本发明提供一种港口起重机健康监测与预报可视化系统，包括：传感器子系统、信息采集与传输子系统、中心服务器以及系统客户端；传感器子系统用于获取起重机实时运行参数；信息采集与传输子系统用于通过无线发送单元将起重机实时运行参数发送至中心服务器；中心服务器用于对起重机实时运行参数进行存储与管理，进而对所述起重机进行健康诊断，得到健康状况诊断报告；并根据诊断结果预测所述起重机是否失效或发生故障，评价所述起重机运行安全性，得到安全评价报告；系统客户端用于显示所述起重机实时运行参数、所述健康状况诊断报告和所述安全评价报告。能全面、高效、实时的监控港口起重机健康状态，保障港口起重机的安全运行。
港口起重机健康监测与预报可视化系统
技术领域
[0001] 本发明属于设备健康监测技术领域，具体设及一种港口起重机健康监测与预报可 视化系统。
背景技术
[0002] 随着国民经济的发展和生产复杂程度的提高，港口起重机在港口码头运输中发挥 着重要作用，港口起重机逐渐向着大型化、功能多元化的方向发展，政府和社会对港口起重 机安全管理工作的要求也越来越高。
[0003] 目前，港口起重机安全管理水平还停留在较低水平，主要表现为W下几个方面：1) 安全保障方面，仍然W定检、监检为主，所采用的技术手段多为相对落后的目测、感观判断、 停机测量、磁粉探伤等，检验人员的工作量大但效率较低，且停机状态下的检测结果不能说 明工作状态下的运行情况;2)港口起重机的安全监控和管理自动化水平低，仍主要依靠日 常人工点检和定期维护等传统方式，存在效率低、实时性差、信息不全面、不便于数据的统 计和分析等问题;3)现有港口起重机监控系统功能单一，无法实时、全面地掌握起重机运行 参数，因此，难W对起重机进行全面有效监控，进而难W保障现场工作人员安全。
发明内容
[0004] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种港口起重机健康监测与预报可视化系 统，能全面、高效、实时的监控港口起重机健康状态，保障港口起重机的安全运行。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：
[0006] 本发明提供一种港口起重机健康监测与预报可视化系统，包括:传感器子系统、信 息采集与传输子系统、中屯、服务器W及系统客户端；
[0007] 所述传感器子系统用于获取起重机实时运行参数；[000引所述信息采集与传输子系统用于采集所述传感器子系统获取到的所述起重机实 时运行参数，并通过无线发送单元将所述起重机实时运行参数发送至所述中屯、服务器；
[0009] 所述中屯、服务器用于接收来自所述信息采集与传输子系统的起重机实时运行参 数，对所述起重机实时运行参数进行存储与管理，进而对所述起重机进行健康诊断，得到健 康状况诊断报告;并根据诊断结果预测所述起重机是否失效或发生故障，评价所述起重机 运行安全性，得到安全评价报告；
[0010] 所述系统客户端用于显示所述起重机实时运行参数、所述健康状况诊断报告和所 述安全评价报告。
[0011] 优选的，所述传感器子系统包括：
[0012] 第一类传感器，用于监测起重机机构健康状态；
[0013] 第二类传感器，用于监测起重机结构健康状态；
[0014] 电气控制系统，用于监测起重机电气健康状态；
[0015] 智能标签，安装于起重机关键点检位置，用于标识起重机关键点检位置。
[0016] 优选的，所述第一类传感器包括振动传感器、溫度传感器和位移传感器;所述振动 传感器用于采集起升/变幅/回转机构驱动电机、起升/变幅/回转机构减速机的振动信号； 所述溫度传感器用于采集起升/变幅/回转机构减速机的溫度信号;所述位移传感器用于采 集起升/变幅/回转机构制动器的位移信号；
