CN110912976A - 一种铁路施工设备远程监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路施工设备远程监控系统，包括：数据采集及预处理模块，用于通过传感器采集施工设备的状态数据并进行数据预处理；数据传输模块，用于通过网络将数据采集模块经预处理的信号传送至数据存储模块；数据存储模块，用于提供数据存储功能；数据处理模块，包括在线监控模块、超阈值报警模块、曲线分析模块、设备维保模块和故障诊断模块。本发明运用信息化和自动化的手段，实现对分布在全国各地的各类大型施工设备的远程监控和管理，对设备的施工参数进行监控和预警，将设备维保的流程规范化、科学化、集中化管理，实现信息共享，确保施工设备安全健康运转，为施工单位创造更多的效益。

Description

一种铁路施工设备远程监控系统

技术领域

本发明涉及铁路施工设备辅助技术，尤其涉及一种铁路施工设备远程监控系统。

背景技术

近年来，随着铁路建设规模逐步扩大，机械化程度急剧提升，设备保有数量迅速加大，这些设备在提升了施工的效率和质量的同时也带来了相应的铁路施工安全问题。由于铁路施工行业的项目建设等级多样，项目点多线长，分布在全国各地，且由于项目类型的不同，涉及到的专业复杂，涉及设备类型繁多，这些设备多为特种非标专用设备，设备标准化、自动化、信息化水平较低，给用户的统一管理、及时掌握施工设备的运行状态、分析设备工效以及对施工作业中风险管控带来了一定难度。

设备在出厂时，设备的使用说明书一般会提供维护和保养的规范，但是在设备的使用过程中，往往由于现场使用人员知识水平的限制，缺乏对设备的维护保养意识，平时的维护保养只是填个表格应付差事，因而设备的管理和维护工作难度较大，无法严格按照规范的标准执行，维护保养质量参差不齐，导致设备的使用寿命达不到预期。

在设备的故障维修过程中，由于现场施工人员流动性比较大，管理不严格，出现故障后，一般是谁发现了谁解决，缺乏统一的管理，经常出现同一个问题出现了多次，但由于相互之间交流不够，导致每次出现问题都可能是由不同的人员解决的，这造成了严重的时间浪费。而且有时候现场无法解决的故障，在反馈给设备厂家的时候，由于现场工作人员描述不到位，设备厂家只能派工程师去现场解决，结果工程师去了现场之后，经常发现只是很简单的问题，简单处理即可，造成了严重的人力和财力资源浪费。

远程监控是国内外发展迅速的前沿技术，近年来，随着无线通讯技术、微电子技术、控制技术、数据可视化技术飞速发展，大量的工程机械安装了远程监控系统。然而，民用工业领域的实时监控仍停留在起步阶段，目前主要以现场级的单机版安全监控系统为主，缺乏集中和专业化的实时动态管控和故障预警。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种铁路施工设备远程监控系统。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铁路施工设备远程监控系统，包括：

所述的数据采集及预处理模块，用于通过传感器采集施工设备的状态数据并进行数据预处理；所述数据预处理为通过设置在设备上的据处理的从站，用于将传感器上的原始数据，进行滤波后，将原始的电流、电压或脉冲信号转换为对应的数字信号；

所述传感器包括设置在每台设备上的限位器、距离传感器、加速度传感器、重量传感器、倾斜度传感器(水平度传感器和垂直度传感器)和高度编码器以及监控摄像头；

所述的数据传输模块，用于通过网络将数据采集模块经预处理的信号传送至数据存储模块，基于此目的以及场景切换的需要，设计采用4G+VPN+无线组网多种网络结构并行且灵活配置以适应不同场景需求的数据传输架构方案。

所述的数据存储模块，用于提供数据存储功能，表现在将从现场终端传输回来的数据进行压缩、加密之后，存入数据库，并供数据处理模块随时调阅。数据存储模块采用了特有的压缩加密算法，通过将相同类型的数据分类进行存储，有效利用了硬盘的存储空间，减小了数据库大小的同时，也增加了数据的安全性。

