摘 要

港口是贸易往来的重要交通运输枢纽，是中国实现对外开放的重要门户，其发展水平已成为衡量一个国家经济贸易发展和对外开放水平的重要依据。为了确保港口设备的可靠运行，提高其安全性和工作效率，如今港口都会安排机械维修人员定期通过肉眼或利用专业检测设备对港口机械设备进行检查，一般称之为巡检。但港口环境恶劣，时常有大风大雨天气，港口设备数量多且布局分散，且检查部位通常很高，这导致这种检查费时费力，检修人员的工作危险而且繁琐，而且检查结果对检修人员的经验有较高的依耐性，只能事后维修，有时还需要停机检查，这显然不利于生产效率的提高。本文针对集装箱港口大型装备监测需要，结合传感检测技术、无线通信技术和云服务技术，通过分析港口的电气状态和机械状态，构建一种基于云端服务的港口大型装备远程在线综合监测系统。本系统使用传感器检测港口的状态，将数据通过DTU传输到云端，并开发出移动端和PC端两个监测软件，对监测数据进行数据处理分析，有利于改变现行的“定期检查，事后维修”体制，达到“状态监测，预知维修”，从而建立完善的安全管理机制，防止严重安全事故的发生。

关键词：港口监测；云端服务；健康评价；雨流计数法

Abstract

Port is an important transportation hub for trade and exchange, and an important gateway for China to open up to the outside world. Its development level has become an important basis for measuring the level of a country's economic and trade development. In order to ensure the reliable operation of port equipment and improve its safety and efficiency, now the port will arrange mechanical maintenance personnel to inspect port machinery and equipment regularly by naked eyes or using professional testing equipment, commonly known as patrol inspection. However, harbor environment is harsh, often windy and rainy weather, the number of port equipment is large and the layout is dispersed, and the inspection location is usually very high, which leads to such inspection time-consuming and laborious, the work of maintenance personnel is dangerous and cumbersome, and the requirements for maintenance personnel are high, and only maintenance after inspection, and sometimes downtime checks are needed, which is obviously not conducive to the improvement of production efficiency. Aiming at the needs of large-scale equipment monitoring in container ports, through the analysis of the electrical and mechanical state of the port, this paper construct a remote on-line integrated monitoring system for large-scale equipment based on cloud service, which combines sensor detection technology, wireless communication technology and cloud service technology. The system uses sensors to detect the condition of the port, transmits the data to the cloud through DTU, and develops two monitoring software, mobile and PC, to process and analyze the monitoring data. This system is conducive to changing the current "regular inspection, corrective maintenance" condition and achieving "condition monitoring, predictive maintenance". Therefore, safety supervision mechanism should be established to avoid serious safety accidents.

Key words: Port Monitoring; Cloud Service; Health Assessment; Rain Flow Counting method

目 录

摘 要 i

Abstract ii

第1章 绪论 1

1.1 课题综述 1

1.1.1 课题的背景 1

1.1.2 课题研究的目的和意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究的主要内容及主要工作 3

第2章 港口大型装备监测系统分析 4

2.1 港口大型装备结构 4

2.2 系统分析 4

2.2.1 港口大型装备监测需求 4

2.2.2 基于云端服务的港口大型装备综合监测系统构架 5

2.2.3 基于云端服务的港口大型装备综合监测系统功能 6

第3章 现场数据采集及其分析处理 7

3.1 电机启停数据采集与处理 7

3.2 电机转速采集与处理 7

3.3 安全开关状态采集与处理 9

3.4 动态应力采集与处理 9

3.4.1 动态应力数据采集 9

3.4.2 动态应力数据处理 10

3.5 温度数据采集与处理 11

3.5.1 温度数据采集 11

3.5.2 电机温度数据处理 12

3.5.3 润滑油温度数据处理 13

3.6 关键部位振动数据采集与处理 13

3.6.1 振动数据采集 13

3.6.2 关键部位振动数据处理 14

第4章 网络传输 16

4.1 概述 16

4.2 MQTT协议 17

4.3 连接到百度云 18

第5章 港口大型装备监测系统开发 20

5.1 硬件设计 20

5.2 移动端软件 22

5.2.1 移动端软件开发 22

5.2.2 移动端软件介绍 26

5.3 PC端软件 28

5.3.1 PC端软件开发 28

5.3.2 PC端软件介绍 32

5.4 本章小结 35

第6章 总结与展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第1章 绪论

1.1 课题综述

1.1.1 课题的背景

港口是贸易往来的重要交通运输枢纽，是中国实现对外开放的重要渠道，具有水陆联运设备，其主要功能就是实现货物水运和陆运之间的转换，并且可以供船舶停泊。当今世界经济全球化的程度不断加深，国际间的分工合作越来越明显，港口在现代物流中所起的作用不断加大，其发展水平已成为衡量一个国家经济贸易和对外开放程度的重要依据。港口大型装备主要有岸桥和场桥（针对集装箱港口），均为港口大型装卸设备。随着我国经济的快速发展，各大港口，尤其是沿海地区的专业化大型港口不断发展，已经取得了较大的进步，总体来说已接近世界领先水平，中国的港口大型装卸机械已经获得世界各地的认可，在全球港口大型装卸设备市场上，具有强大的影响力。近些年全球贸易量不断增加，全球港口的吞吐量不断上升，很多港口常年处于满负荷运行的状态。为了满足港口的需求，提高港口的货物流通效率，加快货物的流通，装卸设备的装卸能力对港口的重要性也越来越重要。现阶段港口装卸设备不断发展，各个港口都要求装卸设备具有连续、高速装卸货物的能力，并且能够实现自动化运行，而无须人工操作，这从生产方面来说，提高了港口的装卸效率，降低了生产成本；但从维修方面来说，随着装卸设备上各种先进仪器地不断应用，使得港口装卸设备的组成与结构变得越来越复杂，发生故障的可能性也随之升高，维修的难度也越来越大，导致付出的维修时间和成本升高，停工造成的损失也随之增大。因此，现代化港口都严格要求了设备运行的可靠性，为了使港口装卸设备安全稳定地工作，必须监测港口装卸设备运行状态，这样才能掌握港口设备的健康状态，以便及时发现设备的异常状态，预测可能发生的故障，根据情况采取相应的措施减少或避免异常带来的损害，保证设备处在可靠的状态下工作。这对缩短船舶的滞港时间，加速港口货物的流通，促进贸易交流，为国家“走出去，引进来”和“一带一路”战略提供支持，都具有非常重要的意义。

