根據(jù)國發(fā)[2016]28 號(hào)文件深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融 合，推動(dòng)制造來與互聯(lián)網(wǎng)融合深化工業(yè)云、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的集成應(yīng)用，加快構(gòu)建新型研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)模式，促進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)新和經(jīng)營管理優(yōu)化，提升企業(yè)整 體創(chuàng)新能力和水平 [1]。自動(dòng)化集裝箱碼頭迎合了工業(yè)化和信息化的發(fā)展需 求，國內(nèi)已經(jīng)成功了建成了廈門遠(yuǎn)海全自動(dòng)化碼頭 [2]。傳統(tǒng)的依靠司機(jī)人工在起重機(jī)駕駛室中操作起重機(jī)的作業(yè)方式，逐步改變?yōu)橛蛇h(yuǎn)程操控室內(nèi)的人員進(jìn)行半自動(dòng)輔助模式下的操作。由于人機(jī)分離，無法再依靠原先機(jī)根據(jù)作業(yè)時(shí)的直接感知（聽覺、觸覺、視覺等）來發(fā)現(xiàn)起重機(jī)故障。港口起重設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的技術(shù)領(lǐng)域眾多，破壞機(jī)理多樣、服役期長、工作環(huán)境惡劣、損壞率較高、需定期維護(hù)保養(yǎng)等因素導(dǎo)致其維修難度增加，保養(yǎng)任務(wù)加重，需專業(yè)技術(shù)維護(hù)人員。用戶需要按照設(shè)備維修保養(yǎng)手冊(cè)對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行定期人工檢查，以確保結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全可靠，但會(huì)存在不按維修保養(yǎng)手冊(cè)定期檢查、漏檢一些關(guān)鍵位置、檢查人員專業(yè)程度不高等現(xiàn)象，很確保每次檢測(cè)的準(zhǔn)確性。特別是起重機(jī)運(yùn)行過程中一旦設(shè)備出現(xiàn)港口維護(hù)人員無法解決的問題時(shí)，用戶只能通過郵件或電話求助。這種不直觀的方式加上語言文化地區(qū)差異往往導(dǎo)致解決問題的效率很低，等最終確認(rèn)故障再派出維護(hù)工程師前往客戶現(xiàn)場進(jìn)行檢查維修，使得整 個(gè)維護(hù)過程周期將相當(dāng)漫長 。

目前，港口在役起重機(jī)尚缺乏一個(gè)完整統(tǒng)一的健保障信息管理平臺(tái)，企業(yè)無法獲取已售產(chǎn)品運(yùn)行信息，很難保證服務(wù)工作的及時(shí)性、主動(dòng)性、現(xiàn)場性和前瞻性，售后服務(wù)的現(xiàn)狀基本還是傳統(tǒng)的頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳痛模式。另外，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云服務(wù)平臺(tái)以及工業(yè)大據(jù)分析等技術(shù)實(shí)現(xiàn)起港口起重機(jī)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控及預(yù)防性維護(hù)等相關(guān)健康保障系統(tǒng)的研究在國內(nèi)外剛剛起步，如何有效、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)服務(wù)，降低停機(jī)損失，提高產(chǎn)品附加價(jià)值，增強(qiáng)與客戶的利益紐帶，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

健康保障系統(tǒng)整體組成

健康保障系統(tǒng)是依托于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將已有的起重機(jī)設(shè)備與智能設(shè)備、智能系統(tǒng)和智能決策融合到一起，為客戶提供全套的港口起重機(jī)運(yùn)營、管理和維護(hù)的方案，可以推進(jìn)港口起重機(jī)設(shè)備及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同和服務(wù)化延伸。 如圖 1 所示，