所述的数据处理模块，包括在线监控模块、超阈值报警模块、曲线分析模块、设备维保模块和故障诊断模块：

所述在线监控模块，表现在将当前设备的实时数据以数据表格、图形图表方式进行可视化展现，并根据不同设备机型，绘制设备的二维模型，通过实时数据驱动二维模型进行动作，模拟还原现场设备的施工状态；所述可视化展现信息包含设备基本信息、实时监控数据、工况信息、限位状态信息和报警信息；

所述超阈值报警模块，表现在通过传感器采集回来的实时数据与设置各个关键参数的报警阈值进行比较分析，对于超阈值的参数进行报警推送；

所述曲线分析模块，表现在对影响设备安全和施工效率的关键参数以曲线的形式进行直观展示，进而辅助对设备健康状况进行诊断，并对设备施工效率进行分析。同时曲线分析模块提供历史曲线查询功能，可以调取任意时间段内任意关键数据的历史曲线。

所述设备维保模块，表现在根据设备产品说明书及施工设备所在地温度、湿度等环境因素以及使用频率等人为因素确定设备对应部件的维保周期，并将设备的部件按运动方式的不同进行分类分析，计算每个部件的运动时间，为每个部件制定设备保养与检查计划；

所述故障诊断模块，表现在根据故障专家库与设备的监控参数和故障报警代码进行分析，从而进行远程故障诊断，为现场工人的故障维修提供支撑，并将故障维修及零配件、易损件更换记录录入系统，更新故障专家库，为后续故障诊断提供经验支持。

本发明产生的有益效果是：本发明通过对传统的设备管理体系下存在的问题进行分析，发现管理者缺乏对设备进行有效监管的手段，提供了一种大型铁路施工设备远程监控系统，运用信息化和自动化的手段，实现对分布在全国各地的各类大型施工设备的远程监控和管理，对设备的施工参数进行监控和预警，将设备维保的流程进行规范化、科学化、集中化管理，实现信息共享，确保施工设备安全健康运转，施工效率稳步提升，人员安全切实保障，为施工单位创造更多的效益。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图如下：

图1是本发明的铁路施工设备远程监控系统结构示意图；

图2是本发明的铁路施工设备远程监控系统在线监控模块流程处理示意图；

图3是本发明的铁路施工设备远程监控系统超阈值报警模块的方法流程图；

图4是本发明的铁路施工设备远程监控系统设备维保模块的结构模式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种铁路施工设备远程监控系统包括：

所述的数据采集及预处理模块，用于通过传感器采集施工设备的状态数据并进行数据预处理；所述数据预处理为通过在设备上设置数据处理的从站，用于将传感器上的原始数据进行滤波，既而将原始的电流、电压或脉冲信号转换为对应的数字信号；

所述传感器包括设置在每台设备上的限位器、距离传感器、加速度传感器、重量传感器、倾斜度传感器(水平度传感器和垂直度传感器)和高度编码器以及监控摄像头。数据采集模块中传感器的布置方式如下：

对铁路施工设备按照运动部件进行拆分，拆分遵循以下原则：根据部件的运动轨迹和运动规律来划分如下几类：

a.具有纵向移动特性的部件；

b.具有横向移动特性的部件；

c.具有垂直移动特性的部件；

d.具有倾斜移动特性的部件；

e.工作过程中承重外部物件的部件；

对拆分后的部件布置传感器，采集监控数据：在a、b、c类部件上均布置距离传感器和加速度传感器；在a、b、c、d类部件相应位置上均布置限位器；在c类部件上均布置高度编码器；在d类部件上均布置倾斜度传感器；在e类部件上均布置重量传感器；