[0017] 所述第二类传感器包括应变传感器，用于采集起重机口架结构、上传柱、主臂架大 臂、耳板较接处W及耳板根部的应变信号。
[0018] 优选的，所述振动传感器为压电式加速度传感器，采用打孔方式、焊接方式或磁基 座方式安装到港口起重机各机构中的驱动电机及减速机上，用于感知驱动电机及减速机的 振动加速度变化信息;所述振动传感器的安装位置包括:起升机构/大车运行机构/小车运 行机构的驱动主电机输出轴;起升机构/大车运行机构/小车运行机构的减速机高速轴外侧 Χ、γ、ζ方向、低速轴外侧Χ、Υ、Ζ方向；
[0019] 所述溫度传感器为高导热封装式热电偶，采用螺纹连接方式安装到港口起重机各 机构中的减速机上，用于感知各机构减速机润滑油的溫度变化信息;所述溫度传感器的安 装位置包括:起升机构/大车运行机构/小车运行机构的减速机低速轴油封孔；
[0020] 所述位移传感器为高精度直线式位移传感器，采用螺栓固定方式安装到港口起重 机各机构中的制动器上，用于感知制动器闽瓦的位移信息;所述位移传感器的安装位置包 括:起升机构/大车运行机构/小车运行机构的制动器闽瓦上；[0021 ]所述应变传感器为自溫补光纤光栅应变传感器，采用焊接方式安装到钢结构上； 具体安装位置为:所述主梁/副梁/端梁的腹板或盖板上/大车运行机构/小车运行机构的车 轮上/起升机构的动滑轮或定滑轮上；
[0022] 所述智能标签采用高频RFID射频卡，采用粘贴或打孔安装方式安装于起重机关键 点检部位，用于对关键点检部位进行相应的编号。
[0023] 优选的，所述信息采集与传输子系统包括:振动信号采集单元、溫度信号采集单 元、位移信号采集单元、应变信号采集单元、电气控制信号采集单元、智能点检终端和信息 传输系统;所述信息传输系统分别与所述振动信号采集单元、溫度信号采集单元、位移信号 采集单元、应变信号采集单元和智能点检终端连接；
[0024] 其中，所述振动信号采集单元、所述溫度信号采集单元、所述位移信号采集单元和 所述应变信号采集单元分别采集对应传感器的振动、溫度、位移和应变信号，并通过所述信 息传输系统上传到所述中屯、服务器；
[0025] 所述智能点检终端内置有RFID读写器，用于读取所述智能标签内存储的编号信 息，并直接通过无线发送单元上传到所述中屯、服务器；
[0026] 所述电气控制信号采集单元用于采集电气控制系统的电气信号，并通过所述信息 传输系统上传到所述中屯、服务器。
[0027] 优选的，所述信息传输系统包括:数据缓冲队列、数据服务器、Redis服务器和监控 客户端；[00%]所述数据缓冲队列作为各传感器与数据服务器之间的数据中转服务器，负责缓冲 从起重机各个传感器采集到的监测数据，并定时将该监测数据发送至数据服务器；
[0029]所述数据服务器包括数据接收端、数据解析器和数据提供端;所述数据接收端提 供数据监听端口，用于监听数据缓冲队列的发送端口所发送的监测数据，并利用数据解析 器对监测数据进行解析，将解析后的数据存入所述Redis服务器;所述数据提供端作为Web 服务器为监控客户端提供服务；当监控客户端发送监测数据请求到所述数据服务器时，所 述数据提供端从Redis服务器读取监测数据作为响应返回到所述监控客户端。
[0030] 优选的，所述中屯、服务器包括:安全档案管理模块、智能点检模块、机构健康监测 模块、结构健康监测模块、电气健康监测模块、健康诊断预报模块和安全性评价模块；
[0031] 所述安全档案管理模块：用于显示及管理维护港口起重机械安全技术档案，并提 供用户输入和管理接口；通过所述用户输入和管理接口，接收港口起重机械安全技术档案， 通过所述系统客户端查询、显示及维护所述港口起重机械安全技术档案;其中，所述港口起 重机械安全技术档案包括港口起重机的电子图纸、基本参数信息表W及重大维修改造记录 ί目息；
