面向云服務(wù)的起重裝備健康監(jiān)測一體化系統(tǒng)

一、概述

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，SHM）是利用安裝在結(jié)構(gòu)中的傳感器，通過對結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進(jìn)行無損檢測，在線實時地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的結(jié)構(gòu)信息（應(yīng)力、溫度、振動特性等），結(jié)合信號處理和損傷識別，對結(jié)構(gòu)的安全狀況做出評估，提出使用和維護(hù)意見。

作為健康監(jiān)測的實現(xiàn)載體，它涉及多個交叉領(lǐng)域，包括現(xiàn)代檢測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、信號分析技術(shù)和人工智能技術(shù)等，隨著這些技術(shù)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)正向自動化、實時化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢發(fā)展。目前，測試上具有快速大容量的信息采集與通信能力，力求用各種可能的傳感器對結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行實時監(jiān)控和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評估的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的前沿結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

二、云計算相關(guān)理論及技術(shù)

“云計算”（Cloud Computing）是分布式處理（Distributed Computing）、并行處理（Parallel Computing）和網(wǎng)格計算（Grid Computing）的發(fā)展，或者說是這些計算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實現(xiàn)。

1.云計算的特點

云計算的特點如下：

1）超大規(guī)模。

2）虛擬化。

3）高可靠性。

4）通用性。

5）高可擴(kuò)展性。

6）按需服務(wù)。

7）極其廉價。

2.云的分類

從部署類型或者說從“云”的歸屬來看，云計算主要分為私有云、公有云和混合云三種形態(tài)。

1）公有云。在此種模式下，應(yīng)用程序、資源、存儲和其他服務(wù)都由云服務(wù)供應(yīng)商來提供給用戶，這些服務(wù)多半都是免費的，也有部分按需按使用量來付費，這種模式只能使用互聯(lián)網(wǎng)來訪問和使用。同時，這種模式在私人信息和數(shù)據(jù)保護(hù)方面也比較有保證。這種部署模型通常都可以提供可擴(kuò)展的云服務(wù)并能高效設(shè)置。公有云環(huán)境如圖1所示。

圖1 公有云環(huán)境

2）私有云。這種云基礎(chǔ)設(shè)施專門為某一個企業(yè)服務(wù)，不管是自己管理還是第三方管理，自己負(fù)責(zé)還是第三方托管，都沒有關(guān)系。只要使用的方式?jīng)]有問題，就能為企業(yè)帶來很顯著的幫助。不過這種模式所要面臨的是，糾正、檢查等安全問題則需企業(yè)自己負(fù)責(zé)，否則出了問題也只能自己承擔(dān)后果，此外，整套系統(tǒng)也需要自己出錢購買、建設(shè)和管理。這種云計算模式可非常廣泛地產(chǎn)生正面效益，從模式的名稱也可看出，它可以為所有者提供具備充分優(yōu)勢和功能的服務(wù)。私有云環(huán)境如圖2所示。

圖2 私有云環(huán)境

3）混合云。混合云融合了公有云和私有云，是近年來云計算的主要模式和發(fā)展方向。我們已經(jīng)知道私有云主要是面向企業(yè)用戶，出于安全考慮，企業(yè)更愿意將數(shù)據(jù)存放在私有云中，但是同時又希望可以獲得公有云的計算資源，在這種情況下混合云被越來越多地采用，它將公有云和私有云進(jìn)行混合和匹配，以獲得最佳的效果，這種個性化的解決方案達(dá)到了既省錢又安全的目的?；旌显骗h(huán)境如圖3所示。

圖3 混合云環(huán)境

3.云計算的關(guān)鍵技術(shù)

1）虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)是指計算元件在虛擬的基礎(chǔ)上而不是真實的基礎(chǔ)上運(yùn)行，它可以擴(kuò)大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程，減少軟件虛擬機(jī)相關(guān)開銷和支持更多的操作系統(tǒng)。通過虛擬化技術(shù)可實現(xiàn)軟件應(yīng)用與底層硬件相隔離，它包括將單個資源劃分成多個虛擬資源的分裂模式，也包括將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式。