健康保障系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋了港 口的各種起重機(jī)設(shè)備、碼頭集控中心、生產(chǎn)基地和企業(yè)數(shù)據(jù)中心，貫穿起重機(jī)生命周期相關(guān)的生產(chǎn)、配套、施工、運(yùn)維和維修等各項(xiàng)業(yè)務(wù)。港口起重機(jī)本地設(shè)備層，需要在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)上增加專用數(shù)據(jù)通訊采集設(shè)備和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有效地融合有線、無線等通信技術(shù)，加強(qiáng)監(jiān)控設(shè)備、傳感器、控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)之間的互聯(lián)能力。起重機(jī)本地設(shè) 備層利用現(xiàn)有的 CMS(Crane Monitoring System) 系統(tǒng)獲 取采集系統(tǒng)篩選后的傳感器數(shù)據(jù)，完成本地的簡單故障診斷功能。 碼頭集控中心除了提供RCMS 的基本功能外，還 要增加數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器部署在港口服務(wù)器機(jī)房，用于傳感器、工況、運(yùn)維等數(shù)據(jù)匯總及有條件的情況下將數(shù)據(jù)上傳至云端。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器根據(jù)機(jī)械或結(jié)構(gòu)的有限元模型、歷史數(shù)據(jù)匹配、本地部署的機(jī)器學(xué)習(xí)和遷移的大數(shù)據(jù)運(yùn)算庫，完成在線故障診斷與預(yù)測(cè)功能，必要時(shí)將故障和失效信息回傳至起重機(jī)本地層。碼頭與生產(chǎn)基地、企業(yè)數(shù)據(jù)中心之間，可通過專用 VPN 網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)云等手段連接。通過數(shù)據(jù)云技術(shù)，可 方便碼頭和企業(yè)之間開展基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的海量工業(yè)數(shù)據(jù)有效集成與分析，推進(jìn)港口起重機(jī)健康檢測(cè)的智能化決策。企業(yè)數(shù)據(jù)中心通過專線和數(shù)據(jù)云網(wǎng)絡(luò)， 利用OPC服務(wù)協(xié)議，訂閱碼頭和生產(chǎn)基地的運(yùn)行數(shù)據(jù)， 完成實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)收集功能，從而實(shí)現(xiàn)起重機(jī)健康保障功能。由此，建立基于前端數(shù)據(jù)采集、中間高速傳輸、后端分析評(píng)估并反饋結(jié)果的大數(shù)據(jù)云技術(shù)平臺(tái)。采用基于云服務(wù)實(shí)現(xiàn)港口起重機(jī)健康保障系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)提供用戶按需的、易擴(kuò)展的服務(wù)，將有效解決傳統(tǒng)服務(wù)面臨的各種問題，用戶可降低投資基礎(chǔ)設(shè)備的成本，并可減少系統(tǒng)管理、IT 方面的支出。通過采集分析用戶的起重 機(jī)數(shù)據(jù)，可以獲取產(chǎn)品質(zhì)量、備品備件等信息，一方面可以據(jù)此不斷改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面為用戶提供實(shí)時(shí)、前瞻性的服務(wù)建立了技術(shù)基礎(chǔ)。 如圖 2 所示，

港口起重機(jī)健康保障系統(tǒng)采用物理網(wǎng) 技術(shù)，從功能上分為信息感知層、信息傳輸層信息服務(wù)層、信息增值層。信息感知層可解決數(shù)據(jù)獲取的問題，實(shí)施從設(shè)備、控制、傳感的流程。其中港口的起重機(jī)設(shè)備包含如岸邊集裝箱起重機(jī)、輪胎起重機(jī)、軌道起重機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速器等；控制層，完成參與機(jī)載本地控制的驅(qū)動(dòng)器、變頻器、繼電器、工控機(jī)，完成機(jī)載本地監(jiān)控的采集系統(tǒng)；傳感器層，獲取溫度、應(yīng)變、加速度、振動(dòng)、位置等感知信息。信息傳輸層是解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，利用各種工業(yè)總線、視頻分路、以太網(wǎng)、通信網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、3G/4G、WIFI 等技術(shù)，搭建設(shè)備、控制系統(tǒng)、采集系 統(tǒng)以及遠(yuǎn)程集控中心、大數(shù)據(jù)云、企業(yè)之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

信息服務(wù)層是基于感知數(shù)據(jù)經(jīng)篩選、預(yù)處理后的業(yè)務(wù)加工，包含數(shù)據(jù)層對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、可視化、報(bào)警、日志、歷史回放、參數(shù)模型、數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)功能，以及服務(wù)層，提供在線監(jiān)控、故障分析、失效分析、故障預(yù)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)、維修建議、監(jiān)控評(píng)估等等服務(wù)。信息服務(wù)層實(shí)施健康保障的基本及基礎(chǔ)服務(wù)，體現(xiàn)采集與診斷、診斷與業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)與控制的相互關(guān)系。