[0032] 所述智能点检模块：用于显示港口起重机械关键部位的智能点检信息，并提供用 户输入和管理接口；
[0033] 所述机构健康监测模块：用于显示港口起重机械各机构运行状况的实时监测信 息，并对机构失效进行预警和报警；
[0034] 所述结构健康监测模块：用于显示港口起重机械各结构状况的实时监测信息，并 对结构失效进行预警和报警；
[0035] 所述电气健康监测模块:用于显示港口起重机械电气控制系统运行状况的实时监 测信息，并对电气系统故障进行预警和报警；
[0036] 所述健康诊断预报模块:用于显示港口起重机械各机构、结构、电气控制系统的诊 断报告，W及港口起重机械整机总体的健康诊断报告；
[0037] 所述安全性评价模块:用于显示港口起重机械各个机构、结构、电气控制系统的安 全评价结果，W及整机总体的安全评价结果。[003引优选的，所述中屯、服务器构造 MS化数据库集群、redis数据库集群和MongoDB数据 库集群;通过所述MYS化数据库集群，分布式存储原始数据和分析结果数据;通过所述redi S 数据库集群，分布式存储实时数据;通过所述MongoDB数据库集群，分布式存储文档型数据。
[0039] 本发明的有益效果如下：
[0040] 本发明提供的港口起重机健康监测与预报可视化系统，W先进的传感技术、智能 维保管理技术、监测预报技术和安全评价技术为基础，结合了物联网、云平台、大数据挖掘 等先进信息技术，克服了传统的港口起重机安全管理工作存在的效率低、实时性差、监控信 息不全面、监控功能单一等问题，同时实现了港口起重机健康运行状况的诊断和评价功能， 能够及时预报起重机机械故障和安全事故的发生，对于保障港口起重机的安全运行、提升 港口起重机的安全管理水平、提高港口企业经济效益等具有重要的意义。
附图说明
[0041] 图1为本发明提供的的港口起重机健康监测与预报可视化系统的整体结构原理 图；
[0042] 图2为本发明提供的信息传输系统数据处理过程的流程图；
[0043] 图3为本发明提供的中屯、服务器构造的数据存储架构图。
具体实施方式
[0044] W下结合附图对本发明进行详细说明：
[0045] 本发明提供一种港口起重机健康监测与预报可视化系统，主要对港口起重机械的 健康状况进行实时监测、健康诊断、健康预报W及健康管理等。具体的，包括:传感器子系 统、信息采集与传输子系统、中屯、服务器W及系统客户端四部分，实现结构健康监测、机构 健康监测和电气健康监测，并基于所监测的数据对港口起重机的健康状况进行诊断，对其 安全性进行评价。如图1所示，为港口起重机健康监测与预报可视化系统的整体结构原理 图，W下详细说明：
[0046] (一)传感器子系统
[0047] 传感器子系统用于获取起重机实时运行参数，包括:第一类传感器，用于监测起重 机机构健康状态;第二类传感器，用于监测起重机结构健康状态；电气控制系统，用于监测 起重机电气健康状态；智能标签，安装于起重机关键点检位置，用于标识起重机关键点检位 置。
[0048] 其中，第一类传感器包括振动传感器、溫度传感器和位移传感器;所述振动传感器 用于采集起升/变幅/回转机构驱动电机、起升/变幅/回转机构减速机的振动信号;所述溫 度传感器用于采集起升/变幅/回转机构减速机的溫度信号；所述位移传感器用于采集起 升/变幅/回转机构制动器的位移信号；
[0049] 第二类传感器包括应变传感器，用于采集起重机口架结构、上传柱、主臂架大臂、 耳板较接处W及耳板根部的应变信号。