2）分布式海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

云計算系統(tǒng)由大量服務(wù)器組成，同時為大量用戶服務(wù)，因此云計算系統(tǒng)采用分布式存儲的方式存儲數(shù)據(jù)，用冗余存儲的方式（集群計算、數(shù)據(jù)冗余和分布式存儲）保證數(shù)據(jù)的可靠性。冗余的方式通過任務(wù)分解和集群，用低配機(jī)器替代超級計算機(jī)的性能來保證低成本，這種方式保證了分布式數(shù)據(jù)的高可用、高可靠和經(jīng)濟(jì)性，即為同一份數(shù)據(jù)存儲多個副本。

3）海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)

云計算需要對分布的、海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，因此，數(shù)據(jù)管理技術(shù)必需能夠高效地管理大量的數(shù)據(jù)。云計算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理技術(shù)主要是Google的BT（BigTable）數(shù)據(jù)管理技術(shù)和Hadoop團(tuán)隊開發(fā)的開源數(shù)據(jù)管理模塊HBase。

4）MapReduce編程方式

云計算提供了分布式的計算模式，客觀上要求必須有分布式的編程模式。云計算采用了一種思想簡潔的分布式并行編程模型MapReduce。MapReduce是一種編程模型，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)集（大于1TB）的并行運(yùn)算。概念Map（映射）和Reduce（歸約）是它們的主要思想，都是從函數(shù)式編程語言里借來的，還有從矢量編程語言里借來的特性。它極大地方便了編程人員在不會分布式并行編程的情況下，將自己的程序運(yùn)行在分布式系統(tǒng)上。當(dāng)前的軟件實現(xiàn)是指定一個Map（映射）函數(shù)，用來把一組鍵值對映射成一組新的鍵值對，指定并發(fā)的Reduce （歸約）函數(shù)，用來保證所有映射的鍵值對中的每一個共享相同的鍵組。

5）云計算平臺管理技術(shù)

云計算資源規(guī)模龐大，服務(wù)器數(shù)量眾多并分布在不同的地點，同時運(yùn)行著數(shù)百種應(yīng)用，如何有效地管理這些服務(wù)器，保證整個系統(tǒng)提供不間斷的服務(wù)是巨大的挑戰(zhàn)。云計算系統(tǒng)的平臺管理技術(shù)能夠使大量的服務(wù)器協(xié)同工作，方便地進(jìn)行業(yè)務(wù)部署和開通，快速發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)系統(tǒng)故障，通過自動化、智能化的手段實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的可靠運(yùn)營。

4.云計算架構(gòu)的服務(wù)模式

一般來說，目前大家比較公認(rèn)的云架構(gòu)是劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層和軟件服務(wù)層三個層次的，對應(yīng)名稱為IaaS、PaaS和SaaS，如圖4所示。

圖4 云架構(gòu)的三層服務(wù)模式

三、起重裝備健康監(jiān)測一體化系統(tǒng)

健康監(jiān)測系統(tǒng)集智能傳感元件、數(shù)據(jù)無線采集和實時處理、結(jié)構(gòu)損傷識別、健康診斷與可靠性預(yù)測以及遠(yuǎn)程通信與數(shù)據(jù)管理等硬軟件系統(tǒng)于一體，是工程理論發(fā)展與實際綜合的象征、高新技術(shù)開發(fā)與集成的標(biāo)志，同時也是現(xiàn)代化健康監(jiān)測系統(tǒng)未來發(fā)展的一種主流模式。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計

起重機(jī)健康監(jiān)測硬件系統(tǒng)包括傳感模塊、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)中心以及云平臺。傳感模塊采用多種傳感器來測量相關(guān)信息，在起重機(jī)上根據(jù)分析結(jié)果確定傳感器的布設(shè)位置，多種傳感器信息通過各自的解調(diào)儀器進(jìn)行分別采集，最終匯總至監(jiān)控室內(nèi)的工控機(jī)。處理器收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行統(tǒng)計分析并以不同形式顯示出來，然后數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心實時接收并存儲GPRS模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)，用戶可以通過云平臺提供的服務(wù)訪問經(jīng)過處理后的診斷結(jié)果。

