摘 要

港口起重机在长期使用过程中，由于恶劣的外界工作环境以及高速重载的工作特点，结构、机构、电气易出现损伤而引发生产事故，甚至造成巨大的财产损失甚至是人身伤亡。现代化港口对起重设备的安全性和可靠性提出了更为严格的要求，使得多传感融合监测与远程运维成为智慧港口的研究热点。本文以港口起重机的结构在线监测系统为研究对象，对系统的构建以及监测数据的处理、分析方法进行了研究。主要工作如下：

1. 通过对结构损伤及疲劳理论的学习，选取损伤度作为结构监测的安全评估指标，基于神经网络、数字滤波及雨流计数等理论对应力监测数据的处理与分析展开研究，并得出相关算法，提高监测系统的数据处理速度。
2. 通过对控制图理论的研究，建立了以结构损伤度为控制指标的起重机结构应力控制机制，进行结构安全预警报警策略的研究。
3. 对光纤光栅传感器以及光调制解调器的工作原理进行了学习，根据港口起重机的工作特点完成选型，进行系统硬件及软件的设计，构建了基于服务中心的在线监测系统的总体框架。

本文以武汉新港103号岸桥与上海罗泾港24号门机为实验对象，搭建了在线监测系统，获得了实时应力监测数据，数据分析与处理的结果能够满足使用要求。并在武汉理工大学物流工程学院搭建了服务中心，用以对多港口、多型号起重机的远程监测的研究。

关键词：起重机监测；服务中心；数据挖掘；控制图；预警报警模型；

Abstract

During the long-term use of port cranes, due to the harsh external working environment and the characteristics of high-speed and heavy-duty work, structural, institutional, and electrical prone to damage and lead to production accidents, and even cause huge losses of property or even personal injury. Modern ports put forward more stringent requirements on the safety and reliability of lifting equipment. Multi-sensor fusion monitoring and remote operation and maintenance have become hot topics in smart ports. This article takes the on-line monitoring system of the port crane as the research object, and studies the system construction and the processing and analysis methods of the monitoring data. The main work is as follows:

(1) Through the study of structural damage and fatigue theory, select the degree of damage as a safety assessment index for structural monitoring, and conduct research on the processing and analysis of stress monitoring data based on neural networks, digital filtering, and rain flow counting. Related algorithms improve the data processing speed of the monitoring system.

(2) Through the study of the control chart theory, the crane structure stress control mechanism with the structural damage degree as the control index was established, and the structural safety warning alarm strategy was studied.

(3) The working principles of fiber grating sensors and optical modems were studied. According to the working characteristics of the port cranes, selection was made. The system hardware and software were designed, and the overall framework of the online monitoring system based on the service center was constructed.

In this paper, an on-line monitoring system was built with No.103 quay bridge in Wuhan Xingang Port and No.24 port in Luohu Port, Shanghai. The real-time stress monitoring data was obtained. The results of data analysis and processing can meet the application requirements. And at the Wuhan University of Technology School of Logistics Engineering equipped with a service center for the study of multi-port, multi-crane remote monitoring.

Key words：crane monitoring; service center; data mining; control charts; warning model

