CN112326287B - 一种基于物联网的工程机械远程运维系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于物联网的工程机械远程运维系统，包括状态监测装置和远程监控中心；状态监测装置设置在工程机械上，用于采集工程机械中各部件的运行状态数据，并将采集的运行状态数据发送到远程监控中心；其中运行状态数据包括：各部件的温度数据以及振动信号数据；远程监控中心，用于根据接收到运行状态数据进行异常状态分析，当分析到工程机械中某部件对应的运行状态数据存在异常时，发出运维警报信息。本发明有助于管理者及时安排运维人员对相关的异常部件进行运维处理，能够避免因工程机械部件出现磨损、过负荷等情况没有及时被发现，从而导致引发工程机械整体故障的情况，提高了工程机械运维的适应性。

Description

一种基于物联网的工程机械远程运维系统

技术领域

本发明涉及工程机械远程运维技术领域，特别是一种基于物联网的工程机械远程运维系统。

背景技术

目前，大型施工现场中，通常设置有不同种类的工程机械(如挖掘机、铲土机、起重机等)来协助施工现场的作业，在实际的作业中，工程机械通常会因为高负荷作业、或施工现场恶劣环境影响等，导致工程机械容易出现异常情况。

现有技术中，工程机械中涉及的部件和装置数量繁多(如驱动装置、变速装置、传动装置、工作装置、制动装置、防护装置、润滑系统、冷却系统等)，在实际的操作过程中，操作人员仅能够对工程机械的整体情况进行判断，但是无法针对具体每个装置和部件的状态进行有效的了解，容易导致工程机械中某个部件出现超负荷运作时导致的故障发生。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于物联网的工程机械远程运维系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明示出一种基于物联网的工程机械远程运维系统，包括状态监测装置和远程监控中心；

状态监测装置设置在工程机械上，用于采集工程机械中各部件的运行状态数据，并将采集的运行状态数据发送到远程监控中心；其中运行状态数据包括：各部件的温度数据以及振动信号数据；

远程监控中心，用于根据接收到运行状态数据进行异常状态分析，当分析到工程机械中某部件对应的运行状态数据存在异常时，发出运维警报信息；

其中状态监测装置包括多个传感器节点和汇聚节点，多个传感器节点分别部署在工程机械的各部件上，用于采集工程机械各部件的运行状态数据；汇聚节点用于汇聚各传感器节点采集的运行状态数据并转发至远程监控中心。

一种实施方式中，多个传感器节点和汇聚节点部署完成后，按照设定的预设的拓扑规则构建一个无线传感器网络，无线传感器网络中的传感器节点间相互建立通信连接，其中各传感器节点通过一跳或多跳的方式将采集的运行状态数据发送到汇聚节点，由汇聚节点统一将各传感器节点采集的运行状态数据发送到远程监控中心。

一种实施方式中，远程监控中心包括接收模块、异常分析模块和运维警报模块；

接收模块用于接收由汇聚节点发送的工程机械各部件的运行状态数据；

异常分析模块用于对接收到的运行状态数据进行异常分析，获取工程机械各部件的异常分析结果；

运维警报模块，用于当工程机械各部件的异常状态分析结果存在异常时，发出与异常部件对应的运维警报信息。

一种实施方式中，异常分析模块包括过热分析单元和故障分析单元；

过热分析单元用于根据工程机械各部件对应的温度数据与该部件对应的温度阈值进行比较，当部件的温度高于与该部件对应的温度阈值时，判断该部件存在异常；

故障分析单元，用于根据工程机械各部件对应的振动信号进行故障分析处理，包括根据部件的振动信号提取该振动信号的特征参数，并将获取的特征参数输入到预设的故障检测模型中，获取模型输出的故障分析结果，当模型输出的故障分析结果为故障时，即判断该部件存在异常。

