沈書林 王 亮 蔡大偉 蔡大鵬

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院宿遷分院 宿遷 223800

0 引言

起重機(jī)械是一種可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的空間運(yùn)輸設(shè)備，主要作用是完成重物的位移。起重機(jī)械是現(xiàn)代化生產(chǎn)不可缺少的組成部分，其中一些還能在生產(chǎn)過程中進(jìn)行特殊的工藝操作，使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。然而，長(zhǎng)期的高速、重載荷運(yùn)行使起重機(jī)各機(jī)構(gòu)面臨巨大的壓力，導(dǎo)致起重機(jī)械事故時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人身傷亡。根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布的2022 年全國(guó)特種設(shè)備安全狀況的通告，起重機(jī)械的事故和死亡人數(shù)的占比均超過20%?；诖耍Ｕ掀鹬貦C(jī)械作業(yè)過程中的人身安全和設(shè)備安全，預(yù)防事故的發(fā)生，對(duì)起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究逐漸成為熱點(diǎn)。

1 目前在用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和不足

1.1 TSG Q7016—2016 和GB/T 28264—2017 對(duì)安全監(jiān)控的要求和組成

TSG Q7016—2016《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》（含第一號(hào)修改單）（以下簡(jiǎn)稱TSG Q7016—2016）中規(guī)定，對(duì)于特定類型的起重機(jī)滿足一定噸位要求需安裝監(jiān)控系統(tǒng)，如額定起重量大于等于200 t 的通用橋式起重機(jī)、額定起重量大于等于100 t 的通用門式起重機(jī)等[1]。

GB/T 28264—2017《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》規(guī)定了安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成，主要包含信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元和信息顯示單元[2]，其中信息采集源主要集中在安全保護(hù)裝置方面，如起重量限制器、運(yùn)行行程限位器、抗風(fēng)防滑裝置等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式如圖1 所示。

圖1 起重機(jī)械安全監(jiān)控管理模式流程圖

1.2 當(dāng)前在用監(jiān)控模式的不足

從以上分析可以看出，基于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28264—2017《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的結(jié)構(gòu)模式在一定程度上對(duì)事故的預(yù)防有積極作用，但也存在自身固有的缺陷。1）系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)源較為單一，集中在起重機(jī)的重要運(yùn)行參數(shù)（如起重量、運(yùn)行行程和幅度等）和安全保護(hù)裝置的工作狀態(tài)，使用的傳感器也較為傳統(tǒng)，未使用光纖傳感器、壓變傳感器等對(duì)起重機(jī)械應(yīng)變和振動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；2）監(jiān)測(cè)對(duì)象之間相互獨(dú)立，在對(duì)安裝有安全監(jiān)控系統(tǒng)的起重機(jī)監(jiān)督檢驗(yàn)過程中，每臺(tái)起重機(jī)均安裝獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，起重機(jī)之間無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的聯(lián)合監(jiān)控和狀態(tài)對(duì)比顯示，特別是大型港口的信息共享度低，整體性和系統(tǒng)性不足，管理成本較高且效率較低；3）對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理單一，目前在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用仍停留在單一的數(shù)據(jù)展示上，如果要進(jìn)一步地分析則需借助大數(shù)據(jù)甚至是人工專家的綜合判斷。

基于上述背景，起重機(jī)械的監(jiān)測(cè)除了對(duì)運(yùn)行參數(shù)和安全狀態(tài)進(jìn)行記錄管理之外還需融合故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics Health Management，PHM），PHM 目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的是在高鐵和橋梁中，通過傳感器采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行特征提取進(jìn)而數(shù)據(jù)分析，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，能及時(shí)識(shí)別出潛在的問題和故障，采取可靠性的動(dòng)態(tài)評(píng)估和故障的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，最后基于評(píng)估和預(yù)測(cè)的信息制定科學(xué)有效的健康管理策略。

2 起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理

基于結(jié)構(gòu)監(jiān)控監(jiān)測(cè)是利用現(xiàn)場(chǎng)的、無損的和實(shí)時(shí)的方式采集起重機(jī)械在使用環(huán)境條件影響下各種工況的狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)，并能結(jié)合軟件來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理來提取結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù)，分析結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)[3]。其總體框架如圖2 所示。

圖2 基于起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的框架示意圖

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來源和分類

起重機(jī)械在設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)、使用和報(bào)廢的全過程中涉及的數(shù)據(jù)來源種類繁多，主要可以分為以下幾類：