信息增值層是信息服務(wù)層的提高和升華，提供網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、機(jī)群優(yōu)化、性能優(yōu)化、資產(chǎn)配置、運(yùn)維保障、系統(tǒng)保障等功能。在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的技術(shù)保障下，信息增值層將起重機(jī)設(shè)備健康保障系 統(tǒng)與企業(yè)的ERP (Enterprise Resource Planning) 系統(tǒng)整 合，方便碼頭與企業(yè)之間設(shè)備企業(yè)與企業(yè)，與行業(yè)之間建立業(yè)務(wù)互聯(lián)關(guān)系，有效地將企業(yè)與客戶之間的實(shí)時(shí)連接，連接各種工作場所的人員，提供更為智能的高質(zhì)量的服務(wù)與安全保障。

系統(tǒng)主要功能

面向港口起重機(jī)全生命周期的數(shù)據(jù)采集與集成面向港口起重機(jī)全生命周期過程管理需要從起重機(jī)需求、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、調(diào)試、運(yùn)行、使用、維修保養(yǎng)、直到回收再用處置的全生命周期中的信息與 過程 [4]，整合各階段業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)信息，建立統(tǒng)一的起重機(jī)數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)全生命的信息化數(shù)據(jù)管理流程。為實(shí)施起重機(jī)健康保障系統(tǒng)，新建的港口起重機(jī)傳感器層的安裝、布線、施工、調(diào)試、校驗(yàn)和更換需要從設(shè)計(jì)階段就考慮進(jìn)去，其他改造型起重機(jī)設(shè)備，可酌情考慮便于安裝、安裝點(diǎn)數(shù)和易故障點(diǎn)等因素。起重機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)需要考慮到測(cè)量點(diǎn)的靈敏度、應(yīng)變能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，結(jié)合模型實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵位置應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)振動(dòng)等物理特性分析后再選取。為了實(shí)現(xiàn)健康保障系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和準(zhǔn)確性，傳感器的選擇點(diǎn)需要根據(jù)用戶的需求分級(jí)酌情增減，這樣可以形成差異化、全局化和多樣化的解決方案。在生產(chǎn)制造階段，起重機(jī)的配件和施工數(shù)據(jù)需要手工錄入，包含配件產(chǎn)地、型號(hào)、入庫時(shí)間、安裝時(shí)間、施工全過程的安裝、焊接、噴漆等相關(guān)信息；基地調(diào)試和運(yùn)輸階段，數(shù)據(jù)采集工作由起重機(jī)專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備完成，數(shù)據(jù)緩存在本地的機(jī)載工控機(jī)內(nèi)。大型起重機(jī)的航運(yùn)階段少則幾天，多則數(shù)個(gè)月，此階段需要開啟部分傳感器，記錄運(yùn)輸過程中風(fēng)浪載荷對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，能更準(zhǔn)確地服務(wù)于后期的健康診斷；在服役階段，起重機(jī)專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備和港口數(shù)據(jù)收集傳輸設(shè)備完成完整的數(shù)據(jù)采集工作。面向全生命周期的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)具備如下功能： 1）港口起重機(jī)專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠滿足起重機(jī) 當(dāng)?shù)馗鞣N數(shù)據(jù)的采集要求，還應(yīng)具備數(shù)據(jù)預(yù)處理能力，能夠進(jìn)行一些統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)篩選工作，形成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫記錄。每種起重機(jī)可以根據(jù)項(xiàng)目情況特點(diǎn)，完成各種不同統(tǒng)計(jì)需要，包括重要機(jī)構(gòu)、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行次數(shù)的統(tǒng)計(jì)、工作循環(huán)的統(tǒng)計(jì)、設(shè)備故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)、維修時(shí)間統(tǒng)計(jì)等。 2）港口起重機(jī)數(shù)據(jù)專用采集設(shè)備有一定的數(shù)據(jù)緩 存要求和掉電保護(hù)功能。在服役階段，當(dāng)其與港口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備間的通訊出現(xiàn)問題時(shí)，能夠緩存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也要求在本地保存一段時(shí)間，直至被港口數(shù)據(jù)存貯設(shè)備讀取。 3）每個(gè)港口起重機(jī)專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及港口 數(shù)據(jù)收集傳輸設(shè)備，均具有獨(dú)有標(biāo)識(shí)號(hào)和統(tǒng)一的時(shí)間授時(shí)，以便不同碼頭不同的起重機(jī)設(shè)備在數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行集成。 4）港口起重機(jī)專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及港口數(shù)據(jù) 收集傳輸設(shè)備，需要按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通訊要求，發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。起重機(jī)專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備通 過 3G/4G 網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以把數(shù)據(jù)先集中匯 總到港口后再統(tǒng)一發(fā)送。