圖5 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中按照設(shè)定的頻率和約定規(guī)則進(jìn)行采集信息的過程。這里數(shù)據(jù)采集的目的是測量電壓、電流、溫度、壓力或振動等物理量?；赑C的數(shù)據(jù)采集，通過模塊化硬件、應(yīng)用軟件和計算機(jī)的結(jié)合，進(jìn)行測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整合了信號、傳感器、激勵器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和應(yīng)用軟件。這里的一體化系統(tǒng)中的通信電路主要采用常用的以太網(wǎng)接口與上位機(jī)相連，同時也將232接口作為備用，這樣可以通過網(wǎng)絡(luò)形式來對多種設(shè)備進(jìn)行同時數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)集成是最基本的集成，主要方法包括數(shù)據(jù)的整理和加工、規(guī)則的描述和數(shù)據(jù)格式的定義。數(shù)據(jù)集成的目的是將不同的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一到一致的視圖中，將不同數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。網(wǎng)絡(luò)集成是其硬基礎(chǔ)，而作為信息資源載體的數(shù)據(jù)是軟基礎(chǔ)，也是該系統(tǒng)的首要任務(wù)。數(shù)據(jù)集成能夠為監(jiān)測系統(tǒng)集成搭建平臺基礎(chǔ)，沒有數(shù)據(jù)集成，監(jiān)測系統(tǒng)集成就不會合理地存在，其內(nèi)部一定是雜亂無章的，是信息孤島，這時監(jiān)測系統(tǒng)集成就沒有辦法為企業(yè)管理者提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)信息，達(dá)到健康監(jiān)測的目的。所以數(shù)據(jù)集成之前一定要對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

一般來說，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以分成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也稱作行數(shù)據(jù)，是由二維表結(jié)構(gòu)來邏輯表達(dá)和實現(xiàn)的數(shù)據(jù)，嚴(yán)格地遵循數(shù)據(jù)格式與長度規(guī)范，主要通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和管理。與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)相對的是不適于由數(shù)據(jù)庫二維表來表現(xiàn)的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，包括所有格式的辦公文檔、XML、HTML、各類報表、圖片和音頻、視頻信息等。

針對起重裝備服役健康監(jiān)測云平臺中的實時采集的應(yīng)力、振動以及視頻圖像等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，需要基于結(jié)構(gòu)化（數(shù)字、文本）和非結(jié)構(gòu)化（圖像、視頻）數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模方法和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)研究，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫聯(lián)合解決結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲問題，而非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫采用多值字段、子字段和變長字段機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)項的創(chuàng)建和管理，也可以通過事前處理將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成便于存儲和查詢的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

3.數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

針對健康監(jiān)測系統(tǒng)搭建，無線傳輸方式相對于傳統(tǒng)的有線傳輸方式具有以下顯著優(yōu)點：

1）組建監(jiān)測系統(tǒng)的成本更低。有線傳輸必須通過各種方式鋪置電纜，不僅需要大量的企業(yè)資源而且浪費大量自然資源；而無線數(shù)據(jù)傳輸方式只需要在每個無線終端配置相關(guān)無線模塊接入無線網(wǎng)絡(luò)就可以，且安裝周期短，相比之下節(jié)約了投資、提高了系統(tǒng)安裝效率。

2）環(huán)境適應(yīng)性好。傳統(tǒng)的有線傳輸受客觀應(yīng)用環(huán)境的限制太多，在起重機(jī)上的應(yīng)用極其不便，布線工程不易實施，而無線數(shù)據(jù)傳輸方式則可以適用。

