上海振華重工（集團）股份有限公司 陳靜 吳波 余丹炯

介紹一種基于云平臺的起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（RCMS)，該系統(tǒng)利用云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)理念和IoT（物聯(lián)網(wǎng)，Internet of Thing）新一代信息技術(shù)，在用戶碼頭起重機上或者監(jiān)控中心現(xiàn)場安裝一套數(shù)據(jù)采集單元，負(fù)責(zé)采集起重機運行數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)連接到公司起重機遠(yuǎn)程管理云平臺，實現(xiàn)港口設(shè)備安全管理、運行管理、狀態(tài)監(jiān)測、智能維保和輔助決策等功能。

一、引言

在國家信息安全以及大數(shù)據(jù)分析熱點應(yīng)用的背景下，自主可控的云計算受到空前關(guān)注，云服務(wù)為一種全新的模式，受到大家廣泛的關(guān)注，并產(chǎn)生巨大的商業(yè)潛力。

隨著ZPMC公司全球起重機設(shè)備遍布范圍的不斷擴大，且各區(qū)域碼頭環(huán)境的復(fù)雜性與多樣性，要實現(xiàn)對各碼頭起重機進行遠(yuǎn)程監(jiān)管具有很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，但也具有很強的現(xiàn)實意義。對于生產(chǎn)廠家來說，遠(yuǎn)程管理可大大減少維護工程師到現(xiàn)場的時間和費用，不僅能大量節(jié)約人力物力，同時也能在最短時間對現(xiàn)場碼頭起重機提供遠(yuǎn)程服務(wù)，減少碼頭用戶損失，進而提高公司產(chǎn)品性能。

將現(xiàn)代信息技術(shù)運用到傳統(tǒng)的大型起重機設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控中去，不但可實現(xiàn)起重機遠(yuǎn)程監(jiān)管的目的，也可促進港口的信息化建設(shè)，順應(yīng)時代潮流?；谠破脚_的起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（下文簡稱為RCMS）整合廣泛的網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)港口設(shè)備的遠(yuǎn)程管理，極大延伸企業(yè)價值鏈，改善制造服務(wù)質(zhì)量，最終提高公司起重機設(shè)備的附加值，增強市場競爭力，提高公司的業(yè)務(wù)水平。

二、基于云平臺的RCMS體系結(jié)構(gòu)

基于云平臺的起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用如圖1所示的體系結(jié)構(gòu)，從下往上依次是數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲與挖掘?qū)印⒈硎緦?，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，只需保證層與層間的接口不變，各層的設(shè)計和邏輯變化不會影響到整個系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1. 數(shù)據(jù)源層

該層主要是起重機相關(guān)數(shù)據(jù)的提供者，如各類傳感器、采集儀及各種型號的PLC等。

2. 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層包括兩大部分，一部分為設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)采集，另一部分則是已有第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合。

設(shè)備數(shù)據(jù)采集通過專用嵌入式設(shè)備（下文簡稱為黑匣子）實現(xiàn)，黑匣子支持工業(yè)以太網(wǎng)、Modbus和RS-232等通用采集協(xié)議，滿足多類型傳感器和PLC數(shù)據(jù)采集。黑匣子通過光纖以太網(wǎng)，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆粕系腛PC 服務(wù)器，為了保證網(wǎng)絡(luò)異常情況下數(shù)據(jù)的完整性，黑匣子具備緩存3個月設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲量，以在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后補發(fā)缺失的數(shù)據(jù)。第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合則由公/私有云直接訪問數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)庫接口來實現(xiàn)，通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫ETL連接件抽取、轉(zhuǎn)換后存儲到公/私有云中的數(shù)據(jù)庫。私有云和公有云間的數(shù)據(jù)傳輸采用OPC UA協(xié)議，私有云OPC服務(wù)器經(jīng)IOT HUB管理設(shè)備接入公有云，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高并發(fā)傳輸和加密安全傳輸。

運用的工具主要是Sensor Data Collector及OPC UA。兩者均由ZPMC自主研發(fā)。Sensor Data Collector可采集十來種不同型號的傳感器信號，OPC UA 支持市場上常見的20多種PLC型號及各類電表、柴油機、鋰電池等，兩者結(jié)合能全面收集起重機上各廠家設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可根據(jù)設(shè)備要求定制開發(fā)。

3. 數(shù)據(jù)存儲與挖掘?qū)?/h3>

數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)存儲到Kafka broker。一個RCMS系統(tǒng)有n個Kafka服務(wù)器的分布式系統(tǒng)，每臺服務(wù)器都負(fù)責(zé)保存數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)上執(zhí)行操作。同步使用ZooKeeper構(gòu)建可靠的、分布式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于協(xié)同工作流和配置服務(wù)。ZooKeeper是一個分布式的、分層級的文件系統(tǒng)，能促進客戶端間的松耦合。ZooKeeper運行多個Zoo Keeper服務(wù)器，以獲得高可用性。每個服務(wù)器都持有分布式文件系統(tǒng)的內(nèi)存復(fù)本，為客戶端的讀取請求提供服務(wù)。該層及往上，屬于I（Internet）層，該層以下屬于T（Thing）層。

