馬建強(qiáng)

（上海市閔行區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，上海 201100）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，貿(mào)易量不斷增長，港口、礦場、工廠數(shù)量都大大增加，在貨物裝車過程中，鋼絲繩扮演不可或缺的角色。針對鋼絲繩的健康狀態(tài)監(jiān)測有重要的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的宋大雷[1]對國內(nèi)外鋼絲繩無損檢測技術(shù)進(jìn)行了分析，并對今后進(jìn)一步發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。華中科技大學(xué)的姜宵園等[2]提出了基于周向積分磁化的鋼絲繩漏磁檢測方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了周向積分磁化器，磁敏感單元及傳感器整體結(jié)構(gòu)。安徽理工大學(xué)的劉雷等[3]通過分析鋼絲繩的結(jié)構(gòu)，基于細(xì)桿理論建立平衡方程，依據(jù)檢測原理對檢測儀進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行了仿真，同時(shí)對鋼絲繩剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。太原理工的葉輝等[4]開發(fā)了一種磁記憶的陣列傳感器，并以單片機(jī)為核心通過無線傳輸?shù)姆绞皆O(shè)計(jì)了一套礦用鋼絲繩檢測裝置，還提出用噪聲經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法對采集的信號進(jìn)行去噪的方法。河南煤礦集團(tuán)的王武威[5]設(shè)計(jì)了一套基于弱磁檢測原理的TCK.W鋼絲繩在線監(jiān)測系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、功能進(jìn)行了介紹。武漢理工大學(xué)的陶德馨[6]介紹了弱磁檢測的原理，并對現(xiàn)有強(qiáng)磁檢測和弱磁檢測產(chǎn)品進(jìn)行了分析。強(qiáng)磁檢測存在靈敏度低、動(dòng)態(tài)檢測效果差；而弱磁檢測抗干擾能力差，損傷程度小，難以檢測，同時(shí)現(xiàn)有方案也缺乏損傷特征提取算法研究。材料損傷過程中，其能量隨著彈性波的形式釋放，可通過聲發(fā)射傳感器對其進(jìn)行采集。

本文提出了一種基于聲發(fā)射和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的起吊設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)運(yùn)輸環(huán)境下起吊設(shè)備鋼絲繩的在線健康監(jiān)測以及集中管理。采集系統(tǒng)通過傳感器測量鋼絲繩健康狀態(tài)相關(guān)的信號，通過無線傳輸?shù)姆绞捷斔偷綄?yīng)上位機(jī)，再通過有線局域網(wǎng)上傳云計(jì)算中心。采用信號處理算法提取聲發(fā)射信號中表征健康狀態(tài)的特征，從而識別鋼絲繩的健康狀態(tài)。最終在監(jiān)控中心界面實(shí)時(shí)顯示區(qū)域范圍內(nèi)多設(shè)備鋼絲繩健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)起吊設(shè)備鋼絲繩健康狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、云存儲(chǔ)服務(wù)器、云計(jì)算和監(jiān)控中心組成，系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。感知層的聲發(fā)射傳感器接收起吊設(shè)備鋼絲繩的聲發(fā)射信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集板卡通過運(yùn)算放大電路對原始信號進(jìn)行濾波放大等預(yù)處理。在網(wǎng)絡(luò)層中，預(yù)處理后的信號通過無線網(wǎng)向?qū)?yīng)的上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，各處上位機(jī)可通過有線網(wǎng)與服務(wù)器云計(jì)算中心進(jìn)行通訊。在應(yīng)用層中，云計(jì)算中心通過算法識別各點(diǎn)位起吊設(shè)備的鋼絲繩健康狀態(tài)，并將各點(diǎn)位起吊設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示在應(yīng)用層的云監(jiān)控平臺(tái)上，云監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)鋼絲繩的實(shí)時(shí)狀態(tài)對其健康進(jìn)行分析評估，提供健康報(bào)告、危機(jī)預(yù)報(bào)以及報(bào)警功能。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集及信號處理

遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及信號處理流程如圖2所示，通過測量每臺(tái)設(shè)備鋼絲繩的聲發(fā)射信號來獲取監(jiān)測參數(shù)?，F(xiàn)有的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案信號處理主要是通過采集信號時(shí)頻域的閾值進(jìn)行判斷，缺乏對信號蘊(yùn)含的隱性特征進(jìn)行提取，本方案采用包括盲源分離、聲紋識別等的特征提取算法對信號中表征故障或健康狀態(tài)的特征進(jìn)行提取，識別鋼絲繩健康狀態(tài)并實(shí)時(shí)更新健康狀態(tài)大數(shù)據(jù)庫。

圖2 采集系統(tǒng)及信號處理流程

2.1 采集系統(tǒng)搭建

采集測量系統(tǒng)如圖3所示，由傳感器、無線接收基站以及上位機(jī)組成。傳感器端安裝在起吊設(shè)備鋼絲繩周圍，聲發(fā)射傳感器主要由壓電陶瓷組成，能將材料損傷釋放的能量信號轉(zhuǎn)換成電信號。聲發(fā)射信號經(jīng)過信調(diào)儀的放大濾波后與采集卡相連，采集卡輸出的模擬信號通過路由器無線傳輸?shù)姆绞捷斔蛿?shù)據(jù)。上位機(jī)通過尋址接收對應(yīng)鋼絲繩的聲發(fā)射信號。