所述的数据传输模块，用于通过网络将数据采集模块预处理的信号传送至数据存储模块，其设计方式为：

1)根据设备的类型进行分类，可以分为如下几类：

a.基于有线网络覆盖的相对固定的设备：此类设备以提梁机、盾构机为代表，其特点是工作时不移动或者移动范围小、移动速度慢，可视为固定设备，此类设备可通过附近的有线网络直接接入互联网。

b.可以接收4G信号的移动设备：此类设备以架桥机、运梁车为代表，其特点是设备工作时会发生移动，无法通过有线网络接入互联网，但是可以通过4G信号接入互联网。

c.隧道内或地下移动设备：此类设备以电机车、过隧架桥机、过隧运梁车、凿岩台车为代表，其特点是设备工作时会发生移动，工作时可能会进入隧道等无4G信号的工作环境，需要在隧道内合理组建局域网络，并利用附近的有线或4G网络接入互联网。

2)根据设备类型的不同，选择不同的数据传输装置，并设计组网方案，具体如下：

a.对于基于有线网络覆盖的相对固定的设备，选择带IPSEC VPN功能的工业级有线网关，现场施工设备的安全监控系统通过网线或者光线与有线网关连接，接入互联网；

b.对于可以接收4G信号的移动设备，可在设备上安装工业级4G网关，现场设备的安全监控系统通过4G网关接入互联网；

c.对于隧道内或地下移动设备，可在隧道内每间隔一段距离，布置无线AP节点，各个AP节点之间通过光纤连接，并在出口处布置光交换机，所有AP节点统一接到光交换机上，如果其中一个AP节点故障或者光线损坏，不会影响其它AP节点的网络，网络可靠性更高。

数据传输模块与数据处理模块和数据采集模块建立连接，用于收发数据，根据设备类型的不同，通过不同方式建立连接通道，实现数据处理模块和数据采集模块的网络互连。数据传输模块主要分为客户端和服务器端两部分，客户端为支持IPSECVPN的工业级路由器，根据设备的特性可以选择4G或者有线的接入方式。IPSec的隧道是封装、路由与解封装的整个过程。隧道将原始数据包隐藏(或封装)在新的数据包内部，使其能够通过网络传输。隧道与数据保密性结合使用时，在网络上窃听通讯的人将无法获取原始数据包数据(以及原始的源和目标)。封装的数据包到达目的地后，会删除封装，原始数据包头用于将数据包路由到最终目的地。因此通过IPSECVPN加密过的数据，其安全性将得到有效的保障。

所述的数据存储模块，用于提供数据存储功能：将从现场终端传输回来的数据进行压缩、加密之后，存入数据库，并供数据处理模块随时调阅。数据存储模块采用了特有的压缩加密算法，通过将相同类型的数据分类进行存储，有效利用了硬盘的存储空间，降低了数据负荷的同时，也增加了数据的安全性。

所述的数据处理模块主要包括数据存储(数据库、文件)、设备数据采集两个模块，负责汇总所有施工设备的数据信息，并进行保存、统计、分析，形成不同的模块，为Web、APP、桌面客户端等应用提供不同的数据接口，如在线监控、曲线分析、设备维保、视频监控以及故障诊断。

基于数据处理衍生的应用内容主要包括在线监控模块、超阈值报警模块、曲线分析模块、设备维保模块和故障诊断模块：

所述在线监控模块，表现在将当前设备的实时数据以数据表格、图形图表方式进行可视化展现，并根据不同设备机型，绘制设备的二维模型，通过实时数据驱动二维模型进行动作，模拟还原现场设备的施工状态；所述可视化展现信息包含设备基本信息、实时监控数据、工况信息、限位状态信息和报警信息；可视化展现信息可通过Web、手机APP、桌面客户端等多种方式呈现给各类用户；

