大型起重設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)的中堅力量，港口門座式起重機是事故發(fā)生概率最高的典

型危險設(shè)備之一，我國許多港口出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)性損傷等導(dǎo)致門機突然倒塌的事故，

以港口門座式起重機 MQ2533 為例，設(shè)計與實現(xiàn)了港口門座式起重機的安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容包括：

   對門機主要結(jié)構(gòu)件的不安全因素進行了分析，得出門機可能出現(xiàn)的明顯故障，為后續(xù)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

   港口門座式起重機安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)總體方案設(shè)計。設(shè)計了系統(tǒng)硬件架構(gòu)，包括采集與控制系統(tǒng)，處理與存儲系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)等；設(shè)計了系統(tǒng)軟件安全監(jiān)控平臺，并以可視化界面展現(xiàn)監(jiān)測狀況，實現(xiàn)門機作業(yè)時各結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)儲存，設(shè)定各種測量數(shù)據(jù)的預(yù)警與報警閾值方案，系統(tǒng)對門機結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移和作業(yè)時風(fēng)速風(fēng)向的信息進行獲取，監(jiān)測數(shù)據(jù)以 4G 無線網(wǎng)絡(luò)的方式傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，用戶可通過 Internet 訪問服務(wù)器獲取監(jiān)測的各項信息?？紤]到門機復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境及數(shù)據(jù)采集過程中偶然干擾引起的隨機誤差，本系統(tǒng)分析并加入濾波算法保證正確預(yù)警以減少維修人員不必要的檢查，進而提高系統(tǒng)整體的測量精度與可靠性。

   傳感器布點預(yù)警的工藝研究。通過有限元 ANSYS 軟件建立門機 MQ2533 模型，得到門機在不同工況下的計算結(jié)果，分析計算出受力與位移較大的部件與相應(yīng)的位置。根據(jù)分析計算結(jié)果，擬定應(yīng)力與位移傳感器的布設(shè)方案，通過分析計算得出風(fēng)速風(fēng)向傳感器的具體布點位置，并對應(yīng)力、位移、風(fēng)速的閾值進行了分別的研究與設(shè)定。

    港口門座式起重機安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)。編輯了多功能、易操作的安全監(jiān)控平臺系統(tǒng)，測量值分別以曲線、列表及數(shù)值等形式進行顯示，使工作人員能夠清晰實時的監(jiān)測門機各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移以及作業(yè)過程中的風(fēng)速風(fēng)向情況，并且可對歷史數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計與儲存。最后進行系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝應(yīng)用，對系統(tǒng)整體進行了測試，并對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行分析且提出可以采取的優(yōu)化措施。

 

 

    近幾年以來，我國港口產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，港口的安全狀況是一項重要研究，從理論

與技術(shù)的層面上為各級港口的安全監(jiān)督與管理提供足夠的科學(xué)依據(jù)。港口門座式起重

機（以下簡稱門機），是港口典型的主要大型裝卸機械設(shè)備，在生產(chǎn)日益繁重情況下，裝

卸作業(yè)的規(guī)模也相對漸漸地擴大，這將對門機的安全性要求逐步增高。門機作業(yè)過程中金屬結(jié)構(gòu)的各種情況損傷（如裂紋、腐蝕等）都會降低極限承載能力，許多主要受力金屬構(gòu)件通常在所承受的載荷小于許用載荷的狀況下過早地出現(xiàn)裂紋，從而引起突發(fā)性的結(jié)構(gòu)件斷裂故。我國較多港口多次突現(xiàn)門機的臂架彎折和突然倒塌等事故，2016 年 2 月 15 日，江靖江太和港務(wù)碼頭發(fā)生了一起門座式起重機由于臂架折斷而坍塌的事件導(dǎo)致一名駕駛員死亡兩條船受損，如圖 1.1 所示；2009 年 7 月 13日，印度首都新德里的施工工地發(fā)生了一起高架橋坍塌的嚴(yán)重事故，隨后在現(xiàn)場又發(fā)生了起重機倒塌事故，導(dǎo)致 5 人死亡，20 人受傷，如圖 1.2

 