基于大數(shù)據(jù)的健康分析優(yōu)化

港口起重機(jī)健康評(píng)估系統(tǒng)在對(duì)起重機(jī)進(jìn)行全壽命周期的數(shù)據(jù)采集后，通過在線的故障診斷程序及大數(shù)據(jù)云平臺(tái)計(jì)算給出健康報(bào)告。基于健康診斷報(bào)告，用戶可更全面地把握起重機(jī)的使用狀態(tài)，指導(dǎo)對(duì)起重機(jī)的日常維 護(hù)， 記錄結(jié)構(gòu)日常維修狀況，方便碼頭進(jìn)行信息化集 成管理。構(gòu)建完善的起重機(jī)健康保障體系，將大幅度保持起重機(jī)設(shè)備的完好程度，達(dá)到設(shè)備故障發(fā)生率最小化，以及生產(chǎn)商、碼頭用戶經(jīng)濟(jì)效益的最大化。在碼頭，起重機(jī)的突發(fā)性未預(yù)見故障包括結(jié)構(gòu)開裂、重大部件如減速器、電機(jī)等的損傷。這類故障由于備件生產(chǎn)時(shí)間長，會(huì)造成設(shè)備因等待修復(fù)而停機(jī)。預(yù)防性維護(hù)，防患于未然是起重機(jī)設(shè)備健康診斷的趨勢(shì)。起重機(jī)健康保障系統(tǒng)包含在線健康預(yù)估和基于大數(shù)據(jù)分析離線診斷方法。大數(shù)據(jù)健康分析是對(duì)傳統(tǒng)在線健康預(yù)估的補(bǔ)充和提高，結(jié)合利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)設(shè)備故障情況，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度可有效地提高。在線起重機(jī)健康預(yù)估模塊，根據(jù)起重機(jī)吊載量、小 車位置等應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)和CMS 的歷史數(shù)據(jù)，通過對(duì) 記錄載荷譜的分析，獲得起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜，通過部署在碼頭集控中心的專業(yè)診斷軟件，計(jì)算出起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置理論壽命，快速準(zhǔn)確地評(píng)估起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的使用情況和實(shí)時(shí)健康狀況。起重機(jī)的機(jī)構(gòu)檢測(cè)依賴設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，通過采集起重機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備中如軸承、齒輪、減速器等豐富的振動(dòng)信號(hào)，提取信號(hào)特征信息來 識(shí)別設(shè)備的故障類型。在線健康預(yù)估模塊集成在CMS 系統(tǒng)中，提供預(yù)警功能，能夠向用戶發(fā)出預(yù)警，提醒用戶特別關(guān)注異常點(diǎn)位置，增加檢查頻率，提醒用戶準(zhǔn)備備件更換。對(duì)出現(xiàn)實(shí)際壽命超過理論壽命的關(guān)鍵位置，即時(shí)向用戶發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)，提醒用戶盡快準(zhǔn)備備件，適時(shí)停產(chǎn)檢修更換。大數(shù)據(jù)分析離線健康診斷方法，擴(kuò)展了傳統(tǒng)的基于 模型、模態(tài)、故障樹、專家系統(tǒng)的故障診斷方法 [5]?；诤Ａ康母劭谄鹬貦C(jī)生產(chǎn)、傳感器、工況、配件等數(shù)據(jù)，并結(jié)合日常維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)判斷，有針對(duì)性的零部件疲勞壽命試驗(yàn)，備品備件的預(yù)防措施，日常性的點(diǎn)檢和常規(guī)檢修，歷史故障以及同類型產(chǎn)品的故障相關(guān)信息等，進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和大數(shù)據(jù)分析，利用分析結(jié)果形成預(yù)防性維護(hù)決策，完善港口起重機(jī)健康預(yù)測(cè)功能。大數(shù)據(jù)離線分析健康診斷系統(tǒng)按照港口生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃給出診斷報(bào)告，可顛覆傳統(tǒng)的僅僅依靠維修保養(yǎng)手冊(cè)檢修的簡單方式，精確地規(guī)劃維修周期和維修部件。