如图2，在线监控模块中，根据不同设备机型，绘制设备的二维模型，通过实时数据驱动二维模型进行动作，模拟还原现场设备的施工状态，具体如下：

1)根据设备拆分后的各个部件的图纸，绘制模拟动画的设备仿真模型；

2)使用预处理后的数据实现对动画模型的驱动，根据监控数据的实际值，折算成在模型上的坐标值，驱动模型进行动作；

2.1)加载舞台

绘制画布，根据不同设备类型调整画布大小以及区域定位；

2.2)为设备仿真模型初始化参数；

2.3)配置设备参数信息；

2.4)调用PIXI库加载配置，获取部件配置信息和图片坐标数据，为数据使用做好准备；

2.5)数据获取及处理

从采集的数据中获取驱动所需的数据，并对数据作限制处理，滤除不合理的数据；所述限制包括高度边界限制、左右边界限制和梁片倾斜度限制；

2.6)仿真模型定位计算

对每个部件，初始化其位置，根据处理后的数据计算部件上坐标点的初始坐标和行程变化；

2.7)信息刷新

通过不断添加驱动所需的数据，并刷新信息做到实时更新，实现数据的动态获取，将设备工况及时且真实的反映在画布区域，配合动画渲染实现运动效果。

所述超阈值报警模块，用于通过传感器采集回来的实时数据运用数据分析的方法进行归并性处理，进而与设置各个关键参数的报警阈值比较分析，依据处理结果将超阈值的参数进行报警推送，本模块提供阈值设置方案，能够根据监控指标中报警数据的动态变化值，自动设置监控指标的报警阈值区间，解决无数离散的信号值仅仅超过单一阈值就出现无数次报警的情形，降低过多依赖专家经验人工设置各监控指标报警阈值的固化处理模式的状态，从而能提高报警的有效性和准确性。

如图3，所述超阈值报警模块具体实施为：

1)数据采集

针对监控设备，若该设备处于报警状态超过设定时间，开始采集报警数据；数据的采样间隔时间为100ms；监控数据采样时间间隔符合GB/T28264-2012标准；

2)数据分组

以设定周期为统计区间，将采集的数据进行分组；

3)阈值确定

3.1)将每一组数据以正态分布的方式进行拟合，然后根据这组数据的平均值和标准差模拟出正态分布曲线；设平均值为m，标准差为σ；

3.2)设定正态分布的置信水平s，置信水平的设定为经验值，可通过实验比较法，设定不同的置信水平，然后比较不同的置信水平得到的不同的阈值结果的合理性,选取最终的设定值；

3.3)根据置信水平s，以正态分布曲线轴对称选择数据区域，得到上下边界值；

3.4)将区间(t1，t2)作为该组数据阈值区间；

3.5)重复步骤3.1)至3.4)，计算所有数据组的阈值区间；

3.6)求出所有阈值区间的上边界值加权平均和下边界值加权平均，作为最终报警系统阈值区间设定值；

3.7)若传入的信号值在步骤3.6)设定的区间内，那么就处于报警状态，触发报警系统报警。

所述设备维保模块，用于根据设备产品说明书及施工设备所在地温度、湿度环境因素确定对应的设备的运转时间，并自主制定设备保养与检查计划，解决大型设备维保执行不到位、监管难以及维保操作不到位进而引发的维保数据不规范的问题，在维保质量、过程管理、流程化结构体系以及效率方面带来了可观的进步与发展。

如图4，所述设备维保模块具体实施为：

1)针对需要保养的部位分析所需要采集的数据：

分析需要保养部件的运动特性，制定对应的传感器选型和安装方案，结合从控制器或PLC读取的操作指令获得每个部件的运动参数；

2)建立安全监控系统，对各类部件的数据进行采集和处理，各类部件主要包括：

2.1)均衡油缸轴承、插销：此类部件和工况一一对应，因此可以直接从PLC获取工况信息，判断该部件是否正在运动。

2.2)钢丝绳、卷扬减速机：编码器。由于钢丝绳参与的工况太多，难以和PLC获取的工况一一对应，因此此类部件可以直接通过传感器直接观测运动状态。

2.3)发动机、机油、柴油滤芯、冷却液：直接采集发动机参数，获取累计工作时间。

2.4)建立基于B/S架构的远程监控系统，为维保计划的管理提供平台支持，系统由数据服务器、存储单元、应用服务器组成；

2.5)计算部件的运转时间，根据部件的特性设置对应保养方案，部件每运转一定周期，就向相关人员的手机APP中推送对应的保养任务，维保任务下发后，机长通过手机APP收到相应任务后，分配给组员，组员执行维保任务，通过手机APP进行文字和图片的记录，实现维保的差异化管理。

