近應(yīng)合理安裝振動(dòng)、溫度傳感器。一旦設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行裝置，這些傳感器能自動(dòng)采集機(jī)械的運(yùn)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(cè)云平臺(tái)。由于平臺(tái)內(nèi)包含人工智能技術(shù)，其智能化模塊能自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將采集數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常，并安排專人進(jìn)行檢修與維護(hù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集及傳輸

智能在線監(jiān)測(cè)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(dòng)軸的振動(dòng)信息，經(jīng)由信息處理即可獲取起重電機(jī)、車輪、滑輪等部件的運(yùn)行狀態(tài)。

智能在線監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)組合成的子網(wǎng)；傳感器將數(shù)字信號(hào)傳輸給監(jiān)測(cè)子站后，依據(jù)相應(yīng)協(xié)議傳輸回監(jiān)控中心的信號(hào)線路，為骨干網(wǎng)。在系統(tǒng)運(yùn)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(duì)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(hào)傳輸設(shè)備；無線傳輸方案下僅需架設(shè)天線，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)安全性好，具有較強(qiáng)的兼容性、可擴(kuò)展性，后續(xù)的維護(hù)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，建成集成Linux 內(nèi)核低功耗芯片的監(jiān)測(cè)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(yùn)行中將采集的數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)后再與互聯(lián)網(wǎng)連接，或者由高增益天線完成遠(yuǎn)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(duì)比結(jié)果為參考判定故障類型、位置及原因[3]。信息時(shí)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(tái)，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(cè)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(dāng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。

2.2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程故障檢測(cè)

大型港口中的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還具備遠(yuǎn)程故障檢測(cè)功能，在此功能下系統(tǒng)能自動(dòng)判定故障，在最短的時(shí)間內(nèi)確定故障位置，在故障早期進(jìn)行專業(yè)化處理。以港口中的起重機(jī)械為例，其軸承故障相對(duì)常見，一旦該設(shè)備發(fā)生此類故障，其振動(dòng)信號(hào)時(shí)域、頻域譜峰分布異常，有助于輔助故障判定與處理。當(dāng)前很多大型港口都建立了相對(duì)完善的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的故障檢測(cè)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(zhǔn)確判定。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)配備有各種類型的傳感器，這些傳感器可在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行期間自動(dòng)采集、分析和存儲(chǔ)信息，其采集到的設(shè)備運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)在經(jīng)過邊緣計(jì)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(dòng)存儲(chǔ)，系統(tǒng)服務(wù)器從振動(dòng)信號(hào)時(shí)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(shí)別算法診斷，通過在線或離線訓(xùn)練，調(diào)取特定時(shí)間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)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(hù)意見。

如圖1所示，其結(jié)果為起重電機(jī)振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)到的故障結(jié)果，包含驅(qū)動(dòng)側(cè)（MIH）監(jiān)測(cè)波形和從動(dòng)側(cè)（MOH）波形。依據(jù)圖示結(jié)果，電機(jī)從動(dòng)端測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅度變化較為明顯，但整體振動(dòng)幅度較低，時(shí)域波形有沖擊峰，振動(dòng)幅值處于正常標(biāo)準(zhǔn)；包絡(luò)譜中的頻率為7.2Hz，此數(shù)值與仿真試驗(yàn)臺(tái)預(yù)先測(cè)點(diǎn)標(biāo)定的軸承保持架損壞特征頻率高度一致；電機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)幅值相對(duì)穩(wěn)定且無異常，整個(gè)趨勢(shì)中有間隙躍升，時(shí)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(diǎn)檢查軸承保持架使用情況[4]。

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

2.3 運(yùn)動(dòng)控制

大型港口機(jī)械的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣能在運(yùn)動(dòng)控制中發(fā)揮作用。具體來說，在系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，單板機(jī)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(jī)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(cè)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的操作指令，一旦監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)格式異常等現(xiàn)象，將自動(dòng)預(yù)警。運(yùn)動(dòng)控制就是配備特定型號(hào)的變頻設(shè)備，由此設(shè)備的控制模塊完成電機(jī)啟停控制。與此同時(shí)，單板機(jī)能自動(dòng)識(shí)別嵌入式指令，相應(yīng)模塊能自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算精度高且時(shí)間消耗少。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(jī)接收到該指令，能自動(dòng)解析設(shè)備的運(yùn)行、停止、左右旋轉(zhuǎn)、左右方向運(yùn)行等，最后將結(jié)果傳輸給變頻設(shè)備，由此設(shè)備驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行[5]。控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程中常常存在諸多不確定性因素，為實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)控制，必須在原有基礎(chǔ)上細(xì)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(dòng)執(zhí)行通信協(xié)議。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 智能化與自動(dòng)化

大型港口有賴于各種機(jī)械設(shè)備，其自動(dòng)化程度較高。信息技術(shù)深入發(fā)展的過程中，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能更全、性能更穩(wěn)，能逐步邁向自動(dòng)化、智能化。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)不同于傳統(tǒng)技術(shù)，其能從多個(gè)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(zhǔn)確度較高，可替代人工排查故障模式，達(dá)到全面化監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的目的。另外，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能提前形成設(shè)備維護(hù)圖譜，參考知識(shí)庫、形成的生產(chǎn)計(jì)劃等，針對(duì)不同類型的故障制定最優(yōu)的檢修方案，實(shí)施專業(yè)化維護(hù)，及時(shí)消除設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，保障機(jī)械良好的運(yùn)行狀態(tài)。原先的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)專家系統(tǒng)可依賴動(dòng)力學(xué)原理，建設(shè)和模擬工況場(chǎng)景，再采用專業(yè)化計(jì)算方法得到可靠結(jié)果。一旦負(fù)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(shí)踐的作用。如在實(shí)際的工作中存在非線性問題，可直接采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法反向傳播處理問題，此方式的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)的敏感性顯著降低。

3.2 準(zhǔn)確性與有效性

在線監(jiān)測(cè)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(chǎng)景情況，同樣也能建立對(duì)應(yīng)的模型。振動(dòng)信號(hào)的語言時(shí)間序列特點(diǎn)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(yùn)行中高效、準(zhǔn)確判定設(shè)備故障類型，在前期的工作中需收集驗(yàn)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(biāo)注設(shè)備正常運(yùn)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(duì)比，計(jì)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(shí)現(xiàn)故障定位。如在在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用半監(jiān)督方式，在標(biāo)注數(shù)據(jù)方面完全能由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不再需要人工完成，標(biāo)注結(jié)果的準(zhǔn)確度較高。現(xiàn)階段的條件下，監(jiān)督計(jì)算方法在監(jiān)測(cè)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(dòng)了解前沿技術(shù)，不斷在原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前提下引進(jìn)新方法、新技術(shù)，以增強(qiáng)系統(tǒng)功能。另外，相關(guān)人員也需考慮在線監(jiān)測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的負(fù)面影響。

4 結(jié)束語

大型港口中機(jī)械設(shè)備具有不可替代性，為提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率，有關(guān)人員需合理設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)采用人工智能、云計(jì)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(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用形式，拓展其應(yīng)用空間。