專利名稱：基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大型起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，尤其涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
起重機(jī)械是主要工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“骨干”，但大型起重機(jī)械安全問題面臨的形勢和挑戰(zhàn)卻非常嚴(yán)峻，重特大事故仍時(shí)有發(fā)生。隨著我國起重機(jī)數(shù)量急增，其事故數(shù)量連續(xù)五年高居各類特種設(shè)備事故首位；與此同時(shí)，全國上下對公共安全方面要求越來越高，使得特種設(shè)備特別是起重機(jī)在保安全、促發(fā)展方面責(zé)任更重、壓力更大。因此，研究起重機(jī)安全預(yù)警技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。目前，國內(nèi)對起重機(jī)械安全保證仍然以維保單位的“定期保養(yǎng)，事后維修”和質(zhì)檢部門的2年一個周期的定期檢驗(yàn)為主，缺乏大型起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)，尚未能對大型起重機(jī)運(yùn)行安全問題采取更有針對性、更有效的措施，防止各類公共安全事故的發(fā)生，因此，亟需提出一種有針對性的措施來預(yù)防此類事故發(fā)生，起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警技術(shù)便隨之而生。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述中存在的問題與缺陷，本發(fā)明提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于起重機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警技術(shù)中，結(jié)合不受電磁干擾的光纖光柵傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、智能識別與專家系統(tǒng)等技術(shù)手段，將起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測由定期檢測提升至實(shí)時(shí)在線監(jiān)測層次，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、防雷、高精度、寬量程、高可靠性、智能性、壽命長等特點(diǎn)。所述技術(shù)方案如下:
基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括:物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，所述物聯(lián)網(wǎng)感知層，用于采集起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康參數(shù)的光信號，將光信號解調(diào)成電信號，并將傳感數(shù)據(jù)電信號壓縮封裝后傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，用于接收電信號數(shù)據(jù)，對電信號進(jìn)行識別處理，并將識別處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并判定是否發(fā)出報(bào)警信號。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:將光纖光柵傳感技術(shù)引入到大型起重機(jī)械健康監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)中，改變常規(guī)應(yīng)力測試效率低、強(qiáng)度大、無法長期監(jiān)測的不足，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、分布式地獲取起重機(jī)械結(jié)構(gòu)在整機(jī)運(yùn)行過程中關(guān)鍵參數(shù)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測大型起重機(jī)械安全狀況提供新的手段?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，可全天候?qū)Υ笮推鹬貦C(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行全生命周期的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測與安全預(yù)警，具有無電磁干擾、精度高、量程寬、可靠性高、壽命長等特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層采用基于現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡(luò)(EDGE/3G)的分布式測量技術(shù)，通過應(yīng)力、應(yīng)變及溫度數(shù)據(jù)采集和特征提取，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命預(yù)測等功能。業(yè)務(wù)平臺軟件系統(tǒng)提供廣州轄區(qū)內(nèi)大型起重機(jī)械設(shè)備的資料收錄、翻查等功能。


圖1是基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2是物聯(lián)網(wǎng)感知層組成結(jié)構(gòu)圖；圖3是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層組成結(jié)構(gòu)圖；圖4是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層組成結(jié)構(gòu)圖；圖5是業(yè)務(wù)平臺軟件系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述:本實(shí)施例提供了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，所述物聯(lián)網(wǎng)感知層，用于采集起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康參數(shù)的光信號，將光信號解調(diào)成電信號，并將傳感數(shù)據(jù)電信號壓縮封裝后傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，用于接收電信號數(shù)據(jù)，對電信號進(jìn)行識別處理，并將識別處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián) 網(wǎng)應(yīng)用層；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并判定是否發(fā)出報(bào)警信號。