張怡

（1.徐州徐工礦業(yè)機械有限公司；2.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇 徐州 221000）

工程機械產(chǎn)品體型龐大，尤其100T以上的礦用產(chǎn)品，沒有足夠的工況進行完備的廠內性能檢測和可靠性試驗，需要通過礦區(qū)實際工況進行驗證，但由于礦區(qū)偏遠，測試工作開展不便利，定期監(jiān)測更是耗時耗力，且采集的數(shù)據(jù)信息不夠完整。

基于以上問題，需要實現(xiàn)戰(zhàn)略性產(chǎn)品和新產(chǎn)品遠程性能監(jiān)控，同時，建設遠程測試監(jiān)控平臺，集成測試數(shù)據(jù)分析模塊。

礦山機械設備有著不同于其他行業(yè)設備的特點，需要總結設備的長期運行數(shù)據(jù)與實際工況下的設備異常數(shù)據(jù)，完善自動診斷模型。同時，結合礦山機械設備管理流程，對核心部件進行壽命周期電子文檔管理，完備設備健康狀態(tài)管理系統(tǒng)。

1 總體思路

這種基于網(wǎng)絡的多物理量協(xié)同采集的遠程監(jiān)控測試系統(tǒng)主要由以下三層架構組成。

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要由安裝在礦機結構上的傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等構成。數(shù)據(jù)采集儀通過以太網(wǎng)、內置存儲等方式將采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送至現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集儀具有本地存儲功能，根據(jù)采樣配置不同，即使現(xiàn)場網(wǎng)絡中斷幾天至十幾天，仍可完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸任務。實現(xiàn)礦機結構運行數(shù)據(jù)的不間斷采集與傳輸。并且整套系統(tǒng)還可以實現(xiàn)將現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)處理結果通過網(wǎng)絡、內置存儲等方式，傳輸?shù)焦镜脑品掌髦小?/p>

1.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層由安裝在被監(jiān)控產(chǎn)品的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理層的硬件設備一般內置到數(shù)據(jù)采集儀中或者采用單獨的工控機，對監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)進行實時處理和分析。數(shù)據(jù)分析軟件對設備數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)等統(tǒng)一管理、分析結合設備的振動、應變、位移、壓力、傾角、CAN信號等數(shù)據(jù)，采取智能報警策略進行智能預警，提醒運行維護人員進行設備檢修與維護。

1.3 數(shù)據(jù)應用層

實現(xiàn)覆蓋產(chǎn)品的整機測試數(shù)據(jù)管理、試驗故障管理。結合產(chǎn)品性能設計指標、評價指標、可靠性評價指標、應力評價指標、故障代碼等，進行測試采集的數(shù)據(jù)分析和結果評價，結合設備自身工況，實現(xiàn)了復雜圖表數(shù)據(jù)自動繪制，形成數(shù)據(jù)橫向比較，為產(chǎn)品優(yōu)化、運行及維護策略提供依據(jù)。

2 總體方案探討

這種基于網(wǎng)絡的多物理量協(xié)同采集的遠程監(jiān)控測試系統(tǒng)的詳細組成包括：（1）前端應變片、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器等等模擬量傳感器。（2）CAN總線系統(tǒng)信號系統(tǒng)。（3）駕駛室和車輛前面的視頻和圖片信號（因為現(xiàn)場車輛結構的振動和應變情況是和駕駛員的操作以及現(xiàn)場的路況強相關的，為了保證分析的準確性，有準確的標簽，兼有同步采集的視頻或者圖片信號）。（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既可以采集模擬量信號，也可以采集數(shù)字量信號，還可以采集視頻信號，并且同步綜合分析。（5）前端數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要預留前端數(shù)據(jù)分析功能，因為現(xiàn)場環(huán)境下由于通信信號很微弱，可以對現(xiàn)場信號進行預處理成一定的指標量，然后，將指標量發(fā)送到云平臺上完成數(shù)據(jù)傳輸；可以采用聯(lián)邦學習制的方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r有效性、多物理量信息的有效傳輸、數(shù)據(jù)的保密性的三個目標的達成，考慮到現(xiàn)場如果部署基于Windows的工控機容易出現(xiàn)死機等情況，更多的是采用嵌入式系統(tǒng)的方式進行數(shù)據(jù)處理。（6）大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，用于存儲采集的大容量數(shù)據(jù)。（7）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場情況考慮用4G或5G的數(shù)據(jù)傳輸方式。（8）云智慧數(shù)據(jù)平臺，用于展示現(xiàn)場傳遞回來的數(shù)據(jù)情況，包括原始數(shù)據(jù)、指標量數(shù)據(jù)、圖片等，以及對數(shù)據(jù)進行綜合分析的結果。（9）AI算法模型庫，對于一系列現(xiàn)場的工況數(shù)據(jù)進行AI模型訓練，并且將根據(jù)等級將訓練好的AI系統(tǒng)模型，按照需求，可以下發(fā)到現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的MCU等計算模塊中，用于現(xiàn)場工況的前端實時判斷。