1）來自監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)的數(shù)據(jù) 截至2022 年年底，全國(guó)共有特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)4 845 家，其中，特種設(shè)備綜合性檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)568 個(gè)，市場(chǎng)監(jiān)管系統(tǒng)內(nèi)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)289 個(gè)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)查詢和調(diào)研，目前很多的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)均配備了智慧特檢運(yùn)行系統(tǒng)，能夠顯示轄區(qū)內(nèi)特種設(shè)備的基本信息如制造單位、使用登記證編號(hào)、出廠編號(hào)、設(shè)備投入使用日期，還能對(duì)即將超期設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，同時(shí)能和市場(chǎng)監(jiān)督管理部門聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2）日常維護(hù)保養(yǎng)的數(shù)據(jù) 根據(jù)《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》第三章第二十七條的要求，使用單位特種設(shè)備使用單位對(duì)在用特種設(shè)備應(yīng)當(dāng)至少每月進(jìn)行1 次自行檢查，并作出記錄。特種設(shè)備使用單位在對(duì)在用特種設(shè)備進(jìn)行自行檢查和日常維護(hù)保養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況的，應(yīng)當(dāng)及時(shí)處理，TSG Q7015—2016 附件C 中C1 規(guī)定，在定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)審查維保、自檢記錄、運(yùn)行故障和事故記錄等。使用單位一般都會(huì)根據(jù)自身設(shè)備的品種和使用工況建立符合設(shè)備特點(diǎn)的日常維護(hù)保養(yǎng)檢查表，并定期記錄。

3）安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) 根據(jù)TSG Q7016—2016 的要求，安全監(jiān)控系統(tǒng)是滿足一定條件的起重機(jī)械需安裝，信息采集源以架橋機(jī)為例主要包括起重量限制器、聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、風(fēng)速儀裝置、起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器狀態(tài)、過孔狀態(tài)等，安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有以圖形、圖標(biāo)和文字的形式對(duì)起重機(jī)械作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示功能，能滿足至少30個(gè)連續(xù)工作日的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)至少能連續(xù)存儲(chǔ)72 h。

4）健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（Structural Health Monitoring，SHM）是利用安裝在起重機(jī)械機(jī)構(gòu)中的傳感器，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進(jìn)行無損檢測(cè)，在線實(shí)時(shí)地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的結(jié)構(gòu)信息（應(yīng)力、溫度、振動(dòng)特性等），結(jié)合信號(hào)處理和損傷識(shí)別，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全狀況做出評(píng)估，提出使用和維護(hù)意見。應(yīng)用于起重機(jī)械的健康監(jiān)測(cè)除了常規(guī)的運(yùn)行參數(shù)和安全保護(hù)裝置意外應(yīng)以金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)和減速器的溫度、振動(dòng)監(jiān)測(cè)為主，監(jiān)測(cè)部位的選取原則主要由以下3 方面：①均勻高應(yīng)力區(qū)：應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)可能引起結(jié)構(gòu)件塑性變形；②應(yīng)力集中區(qū)：如孔洞、尖角和焊縫截面劇變處；③最大應(yīng)力沒有達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，但因發(fā)生撓曲或過大變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)屈曲破壞的彈性屈曲區(qū)(如受壓結(jié)構(gòu)件的彈性屈曲)。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)的測(cè)試點(diǎn)布置應(yīng)根據(jù)起重機(jī)類型來分布，以塔式起重機(jī)為例，測(cè)試點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)分布在起重臂；平衡臂；塔身的根部、變截面、變徑截面；轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)支承連接主截面等位置。

對(duì)減速器的監(jiān)測(cè)是由于起重機(jī)的制動(dòng)器通常安裝于設(shè)備的高速軸（目的是減小制動(dòng)力矩和結(jié)構(gòu)尺寸），一旦減速器故障有可能起重機(jī)制動(dòng)失效，故對(duì)減速器的溫升和振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)尤為重要[4]。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包含利用高精度的傳感器采集數(shù)據(jù)，以及對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、剔除、選擇，健康監(jiān)測(cè)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。對(duì)應(yīng)于應(yīng)變傳感器宜選擇光纖光柵應(yīng)變傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧，采用金屬材料作為傳感器基底，可以用專用膠非常方便地粘接在各種鋼結(jié)構(gòu)表面，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等物理量的長(zhǎng)期高精度監(jiān)測(cè)。由上述分析可知，起重機(jī)械監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)眾多，故有必要建立基于大數(shù)據(jù)的安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理主要包含3個(gè)方面：

1）重復(fù)數(shù)據(jù)的排序和合并 在實(shí)際采用過程中，由于格式差異、系統(tǒng)存儲(chǔ)故障等原因難免導(dǎo)致數(shù)據(jù)的重復(fù)和冗余，這不利于后期的系統(tǒng)決策，可以利用近鄰排序法（Sorted Neighborhood Method，SNM）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和合并，選擇保留正確的數(shù)據(jù)記錄；

2）數(shù)據(jù)缺失的處理 由于數(shù)據(jù)種類和數(shù)量繁多，在采集過程中難免出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇可靠性較高的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充；還可以利用平均值法、中值法、貝葉斯公式等進(jìn)行分析填充；

3）噪聲處理 在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中，易受到環(huán)境噪聲、傳感器性能不穩(wěn)定等因素干擾，造成若干數(shù)據(jù)明顯偏離基準(zhǔn)線影響后續(xù)分析?？刹捎眯〔ㄩ撝党敕▽?duì)故障信號(hào)進(jìn)行處理，在去除噪聲的同時(shí)盡可能保留有用的數(shù)據(jù)并避免其流失。