上述起重機(jī)主金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)包括應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和加速度參數(shù)等。上述物聯(lián)網(wǎng)感知層基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)的毛細(xì)血管，包括焊接在起重機(jī)I上的光纖光柵傳感器、光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)和信息處理與網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模塊，其中，信息處理與網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模塊包括顯示器4和安裝在解調(diào)儀上的主動程序。焊接在起重機(jī)上的光纖光柵傳感器組成傳感網(wǎng)，實(shí)時(shí)采集起重機(jī)主金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等結(jié)構(gòu)健康參數(shù)的光信號；與各路光纖光柵傳感器連接的光纖光柵傳感器解調(diào)儀，把采集到的光信號解調(diào)成電信號；與光纖光柵傳感器解調(diào)儀2連接的信息處理與網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模塊，通過傳感信號編解碼協(xié)同信息處理，傳感器中間件技術(shù)等手段，將傳感數(shù)據(jù)電信號進(jìn)行壓縮封裝后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸單元3 (DTU)(如圖2所示)。上述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層是基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)的動靜脈，包括數(shù)據(jù)傳輸單元DTU、TCP/IP協(xié)議、EDGE/3G協(xié)議和防火墻(如圖3所示)，其中數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)接收來自解調(diào)儀封裝后的傳感數(shù)據(jù)電信號，通過Internet網(wǎng)絡(luò)，采用EDGE/3G協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程中央服務(wù)器；遠(yuǎn)程中央服務(wù)器用于接收經(jīng)解調(diào)過的起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康參數(shù)電信號，進(jìn)而對該信號進(jìn)行識別處理。上述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層是基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)的心臟，包括所述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層包括業(yè)務(wù)平臺軟件系統(tǒng)與人機(jī)界面。其中，業(yè)務(wù)平臺軟件系統(tǒng)硬件部分包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、短信服務(wù)器、電腦客戶端和手機(jī)客戶端(如圖4所示)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過積累分析后組建起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)的心臟。如圖5所示，為業(yè)務(wù)平臺軟件系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括:用戶信息管理模塊、系統(tǒng)配置模塊、信息采集與傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、現(xiàn)場顯示模塊、用戶幫助模塊。用戶信息管理模塊主要用于存放可以訪問本系統(tǒng)的用戶個人信息和用戶權(quán)限管理，包括用戶名、登陸密碼、用戶權(quán)限以及用戶的詳細(xì)資料等。系統(tǒng)配置模塊用于信息采集時(shí)硬件部分的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。該模塊由傳感器設(shè)置與采集方式設(shè)置組成。傳感器設(shè)置主要設(shè)定光纖光柵傳感器的中心波長、所在通道、測量類型，以及計(jì)算所需物理量所需系數(shù)。采集方式設(shè)定模塊用于設(shè)定采集的采集控制方式與采集頻率。信息采集與傳輸模塊負(fù)責(zé)讀取光纖光柵傳感實(shí)時(shí)波長信息，經(jīng)溫度及應(yīng)變計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)應(yīng)變信息并存儲數(shù)據(jù)；同時(shí)，將監(jiān)測信息定時(shí)或?qū)崟r(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫管理模塊主要用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和查詢。包括起重機(jī)信息、傳感器信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)分析模塊是健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心模塊。它實(shí)現(xiàn)了對其中機(jī)械關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的實(shí)時(shí)顯示功能，同時(shí)結(jié)合損傷預(yù)警、損傷識別、壽命評估等相關(guān)理論，對起重機(jī)的健康狀況進(jìn)行評價(jià)，監(jiān)測信息超出設(shè)定范圍時(shí)向指定手機(jī)用戶發(fā)送短信報(bào)警，并給出維護(hù)建議?，F(xiàn)場顯示模塊負(fù)責(zé)向現(xiàn)場用戶顯示結(jié)構(gòu)各處的應(yīng)變情況，并顯示預(yù)警信息，緊急時(shí)可控制蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。用戶幫助模塊用于向用戶介紹系統(tǒng)的使用說明。