2.3  基于公眾互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)間協(xié)同應(yīng)用

基于公眾互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)間協(xié)同應(yīng)用是部署在基于 IPv6 與高性能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，在企業(yè)數(shù)據(jù)中心服 務(wù)器上的形成一套港口起重機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理的系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控港口起重機(jī)的實(shí)時(shí)情況，利用健康保障系統(tǒng)預(yù)測(cè)將要出來的故障情況，解決制造企業(yè)與港口之間的協(xié)同。采用云平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的在線監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、人員之間互聯(lián)互通，構(gòu)建一個(gè)安全、穩(wěn)定、快速的監(jiān)控系統(tǒng)，有效的采集設(shè)備的主要狀態(tài)信息，融合多個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)源，建立一個(gè)大規(guī)模的在線監(jiān)護(hù)平臺(tái)，有效建立企業(yè)與港口企業(yè)間協(xié)同。起重機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)視是部署在云端的起重機(jī)設(shè)備管理系統(tǒng)。起重機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)視對(duì)于公司內(nèi)部人員和港口用戶，有不同的門戶入口。針對(duì)公司用戶，可通過全起重機(jī)在線監(jiān)視門戶訪問，并輔以相關(guān)增值服務(wù)。對(duì)于港口用戶，通過單獨(dú)的港口在線監(jiān)視門戶訪問，數(shù)據(jù)集中于綜合系統(tǒng)中的環(huán)境數(shù)據(jù)，如機(jī)構(gòu)狀態(tài)、吊具狀態(tài)和第三方系統(tǒng)的監(jiān)視等。協(xié)同平臺(tái)能夠根據(jù)地理位置，可結(jié)合地圖按區(qū)域?qū)崿F(xiàn)每臺(tái)起重機(jī)采集的宏觀狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括起重機(jī)狀態(tài)信 號(hào)及各監(jiān)視子系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)，如起重機(jī)CMS狀態(tài)信號(hào)、 機(jī)械狀態(tài)監(jiān)視子系統(tǒng) ( 指機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的專用在線監(jiān) 視的當(dāng)?shù)叵到y(tǒng) ) 的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、胎壓監(jiān)視子系統(tǒng)的運(yùn) 行狀態(tài)信號(hào)、速度監(jiān)視子系統(tǒng)等。每個(gè)設(shè)備的通訊發(fā)生故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)記錄到數(shù)據(jù)庫，并及時(shí)通知用戶。此外，港口在線監(jiān)視系統(tǒng)還包括各類運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表，如故障統(tǒng)計(jì)報(bào)表、工作循環(huán)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，還具有對(duì)起重機(jī)專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及港口數(shù)據(jù)存貯設(shè)備的備份功能，可提供的系統(tǒng)及數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。

云服務(wù)系統(tǒng)安全保障體系

安全保障體系建設(shè)主要是針對(duì)港口起重機(jī)健康保障、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化和集成應(yīng)用、協(xié)調(diào)管理過程中的軟硬件的安全控制，以及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及信息的安全保障體系。為保證云服務(wù)系統(tǒng)的安全性，防止重要數(shù)據(jù)泄露和網(wǎng)絡(luò)攻擊，建立健壯的安全機(jī)制能，在采集過程、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的安全性，在最大程度上降低云服務(wù)系統(tǒng)的安全威脅，提高云服務(wù)連續(xù)性，保證云服務(wù)應(yīng)用的健康、可持續(xù)發(fā)展。健康保障系統(tǒng)要求碼頭將企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)、云平臺(tái)和工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，通過公眾因特網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)、云服務(wù)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)施的自動(dòng)化運(yùn)行、過程監(jiān)測(cè)和控制、業(yè)務(wù)流程的管理和控制。但是，在企業(yè)級(jí)信息網(wǎng)、云平臺(tái)、工業(yè)控制網(wǎng)的互連中，往往存在安全隱患或風(fēng)險(xiǎn)，如果公網(wǎng)中常見的安全威脅（如病毒、蠕蟲、木馬等）被引入到工業(yè)控制網(wǎng)中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)遭到病毒攻擊、非授權(quán)訪問、信