目 录

第一章 绪论 1

1.1本文的研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 2

1.2.1在线监测技术的国内外发展现状 2

1.2.2故障诊断的国内外发展现状 3

1.2.3结构安全评估指标的国内外研究现状 4

1.2.4监测系统服务模式的发展历程 5

1.3本文的研究内容及结构安排 6

1.4本章小结 8

第二章 基于疲劳理论的结构安全评估指标 9

2.1港口起重机的结构损伤形式 9

2.2结构安全评估指标 10

2.3疲劳损伤理论概述 10

2.3.1S-N曲线 10

2.3.2当量应力谱 11

2.3.3 线性累积损伤理论 13

2.3.4名义应力法概述 14

2.4 本章小结 15

第三章 基于起重机结构应力监测数据的特征提取 16

3.1数据滤波 16

3.1.1 中值滤波 16

3.1.2 均值滤波 17

3.1.3 FIR滤波器 18

3.2 无效监测数据的剔除 19

3.3 峰谷值序列处理 25

3.4 疲劳损伤度特征提取 27

3.4.1雨流计数法 27

3.4.2 基于等效原理的疲劳有效应力幅计算 31

3.4.3 载荷谱与损伤度的计算 32

3.5本章小结 33

第四章 基于控制图理论的起重机结构安全评估研究 34

4.1控制图理论概述 34

4.2基于损伤度指标的EWMA控制图模型构造 36

4.2.1EMWA控制图算法 36

4.2.2EWMA控制图模型参数选取 38

4.2.3EWMA控制图模型仿真示例 39

4.3基于EWMA控制图理论的起重机结构安全预警机制 42

4.4本章小结 43

第五章 基于服务中心的结构应力在线监测系统设计 44

5.1硬件系统设计 44

5.1.1光纤光栅传感技术 44

5.1.2硬件整体架构设计 46

5.2软件系统设计 49

5.2.1基于服务中心的在线监测系统的软件功能需求分析 49

5.2.2基于服务中心的在线监测系统软件模块设计 50

5.2.3基于服务中心的在线监测系统软件模块技术解决方案 51

5.2.4软件界面设计 54

5.3本章小结 56

第六章 基于服务中心的在线监测系统架构实例 57

6.1光纤光栅传感器选型与封装 57

6.1.1选型分析 57

6.1.2 封装工艺 58

6.2光纤光栅解调仪选型分析 58

6.3实际铺设与系统搭建过程 59

6.4本章小结 63

第七章 总结与展望 64

7.1总结 64

7.2展望 64

致谢 65

参考文献 66

第一章 绪论

1.1本文的研究背景及意义

随着国家一带一路伟大战略的推行，港口作为国民经济中进出口经济的桥头阵地取得了飞速发展，同时也带动了港口起重运输机械的发展。进入新时代以来，我国港口装卸设备取得了飞跃式的进展，沿海大型专业化码头装卸设备总体上已达到世界先进水平^[1]。但由于港口恶劣的工作环境和日益增长的装卸效率需要，以及保养维护检修机制的不完善，港口机械常常带伤工作导致多次出现结构损伤事故，如1997年山东日照港1台MQ1625门机突然臂架折断造成严重事故，带来了巨大的经济与人身损失。

因此，为了保障港口起重设备运行过程中的安全性与可靠性，减少安全事故的发生，对起重机进行在线监测并实现预警研究具有重要意义。然而由于港口企业对工作效率的偏重以及对工作成本的考虑，现阶段我国主要港口企业对于港口起重机械大多仍采用传统的“定期保养，事后维修”制度，故障检测与设备维护的方法也较为落后。对港口机械的检测都是通过技术人员定期携带检测设备到现场的港口机械上来进行，测试人员工作环境恶劣，工作任务繁琐危险，并且主要以巡检和定期检查为主，得到的数据也只是检测时间段内的状况，并不能代表整台机械设备的长期工作状态。目前港口起重机监测系统的研究逐渐成为热门，但现阶段一个码头或港口，只实现了单台起重机械的监测，未能进行多台起重机械的实时联合对比监测，而且不同港口码头的监测系统都是独立的，信息交互与沟通缺乏，不能实现对港口设备运行维护大数据的利用，难以适应港口大规模化生产的需要。

因此，需要建立一个提供监测数据存储、处理服务的中心机构，能够满足港口多台机械联合远程监测，充分利用港口起重机械大数据，实现更高层次的应用。这种基于服务中心的监测平台，在港口企业内部配置客户端，由港口工作人员进行实时监测数据查看；在服务中心端收集来自各台机械的监测数据，由专业人员远程对各港口机械的监测数据进行存储管理和专业的分析，并能根据实际需要增加专业算法，通过网络为港口企业用户提供数据处理服务，对可能出现的故障进行趋势报警，同时为了更好地研究港口起重机故障发生发展的规律，综合多港口、多机型数据进行数据挖掘。