一种实施方式中，多个传感器节点和汇聚节点部署完成后，按照设定的预设的拓扑规则构建一个无线传感器网络，具体包括：

1)根据工程机械的结构，将工程机械划分为P个几何空间大小相等的子区域，其中每个子区域内的传感器节点组成一个簇，总共获得P个簇，其中将包含汇聚节点的子区域的簇标记为C₀，将其余子区域的簇标记为C₁,C₂,…,C_P-1；

2)所有传感器节点判断自身在本轮时间周期内是否运作；

3)所有被判断为运作的传感器节点将自身的簇标记信息和自身的节点参数信息进行广播，并获取与自身簇标记信息相同的其它传感器节点广播的参数信息；

4)针对簇标记为C₀的传感器节点，采用设定的第一规则计算自身的簇首优势值；针对簇标记为C_p的传感器节点，采用设定的第二规则计算自身簇首优势值，其中p＝1,2,…,P-1；

5)各传感器节点将自身的簇首优势值进行广播，若传感器节点收到与自身同簇的其它传感器节点的簇首优势值大于自身的簇首优势值，则该传感器节点成为簇成员节点；若传感器节点收到与自身同簇的其它传感器节点的簇首优势值均小于自身的簇首优势值，则该传感器节点当选本轮时间周期内的簇首；

6)各簇中当选簇首的传感器节点将其当选簇首信息进行广播，以使得与其同簇的其它被判断为运作的传感器节点加入到对应的簇首中，成为该簇首的簇成员节点，各簇成员节点将自身采集的工程机械部件的运行状态数据发送到其对应的簇首中，由簇首将各簇成员节点采集的运行状态数据统一发送到远程监控中心；

同时被判断为自身在本轮时间周期内不运作的传感器节点将处于待机状态，直到本轮时间周期结束；

当一轮时间周期结束后，开启下一轮时间周期并重复步骤2)。

本发明的有益效果为：通过在工程机械的各部件上设置传感器节点采集工程机械各部件的运行状态数据，能够针对性地对工程机械的具体部件进行运行状态数据检测，并将采集的运行状态数据发送到远程监控中心进行集中的工程机械运行状态异常检测，能够有助于针对工程机械具体部件的情况，及时发现其中部件出现的异常情况，有助于管理者及时安排运维人员对相关的异常部件进行运维处理，能够避免因工程机械部件出现磨损、过负荷等情况没有及时被发现，从而导致引发工程机械整体故障的情况，提高了工程机械运维的适应性。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的框架结构图。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1，其示出一种基于物联网的工程机械远程运维系统，包括状态监测装置和远程监控中心；

状态监测装置设置在工程机械上，用于采集工程机械中各部件的运行状态数据，并将采集的运行状态数据发送到远程监控中心；其中运行状态数据包括：各部件的温度数据以及振动信号数据；

远程监控中心，用于根据接收到运行状态数据进行异常状态分析，当分析到工程机械中某部件对应的运行状态数据存在异常时，发出运维警报信息；

其中状态监测装置包括多个传感器节点和汇聚节点，多个传感器节点分别部署在工程机械的各部件上，用于采集工程机械各部件的运行状态数据；汇聚节点用于汇聚各传感器节点采集的运行状态数据并转发至远程监控中心。

上述实施方式中，通过在工程机械的各部件上设置传感器节点采集工程机械各部件的运行状态数据，能够针对性地对工程机械的具体部件进行运行状态数据检测，并将采集的运行状态数据发送到远程监控中心进行集中的工程机械运行状态异常检测，能够有助于针对工程机械具体部件的情况，及时发现其中部件出现的异常情况，有助于管理者及时安排运维人员对相关的异常部件进行运维处理，能够避免因工程机械部件出现磨损、过负荷等情况没有及时被发现，从而导致引发工程机械整体故障的情况，提高了工程机械运维的适应性。

同时传感器节点间通过物联传输方式将采集的运行状态数据发送到远程监控中心，有助于降低状态监测装置的整体能耗，从而提高了针对工程机械远程运维系统的稳定性。

一种实施方式中，多个传感器节点和汇聚节点部署完成后，按照设定的预设的拓扑规则构建一个无线传感器网络，无线传感器网络中的传感器节点间相互建立通信连接，其中各传感器节点通过一跳或多跳的方式将采集的运行状态数据发送到汇聚节点，由汇聚节点统一将各传感器节点采集的运行状态数据发送到远程监控中心。