3）更易于監(jiān)測系統(tǒng)將來可能的擴(kuò)展。在用戶安裝好一個監(jiān)測系統(tǒng)之后，會因新監(jiān)測點的布置或者新功能需要而增加新的監(jiān)測設(shè)備。如果采用有線傳輸，需要重新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)、布線，加大了工程難度，而且還可能影響舊的監(jiān)測設(shè)施；若使用無線方式，只需將新增監(jiān)測點進(jìn)行相關(guān)配置添加入原有無線網(wǎng)絡(luò)即可，更新系統(tǒng)簡單易行。

4）更容易實現(xiàn)多點式監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)。采用有線傳輸方式的系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障必須逐段篩查，而無線通信方式下設(shè)備較少，易于高效檢測，系統(tǒng)維護(hù)效率較高。

5）更適于組成多點式監(jiān)測系統(tǒng)。有線傳輸布線繁多，不適合組建多點式系統(tǒng)，而采用無線傳輸方式簡潔方便，可以很容易實現(xiàn)大范圍的多點式監(jiān)測，也便于實現(xiàn)缺陷定位，提高監(jiān)測效率。

無線監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的結(jié)合，它可以將不同地點的現(xiàn)場監(jiān)測信息實時通過無線傳輸手段傳送到無線監(jiān)測中心，然后由各個監(jiān)測客戶端同時讀取數(shù)據(jù)，這大大加快了工業(yè)自動化的腳步，所以工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)傳輸逐步向無線方向發(fā)展。這里的起重機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)是通過融入無線傳輸技術(shù)提高系統(tǒng)性能。

無線廣域網(wǎng)絡(luò)是移動電話及數(shù)據(jù)服務(wù)所使用的通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍可以達(dá)到十幾千米乃至上百千米，無線廣域網(wǎng)主要有2G、2.5G及3G等，主要采用GSM、GPRS、CDMA等技術(shù)。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是2.5代移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它具有以下優(yōu)點：安裝方便；成本低；監(jiān)控不受距離、地域、時間的限制；運(yùn)行可靠；數(shù)據(jù)采集實時性強(qiáng)；漏碼、誤碼極少；硬件模塊體積小、功耗低等。綜合考慮各種應(yīng)用條件，這里選擇基于GPRS技術(shù)的無線傳輸手段。

同步數(shù)據(jù)在異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)分發(fā)策略需要依據(jù)用戶對數(shù)據(jù)傳輸量、傳輸穩(wěn)定性和傳輸安全性等方面的要求進(jìn)行設(shè)計。Web Service是基于應(yīng)用層HTTP的應(yīng)用程序通信方式，具有跨平臺的優(yōu)勢，而且成熟框架較多易于開發(fā)，但是相比位于傳輸層之上的Socket、Web Service的傳輸方式在高負(fù)載和高并發(fā)的情況下容易出現(xiàn)消息阻塞和丟失的現(xiàn)象。這里采用性能較穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)量較大的Socket通信方式進(jìn)行更新數(shù)據(jù)在客戶端和服務(wù)器端之間的傳輸。

異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間傳送的數(shù)據(jù)包按照＜數(shù)據(jù)包頭＞+＜數(shù)據(jù)包體＞+＜數(shù)據(jù)包尾＞的格式進(jìn)行封裝。數(shù)據(jù)包體為JSON格式的更新數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包頭的開始標(biāo)識與包尾的結(jié)束標(biāo)識用于判斷數(shù)據(jù)包的合法性。

XML和JSON都能形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，但是XML相比于JSON比較冗長而且不易生成與解析，因此這里采用JSON格式表示傳輸數(shù)據(jù)。同步程序服務(wù)器端從哈希影子表中讀取到增量數(shù)據(jù)變化，將其轉(zhuǎn)化成JSON格式的字符串，然后將序列化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)數(shù)組進(jìn)行封包傳輸，到達(dá)客戶端后程序執(zhí)行解包操作并將數(shù)據(jù)還原成JSON字符串，再通過反序列化獲得更新數(shù)據(jù)。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

起重機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用軟件將分成五大功能模塊，即初始化設(shè)置模塊、傳感器設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲模塊和數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊，各個功能模塊下面又分別有不同的子功能模塊，如圖6所示。

