CN103241658B - 基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统 - Google Patents

基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统，所述系统包括：物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层，所述物联网感知层，用于采集起重机金属结构健康参数的光信号，将光信号解调成电信号，并将传感数据电信号压缩封装后传输到物联网网络层；物联网网络层，用于接收电信号数据，对电信号进行识别处理，并将识别处理后的数据发送到物联网应用层；物联网应用层，将接收到的数据进行计算并判定是否发出报警信号。本发明基于物联网技术，可全天候对大型起重机金属结构进行全生命周期的实时健康监测与安全预警，具有无电磁干扰、精度高、量程宽、可靠性高、寿命长等特点。

Description

基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统
技术领域
本发明涉及物联网技术与大型起重机的金属结构健康监测技术，尤其涉及一种基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统。
背景技术
起重机械是主要工业企业生产环节的“骨干”，但大型起重机械安全问题面临的形势和挑战却非常严峻，重特大事故仍时有发生。随着我国起重机数量急增，其事故数量连续五年高居各类特种设备事故首位；与此同时，全国上下对公共安全方面要求越来越高，使得特种设备特别是起重机在保安全、促发展方面责任更重、压力更大。因此，研究起重机安全预警技术是当务之急。目前，国内对起重机械安全保证仍然以维保单位的“定期保养，事后维修”和质检部门的2年一个周期的定期检验为主，缺乏大型起重机结构健康监测与预警技术，尚未能对大型起重机运行安全问题采取更有针对性、更有效的措施，防止各类公共安全事故的发生，因此，亟需提出一种有针对性的措施来预防此类事故发生，起重机械结构健康监测与安全预警技术便随之而生。
发明内容
为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统，该系统的核心是将物联网技术用于起重机的结构健康监测与安全预警技术中，结合不受电磁干扰的光纤光栅传感技术、无线传输技术、智能识别与专家系统等技术手段，将起重机结构健康监测由定期检测提升至实时在线监测层次，具有抗电磁干扰能力强、防雷、高精度、宽量程、高可靠性、智能性、寿命长等特点。所述技术方案如下：
基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统，包括：
物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层，所述
物联网感知层，用于采集起重机金属结构健康参数的光信号，将光信号解调成电信号，并将传感数据电信号压缩封装后传输到物联网网络层；
物联网网络层，用于接收电信号数据，对电信号进行识别处理，并将识别处理后的数据发送到物联网应用层；
物联网应用层，将接收到的数据进行计算并判定是否发出报警信号。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
将光纤光栅传感技术引入到大型起重机械健康监测与预警系统中，改变常规应力测试效率低、强度大、无法长期监测的不足，实现远距离、分布式地获取起重机械结构在整机运行过程中关键参数，为实时监测大型起重机械安全状况提供新的手段。
基于物联网技术，可全天候对大型起重机金属结构进行全生命周期的实时健康监测与安全预警，具有无电磁干扰、精度高、量程宽、可靠性高、寿命长等特点。
物联网网络层采用基于现代移动通信网络（EDGE/3G）的分布式测量技术，通过应力、应变及温度数据采集和特征提取，实现起重机械的运行状态监测、故障诊断、寿命预测等功能。
业务平台软件系统提供广州辖区内大型起重机械设备的资料收录、翻查等功能。
附图说明
图1是基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统的结构图；
图2是物联网感知层组成结构图；
图3是物联网网络层组成结构图；
图4是物联网应用层组成结构图；
图5是业务平台软件系统软件功能模块结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：
本实施例提供了一种基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统，该系统包括：物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层，所述
物联网感知层，用于采集起重机金属结构健康参数的光信号，将光信号解调成电信号，并将传感数据电信号压缩封装后传输到物联网网络层；
物联网网络层，用于接收电信号数据，对电信号进行识别处理，并将识别处理后的数据发送到物联网应用层；
物联网应用层，将接收到的数据进行计算并判定是否发出报警信号。
上述起重机主金属结构参数包括应力、应变、温度和加速度参数等。
上述物联网感知层基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统的毛细血管，包括焊接在起重机1上的光纤光栅传感器、光纤光栅解调系统和信息处理与网络组网模块，其中，信息处理与网络组网模块包括显示器4和安装在解调仪上的主动程序。焊接在起重机上的光纤光栅传感器组成传感网，实时采集起重机主金属结构的应力、应变、温度等结构健康参数的光信号；与各路光纤光栅传感器连接的光纤光栅传感器解调仪，把采集到的光信号解调成电信号；与光纤光栅传感器解调仪2连接的信息处理与网络组网模块，通过传感信号编解码协同信息处理，传感器中间件技术等手段，将传感数据电信号进行压缩封装后传输到数据传输单元3（DTU）（如图2所示）。
上述物联网网络层是基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统的动静脉，包括数据传输单元DTU、TCP/IP协议、EDGE/3G协议和防火墙（如图3所示），其中数据传输单元（DTU）接收来自解调仪封装后的传感数据电信号，通过Internet网络，采用EDGE/3G协议，将数据传输到远程中央服务器；远程中央服务器用于接收经解调过的起重机结构健康参数电信号，进而对该信号进行识别处理。