所示。如上述所示的這些因為金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷等引發(fā)的設(shè)備事故，將會造成較大的人員傷亡與財產(chǎn)損失。圖 1.1   江蘇港口門機臂架折斷倒塌事故。  圖 1.2 印度首都新德里工地起重機倒塌事故 由于門機的現(xiàn)場實測會受到較多因素限制，對于門機的整機進行風(fēng)險評估僅僅通過現(xiàn)場實測較為困難，也缺乏相對客觀性。門座式起重機屬于國家明確規(guī)定的涉及人身與財產(chǎn)安全且具有較大危險性的大型特種設(shè)備，2014 年 1 月 1 日起頒布施行的《特種設(shè)備安全法》第四十八條明確規(guī)定特種設(shè)備若達(dá)到了設(shè)計使用年限，必須進行安全估。

門機的金屬結(jié)構(gòu)件進行健康狀態(tài)監(jiān)測是安全評估的根本與前提。因此，門機金屬結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測就變得有特別深遠(yuǎn)意義，安全預(yù)警是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)非常重要的組成部分，它會對傳感器及數(shù)據(jù)采集儀采集到的結(jié)構(gòu)變形、焊縫位移、風(fēng)荷載等數(shù)據(jù)信息進行實時監(jiān)測與分析處理，當(dāng)結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時（結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的損傷）給出預(yù)警及準(zhǔn)確報警，綜合結(jié)構(gòu)溫度、位移、風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)件應(yīng)力/應(yīng)變等信息，利用有限元 ANSYN 軟件門機模型，且設(shè)定合適的預(yù)警方案，為大型起重設(shè)備門機更安全化、專業(yè)化、高速化奠定堅實基礎(chǔ)。

    針對上述問題及分析，本文面向工業(yè)自動化領(lǐng)域，著眼中國制造 2025 港口工業(yè)的

發(fā)展趨勢，開發(fā)出了一套適應(yīng)于復(fù)雜惡劣港口環(huán)境（雷電、強風(fēng)雨、高粉塵等）下的港

口門座式起重機的安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對于門機作業(yè)中重要金屬結(jié)構(gòu)件以及風(fēng)速

風(fēng)向的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，以保證門機的正常作業(yè)以及預(yù)防由于結(jié)構(gòu)損傷而造成事故。

 

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

這種跨學(xué)科且具有綜合性的現(xiàn)代技術(shù)，主要由智能傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、信息處理技術(shù)及測試技術(shù)等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)主要是精巧的對智能傳感器進行布點，在線實時監(jiān)測各結(jié)構(gòu)的信息（如應(yīng)變、應(yīng)力、位移等），綜合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與信息處理技術(shù)，利用相應(yīng)專門的軟件得出結(jié)構(gòu)損傷的特征參數(shù)，檢測識別結(jié)構(gòu)件中不安全的情況，以消除早期故障存在的潛在隱患，為結(jié)構(gòu)的健康、工作人員的后續(xù)維修提供有力的保障。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷診斷中重要組成部分即為傳感器，也是整個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能否以高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)完成的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括以下幾個部分，結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示。

 

 

 

1、傳感系統(tǒng)。主要利用各類型的傳感器測量待測結(jié)構(gòu)件的各相應(yīng)物理信息，并將其轉(zhuǎn)為電信號為后續(xù)使用。

2、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。常常安裝在被測的金屬結(jié)構(gòu)里或者表面，主要將傳感器采集到的數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心進行分析與處理。

   3、無線通信系統(tǒng)。主要把采集并處理過的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式傳送到服務(wù)器。

   4、監(jiān)控中心與報警裝置。運用系統(tǒng)的軟硬件診斷接收到的數(shù)據(jù)信息，判別結(jié)構(gòu)故障

的具體位置與損傷程度，并對結(jié)構(gòu)件的健康程度做出簡單評估，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)異

常狀況，系統(tǒng)將發(fā)出預(yù)警報警信號以提醒工作人員的安全。

   無線通信網(wǎng)絡(luò)與智能化傳感元器件逐漸地研究發(fā)展，我國項目工程結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