圖6 健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能模塊

1）初始化設(shè)置模塊：該模塊由采集方式設(shè)置與數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)置組成。采集方式設(shè)置用于設(shè)定采集的采集控制方式與采集頻率。數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)置包括本地存儲及服務(wù)器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

2）傳感器設(shè)置模塊：主要是查看、添加、刪除和修改傳感器的相關(guān)信息，包括傳感器基本參數(shù)、安裝位置、測量類型，以及計算相應(yīng)物理量所需系數(shù)。

3）數(shù)據(jù)顯示模塊：用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的不同形式的展示，主要是界面設(shè)計和圖像繪制。

4）數(shù)據(jù)采集與存儲模塊：該模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和保存，主要工作是建立線程進(jìn)行后臺操作。

5）數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊：對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并制定相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸格式，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。

四、基于健康監(jiān)測的起重裝備云平臺

1.云平臺基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計

通過對起重機(jī)各種數(shù)據(jù)源和起重機(jī)健康管理特性分析，需要對起重機(jī)特征工程數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、實時業(yè)務(wù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析處理。利用大數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、挖掘技術(shù)，從起重機(jī)采集到的海量數(shù)據(jù)中挖掘、提煉關(guān)鍵信息，建立安全、故障信息關(guān)聯(lián)分析監(jiān)測模型，及時洞察和響應(yīng)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)起重機(jī)安全、健康和故障預(yù)測。經(jīng)過以上分析，滿足分布式計算、實時流計算、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理的大數(shù)據(jù)平臺可以分為四層，分別是應(yīng)用層、接口層、分析層和存儲層，它們的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)特征如圖7所示。

圖7 基于健康監(jiān)測的起重裝備云平臺整體架構(gòu)圖

2.云平臺功能模塊劃分

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，該系統(tǒng)平臺可以分成六大子系統(tǒng)，具體功能劃分如圖8所示。

圖8 平臺功能劃分

1）綜合管理系統(tǒng)

綜合管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對資源、角色及用戶的分配與管理，系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需要動態(tài)調(diào)整用戶的角色及權(quán)限。為保障起重機(jī)系統(tǒng)平臺的安全運(yùn)行，對不同管理者提供不同的權(quán)限，對用戶身份進(jìn)行驗證，所提供的功能有查看、檢索、修改、增加和刪除等不同操作。

系統(tǒng)管理員進(jìn)入系統(tǒng)之后，可以查看所有起重機(jī)分布情況及監(jiān)控設(shè)備的實時狀態(tài)，為企業(yè)設(shè)備管理人員對設(shè)備維護(hù)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，便于綜合管理。

2）安全監(jiān)控系統(tǒng)

起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)由硬件和軟件組成，其單元構(gòu)成應(yīng)包括信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元、信息存儲單元、信息顯示單元、信息導(dǎo)出接口單元等，并根據(jù)遠(yuǎn)程控制要求預(yù)留遠(yuǎn)程傳輸單元。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)對安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸、接收和顯示等遠(yuǎn)程管理功能。

3）健康監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)提供對起重機(jī)的電動機(jī)、減速機(jī)、制動器及支撐機(jī)構(gòu)四個關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測，各個監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在前面章節(jié)做了詳細(xì)介紹，采集和集成技術(shù)在上一節(jié)也有了相關(guān)說明，平臺上面的健康監(jiān)測系統(tǒng)這里考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式。

綜合各個監(jiān)測系統(tǒng)的特點，這里主要采用矢量圖的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。矢量圖又稱電圖，是把要顯示的模擬量按照時間的順序顯示在屏幕上。矢量圖是基于X-Y模式顯示，X（水平）軸表示數(shù)據(jù)出現(xiàn)的實際順序，Y（垂直）軸表示被顯示數(shù)值，刻度將根據(jù)實測值進(jìn)行自動調(diào)整，每個物理量在屏幕上形成一個點，這些點分布在屏幕上組成一幅幅變化的圖形，這些圖形就是物理量的變化軌跡。