息泄密等，嚴(yán)重會(huì)影響碼頭正常作業(yè)。 隨著軟件規(guī)模的擴(kuò)大，SCADA、PLC、IED、RTU、 實(shí)時(shí)I/O 等碼頭應(yīng)用系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到網(wǎng)絡(luò)的健 壯性和信息安全方面的問題。在碼頭的網(wǎng)絡(luò)中，需要規(guī)范電氣房、集控中心存在潛在的多點(diǎn)的入侵感染源或攻 擊隱患，如移動(dòng)的可攜帶設(shè)備、USB設(shè)備、串行的連接、 無線連接系統(tǒng)、未授權(quán)的設(shè)備接入和竊聽等。此外，工業(yè)控制網(wǎng)、云端和企業(yè)網(wǎng)中都需要進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)隔離分段機(jī)制，如適當(dāng)增加單向傳輸網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)中的任何一處脆弱地段被攻陷，風(fēng)險(xiǎn)不會(huì)擴(kuò)散到其他的區(qū)域中。云端的起重機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需要采用對(duì)稱加密與非對(duì)稱加密結(jié)合的思路，來解決云計(jì)算中數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)的問題。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸安全主要研究包括對(duì)云計(jì)算平臺(tái)中數(shù)據(jù)傳 輸?shù)目煽啃詥栴}，如采用TCP/IP 協(xié)議多點(diǎn)并行傳輸方 式，對(duì)大數(shù)據(jù)塊進(jìn)行切割，然后采用并行方式傳輸降低 網(wǎng)絡(luò)的延遲 [6，7]。

關(guān)鍵技術(shù)研究

港口起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)裂紋遠(yuǎn)程監(jiān)視與自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度和剛度不足會(huì)產(chǎn)生裂紋 , 港 口起重機(jī)的裂紋檢測(cè)可采用電阻基于電阻應(yīng)變法 [8]，或 采用光纖光柵應(yīng)變傳感來測(cè)量剛結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變力 [9]， 分析方法采用裂紋擴(kuò)展阻力的方法估算裂紋 [10]。由于港口起重機(jī)尺寸比較大，傳感器點(diǎn)數(shù)無法覆蓋整個(gè)機(jī)器，很難評(píng)估整機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命。起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)裂紋遠(yuǎn)程監(jiān)視與自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)主要采用圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別。通過在起重機(jī)裂紋監(jiān)視關(guān)鍵點(diǎn)加裝攝像頭，對(duì)起重機(jī)裂紋關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)視。該系統(tǒng)能分析鋼結(jié)構(gòu)裂紋指標(biāo)，實(shí)時(shí)傳輸分析結(jié)果，替代工人巡檢，并能夠遠(yuǎn)程查詢到鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)，提高工人工作效率。自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要保證圖像識(shí)別攝像頭能拍攝到完整的裂痕信息。這不僅要求圖像識(shí)別系統(tǒng)攝像頭的安裝位置合理，還要對(duì)裂痕的基本知識(shí)有清楚的認(rèn)識(shí)。由于鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂痕的樣本信息比較少，需要不斷積累裂痕圖片，通過模型匹配或深度網(wǎng)絡(luò)，逐步提供裂痕識(shí)別的準(zhǔn)確度。自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)以裂痕自動(dòng)識(shí)別為出發(fā)點(diǎn)，友好的交互界面即使在無法自動(dòng)確認(rèn)的情況下，也可通過視頻畫面幫助遠(yuǎn)程人員確認(rèn)現(xiàn)場情況，達(dá)到識(shí)別無遺漏，從而大大減輕操作人員的工作強(qiáng)度。

