CN107500133A - 基于光纤传感网络的起重装备应力在线监测与预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，该系统包括感知层、传感网络、网络层和应用层，感知层包括固定在岸边集装箱起重装备上的光纤传感器、光纤信号解析系统和光纤传感网络，光纤信号解析系统包括光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪用于检测光纤光栅传感器采集的光波长信息，并将其解调成电信号，经光纤传感网络传输至所述网络层；网络层将采集到的数据利用分组数据网络通过DTU进行远程在线传输至应用层，或在现场设立工作站，通过工作站再将数据借助有线网、在线网、专网等互联网介质进行传输至应用层；应用层包括系统平台软件和远端数据中心。该系统为实时监测大型起重机械安全状况提供新的手段。

Description

基于光纤传感网络的起重装备应力在线监测与预警系统

技术领域

本发明涉及一种岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，尤其是涉及基于光纤传感网络的起重装备应力在线监测与预警系统

背景技术

岸边集装箱起重机是集装箱码头的主力装卸设备和标志性建筑，是一种工作非常繁重的重型机械设备，其载荷量大，使用频率高，所以作为整台起重机骨架的金属结构，其设计制造质量的好坏将直接影响整个起重机的使用寿命。因此，必须保证岸桥起重机的坚固耐用、性能良好，且其金属结构必须有足够的静强度、规定的寿命下的疲劳强度以及整体和局部稳定性。

应变是大型起重设备检测最为重要的参数之一，它反映了工程结构的固有特征，对局部特性变化——尤其是对局部应力、局部结构损伤比较敏感。大型起重机由于体积、质量庞大，结构、受力复杂，在开展结构健康监测时，往往需要在多点对其应变进行监测以及时发现并排除安全隐患。现有的传统的结构监测方法主要是在金属结构上粘贴电阻应变片，通过测量应变片阻值，来算出结构所受力的大小及方向。应变片一般是电阻值为120Ω的薄片，通过特殊胶水与结构完全贴合，结构在受力变形时，拉压应变片从而改变它的阻值。用应变仪采集数据，根据结构的特性计算出金属结构的受力情况。传统的应变监测手段在使用中往往受到限制，一是测试的准备工作和实施过程工作量很大，效率不高，二是岸边集装箱起重机的钢结构所受应力较为复杂,采用应变片采取不够全面和精确，三是只能开展短期应变测量，不能对金属结构应变进行长期的监测，更不能满足大型起重设备高精度、远距离、分布式监测的技术要求。因此，迫切需要一种应力在线监测与预警系统来克服上述困难。

发明内容

光纤光栅传感器的出现较好地解决这些难题，它具有精度高、波长编码、绝对值测量和在一路光纤上采用波分复用的技术可以实现分布式监测等优点，寿命最长可达到十五年，极具发展潜力和良好的市场前景。

本发明主要提出基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，该系统极大的改善大型结构应力测试的工作，使原来繁琐、困难的数据采集变得更加可靠、安全、方便；分布式的数据采集和集中式的数据处理将极大的减少工作量；数据采集和处理软件的模块化使系统具有很好的扩展性，给用户有足够的灵活度来定制今后的新的需求，为起重机健康监测系统的工程应用奠定理论和试验基础，具有较大的工程实用价值，将产生巨大的社会经济效益。

本发明公开了一种基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，该系统包括感知层、传感网络、网络层和应用层，其特征在于：

所述感知层包括固定在岸边集装箱起重装备上的光纤传感器、光纤信号解析系统和光纤传感网络，所述光纤信号解析系统包括光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪用于检测光纤光栅传感器采集的光波长信息，并将其解调成便于识别的电信号，经光纤传感网络传输至所述网络层；所述网络层将采集到的数据利用分组数据网络通过DTU进行远程在线传输至应用层，或在现场设立工作站，通过工作站再将数据借助有线网、在线网、专网等互联网介质进行传输至应用层；应用层包括系统平台软件和远端数据中心，其中系统平台软件包括数据查询、数据分析、预警、可视化信息管理平台，远端数据中心实现数据存储。其中可视化信息管理平台基于数字地图与三维组态技术，建立大型起重机械可视化信息管理平台，实现对大型起重机械可视化管理。

其中光纤传感网络当传感器数量小于或等于4个，可以直接与光纤光栅解调仪相连接。其中当传感器数量大于4个，采用分路器经测试后经星型或其他形式进入光纤光栅传感器解调仪。