通過數(shù)據(jù)通信將信息傳輸?shù)街醒胩幚砥骱螅瑯I(yè)務(wù)平臺軟件系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過一次線性擬合公式T = MU-Atl)+Ttl (式中，M (°C/nm)為溫度系數(shù)，入(nm)為光波當(dāng)前波長，X ^—般取Ttl=CTC的波長，溫度傳感器在Ttl溫度下的波長為\ )計(jì)算光線光柵溫度傳感器的溫度，再通過溫度補(bǔ)償公式I = N(A1-A0)+B(Atl-Ato)-Q AT (N為應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變系數(shù)(U I /nm) ;B為傳感器修正系數(shù)(ii I /nm) ； A:為應(yīng)變光纖當(dāng)前的波長值(nm) 0為應(yīng)變光纖初始的波長值(nm) ； A tl為溫補(bǔ)光纖當(dāng)前的波長值(nm);入t(l為溫補(bǔ)光纖初始的波長值(nm) ；a (u U0C)為被測物體熱膨脹系數(shù)，A T=IOO X U tl-X t(l)，單位取°C )計(jì)算應(yīng)變值，最終獲得應(yīng)力值；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；計(jì)算后的應(yīng)力值與計(jì)算好的應(yīng)力閾值進(jìn)行比較(這個閾值是通過材料力學(xué)方法，有限元方法計(jì)算得出的，主要是材料所能承受的最大拉力或壓力)，從而判定是否發(fā)送預(yù)警信息；人機(jī)界面安裝于司機(jī)室，預(yù)報(bào)警信號實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿緳C(jī)室；超過閾值，人機(jī)界 面就會發(fā)出報(bào)警信號提示操作人員采取緊急措施，同時(shí)報(bào)警信號超過EDGE/3G技術(shù)，以短信方式發(fā)送到主管起重機(jī)安全運(yùn)行的工作人員手機(jī)客戶端；具有網(wǎng)絡(luò)連接的個人電腦終端，用于遠(yuǎn)程瀏覽起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀況。上述物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層三個部分密不可分，共同組成一個系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警任務(wù)。隨著數(shù)據(jù)的累積，建立起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測評估系統(tǒng)，用于起重機(jī)在線評估、安全預(yù)警、壽命預(yù)測、安全性、耐久性等方面的安全評估工作。在起重機(jī)械安全評估的基礎(chǔ)上，對起重機(jī)械進(jìn)行系統(tǒng)測試并展開應(yīng)用示范，逐步完善系統(tǒng)，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，所述 物聯(lián)網(wǎng)感知層，用于采集起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康參數(shù)的光信號，將光信號解調(diào)成電信號，并將傳感數(shù)據(jù)電信號壓縮封裝后傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層； 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，用于接收電信號數(shù)據(jù)，對電信號進(jìn)行識別處理，并將識別處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層； 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并判定是否發(fā)出報(bào)警信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層分別是基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)的毛細(xì)血管、動靜脈和心臟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述起重機(jī)主金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)包括應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和加速度參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述物聯(lián)網(wǎng)感知層包括光纖光柵傳感器、光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)和信息處理與網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層包括數(shù)據(jù)傳輸單元DTU、TCP/IP協(xié)議和EDGE/3G協(xié)議。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層包括業(yè)務(wù)平臺軟件系統(tǒng)與人機(jī)界面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，所述業(yè)務(wù)平臺·軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、短信服務(wù)器、電腦客戶端和手機(jī)客戶端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全預(yù)警系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，所述物聯(lián)網(wǎng)感知層，用于采集起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康參數(shù)的光信號，將光信號解調(diào)成電信號，并將傳感數(shù)據(jù)電信號壓縮封裝后傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，用于接收電信號數(shù)據(jù)，對電信號進(jìn)行識別處理，并將識別處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并判定是否發(fā)出報(bào)警信號。本發(fā)明基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可全天候?qū)Υ笮推鹬貦C(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行全生命周期的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測與安全預(yù)警，具有無電磁干擾、精度高、量程寬、可靠性高、壽命長等特點(diǎn)。
文檔編號B66C15/06GK103241658SQ20131015278
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者黃國健, 王偉雄, 王新華, 王東輝 申請人:廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院