基于云服務(wù)平臺(tái)的健康保障系統(tǒng)研究

健康保障系統(tǒng)借助云服務(wù)技術(shù)，按照平臺(tái) + 工具的 架構(gòu)理念設(shè)計(jì)，并涵蓋端、管、云的整體云計(jì)算解決方 案，為起重機(jī)健康保障系統(tǒng)提供全方位保障。 IaaS(Infrastructure as a Service) 服務(wù)處于云計(jì)算的底 層，能夠直接為上層應(yīng)用提供高彈性可用服務(wù)。起重機(jī) 遠(yuǎn)程監(jiān)視基于物聯(lián)網(wǎng)IoT 技術(shù)，通過設(shè)備端布置傳感設(shè) 備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，加密后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳入云數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn) 云存儲(chǔ)，為進(jìn)一步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析做前期準(zhǔn)備工作。其中， 結(jié)合起重機(jī)設(shè)備及其運(yùn)行環(huán)境的相關(guān)參數(shù)與實(shí)時(shí)特征， 設(shè)計(jì)高效專用的分布式存儲(chǔ)框架與高可擴(kuò)展計(jì)算模式是 基于IaaS 和 IoT 的大數(shù)據(jù)彈性計(jì)算與存儲(chǔ)服務(wù)關(guān)鍵，其 方案優(yōu)劣直接影響遠(yuǎn)程監(jiān)控的時(shí)效性、準(zhǔn)確性與可用性。 PaaS(Platform as a Service) 處于云計(jì)算的中間層，主要 面向軟件開發(fā)與維護(hù)，影響范圍覆蓋軟件的整個(gè)生命周期。 起重機(jī)設(shè)備的運(yùn)營與管理等問題，由多個(gè)不同的軟件系統(tǒng) 或子系統(tǒng)共同分擔(dān)，如起重機(jī)狀態(tài)信號(hào)、機(jī)械狀態(tài)監(jiān)視子 系統(tǒng)、胎壓監(jiān)視子系統(tǒng)、速度監(jiān)視子系統(tǒng)、RCMS 起重機(jī) 遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)等，它們之間因提供商或服務(wù)切面的差異均 為獨(dú)立運(yùn)行的信息孤島，致使現(xiàn)場的監(jiān)護(hù)、故障預(yù)警等更 多的依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，而非定量分析的結(jié)果。 云端應(yīng)用 SaaS(Software as a Service) 直接面向客戶 的特定需求提供專業(yè)服務(wù)。由于起重機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)視用 戶有2 類：公司內(nèi)部人員和港口用戶，故面向SaaS 云 服務(wù)，深入挖掘客戶增值服務(wù)的主要研究內(nèi)容是如何為 不同用戶建立專用的門戶體系，并定制化差別服務(wù)。針 對(duì)公司用戶，可通過全球起重機(jī)在線監(jiān)視門戶訪問，直 接數(shù)據(jù)源自PaaS中的綜合系統(tǒng)，并輔以相關(guān)增值服務(wù)。 對(duì)于港口用戶，通過單獨(dú)的港口在線監(jiān)視門戶訪問，數(shù)據(jù)集中于綜合系統(tǒng)中的環(huán)境數(shù)據(jù)，如機(jī)構(gòu)狀態(tài)、吊具狀 態(tài)和第三方系統(tǒng)的監(jiān)視等。

基于深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析的起重機(jī)故障診斷及預(yù)估分析優(yōu)化

港口起重設(shè)備向復(fù)雜化和大規(guī)劃化發(fā)展，健康保障 系統(tǒng)通過采集海量數(shù)據(jù)來反映機(jī)械的健康狀況。這些機(jī) 械相關(guān)的大數(shù)據(jù)具有大容量、多樣性與高速率等特點(diǎn)， 研究和利用先進(jìn)的理論與方法，從機(jī)械設(shè)備大數(shù)據(jù)中挖 掘信息，高效、準(zhǔn)確地識(shí)別設(shè)備的健康狀況，成為其健 康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域面臨的新問題。 傳統(tǒng)的如通過對(duì)起重機(jī)重要零部件如變速器、編碼 器、制動(dòng)器、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、鋼絲繩等進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，描 述各參數(shù)變化與零部件損傷的概率模型，該概率模型與 當(dāng)前多參數(shù)概率狀態(tài)空間進(jìn)行比較，達(dá)到實(shí)現(xiàn)判斷元器 件當(dāng)前的健康狀態(tài)與趨勢(shì)分析。文獻(xiàn) [11] 通過研究起重 機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的變化監(jiān)測(cè)起重機(jī)健康狀態(tài)的可行性；文 獻(xiàn) [12] 通過建立了振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)起重機(jī)齒輪箱的運(yùn)行狀 態(tài)，提高了起重機(jī)健康保障能力；文獻(xiàn) [13] 總結(jié)了基于 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷方法：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法不考慮 系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而是從系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的大量正 常數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)出發(fā)，通過少量的標(biāo)記數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練 分類器來對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行分類，或是把高維的數(shù)據(jù)通過 降維的方法提取有用的信息用于故障診斷，或是兩者的 結(jié)合來診斷；文獻(xiàn) [14] 提出基于模型的微小故障診斷技 術(shù)，利用信號(hào)幅值低、故障特性不明顯、易被未知擾動(dòng) 和噪聲掩蓋等特點(diǎn)微小故障，來預(yù)測(cè)顯著性故障；提出基于深度學(xué)習(xí)理論的機(jī)械設(shè)備大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測(cè) 方法：通過建立深層模型，直接從頻域信號(hào)中自適應(yīng)地 提取故障特征，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)下故障特征的自適應(yīng)提取 與健康狀況的智能診斷。