2.4 健康監(jiān)測(cè)模塊和智能診斷

由前述分析可知，為達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，避免主觀因素的影響，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，并最大程度保證對(duì)起重機(jī)械參數(shù)全覆蓋，一般可以從金屬結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、工作機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)出發(fā)，選取相應(yīng)的檢測(cè)指標(biāo)（如強(qiáng)度診斷、疲勞損傷診斷、裂紋和銹蝕、變形等）。基于4個(gè)部分的健康監(jiān)測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)源如表1所示。

表1 4 部分監(jiān)測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)源

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清晰的計(jì)算和過濾等邊緣計(jì)算預(yù)處理后，數(shù)據(jù)將通過5G/4G/無線網(wǎng)絡(luò)/以太網(wǎng)上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警等的信息遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

智能診斷是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理和數(shù)據(jù)管理，最核心的是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、分類，確定故障是否存在并及時(shí)預(yù)警，一般可以采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)。以金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力為例來說明數(shù)據(jù)源采集和綜合判定原則，其流程如圖3 所示。

圖3 基于金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)流程圖

結(jié)構(gòu)應(yīng)力的安全判定原則應(yīng)根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分為自重應(yīng)力和起升載荷應(yīng)力組成，自重應(yīng)力可以計(jì)算得出。起升載荷的應(yīng)力根據(jù)GB/T 22437.1—2018《起重機(jī) 載荷與載荷組合的設(shè)計(jì)原則 第1 部分：總則》中表4 的規(guī)定結(jié)合設(shè)定的應(yīng)力集中區(qū)安全系數(shù)進(jìn)行綜合判定。

在起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析處理的結(jié)果關(guān)系著評(píng)估系統(tǒng)所做評(píng)估的準(zhǔn)確性，因此，應(yīng)能從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確查找出異常觀測(cè)值，并可以對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析進(jìn)而初步判斷其產(chǎn)生的原因。針對(duì)不同的原因做出相應(yīng)的處理操作，進(jìn)而捕捉到起重機(jī)產(chǎn)生病變的一切線索，為專家評(píng)估系統(tǒng)做出合理的評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)，從而為起重機(jī)健康狀態(tài)的正確判斷提供可靠依據(jù)。

3 完善起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建議

隨著自動(dòng)化、智能化在起重機(jī)械中的規(guī)?；瘧?yīng)用，越來越多的學(xué)者將研究重點(diǎn)放在起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測(cè)與診斷上，對(duì)于如何充分利用好大數(shù)據(jù)，保證監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和效果，給出以下3 點(diǎn)建議

1）完善標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè) 多措并舉推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)宣貫和執(zhí)行。已公布的標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 38565—2020《特種設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換技術(shù)規(guī)范》，制造單位應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)制定符合實(shí)際基于大數(shù)據(jù)分析的起重機(jī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；主管部門還需根據(jù)不同類別、類型的起重機(jī)制定結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與診斷的標(biāo)準(zhǔn)，可參考的文獻(xiàn)有中國(guó)港口協(xié)會(huì)發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CPHA 10—2022《港口門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、檢測(cè)與診斷》和GB/T 41510—2022《起重機(jī)械安全評(píng)估規(guī)范 通用要求》等；

2）進(jìn)一步加強(qiáng)診斷的準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性 目前國(guó)內(nèi)對(duì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康診斷的實(shí)現(xiàn)算法還處于起步階段，對(duì)數(shù)據(jù)信息的挖掘尚在基礎(chǔ)階段，制造單位應(yīng)聯(lián)合特檢院、科研機(jī)構(gòu)和高校等深度學(xué)習(xí)相關(guān)理論，對(duì)網(wǎng)絡(luò)建模和算法進(jìn)行優(yōu)化；引入智能AI 技術(shù)，依靠大數(shù)據(jù)庫(kù)和智能搜索引擎，通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)智能分析提醒、AI 智能問詢、履職風(fēng)險(xiǎn)智能研判、安全形勢(shì)分析報(bào)告一鍵生成等功能。

3）加強(qiáng)并完善數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一建設(shè) 受制造單位或科研機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)保密和實(shí)驗(yàn)室條件的限制，目前健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來源較為分散，應(yīng)思考如何融合制造數(shù)據(jù)、監(jiān)督檢驗(yàn)（定期檢驗(yàn)）不合格項(xiàng)目和維修保養(yǎng)記錄對(duì)起重機(jī)安全狀態(tài)進(jìn)行全面評(píng)估，確保能真實(shí)反映起重機(jī)的實(shí)際健康狀態(tài)。

4 總結(jié)

起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠分析評(píng)估起重機(jī)的安全性和可靠性，對(duì)于延長(zhǎng)起重機(jī)的剩余壽命、降低事故發(fā)生率，減少財(cái)產(chǎn)和人員的損傷具有重要意義。然而其較之傳統(tǒng)的起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，具有傳感器種類多、數(shù)據(jù)源繁多、信號(hào)傳輸與存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，這使得它對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的軟件方面提出了很高的要求。如何建立多點(diǎn)聯(lián)合判斷、多指標(biāo)綜合評(píng)估的起重機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估體系還需進(jìn)一步深入研究。