圖3 采集系統(tǒng)硬件

聲發(fā)射信號是高頻的彈性波信號，不同材料的聲發(fā)射頻率也不相同，針對材料損傷程度不同（拉伸和斷裂），聲發(fā)射信號也不相同。為完整采集鋼絲繩損傷過程聲發(fā)射信號，采集模塊接線如圖4所示，選用寬頻的聲發(fā)射傳感器kistler8152Cx050500，其頻率帶寬為50~400 kHz。信調(diào)儀選用kistler8152C，采集卡選用NI Crio9053集成控制器和NI 9775板卡，crio9053包含重新配置的FPGA和實(shí)時(shí)處理器，可攜帶4個(gè)板卡，每塊NI采集板卡可以連接4個(gè)傳感器。

圖4 采集模塊接線

2.2 信號處理算法及大數(shù)據(jù)平臺(tái)開發(fā)

目前針對聲發(fā)射信號的處理方式，國內(nèi)外主要都是從聲發(fā)射信號參數(shù)（幅值、能量計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間等）入手進(jìn)行分析[7－10]，但是由于外部背景噪聲以及傳感器、信調(diào)儀等內(nèi)部干擾，采集到的聲發(fā)射信號是混疊信號，鋼絲繩健康狀態(tài)特征信息淹沒在噪聲信息中，僅針對原始信號參數(shù)進(jìn)行分析，難以提取鋼絲繩健康狀態(tài)特征信息。為提取鋼絲繩磨損及斷裂的特征信息，除了計(jì)算聲發(fā)射參數(shù)，還需要通過信號處理算法來提取鋼絲繩損傷特征。

本系統(tǒng)利用盲源分離算法處理聲發(fā)射信號，盲源分離目的是從觀測到的混疊信號中分離出源信號，其原理如圖5所示。盲源分離的前提是不知道原始信號，信號混疊的方法也不知道，針對這類信號處理方式是采用統(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行計(jì)算。本文觀測到的聲發(fā)射信號正是混疊的信號，其源信號及混疊方式也是未知，因此用盲源分離算法處理監(jiān)測信號，分離提取鋼絲繩損傷特征，并計(jì)算材料及構(gòu)件損傷模式以及損傷程度。在確定鋼絲繩磨損狀態(tài)及斷裂狀態(tài)識別情況下，還可以對損傷源頭進(jìn)行追蹤，依據(jù)聲發(fā)射傳感器陣列布置NAH空間變換構(gòu)建聲發(fā)射源全息圖，定位損傷斷裂源具體位置。

圖5 盲源分離

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測，具有監(jiān)測部位多、采樣頻率高、在線收集數(shù)據(jù)時(shí)間長等特點(diǎn)。在收集大量運(yùn)行特征數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)挖掘算法對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行重組、挖掘。面對整理的海量數(shù)據(jù)，研究相關(guān)數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)模型，建立狀態(tài)識別專家知識庫。將大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備運(yùn)行過程的狀態(tài)識別和故障診斷，通過從復(fù)雜裝備運(yùn)行特征大數(shù)據(jù)中挖掘出故障信息，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線識別，為后續(xù)設(shè)備健康評估以及按需維護(hù)提供指導(dǎo)作用。

3 網(wǎng)絡(luò)通訊

起吊設(shè)備鋼絲繩遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)通訊方案如圖6所示，監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊分為無線通訊和有線通訊。采集設(shè)備搭建無線通訊模塊，利用WLAN實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊。每套采集系統(tǒng)可以連接多個(gè)聲發(fā)射傳感器，以每臺(tái)起吊設(shè)備配置一套采集系統(tǒng)，每套采集系統(tǒng)作為一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，通過識別碼和密鑰加入以無線路由器為中心創(chuàng)建的服務(wù)集中，將每套設(shè)備鋼絲繩聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)上傳到無線路由器中，無線路由器再通過TCP/IP協(xié)議直接將接收到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)中。由于每臺(tái)設(shè)備可能存在多根鋼絲繩，所以還需要對每個(gè)通道聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀，以區(qū)別不同位置的鋼絲繩，方便出現(xiàn)故障時(shí)準(zhǔn)確定位，提高監(jiān)測效率。

圖6 總體通訊設(shè)計(jì)方案

針對上位機(jī)和服務(wù)器間通訊速率問題，為提升實(shí)時(shí)通訊效率，對比、分析、比較了目前Webservice進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的幾種方案，發(fā)現(xiàn)Websocket作為現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的工具，效率最高，由此設(shè)計(jì)了基于Web?socket協(xié)議來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信的功能?？蛻舳撕头?wù)端只要通過一次HTTP協(xié)議，數(shù)據(jù)便可以直接從雙工TCP通道快速傳輸。

4 結(jié)束語

根據(jù)目前缺乏針對起吊設(shè)備鋼絲繩健康狀態(tài)實(shí)時(shí)追蹤的現(xiàn)狀，本文提出了基于聲發(fā)射和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對區(qū)域范圍內(nèi)起吊設(shè)備鋼絲繩進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測方案。采集數(shù)據(jù)經(jīng)初步預(yù)處理后，利用短距離傳輸技術(shù)，輸送到現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)或上位機(jī)中，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層傳送至各分廠服務(wù)器，再通過局域網(wǎng)或5G等物聯(lián)網(wǎng)，與總部監(jiān)控室的設(shè)備監(jiān)測診斷管理平臺(tái)、集控中心、云服務(wù)平臺(tái)、移動(dòng)終端等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)信息的集中存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程管理和移動(dòng)辦公。該方案綜合考慮了測量精度、信號處理方法和傳輸速率，滿足實(shí)際工程需要。