存在的問題與挑戰(zhàn)

港口起重機(jī)健康保障系統(tǒng)研究尚處在起步階段， 傳統(tǒng)的機(jī)械健康保障方法不能完全適用于港口起重機(jī)行 業(yè)，對(duì)智能傳感、智能檢測(cè)、智能識(shí)別、業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)等方 面的研究還不夠充分，目前港口起重機(jī)健康保障系統(tǒng)普 遍存在以下問題 [16]： 1）傳感器的合理布點(diǎn)、布局、數(shù)量、傳感器類型， 缺乏理論指導(dǎo)，實(shí)際成功的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)較少； 2）傳感器的成本和精度比較難以權(quán)衡，為達(dá)到有效的診斷效果，往往系統(tǒng)設(shè)備成本過高，整個(gè)系統(tǒng)缺失 了經(jīng)濟(jì)效益； 3）針對(duì)港口起重機(jī)的傳感器線路布置比較麻煩， 而無線傳感器因供電和通信帶寬等問題，無法很好地應(yīng) 用在起重機(jī)領(lǐng)域； 4）港口起重機(jī)的服役期較長，且應(yīng)用環(huán)境比較惡劣， 傳感器需要在室外長期遭受到高溫、高濕度、高鹽度等 環(huán)境的考驗(yàn)，傳感器容易產(chǎn)生零漂，丟失精度，甚至損 壞。如果傳感器失準(zhǔn)，且采集系統(tǒng)也沒有比較好的檢測(cè) 手段，采集到的不良數(shù)據(jù)會(huì)影響故障診斷； 將深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算等技術(shù)與港口起重機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行 融合，起重機(jī)健康保障技術(shù)的進(jìn)步和提高主要依賴于以 下幾方面的發(fā)展： 1）對(duì)港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋、機(jī)構(gòu)損傷的機(jī)理不斷 研究，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等學(xué)科的不 斷發(fā)展，從理論上加深認(rèn)識(shí)故障產(chǎn)生的原因； 2）加強(qiáng)智能傳感器的研究，不斷提高傳感器的精度 和智能程度，開發(fā)高性價(jià)比、具備自主校準(zhǔn)、決策、預(yù)處 理的傳感器，以滿足健康保障系統(tǒng)對(duì)信號(hào)采集的需要 [17]； 3）對(duì)傳感器收集和信號(hào)處理的算法的研究，加強(qiáng) 起重機(jī)的狀態(tài)和運(yùn)維數(shù)據(jù)的收集，建立基于港口起重機(jī) 的數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析模型，借助于大數(shù)據(jù)平臺(tái)工具 開展研究。

結(jié)束語 

港口起重機(jī)使用壽命一般在20 年以上，在市場日益飽和、新機(jī)訂單趨于下降的形勢(shì)下，如何提供增值性的售后服務(wù)，將是保證企業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵措施。同時(shí)，產(chǎn)品的全壽命管理，必然要求企業(yè)能夠充分及時(shí)掌握已售產(chǎn)品的各種信息。港口起重機(jī)健康保障系統(tǒng)，將順應(yīng)港口的技術(shù)發(fā)展潮流，為港口的設(shè)備維保和平穩(wěn)運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障?；谖锫?lián)網(wǎng)、云服務(wù)平臺(tái)以及工業(yè)大數(shù)據(jù)分析建立的健康保障系統(tǒng)，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行全壽命數(shù)據(jù)采集分析，通過大數(shù)據(jù)健康分析，可以給出準(zhǔn)確的預(yù)防性維護(hù)決策。通過預(yù)防性維護(hù)服務(wù)，可優(yōu)化設(shè)備維修團(tuán)隊(duì)行程安排，提高工作效率，能避免備件的浪費(fèi)，進(jìn)一步節(jié)約其生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品附加價(jià)值，增強(qiáng)了與客戶的利益紐帶以及通過其服務(wù)，能大大減少客戶設(shè)備的停機(jī)時(shí)間，降低了停機(jī)損失成本，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益。