一种实施方式中，汇聚节点设置在工程机械本体的几何中心位置上或附近。

一种实施方式中，工程机械的各部件包括工程机械中的驱动装置、变速装置、传动装置、工作装置、制动装置、防护装置、润滑系统、冷却系统、部件间连接机构、支撑装置中的至少两种。

在实际的传感器节点设置中，可以根据实际情况的需要，对传感器节点进行部署，例如，可以针对工程机械的重要部件(如发动机、液压系统、变速装置等)中部署传感器节点对该重要部件的运行状态数据进行采集；也可以针对工程机械的全部部件(包括各装置、装置间的连接机构、固定机构、传动机构等)都部署传感器节点，对工程机械的各部件的运行状态数据进行全面的采集；或者也可以针对工程机械中的易发生固件的位置部署传感器节点，进行针对性的运行状态数据采集。

一种实施方式中，远程监控中心包括接收模块、异常分析模块和运维警报模块；

接收模块用于接收由汇聚节点发送的工程机械各部件的运行状态数据；

异常分析模块用于对接收到的运行状态数据进行异常分析，获取工程机械各部件的异常分析结果；

运维警报模块，用于当工程机械各部件的异常状态分析结果存在异常时，发出与异常部件对应的运维警报信息。

一种实施方式中，异常分析模块包括过热分析单元和故障分析单元；

过热分析单元用于根据工程机械各部件对应的温度数据与该部件对应的温度阈值进行比较，当部件的温度高于与该部件对应的温度阈值时，判断该部件存在异常；

故障分析单元，用于根据工程机械各部件对应的振动信号进行故障分析处理，包括根据部件的振动信号提取该振动信号的特征参数，并将获取的特征参数输入到预设的故障检测模型中，获取模型输出的故障分析结果，当模型输出的故障分析结果为故障时，即判断该部件存在异常。

一种实施方式中，多个传感器节点和汇聚节点部署完成后，按照设定的预设的拓扑规则构建一个无线传感器网络，具体包括：

1)根据工程机械的结构，将工程机械划分为P个几何空间大小相等的子区域，其中每个子区域内的传感器节点组成一个簇，总共获得P个簇，其中将包含汇聚节点的子区域的簇标记为C₀，将其余子区域的簇标记为C₁,C₂,…,C_P-1；

2)所有传感器节点判断自身在本轮时间周期内是否运作；

3)所有被判断为运作的传感器节点将自身的簇标记信息和自身的节点参数信息进行广播，并获取与自身簇标记信息相同的其它传感器节点广播的参数信息；

4)针对簇标记为C₀的传感器节点，采用设定的第一规则计算自身的簇首优势值；针对簇标记为C_p的传感器节点，采用设定的第二规则计算自身簇首优势值，其中p＝1,2,…,P-1；

5)各传感器节点将自身的簇首优势值进行广播，若传感器节点收到与自身同簇的其它传感器节点的簇首优势值大于自身的簇首优势值，则该传感器节点成为簇成员节点；若传感器节点收到与自身同簇的其它传感器节点的簇首优势值均小于自身的簇首优势值，则该传感器节点当选本轮时间周期内的簇首；

6)各簇中当选簇首的传感器节点将其当选簇首信息进行广播，以使得与其同簇的其它被判断为运作的传感器节点加入到对应的簇首中，成为该簇首的簇成员节点，各簇成员节点将自身采集的工程机械部件的运行状态数据发送到其对应的簇首中，由簇首将各簇成员节点采集的运行状态数据统一发送到远程监控中心；