其中考虑岸边起重机的应力分布，在应力集中的22个监测点处设置有66个温补型焊接式光纤光栅传感器，温补型焊接式光纤光栅传感器的布点根据所述起重装备主金属结构有限元静态和动态分析确定。其中光纤传感网络在鲁棒性模型基础上，针对结构损伤监测、从传感器类型、传感器数目、结构冗余性和故障诊断方面建立光纤传感网络。其中起重装备主金属结构的健康参数的光信号包括应力、应变、温度和加速度等参数。

其中温补型焊接式光纤光栅传感器的布点根据所述起重装备主金属结构有限元静态和动态分析确定。

附图说明

图1：为基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统的健康系统拓扑图；

图2：为在线监测与预警系统拓扑结构的组合方式；

图3：为岸桥起重机的结构示意图；

图4：为岸桥起重机应力测点示意图。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施方式进行说明：

本发明提供一种基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统的健康系统拓扑图，本实施例提供了一种基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，该系统包括感知层、传感网络、网络层和应用层。

如图1所示，感知层包括光纤传感器、光纤信号解析系统和光纤传感网络。光纤传感器包括自温补焊接式光纤光栅传感器和分布式光纤应变光缆，其中自温补焊接式光纤光栅应变传感器用于采集反映起重装备损伤的应力应变信息；由于光纤光栅传感器同时对温度和应变敏感，为避免干扰，对温度需要进行补偿，采用了自温补型焊接式光纤光栅传感器，实时采集起重装备主金属结构的健康参数的光信号，传感器的布点根据起重装备金属结构有限元静态和动态分析确定；光纤信号解析系统包括光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪用于检测光纤光栅传感器采集的光波长信息，并将其解调成便于识别的电信号，经光纤传感网络传输至所述网络层。

传感网络指光纤传感器到光纤信号解析系统的光纤组网方式，在鲁棒性模型基础上，针对结构损伤监测、从传感器类型、传感器数目、结构冗余性、故障诊断等方面建立光纤传感网络，采用如图2所示的，包括采用线型、星型、环型和总线型等多种拓扑结构的组合方式。光纤传感网络当传感器数量较少(小于或等于4个)可以直接与光纤光栅解调仪相连接，当传感器数量较多(大于4个)，建议采用分路器经测试后经星型或其他形式进入光纤光栅传感器解调仪。

网络层将采集到的数据利用分组数据网络通过DTU进行远程在线传输至应用层，或在现场设立工作站，通过工作站再将数据借助有线网、在线网、专网等互联网介质进行传输至应用层。

应用层包括系统平台软件和远端数据中心，如图1所示，其中系统平台软件包括数据查询、数据分析、预警、可视化信息管理平台等；远端数据中心实现数据存储。其中可视化信息管理平台基于数字地图与三维组态技术，建立大型起重机械可视化信息管理平台，实现对大型起重机械可视化管理。

岸边集装箱起重装备可以为集装箱起重机等设备。起重机主金属结构参数包括应力、应变、温度和加速度等参数。

如图3所示，岸边起重机主要包括前大梁1、外前拉杆2、内前拉杆3、梯形门架4、横拉杆5、后撑杆6、后拉杆7、前门框8、门框斜撑9、下横梁10、后门框11和后大梁12。其中其前大梁1以及后大梁12通过前后拉杆固定在门框上。岸桥起重机电气室、电动机、制动器、减速机、卷扬机等位于起重机上层结构的后大梁上的机器房内。通过建立岸边起重机结构的几何模型以及有限元分析模型，分析岸桥在不同工矿下的应力分布情况。建立结构几何模型需要考虑一些简化，具体为(1)小车运行时是通过四个行走轮将力传递到大梁上的，所以小车的重量加上起升系统的重量再加上集装箱的重量可以以集中力的形式加到前后大梁上。(2)岸桥工作时大梁是处于水平工作状态的，所以可以将前后拉杆视为二力杆，只受拉压作用。(3)岸桥大梁上的楼梯、栏杆以及前大梁上的钢丝绳固定压板等相对于钢结构来说质量很小，对钢结构应力大小影响不大，可以不予考虑。(4)机器房的大小和形状对整机结构影响不大，可以将其简化为集中质量加在后大梁相应的位置上。(5)结构中的焊接部分在建模时可以建成一个整体，但要注意防止产生应力集中，适当进行倒角圆角等处理。

起重机各个节点的应力值与集装箱质量和小车位置是一一对应的，经过分析得到节点的应力值为：Qnode＝f(Wjzx，Pa)。其中，Qnode为节点应力的大小，Wjzx为集装箱质量，Pa为小车位置。