上述物联网应用层是基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统的心脏，包括所述物联网应用层包括业务平台软件系统与人机界面。其中，业务平台软件系统硬件部分包括数据库服务器、互联网服务器、短信服务器、电脑客户端和手机客户端（如图4所示），数据库服务器获得的数据经过积累分析后组建起重机金属结构健康监测与安全预警系统的心脏。
如图5所示，为业务平台软件系统软件功能模块结构，该结构包括：用户信息管理模块、系统配置模块、信息采集与传输模块、数据库管理模块、数据分析模块、现场显示模块、用户帮助模块。用户信息管理模块主要用于存放可以访问本系统的用户个人信息和用户权限管理，包括用户名、登陆密码、用户权限以及用户的详细资料等。系统配置模块用于信息采集时硬件部分的相关参数的设置。该模块由传感器设置与采集方式设置组成。传感器设置主要设定光纤光栅传感器的中心波长、所在通道、测量类型，以及计算所需物理量所需系数。采集方式设定模块用于设定采集的采集控制方式与采集频率。信息采集与传输模块负责读取光纤光栅传感实时波长信息，经温度及应变计算获得结构实时应变信息并存储数据；同时，将监测信息定时或实时传输到远程数据库服务器。数据库管理模块主要用于监测数据的存储和查询。包括起重机信息、传感器信息和监测数据管理。数据分析模块是健康监测系统的核心模块。它实现了对其中机械关键结构应变信息的实时显示功能，同时结合损伤预警、损伤识别、寿命评估等相关理论，对起重机的健康状况进行评价，监测信息超出设定范围时向指定手机用户发送短信报警，并给出维护建议。现场显示模块负责向现场用户显示结构各处的应变情况，并显示预警信息，紧急时可控制蜂鸣器发出警报。用户帮助模块用于向用户介绍系统的使用说明。
通过数据通信将信息传输到中央处理器后，业务平台软件系统采集数据，通过一次线性拟合公式T＝M(λ-λ0)+T0（式中，M（℃/nm）为温度系数，λ（nm）为光波当前波长，λ0一般取T0=0℃的波长，温度传感器在T0温度下的波长为λ）计算光线光栅温度传感器的温度，再通过温度补偿公式ξ＝N(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)-α·ΔT（N为应变计的应变系数(μξ/nm)；B为传感器修正系数(μξ/nm)；λ1为应变光纤当前的波长值(nm)；λ0为应变光纤初始的波长值(nm)；λt1为温补光纤当前的波长值(nm)；λt0为温补光纤初始的波长值(nm)；α(μξ/℃)为被测物体热膨胀系数，ΔT=100×(λt1-λt0)，单位取℃）计算应变值，最终获得应力值；然后进行数据存储；计算后的应力值与计算好的应力阈值进行比较（这个阈值是通过材料力学方法，有限元方法计算得出的，主要是材料所能承受的最大拉力或压力），从而判定是否发送预警信息；人机界面安装于司机室，预报警信号实时传输到司机室；超过阈值，人机界面就会发出报警信号提示操作人员采取紧急措施，同时报警信号超过EDGE/3G技术，以短信方式发送到主管起重机安全运行的工作人员手机客户端；具有网络连接的个人电脑终端，用于远程浏览起重机结构健康状况。
上述物联网感知层、物联网网络层、物联网应用层三个部分密不可分，共同组成一个系统，实现起重机械结构健康监测与安全预警任务。
随着数据的累积，建立起重机金属结构健康监测评估系统，用于起重机在线评估、安全预警、寿命预测、安全性、耐久性等方面的安全评估工作。在起重机械安全评估的基础上，对起重机械进行系统测试并展开应用示范，逐步完善系统，为产业化应用奠定基础。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统，其特征在于，所述系统包括：物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层，所述
物联网感知层，用于采集起重机金属结构健康参数的光信号，将光信号解调成电信号，并将传感数据电信号压缩封装后传输到物联网网络层；
物联网网络层，用于接收电信号数据，对电信号进行识别处理，并将识别处理后的数据发送到物联网应用层；
物联网应用层，将接收到的数据进行计算并判定是否发出报警信号；
上述物联网感知层是基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统的毛细血管，包括焊接在起重机上的光纤光栅传感器、光纤光栅解调系统和信息处理与网络组网模块，其中，信息处理与网络组网模块包括显示器和安装在解调仪上的主动程序，焊接在起重机上的光纤光栅传感器组成传感网，实时采集起重机主金属结构的应力、应变、温度结构健康参数的光信号；与各路光纤光栅传感器连接的光纤光栅传感器解调仪，把采集到的光信号解调成电信号；与光纤光栅传感器解调仪连接的信息处理与网络组网模块，通过传感信号编解码协同信息处理，将传感数据电信号进行压缩封装后传输到数据传输单元；
所述物联网应用层包括业务平台软件系统与人机界面；所述业务平台软件系统包括数据库服务器、互联网服务器、短信服务器、电脑客户端和手机客户端；
业务平台软件系统软件功能模块包括用户信息管理模块、系统配置模块、信息采集与传输模块、数据库管理模块、数据分析模块、现场显示模块、用户帮助模块，用户信息管理模块主要用于存放访问本系统的用户个人信息和用户权限管理；信息采集与传输模块负责读取光纤光栅传感实时波长信息，经温度及应变计算获得结构实时应变信息并存储数据；同时，将监测信息定时或实时传输到远程数据库服务器；数据库管理模块主要用于监测数据的存储和查询；数据分析模块是健康监测系统的核心模块，对起重机的健康状况进行评价，监测信息超出设定范围时向指定手机用户发送短信报警，并给出维护建议。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的起重机金属结构健康监测与安全预警系统，其特征在于，所述物联网网络层包括数据传输单元DTU、TCP/IP协议和EDGE/3G协议。
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