4）狀態(tài)診斷系統(tǒng)

根據(jù)起重機(jī)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，采用振動加速度傳感器，對其機(jī)座、軸承的垂直徑向、水平徑向和軸向三個方向進(jìn)行振動監(jiān)測。同時針對電動機(jī)轉(zhuǎn)軸安裝相應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器，為振動信號的分析提供基頻參考信息。通過實時監(jiān)測采集電動機(jī)機(jī)座、軸承的振動信號以及轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速信號，做時域、頻譜等相關(guān)分析并提取振動信號的時頻域故障特征參數(shù)，能夠準(zhǔn)確判斷電動機(jī)的振動故障發(fā)生。

減速機(jī)軸承的振動信號以及高速軸轉(zhuǎn)速中含有豐富的減速機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，監(jiān)測其軸承的振動加速度信號是提取減速箱內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)信息最常用而有效的方法，而其高速軸的轉(zhuǎn)速可為振動信號的分析提供基頻參考信息。采用有效的方式對軸承的振動信號以及高速軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、濾波整形、檢波處理，最后采用包絡(luò)分析、倒譜分析，從而預(yù)報減速機(jī)早期的故障狀態(tài)。

通過分析制動器位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間變化曲線，應(yīng)用特征處理方法，擬合制動器的制動曲線，進(jìn)而可以判斷制動器的制動性能，為設(shè)備管理人員提供設(shè)備維修的技術(shù)支持。

5）故障預(yù)測系統(tǒng)

故障預(yù)測系統(tǒng)主要是利用現(xiàn)有的機(jī)電設(shè)備故障/失效預(yù)測的方法預(yù)測是否在未來時間發(fā)生故障，本系統(tǒng)主要采用時間序列模型與灰色模型綜合以后進(jìn)行故障預(yù)測。因為兩種模型在數(shù)列預(yù)測中各有所長：灰色模型適用于描述具有確定性指示函數(shù)規(guī)律的過程，而時間序列模型適用于分析平穩(wěn)的隨機(jī)性信號。采用組合模型發(fā)揮二者的優(yōu)勢，會有效提高數(shù)據(jù)的預(yù)測精度與速度。

6）預(yù)知維修系統(tǒng)

通過對在役起重機(jī)故障模式進(jìn)行歸納整理，并對故障的產(chǎn)生原因、檢測方式進(jìn)行系統(tǒng)的分析。通過綜合整理起重機(jī)的故障模式、故障原因及其故障影響，采用風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（RPN）分析方法，考慮故障模式的發(fā)生度、檢測度以及故障影響的嚴(yán)酷度，確定故障模式危害度。針對起重機(jī)重要功能產(chǎn)品，依據(jù)規(guī)范化的邏輯決斷方法，確定其故障的預(yù)防性維修對策，并通過現(xiàn)場的故障統(tǒng)計、專家評估以及定量化建模等手段，在保證安全性和完好性的前提下，以維修停機(jī)損失最小為目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略，為起重機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)及設(shè)備管理提供決策依據(jù)。

3.業(yè)務(wù)流程分析與數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1）業(yè)務(wù)流程分析

總體業(yè)務(wù)流程是為達(dá)到特定的價值目標(biāo)而由不同的人分別共同完成的一系列活動。活動之間不僅有嚴(yán)格的先后順序限定，而且活動的內(nèi)容、方式、責(zé)任等也都必須有明確的安排和界定，以使不同活動在不同崗位角色之間進(jìn)行轉(zhuǎn)手交接成為可能。在本系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)用戶角色活動定義畫出系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)圖，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)圖