同时被判断为自身在本轮时间周期内不运作的传感器节点将处于待机状态，直到本轮时间周期结束；

当一轮时间周期结束后，开启下一轮时间周期并重复步骤2)。

本发明上述实施方式中，还提出了一种专门针对传感器节点和汇聚节点构建无线传感器网络的设置方法，其中特别增加了传感器节点判断自身在本轮时间周期内是否运作的步骤，专门针对工程机械在实际运作过程中，存在的可能某些部件是静止状态，或者某些部件不是需要重点关注的时候，能够自适应地安排符合要求的传感器节点进行待机轮休，在尽量不影响状态监测的前提下，能够提高传感器节点的工作寿命，从而提高了针对工程机械设置的状态监测装置的稳定性和可靠性。同时还提出一种分簇以及通过选举簇头节点来汇聚簇成员节点采集的运行状态数据统一发送到远程监控中心的技术方案，特别根据工程机械中部署传感器节点和汇聚节点的特性，采用不通过的标准来选取簇首，使得簇首的选取的合理性提高。从整体上提高了状态监测装置中针对工程机械运行状态数据采集的无线传感器网络的部署的性能。

一种实施方式中，所有传感器节点判断自身在本轮时间周期内是否运作，具体包括：

各传感器节点分别计算运作参考因子，其中采用的运作参考因子计算函数为：

式中，Y(n)表示第n个传感器节点的运作参考因子，fE(n)表示第n个传感器节点的能量因子，其中当第n个传感器节点的剩余能量E(n)低于设定的阈值E′时，f_E(n)＝1，否则f_E(n)＝0； f_S(n)表示第n个传感器节点的运作因子，其中当该第n个传感器节点上一轮时间周期没有运作时，则f_S(n)＝0，否则f_S(n)＝1；f_L(n)表示第n个传感器节点的类型状态因子，其中当该第n个传感器节点为采集温度数据的温度传感器节点时，当该温度传感器节点上一轮时间周期中采集到的温度最大值小于与该温度传感器节点对应设置的温度阈值时，f_L(n)＝1，否则 f_L(n)＝0，当该第n个传感器节点为采集振动信号数据的振动传感器节点时，当该振动传感器节点上一轮周期中采集到的振动信号的幅值最大值小于与该振动传感器节点对应设置的幅值阈值时，f_L(n)＝1，否则f_L(n)＝0；f_K(n)表示空间密度因子，当整个无线传感器网络中传感器节点的空间密度大于设定阈值时，f_K(n)＝1，否则f_K(n)＝0，ω_E表示能量权重，ω_E∈[0.15，0.3]，ω_S表示运作权重，ω_S∈[0.25，0.4]，ω_L表示类型状态权重，ω_L∈[0.2，0.3]，ω_K表示空间密度权重，ω_K∈[0.2，0.3]，其中ω_E+ω_S+ω_L+ω_K＝1，Ran表示[0.4，1]的随机数；

当Y(n)＞0时，则该第n个传感器节点判断为自身在本轮时间周期内不运作，并进入待机状态知道本轮时间周期结束，否则则判断自身在本轮时间周期内正常运作。

上述实施方式中，提出了一种传感器节点自适应判断自身在本轮时间周期内是否运作的技术方案，该方案中传感器节点根据自身的能量、运作、类型状态因素，结合整个无线传感器网络的部署的空间密度因素，采用随机概率判定的方式，判断自身是否需要运作，能够使得自身性能欠佳，同时其所在部位稳定性较高的传感器节点得到休息的机会，从而提高整个无线传感器网络运作的性能。

一种实施方式中，针对簇标记为C₀的传感器节点，采用设定的第一规则计算自身的簇首优势值，包括：

采用下列第一簇首优势值计算函数计算传感器节点的簇首优势值：

式中，Z₁(0，b)表示簇C₀中第b个传感器节点的簇首优势值，其中b∈[1，F₀]，F₀示簇C₀中被判断为运作的传感器节点的总数，D(b，d)表示簇C₀中第b个传感器节点与同簇的第d个传感器节点的空间距离，D_h(0，b)表示簇C₀中第b个传感器节点与汇聚节点之间的空间距离，D_h(0) 示簇C₀中各传感器节点与汇聚节点之间的空间距离均值，E(0，b)表示簇C₀中第a个传感器节点的剩余能量，E′表示设定的最小剩余能量阈值，E(0)表示簇C₀中各传感器节点的剩余能量均值，δ_D和δ_E分别表示归一化权重因子。