[0050] 另外，实际应用中，振动传感器为压电式加速度传感器，采用打孔方式、焊接方式 或磁基座方式安装到港口起重机各机构中的驱动电机及减速机上，用于感知驱动电机及减 速机的振动加速度变化信息;所述振动传感器的安装位置包括但不限于:起升机构/大车运 行机构/小车运行机构的驱动主电机输出轴;起升机构/大车运行机构/小车运行机构的减 速机高速轴外侧Χ、Υ、Ζ方向、低速轴外侧Χ、Υ、Ζ方向；
[0051] 溫度传感器为高导热封装式热电偶，采用螺纹连接方式安装到港口起重机各机构 中的减速机上，用于感知各机构减速机润滑油的溫度变化信息;所述溫度传感器的安装位 置包括但不限于:起升机构/大车运行机构/小车运行机构的减速机低速轴油封孔；
[0052] 位移传感器为高精度直线式位移传感器，采用螺栓固定方式安装到港口起重机各 机构中的制动器上，用于感知制动器闽瓦的位移信息，如动作状态、行程位移;所述位移传 感器的安装位置包括但不限于:起升机构/大车运行机构/小车运行机构的制动器闽瓦上；
[0053] 所述应变传感器为自溫补光纤光栅应变传感器，采用焊接方式安装到钢结构上； 安装位置包括但不限于:所述主梁/副梁/端梁的腹板或盖板上/大车运行机构/小车运行机 构的车轮上/起升机构的动滑轮或定滑轮上；
[0054] 智能标签采用高频RFID射频卡，采用粘贴或打孔安装方式安装于起重机日常运行 及维护中需要点检的部位，用于对点检部位进行相应的编号W便于识别。
[0055] (二)信息采集与传输子系统
[0056] 信息采集与传输子系统用于采集传感器子系统获取到的起重机实时运行参数，并 通过无线发送单元将起重机实时运行参数发送至中屯、服务器。
[0057] 信息采集与传输子系统包括:振动信号采集单元、溫度信号采集单元、位移信号采 集单元、应变信号采集单元、电气控制信号采集单元、智能点检终端和信息传输系统;所述 信息传输系统分别与所述振动信号采集单元、溫度信号采集单元、位移信号采集单元、应变 信号采集单元、智能点检终端连接;其中，振动信号采集单元、溫度信号采集单元、位移信号 采集单元和应变信号采集单元分别采集对应传感器的振动、溫度、位移和应变信号，并通过 所述信息传输系统上传到所述中屯、服务器；智能点检终端内置有RFID读写器，用于读取所 述智能标签内存储的编号信息，并直接通过无线发送单元上传到所述中屯、服务器。
[0058] 各采集单元的基本参数及技术指标如下：
[0059] (1)振动信号采集单元参数：
[0060]
[0064] (3)位置信号采集单元参数：[00化]__
[0066] (4)应变信号采集单元参数:
[0067] 应变信号采集单元采用自主研发的GTS-ASHM-001健康监测解调仪，可适用于光纤 光栅溫度、应变、压力、位移等多种类型的光纤光栅传感器信号解调和传感数据动态采集， 也可用于光纤加速度传感器的高速信号解调及数据采集。该健康监测解调仪采用扫描激光 器与并行光谱探测技术，光源输出光功率利用率高达85% W上，相比传统的ASE+可调滤波 器技术，光源输出功率提高了 100倍W上，电源功耗则下降50%，光源有效使用寿命提高10 年W上。其中，主要性能指标如下表所示。[006引
[0069] (5)智能点检终端参数：
[0070]
[0071] (S)中屯、服务器
[0072] 中屯、服务器用于接收来自所述信息采集与传输子系统的起重机实时运行参数，对 所述起重机实时运行参数进行存储与管理，进而对所述起重机进行健康诊断，得到健康状 况诊断报告;并根据诊断结果预测所述起重机是否失效或发生故障，评价所述起重机运行 安全性，得到安全评价报告。
[0073] 具体的，中屯、服务器包括:安全档案管理模块、智能点检模块、机构健康监测模块、 结构健康监测模块、电气健康监测模块、健康诊断预报模块和安全性评价模块；