根据图3的分析，如图4所示，考虑岸边起重机的应力分布，在应力集中的17个监测点处设置有51个传感器，其中，每个监测点处在X、Y和Z方向上分别设置3个传感器。考虑前大梁的应力情况，其是主要应力承受区域，因此，对前大梁1应力相对集中的地方设置6个监测点，外前拉杆2与前大梁1的连接点处设置监测点A1和A2，前大梁1与内前拉杆3的连接点处设置监测点B1和B2，在该连接点的内前拉杆处设置B3和B4；

在外前拉杆2距离与大梁的连接处的总长度1/5处设置两个监测点C1和C2；在梯形门架4的中点处设置两个监测点D1和D2；在后拉杆7距离与大梁的连接处总长度1/5处设置两个监测点F1和F2；在前门框8设置两个监测点H1和H2，在门框斜撑9中点处设置监测点I，在后大梁的中点处设置监测点G1，以及从S方向看过处的后大梁中央位置处设置监测点J。

通过在岸边起重机结构薄弱环节上的上述这些监测点处设置自温补型焊接式光纤光栅传感器，克服了现有技术不精确，反应较慢，监控效果差的问题，实现了实时、全方位对岸边起重机各个结构的应力情况进行监测，实现对大型起重机械可视化管理。

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，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(DTU)(如图1所示)。网络层包括数据传输单元DTU,TCP/IP协议、EDGE/3G协议和防火墙(如图1所示)，其中数据传输单元(DTU)接收来自解调仪的传感数据电信号，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。

应用层包括系统平台软件和远端数据中心。系统平台软件包括数据查询、数据分析、预警、可视化信息管理等，由光纤光栅解调仪软件、可视化信息管理平台和系统平台软件组成。其中，光纤光栅解调仪软件置于系统平台软件中，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，数据库服务器获得的数据经过积累分析后进行预警。可视化信息管理平台基于数字地图与三维组态技术，建立大型起重机械可视化信息管理平台，实现对大型起重机械可视化管理。远端数据中心实现数据存储。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。

感知层、传感网络、网络层和应用层四个部分密不可分，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。

有益效果

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。

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。

Claims (8)

1.一种基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，该系统包括感知层、传感网络、网络层和应用层，其特征在于：

所述感知层包括固定在岸边集装箱起重装备上的光纤传感器、光纤信号解析系统和光纤传感网络，所述光纤信号解析系统包括光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪用于检测光纤光栅传感器采集的光波长信息，并将其解调成便于识别的电信号，经光纤传感网络传输至所述网络层；

所述网络层将采集到的数据利用分组数据网络通过DTU进行远程在线传输至应用层，或在现场设立工作站，通过工作站再将数据借助有线网、在线网、专网等互联网介质进行传输至应用层；

应用层包括系统平台软件和远端数据中心，其中系统平台软件包括数据查询、数据分析、预警、可视化信息管理平台，远端数据中心实现数据存储。

2.如权利要求1所述的基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，其特征在于，其中所述可视化信息管理平台基于数字地图与三维组态技术，建立大型起重机械可视化信息管理平台，实现对大型起重机械可视化管理。

3.如权利要求2所述的基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，其特征在于，所述光纤传感网络当传感器数量小于或等于4个，可以直接与光纤光栅解调仪相连接。

4.如权利要求2所述的基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，其特征在于，当传感器数量大于4个，采用分路器经测试后经星型或其他形式进入光纤光栅传感器解调仪。

5.如权利要求4所述的基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，其特征在于，所述光纤传感器包括自温补型焊接式光纤光栅传感器和分布式光纤应变光缆，实时采集所述起重装备主金属结构的健康参数的光信号。

6.如权利要求5所述的基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，其特征在于，考虑岸边起重机的应力分布，在应力集中的22个监测点处设置有66个温补型焊接式光纤光栅传感器，所述温补型焊接式光纤光栅传感器的布点根据所述起重装备主金属结构有限元静态和动态分析确定。

7.如权利要求1所述的基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，其特征在于，所述光纤传感网络在鲁棒性模型基础上，针对结构损伤监测，从传感器类型、传感器数目、结构冗余性和故障诊断方面建立光纤传感网络。

8.如权利要求7所述的基于光纤传感网络的岸边集装箱起重装备应力在线监测与预警系统，其特征在于，所述起重装备主金属结构的健康参数的光信号包括应力、应变、温度和加速度等参数。