上述实施方式中，提出了一种改进的基于传感器节点空间位置分布作为保准的簇首优势值计算函数，该函数中考虑到汇聚节点与传感器节点置于同一子区域的特殊性，特别针对传感器节点空间分布互相影响特性来进行最优簇首选择，提高了簇首选择的适应性。

一种实施方式中，针对簇标记为C_p的传感器节点，采用设定的第二规则计算自身簇首优势值，包括：

采用下列第二簇首优势值计算函数计算传感器节点的簇首优势值：

式中，Z₂(p，a)表示簇C_p中第a个传感器节点的簇首优势值，其中a∈[1，F_p]，F_p表示簇C_p中被判断为运作的传感器节点的总数，D_h(p，a)表示簇C_p中第a个传感器节点与汇聚节点之间的空间距离，D_p(p，a)表示簇C_p中第a个传感器节点与其所在的子区域中心的空间距离，D_h(p)表示簇C_p中各传感器节点与汇聚节点之间的空间距离均值，E(p，a)表示簇C_p中第a个传感器节点的剩余能量，E′表示设定的最小剩余能量阈值，E(p)表示簇C_p中各传感器节点的剩余能量均值，μ_D和μ_E分别表示归一化权重因子。

上述实施方式中，针对汇聚节点附近的传感器节点，设置其距离参量更能体现出作为簇首的优势项，而远离汇聚节点的传感器节点，则综合判断其所在位置以及在其对应的簇中的位置来综合考虑传感器节点作为簇首的优势项，通过采用不同的方式选取不同子区间的簇首，能够提升簇首的选取性能，进而提高运维系统的可靠性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种基于物联网的工程机械远程运维系统，其特征在于，包括状态监测装置和远程监控中心；

状态监测装置设置在工程机械上，用于采集工程机械中各部件的运行状态数据，并将采集的运行状态数据发送到远程监控中心；其中运行状态数据包括：各部件的温度数据以及振动信号数据；

远程监控中心，用于根据接收到运行状态数据进行异常状态分析，当分析到工程机械中某部件对应的运行状态数据存在异常时，发出运维警报信息；

其中状态监测装置包括多个传感器节点和汇聚节点，多个传感器节点分别部署在工程机械的各部件上，用于采集工程机械各部件的运行状态数据；汇聚节点用于汇聚各传感器节点采集的运行状态数据并转发至远程监控中心；

所述多个传感器节点和汇聚节点部署完成后，按照设定的预设的拓扑规则构建一个无线传感器网络，无线传感器网络中的传感器节点间相互建立通信连接，其中各所述传感器节点通过一跳或多跳的方式将采集的运行状态数据发送到所述汇聚节点，由汇聚节点统一将各传感器节点采集的所述运行状态数据发送到所述远程监控中心；

所述多个传感器节点和汇聚节点部署完成后，按照设定的预设的拓扑规则构建一个无线传感器网络，具体包括：

1)根据工程机械的结构，将工程机械划分为P个几何空间大小相等的子区域，其中每个子区域内的传感器节点组成一个簇，总共获得P个簇，其中将包含汇聚节点的子区域的簇标记为C₀，将其余子区域的簇标记为C₁,C₂,…,C_P-1；

2)所有传感器节点判断自身在本轮时间周期内是否运作；

3)所有被判断为运作的传感器节点将自身的簇标记信息和自身的节点参数信息进行广播，并获取与自身簇标记信息相同的其它传感器节点广播的参数信息；

4)针对簇标记为C₀的传感器节点，采用设定的第一规则计算自身的簇首优势值；针对簇标记为C_p的传感器节点，采用设定的第二规则计算自身簇首优势值，其中p＝1,2,…,P-1；