系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)化（監(jiān)測數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等）、半結(jié)構(gòu)化（文檔、文本等）和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（圖片、視頻等），因此采用微軟AZURE云大數(shù)據(jù)存儲、時序數(shù)據(jù)庫和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫混合框架。數(shù)據(jù)存儲包括兩部分，一部分是用于存儲半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)存儲框架，另一部分是則用于存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（含時序數(shù)據(jù)）的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和時序數(shù)據(jù)庫。其中大數(shù)據(jù)存儲框架采用Hadoop/Hbase和緩存數(shù)據(jù)庫Redis混合方案，前者為分布式文件存儲數(shù)據(jù)庫，用于存儲海量半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，后者為內(nèi)存Key-Value緩存數(shù)據(jù)庫，用于緩存前者中用戶比較關(guān)注的數(shù)據(jù)，從而提供高速檢索服務(wù)；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL和時序數(shù)據(jù)庫TSDB混合存儲方案，前者存儲設(shè)備元數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等普通結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，后者則存儲溫度、風(fēng)速、能耗等帶時間變量的時序數(shù)據(jù)，以利于數(shù)據(jù)的進一步挖掘分析。

運用到工具：Real-Time Data Trans,Histroian Push,及Sensor Data Push均由ZPMC自主開發(fā)。使用這些工具將數(shù)據(jù)按需分配到各類數(shù)據(jù)庫中，供前端獲取使用。

4. 表示層

應(yīng)用層利用系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)和挖掘分析結(jié)果，提供智能管控系統(tǒng)多樣化應(yīng)用服務(wù)，可構(gòu)建Web平臺，支持手機瀏覽。圖2、圖3所示為某港項目截圖：

圖2 WEB端顯示

圖3 手機端顯示

三、基于云平臺的RCMS主要功能

1. 實時監(jiān)控

能監(jiān)視碼頭上所有起重機的實時運行狀態(tài)。全球監(jiān)控中心，全球各碼頭分布在監(jiān)控地圖上，光標(biāo)懸浮在碼頭上方可看到碼頭實時健康數(shù)據(jù)匯總，右側(cè)匯總展示全球碼頭健康數(shù)據(jù)。所有界面均支持大屏展現(xiàn)。點擊各大碼頭可進入碼頭動態(tài)監(jiān)控頁面。

圖4 RCMS 首頁

點擊左側(cè)的菜單欄切換至不同的監(jiān)視頁面，主要包括每臺機器的總覽，如機構(gòu)運行時間，運行位置，運行速度等重要數(shù)據(jù)。其它故障信息統(tǒng)計分析及該機器集成的各類子系統(tǒng)如集卡定位系統(tǒng)（CPS）、目標(biāo)檢測系統(tǒng)（TDS）等的狀態(tài)也會在該頁顯示。使用者對起重機的狀態(tài)能夠一目了然。不在現(xiàn)場也能隨時隨地查看起重機。

圖5 機器總覽頁

此外還可對機器上的智能電表進行實時數(shù)據(jù)的展現(xiàn)。使用儀表盤等表示形式，讓畫面呈現(xiàn)方式更加形象易讀取。

圖6 智能電表頁

對于輪胎吊而言，還可實時監(jiān)測輪胎的壓力信息，可對胎壓的閥值進行設(shè)置，如果胎壓實際壓力值低于閥值，可自動變紅，來提醒當(dāng)前使用的用戶。

圖7 胎壓監(jiān)測頁

2. 故障模塊

實時故障將會在界面的顯著位置顯示，故障顏色會隨著故障的不同等級進行變化，一般主要有紅黃綠之分，也可根據(jù)用戶需求自行配置。故障監(jiān)視控件顯示當(dāng)前正發(fā)生的故障。

系統(tǒng)將觸發(fā)的故障都記錄到數(shù)據(jù)庫中，用戶可在歷史故障報表畫面中根據(jù)需要對存儲在數(shù)據(jù)庫中的故障記錄，按照一定的搜索條件，把滿足條件的記錄都列在報表管理的相應(yīng)的頁面中顯示。如可根據(jù)日期和時間段、設(shè)備類型、設(shè)備名稱等條件來搜索查詢歷史故障記錄。每條故障記錄可顯示故障代碼、機器號、故障時間和處理時間、故障描述等信息。統(tǒng)計不同等級、不同機構(gòu)、相同故障的次數(shù)等功能，以用表、柱狀圖等形式來顯示統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖8 故障統(tǒng)計頁

3. 產(chǎn)量模塊

根據(jù)日期和時間段來統(tǒng)計箱量（自然箱和標(biāo)準(zhǔn)箱）?？筛鶕?jù)不同尺寸、不同重量的作業(yè)條目占比進行分組統(tǒng)計。以柱形圖，餅圖等多種形式呈現(xiàn)。

同時使用表格列出選擇時段內(nèi)的每一條吊箱記錄，包括抓箱時間、放箱時間、重量、小車位置、起升位置等詳細(xì)信息。

圖9 產(chǎn)量統(tǒng)計頁

四、結(jié)束語

該系統(tǒng)極大地方便了用戶對機器的實時監(jiān)控與診斷，為用戶帶來便捷，減少了用戶或工程人員往返碼頭或機器的時間，提高了工作效率，也提高了起重機產(chǎn)品的附加值。在未來的碼頭市場中，將逐步推廣，促進碼頭的信息化進程。