[0074] 安全档案管理模块：用于显示及管理维护港口起重机械安全技术档案，并提供用 户输入和管理接口；通过所述用户输入和管理接口，接收港口起重机械安全技术档案，通过 所述系统客户端查询、显示及维护所述港口起重机械安全技术档案;其中，所述港口起重机 械安全技术档案包括港口起重机的电子图纸、基本参数信息表W及重大维修改造记录信 息;通过安全档案管理模块，便于对港口起重机安全技术文档的进行统一管理、信息共享， 同时可为港口起重机的备件更换、失效分析、健康评价提供有效参考。
[0075] 智能点检模块：用于显示港口起重机械关键部位的智能点检信息，并提供用户输 入和管理接口；通过智能点检模块，运用信息技术和手持移动设备实现了港口起重机械日 常维保点检项目的点检规范化，操作便捷化，数据有效化，记录无纸化，监察科学化，信息共 享化，能够显著提升起重机械使用单位管理水平与设备的使用安全；
[0076] 机构健康监测模块：用于显示港口起重机械各机构运行状况的实时监测信息，并 对可能发生的机构失效W声光报警方式提示用户。通过机构健康监测模块，能实时监测港 口起重机各机构的运行状况，对可能发生的机构失效能够及时预警，对减少经济损失，降低 安全事故具有重要意义；
[0077] 结构健康监测模块：用于显示港口起重机械各结构状况的实时监测信息，并对可 能发生的机械结构失效W声光报警方式提示用户。通过结构健康监测模块，能实时监测港 口起重机各结构状况，对可能发生的机械结构失效能够及时预警，对减少经济损失，降低安 全事故具有重要意义；
[0078] 电气健康监测模块:用于显示港口起重机械电气控制系统运行状况的实时监测信 息，并对可能发生的电气系统故障W声光报警方式提示用户。通过电气健康监测模块，能实 时监测港口起重机电气控制系统的运行状况，对可能发生的电气故障能够及时预警，对减 少经济损失，降低安全事故具有重要意义；
[0079] 健康诊断预报模块:用于显示港口起重机械各机构、结构、电气控制系统的诊断报 告，W及港口起重机械整机总体的健康诊断报告;通过健康诊断预报模块，能够对起重机各 机构、结构、电气系统的健康状况进行评判、诊断，从而可W准确、实时地掌握起重机的整体 健康状况，对于避免突发性停机造成的经济损失和安全事故的预防具有重要意义；
[0080] 安全性评价模块:用于显示港口起重机械各个机构、结构、电气控制系统的安全评 价结果，W及整机总体的安全评价结果。采取将层次分析法和模糊综合评判法合理组合的 策略，充分发挥二者的优点弥补对方不足，能够更加合理地实现对于港口起重机运种重大 设备的客观评价。
[0081] (四）系统客户端
[0082] 系统客户端用于起重机实时运行参数、健康状况诊断报告、安全评价报告，W及剩 余寿命预测报告的显示输出和管理功能。
[0083] 本发明提供的港口起重机健康监测与预报可视化系统，具体工作流程包括W下几 个步骤：
[0084] 步骤1:获取起重机运行状况信息
[0085] 起重机运行状况信息通过W下几个部分获取:收集安全技术档案信息、采集关键 部位点检信息、采集机构运行信息、采集结构状况信息、采集电气控制系统运行信息。其中 各部分信息获取的具体实施方法为：
[0086] 安全技术档案信息的收集:将港口起重机的电子图纸、基本参数信息表W及重大 维修改造记录等，直接通过系统软件录入中屯、服务器。
[0087] 关键部位点检信息的采集:利用智能点检终端扫描安装于起重机上的智能标签， 读取区域信息和点检项目，点检结果可通过有线或者无线方式上传到中屯、服务器进行存 储。
[0088] 机构运行信息的采集:通过在起重机的起升机构、变幅机构、旋转机构及行走机构 上安装相应的传感器及信号采集单元，获取起重机各机构的运行状况信息。其中，采用振动 传感器、溫度传感器获取各机构中驱动电机、减速机的振动、轴承溫度信息，采用位置传感 器获取各机构制动器的制动闽瓦行程及状态信息。