也得到了大力推進，上世紀(jì) 50 年代，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）開始了最初的分析研究，最開始時期的研究集中于航空航天與機械工程等等領(lǐng)域，后來在上世紀(jì) 70 年代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測逐漸延伸到了土木工程領(lǐng)域，至今，健康監(jiān)測系統(tǒng)的重點與難點仍然集中在結(jié)構(gòu)的損傷識別。八十年代中后期，美國就布設(shè)了各種類型的傳感器主要用在國內(nèi)的一些橋梁結(jié)構(gòu)上，用于構(gòu)振動狀態(tài)、環(huán)境荷載、應(yīng)力變化情況，以及驗證與安全性的評定。

1987 年，英國的 Foyle 橋上安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，該橋三跨式鋼箱橋，主要

監(jiān)測正常工作階段時大橋上車輛和風(fēng)荷載相互作用的撓度、應(yīng)變等等響應(yīng)，以及溫度場

與環(huán)境風(fēng)情況的監(jiān)測，該系統(tǒng)為典型的且安裝較早的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)主

要功能是結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)的實時分析與共享的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，后續(xù)建立的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)

測系統(tǒng)有較多大型相對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁，較為典型的為美國 Sunshine Skyway Bridge 斜拉式橋主跨為 440m、挪威 Skarnsundet 斜拉橋、丹麥 Faroe 跨海式斜拉橋、加拿大Confederation 剛構(gòu)橋、澳大利亞 Warth 橋等。自 1996 年以來，我國許多大型橋梁

上也安裝了具有差異類型的監(jiān)控系統(tǒng)，像上海的徐浦大橋、江陰的長江大橋與盧浦的大

橋等等，主要由安裝在大橋各部件的相應(yīng)傳感器獲取結(jié)構(gòu)與作業(yè)環(huán)境情況的數(shù)據(jù)信息。隨著科學(xué)技術(shù)的時時更新，我國的經(jīng)濟也取得了巨大的收獲，一大批的重大型結(jié)構(gòu)工程

也正在建設(shè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，像主跨為 1490m 潤揚長江公路大橋的懸索橋主橋、主跨

為 648m 我國第一座鋼塔式斜拉橋的南京長江第三橋和主跨為 1088m 稱世界第一大跨斜拉橋的蘇通長江公路大橋等。

基于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變情況來進行監(jiān)測的結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)，通常是指利用傳感器的方法來測量結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變情況，在材料的彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變滿足關(guān)系式： ?=?? E ，式中 E 是彈性模量，是應(yīng)力，是應(yīng)變，應(yīng)力沒辦法直接測量，因其為面積力，一般情況下是利用應(yīng)用非常廣泛的應(yīng)變間接地測量應(yīng)力值。國外研究中，希臘帕特雷大學(xué)的研究者們利用反向傳播前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法處理數(shù)據(jù)，得出了在精度上有較大提高的基于應(yīng)變測量的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

賓夕法尼亞州立大學(xué) Nezih Mrad 與日本京都大學(xué)劉正利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法處理數(shù)據(jù)得到了良好效果的多類應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，圖 1.4 是 MTS 機測試與負(fù)載測試實驗時的部分現(xiàn)場照片。

 

西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的研究者設(shè)計了一種應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有特殊性的光纖光柵傳感器，該光纖光柵傳感器利用非對稱的包裝配置，經(jīng)過測試得出，該光纖光柵傳感器相比于其他光纖光柵傳感器具有很大的進步。

基于上述結(jié)構(gòu)監(jiān)測的飛速發(fā)展，起重機屬于大型的結(jié)構(gòu)危險型設(shè)備，美國屬于科技大國，對于起重機的健康監(jiān)測方面的研究成果處于領(lǐng)先的水平，作為研究代表是南加州福尼亞大學(xué)與斯坦福大學(xué)，近些年來，工業(yè)產(chǎn)業(yè)的飛速變化與發(fā)展，研制與開發(fā)大型起重機設(shè)備的健康監(jiān)測系統(tǒng)一直是較為熱點領(lǐng)域。日本為例，即研究開發(fā)的基于無線技術(shù)起重機監(jiān)控系統(tǒng)之后，隨后將光纖光柵傳感器和無線通訊技術(shù)相融合，并且將此監(jiān)控系統(tǒng)安裝在大型的起重機械設(shè)備上，實現(xiàn)了對特大型危險特種設(shè)備的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，完成了起重機作業(yè)下的數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析以及安全評估提供了重要依據(jù)，基本實現(xiàn)了大型特種起重設(shè)備的長期實時在線監(jiān)測。