5)各传感器节点将自身的簇首优势值进行广播，若传感器节点收到与自身同簇的其它传感器节点的簇首优势值大于自身的簇首优势值，则该传感器节点成为簇成员节点；若传感器节点收到与自身同簇的其它传感器节点的簇首优势值均小于自身的簇首优势值，则该传感器节点当选本轮时间周期内的簇首；

6)各簇中当选簇首的传感器节点将其当选簇首信息进行广播，以使得与其同簇的其它被判断为运作的传感器节点加入到对应的簇首中，成为该簇首的簇成员节点，各簇成员节点将自身采集的工程机械部件的运行状态数据发送到其对应的簇首中，由簇首将各簇成员节点采集的运行状态数据统一发送到远程监控中心；

同时被判断为自身在本轮时间周期内不运作的传感器节点将处于待机状态，直到本轮时间周期结束；

当一轮时间周期结束后，开启下一轮时间周期并重复步骤2)；

其中，所有传感器节点判断自身在本轮时间周期内是否运作，具体包括：

各传感器节点分别计算运作参考因子，其中采用的运作参考因子计算函数为：

式中，Y(n)表示第n个传感器节点的运作参考因子，fE(n)表示第n个传感器节点的能量因子，其中当第n个传感器节点的剩余能量E(n)低于设定的阈值E′时，f_E(n)＝1，否则f_E(n)＝0；f_S(n)表示第n个传感器节点的运作因子，其中当该第n个传感器节点上一轮时间周期没有运作时，则f_S(n)＝0，否则f_S(n)＝1；f_L(n)表示第n个传感器节点的类型状态因子，其中当该第n个传感器节点为采集温度数据的温度传感器节点时，当该温度传感器节点上一轮时间周期中采集到的温度最大值小于与该温度传感器节点对应设置的温度阈值时，f_L(n)＝1，否则f_L(n)＝0，当该第n个传感器节点为采集振动信号数据的振动传感器节点时，当该振动传感器节点上一轮周期中采集到的振动信号的幅值最大值小于与该振动传感器节点对应设置的幅值阈值时，f_L(n)＝1，否则f_L(n)＝0；f_K(n)表示空间密度因子，当整个无线传感器网络中传感器节点的空间密度大于设定阈值时，f_K(n)＝1，否则f_K(n)＝0，ω_E表示能量权重，ω_E∈[0.15，0.3]，ω_S表示运作权重，ω_S∈[0.25，0.4]，ω_L表示类型状态权重，ω_L∈[0.2，0.3]，ω_K表示空间密度权重，ω_K∈[0.2，0.3]，其中ω_E+ω_s+ω_L+ω_K＝1，Ran表示[0.4，1]的随机数；

当Y(n)＞0时，则该第n个传感器节点判断为自身在本轮时间周期内不运作，并进入待机状态知道本轮时间周期结束，否则则判断自身在本轮时间周期内正常运作。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的工程机械远程运维系统，其特征在于，所述远程监控中心包括接收模块、异常分析模块和运维警报模块；

接收模块用于接收由所述汇聚节点发送的所述工程机械各部件的所述运行状态数据；

异常分析模块用于对接收到的运行状态数据进行异常分析，获取工程机械各部件的异常分析结果；

运维警报模块，用于当工程机械各部件的异常状态分析结果存在异常时，发出与异常部件对应的运维警报信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的工程机械远程运维系统，其特征在于，所述异常分析模块包括过热分析单元和故障分析单元；

过热分析单元用于根据工程机械各部件对应的温度数据与该部件对应的温度阈值进行比较，当部件的温度高于与该部件对应的温度阈值时，判断该部件存在异常；

故障分析单元，用于根据工程机械各部件对应的振动信号进行故障分析处理，包括根据部件的振动信号提取该振动信号的特征参数，并将获取的特征参数输入到预设的故障检测模型中，获取模型输出的故障分析结果，当模型输出的故障分析结果为故障时，即判断该部件存在异常。

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