[0089] 结构状况信息的采集:通过在起重机的口架、转盘、上传柱、平衡系统、主臂架等钢 结构上安装相应的传感器，采集起重机各主要钢结构的实时状况信息。其中，采用应变传感 器获取起重机各主要钢结构及钢结构之间焊缝的变形、应变信息，采用声发射传感器获取 起重机各主要钢结构的裂纹损伤信息。
[0090] 电气系统信息的采集:通过直接读取起重机上电气控制系统化C的控制信号，获取 起重机电气系统的实时运行信息。
[0091] 步骤2:起重机运行状况信息的传输、存储。
[0092] 所获取的起重机各机构、结构、电气系统的运行状况信息均通过无线发送模块传 输至中屯、服务器进行存储，所获取的关键部位点检信息直接由智能点检终端经有线或无线 的方式发送至中屯、服务器进行存储。其中，智能点检终端可W为智能手持仪。信息的传输和 存储方案分别为：
[0093] 信息传输方案：
[0094] 如图2所示，信息传输系统数据处理过程为：[00M]信息传输系统包括:数据缓冲队列、数据服务器、Redis服务器和监控客户端四部 分;其中，Redis服务器是一个开源的使用ANSI打吾言编写、支持网络、可基于内存亦可持久 化的日志型、Ke厂化lue数据库，数据缓冲队列作为各传感器与数据服务器之间的数据中转 服务器，负责缓冲从起重机各个传感器采集到的监测数据，并定时将该监测数据发送至数 据服务器；
[0096] 所述数据服务器包括数据接收端、数据解析器和数据提供端;所述数据接收端提 供数据监听端口，用于监听数据缓冲队列的发送端口所发送的监测数据，并利用数据解析 器对监测数据进行解析，将解析后的数据存入所述Redis服务器;所述数据提供端作为Web 服务器为监控客户端提供服务；当监控客户端发送监测数据请求到所述数据服务器时，所 述数据提供端从Redis服务器读取监测数据作为响应返回到所述监控客户端。
[0097] 信息存储的方案为：
[0098] 本发明中，中屯、服务器构造的数据存储架构如图3所示，包括MYSQU关系型数据库 管理系统)数据库集群、redis数据库集群和MongoDB(分布式文档存储数据库)数据库集群； 通过所述MYS化数据库集群，分布式存储用户使用频率较高的原始数据和分析结果数据;通 过所述redi S数据库集群，分布式存储实时数据;通过所述MongoDB数据库集群，分布式存储 文档型数据，从而保障系统在数据服务上的吞吐率及存储效率。[0099 ]步骤3:起重机健康状况的诊断、评价与预报。
[0100] 当中屯、服务器获得起重机的运行状况信息后，首先利用信号处理方法、模式识别 方法对所获得的信息进行预处理及故障特征提取，然后综合运用损伤失效分析方法、故障 树分析方法、可靠性评价方法、层次分析法W及模糊综合评判法，对港口起重机进行健康状 况的诊断，失效或故障的预报、W及安全性的评价，最后通过系统客户端显示出港口起重机 运行状况的实时数据、健康诊断报告、安全评价报告。
[0101] 综上所述，本发明提供的港口起重机健康监测与预报可视化系统，W先进的传感 技术、智能维保管理技术、监测预报技术和安全评价技术为基础，结合了物联网、云平台、大 数据挖掘等先进信息技术，克服了传统的港口起重机安全管理工作存在的效率低、实时性 差、监控信息不全面、监控功能单一等问题，同时实现了港口起重机健康运行状况的诊断和 评价功能，能够及时预报起重机机械故障和安全事故的发生，对于保障港口起重机的安全 运行、提升港口起重机的安全管理水平、提高港口企业经济效益等具有重要的意义。
[0102] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视本发明的保护范围。