    在大型起重設(shè)備的操作實施過程中缺乏合理健康的管理，它不像飛機一樣帶存儲芯片式的黑匣子功能，發(fā)生事故的重要原因是沒辦法實現(xiàn)追蹤，導(dǎo)致事故的原因分析與責(zé)任的追究不能夠長期有效的開展，另外，大型起重設(shè)備缺乏管理的重要表現(xiàn)是由于發(fā)生故障而不能及時預(yù)警。對于大型起重設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究，在早期，國內(nèi)外較多的科技研發(fā)機構(gòu)也投入了相對較多時間，由于早期情況下科研的水平相應(yīng)較為低下，整個系統(tǒng)所用的處理器、元器件與軟件的算法等性能都相應(yīng)不好，造成傳感器采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性偏低、精度不高以及存儲方法的局限性，導(dǎo)致非常珍貴的歷史數(shù)據(jù)常常丟失、起重設(shè)備的性能指標(biāo)無法進行可靠分析。因此，目前階段安全監(jiān)控系統(tǒng)研究的側(cè)重應(yīng)集中于傳感器數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)實時性可靠分析、歷史數(shù)據(jù)的存儲查看與保存及作業(yè)過程中的管理等等，為了實現(xiàn)起重機械設(shè)備安全運行的有效監(jiān)管必須裝有此類安全監(jiān)測系統(tǒng)。我國如宜昌微特電子開發(fā)的鐵路架橋機的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，如圖1.5 所示，

 

 

實現(xiàn)了對架橋機運行姿態(tài)安全性的實時監(jiān)測，避免架橋機駕駛?cè)藛T由于工作失誤而導(dǎo)致的事故情況，該系統(tǒng)主要由監(jiān)控系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)信息保存和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成，可以查

詢歷史數(shù)據(jù)信息，且可在后臺進行分析架橋機是否處于危險狀態(tài)，能將架橋機的運行姿態(tài)的各種被測信息上傳并且保存于服務(wù)器終端，可以遠(yuǎn)程查看架橋機的實時 GPS 正確位置，出現(xiàn)危險故障時進行預(yù)警與報警警示，并且保存故障的具體信息，提高架橋機在運行過程中的精度與可靠性，可以合理的管理架橋機在運行過程中的歷史記錄，運用無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)模塊，實現(xiàn)對架橋機的遠(yuǎn)程操作修復(fù)，并且提供和 PLC 的通信端口，實時的獲取各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)并進行清晰實時顯示。最近，北京中船信息科技有限公司新推出了一套起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，如圖 1.6所示，該系統(tǒng)具有較高的精度且測量特別精確，并且可以提供遠(yuǎn)程故障診斷，能夠精確地測量起重機各個機構(gòu)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，起重機械的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)實時的在線監(jiān)測，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星定位及云計算技術(shù)等使用緊密相關(guān)，為起重機的安全作提供了堅強的后盾。

作為精密儀器制造的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者安川公司，也不甘于落后，該公司將監(jiān)測系統(tǒng)研究重點對象集中在了港口的集裝箱裝卸設(shè)備，安川公司結(jié)合了實際管理需求與起重機設(shè)備安全監(jiān)控的有用信息，研發(fā)出了一套相對綜合性的監(jiān)控系統(tǒng)，將起重機械作業(yè)監(jiān)測與企業(yè)生產(chǎn)管理相結(jié)合，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控與企業(yè)管理無縫鏈接，該系統(tǒng)使作業(yè)現(xiàn)場無需太工作人員的分配參與起重機作業(yè)與生產(chǎn)管理，為實現(xiàn)無人化的監(jiān)管奠定了堅實的基礎(chǔ)。