圖1 監(jiān)控測試系統(tǒng)框圖

其中，第1項，前端傳感器；第2項，CAN總線信號系統(tǒng)；第3項，視頻采集系統(tǒng)；第4項，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；第5項，前端數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)；第6項，大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)；第7項，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，布置在現(xiàn)場的工程機械上；第8項，云智慧數(shù)據(jù)平臺，包含服務器和服務器端軟件，布置在用戶單位中；第9項，AI算法模型庫，這套模型是在服務器端進行計算和訓練，然后，將計算好的模型導入現(xiàn)場的前端數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)功能介紹

3.1 數(shù)據(jù)采集和存儲

實時采集設備現(xiàn)場運行的振動、應變、位移、壓力、傾角、CAN信號等數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)進行處理形成各種特征值存入數(shù)據(jù)庫。當設備異常時，自動產(chǎn)生報警數(shù)據(jù)庫，啟停機數(shù)據(jù)庫等專用數(shù)據(jù)庫。設備特征值可以在設備整個生命周期進行保存。

3.2 時頻域分析和智能預警

現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，通過基于時域、頻域的分析方法以及多種小波、包絡等工程分析方法?？梢詫ΜF(xiàn)場振動等信號進行深入分析，提出多種特征值。根據(jù)不同故障類型，進行多參數(shù)智能預警。

3.3 綜合評價指標評估

結合產(chǎn)品性能設計指標、評價指標、可靠性評價指標、應力評價指標、故障代碼等，進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析和結果評價，并形成數(shù)據(jù)橫向比較結果輸出。

3.4 核心部件壽命預測

核心部件的壽命預測模型。針對礦山機械系統(tǒng)核心設備，結合設備運行工況與設備壽命進行周期管理。

4 實施方案

根據(jù)我們最終想要的結果或者目的，制定數(shù)據(jù)的分析應用方案，如表1所示，這也直接會決定我們監(jiān)控方案的制定，同時，直接決定了數(shù)據(jù)的算法要求、分析軟件程序的開發(fā)程序和內置數(shù)據(jù)輸出模板式樣。

表1 某產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析應用

根據(jù)監(jiān)控產(chǎn)品的特性，完成監(jiān)控對象和傳感器選型，如表2所示，不同的采集方式，決定了采集設備的類別；監(jiān)控量的需求，決定了采集設備的通道數(shù)量。建議在產(chǎn)品涉及前期考慮將更多的監(jiān)控信號引入產(chǎn)品控制器，以便通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

5 結語

數(shù)據(jù)應用前期通過數(shù)據(jù)采集，存儲在大容量硬盤中，然后，拷貝到服務器進行分析的方式，后期可將算法進行優(yōu)化，再將算法移植到前端進行實施分析。（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以合二為一，可以使用采集儀內置的嵌入式系統(tǒng)來進行計算分析。（2）數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)可以使用外掛的移動硬盤，也可以使用內置的存儲卡，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以使用外置的4G路由器。（3）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以統(tǒng)一放置于儀器箱中。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的探索，得益于我們互聯(lián)網(wǎng)技術和傳感技術的發(fā)展，有效地運用這些技術能夠讓我們能夠更好地實現(xiàn)產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)控、故障分析、產(chǎn)品質量優(yōu)化等，增強企業(yè)的綜合競爭力。