從圖9可知起重裝備安全健康管理云平臺的參與者分別是超級管理員、特檢機(jī)構(gòu)管理員、特檢機(jī)構(gòu)普通用戶、廠家管理員、廠家用戶一類/二類。五種參與者的具體功能如下：

a.超級管理員在本系統(tǒng)中進(jìn)行廠家設(shè)備管理、特檢機(jī)構(gòu)管理、用戶管理以及對主頁設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行查看。

b.特檢機(jī)構(gòu)管理員在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)對項目參與人和項目下的文件進(jìn)行管理。

c.特檢機(jī)構(gòu)普通用戶在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)對主頁設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行查看。

d.廠家管理員在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)對主頁設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行查看和對廠家用戶進(jìn)行管理。

e.廠家用戶在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)對主頁設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行查看，根據(jù)類別不同定制不同的責(zé)任范圍。

2)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結(jié)構(gòu)的過程就是概念結(jié)構(gòu)設(shè)計，概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的目標(biāo)是通過對用戶需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體DBMS的概念模型。

起重裝備健康管理云平臺系統(tǒng)包含廠家信息、設(shè)備信息、鋼數(shù)據(jù)參數(shù)、傳動系統(tǒng)參數(shù)、制動系統(tǒng)參數(shù)、電控系統(tǒng)參數(shù)、儀器、傳感器、特檢機(jī)構(gòu)、環(huán)境數(shù)據(jù)、安全運(yùn)行數(shù)據(jù)。這些實體之間的聯(lián)系如下：

a.一個廠家對應(yīng)多個設(shè)備，一個設(shè)備對應(yīng)一個廠家。

b.一個設(shè)備對應(yīng)多條鋼數(shù)據(jù)參數(shù)，一條鋼數(shù)據(jù)參數(shù)對應(yīng)一個設(shè)備。

c.一個設(shè)備對應(yīng)多條制動系統(tǒng)參數(shù)，一條制動系統(tǒng)參數(shù)對應(yīng)一個設(shè)備。

d.一個設(shè)備對應(yīng)多條傳動系統(tǒng)參數(shù)，一條傳動系統(tǒng)參數(shù)對應(yīng)一個設(shè)備。

e.一個設(shè)備對應(yīng)多條電控系統(tǒng)參數(shù)，一條電控系統(tǒng)參數(shù)對應(yīng)一個設(shè)備。

f.一個設(shè)備對應(yīng)一個起重機(jī)，一個起重機(jī)對應(yīng)一個設(shè)備。

g.一個設(shè)備對應(yīng)多個儀器，一個儀器對應(yīng)一個設(shè)備。

h.一個儀器對應(yīng)多個傳感器，一個傳感器對應(yīng)一個儀器。

l.一個設(shè)備對應(yīng)一條環(huán)境數(shù)據(jù)，一條環(huán)境數(shù)據(jù)對應(yīng)一個設(shè)備。

m.一個設(shè)備對應(yīng)一條安全運(yùn)行數(shù)據(jù)，一條安全運(yùn)行數(shù)據(jù)對應(yīng)一個設(shè)備。

按照上述的設(shè)計劃分出來的實體有廠家實體、起重機(jī)實體、監(jiān)測系統(tǒng)實體、傳感器實體和無線傳輸模塊實體等。實體間關(guān)系的E-R圖如圖10所示。

本系統(tǒng)使用的是PostgreSQL數(shù)據(jù)庫， PostgreSQL是一種幾乎可以運(yùn)行在各種平臺上的免費的開放源碼的對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，擁有與企業(yè)級數(shù)據(jù)庫相媲美的特性，如完善的SQL標(biāo)準(zhǔn)支持、多版本并發(fā)控制、時間點恢復(fù)、表空間機(jī)制、異步復(fù)制、嵌套事務(wù)、在線/熱備份、一個復(fù)雜的查詢優(yōu)化器、預(yù)寫日志容錯技術(shù)。它支持國際字符集、多字節(jié)字符編碼、Unicode，并且對格式化、排序、大小寫敏感提供本地化支持。PostgreSQL在管理大數(shù)據(jù)量方面有良好的可擴(kuò)展性，對并發(fā)用戶管理具有自適應(yīng)性?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)具有管理超過40 000億字節(jié)數(shù)據(jù)能力的實用版本產(chǎn)品。

圖10系統(tǒng)實體關(guān)系圖

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