所述故障诊断模块，用于根据故障专家库与设备的监控参数和故障报警代码进行分析，进行远程故障诊断，为现场工人的故障维修提供支撑，并将故障维修及零配件、易损件更换记录录入系统，更新故障专家库，为后续故障诊断提供经验支持。

本发明针对铁路施工过程中涉及到的各类大型施工设备，依据设备特性，通过各类传感器对设备运行中的关键参数进行采集，并通过基于4G或者有线网络的虚拟专用网络，对施工数据进行加密，将数据发送至数据处理模块，对设备的施工数据进行挖掘和分析，可视化后通过Web、手机APP、桌面客户端等多种方式呈现给各类用户，并建立设备的安全模型，对设备的危险状态进行多层级报警，根据报警级别分别推送至不同的管理层级工作人员，，以及现场施工人员，确保设备施工安全。同时，根据设备的运行时间自动化指派维保任务，确保设备维保科学化、规范化。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种铁路施工设备远程监控系统，其特征在于，所述的设备远程监控系统包括数据采集及预处理模块、数据传输模块、数据存储模块、数据处理模块以及基于数据处理模块开发和衍生的不同应用功能；

所述数据采集及预处理模块，用于通过传感器采集施工设备的状态数据并进行数据预处理；

所述数据传输模块用于通过网络将数据采集模块经预处理的信号传送至数据存储模块；

所述数据存储模块，用于提供数据存储功能；

所述数据处理模块包括基于数据处理开发和衍生的不同应用功能模块，具体为：在线监控模块、超阈值报警模块、曲线分析模块、设备维保模块和故障诊断模块。

2.根据权利要求1所述的铁路施工设备远程监控系统，其特征在于：

所述数据采集及预处理模块中所述数据预处理为通过设置在设备上的数据处理的从站，用于将传感器上的原始数据，进行滤波后，将原始的电流、电压或脉冲信号转换为对应的数字信号；所述传感器包括设置在铁路施工设备上的限位传感器、距离传感器、加速度传感器、重量传感器、倾斜度传感器和高度编码器以及监控摄像头。

3.根据权利要求1所述的铁路施工设备远程监控系统，其特征在于，所述数据处理模块，包括在线监控模块、超阈值报警模块、曲线分析模块、设备维保模块和故障诊断模块，所述数据处理模块用于对采集的数据进行可视化分析、维护保养和故障处理，基于处理的数据衍生的功能模块点将设备远程运维系统的价值与优化做了落地实现；

所述在线监控模块，用于将当前设备的实时数据以数据表格、图形图表方式进行可视化展现，并根据不同设备机型，绘制设备的仿真模型，通过实时数据驱动仿真模型进行动作，模拟还原现场设备的施工状态；所述可视化展现信息包含设备基本信息、实时监控数据、工况信息、限位状态信息和报警信息；

所述超阈值报警模块，用于通过传感器采集回来的实时数据与设置各个关键参数的报警阈值进行比较分析，对于超阈值的参数进行报警推送；

所述曲线分析模块，用于通过对影响设备安全和施工效率的关键参数以曲线的形式进行直观展示，对设备健康状况进行辅助诊断，并对设备施工效率进行分析，同时，曲线分析模块提供历史曲线查询功能，可以调取任意数据在任意时间段内的历史曲线。

所述设备维保模块，用于根据设备产品说明书及施工设备所在地温度、湿度等环境因素以及使用频率等人为因素确定设备对应部件的维保周期，并将设备的部件按运动方式的不同进行分类分析，计算每个部件的运动时间，为每个部件制定设备保养与检查计划；

所述故障诊断模块，用于根据故障专家库与设备的监控参数和故障报警代码进行分析，进行远程故障诊断，为现场工人的故障维修提供支撑，并将故障维修及零配件、易损件更换记录录入系统，更新故障专家库，为后续故障诊断提供经验支持。

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