如今港口都会安排机械维修人员定期对港口机械设备进行检查，一般称之为巡检。通常情况下会定期或者每个班次结束后都会有一次巡检，每艘船作业完之后也会进行一次巡检，巡检一般是通过检修人员到港口设备上，直接通过肉眼或利用专业检测设备检查各个部位，进而判断设备状态^[2]。这个是如今港口检查设备的一般模式。这种检查模式可以检查出一部分设备问题，但港口环境较为恶劣，大风大雨天气频发，港口设备数量多且布局分散，且检查部位通常很高，这导致这种检查费时费力，检修人员的工作危险而且繁琐。而且对检修人员的经验要求较高，检修人员自身的知识量和工作的经验会对检查的结果产生很大的影响；另一个就是不能防患于未然，当检查人员发现设备问题的时候，通常情况下问题已经发展到一定程度了，例如通过肉眼来检查钢结构的焊缝开裂等问题；再一个就是这种检测只是所选时间点的状况，并不能全面反映设备的工作状态；最后，检修人员每次检查的时候都需要停机检查，对一些运营十分繁忙的码头来说，检修人员的巡检就不一定能够很好的完成，在某些特殊的情况下，只能会给生产让路。这个时候，建立一种能够长期稳定实时在线监测港口大型装备的状态的监测系统就会变得非常必要了。

1.1.2 课题研究的目的和意义

港口具有许多大型物流装备，其数量大，布局分散。随着传感检测技术和无线通信技术的进步，采用集中式远程监测对港口大型装备进行状态监测已成为现代化专业港口的主要发展方向和必然要求。

此次研究目的主要是设计和开发远程监测港口大型装备的电气状态和机械状态的监测系统，分析相关数据，利用云端服务远程掌控设备的机电状态，对港口大型装备健康水平做出更及时而且全面准确的评价，提升港口大型设备的现代化管理水平，减少大型维修次数，保证设备的安全可靠运行。此系统可使检修人员无需频繁到港口机械上检测，可以实时监测设备工作状态，提供一段时间以来的详细数据，从而使工作人员随时掌握设备状态，降低劳动强度，保证检修人员安全。有利于改变现行的“定期检查，事后维修”体制，达到“状态监测，预知维修”。从而建立港口大型装备安全监管机制，降低事故发生的可能性，避免重大安全事故的发生。

1.2 国内外研究现状

远程监测技术，是利用现代通信技术实现远程对现场设备的监测功能。国内外有许多企业、研究机构和高校都以远程监测技术为对象开展了研究。如美国NASA针对复杂设备开发的远程监测诊断服务的系统^[3]；加拿大阿尔伯塔省麦克默里堡将WSN平台Sprouts应用于油砂开采作业的铲齿上；清华大学针对大型发电站，进行了发电站运行状况的远程在线监测研究；华中科技大学提出了运用Internet的远程诊断故障的相关理论；台湾半导体制造有限公司将云端服务应用于晶圆生产检测中，利用生产设备的实时传感数据，对硅片的生产质量进行预测，它的性能异常或漂移可以及时检测出来，减少了次品率，同时避免了人工检查某些数据，提高了人员的工作效率。

我国的港口数量众多，各港口之间的发展水平不一，比较先进的全自动化港口如厦门远海、青岛港、洋山四期等，已率先实现智能化^[4]，极大的节省了人力，提高了港口生产效率。然而，目前我国仍有很多使用传统设备的港口，用人工进行操作。对于这类港口来说，实现现代化管理的空间还很大。国内部分港口已安装了健康监管系统，实时监测起吊重量等参数，监测数据通过无线通信技术传输至局域网，实现对设备的远程监测^[5]。相关高校也针对港口远程在线监测技术展开研究，武汉理工大学基于GPRS无线网络，针对港口起重机械金属结构应力开发了远程在线监测系统^[3][5]；上海交通大学运用移动通信技术，以设备的电控信号为对象，开发了港口装卸设备远程监控系统NetSCAD；天津港以短信平台为基础，开发了装卸设备实时动态监测装置，将检测得到的数据存储在硬件设备上，定时将所得数据发送到局域网，因其使用存储载体，相对比较适合生产经营管理，但不利于监测人员实时掌握设备状况，及时做出相应的措施。

国外也有许多机构进行了港口机械状态远程监测的研究。如荷兰鹿特丹港应用GIS和无线通信技术开发的港口智能化信息管理系统，将港区的各种设备（岸桥、场桥、叉车、集卡等）的相关信息传输至电子地图中^[3]，使监测人员更直观及时地掌握港口设备的动态数据；日本住友公司基于超高速交换路由技术开发了大型起重设备监控系统，实现其全球的设备在线状态检测；马来西亚的Johor港口利用无线接入技术实现装卸设备、集装箱、船舶与监控中心的实时数据通信，统一进行监控与调度管理，实现了集装箱装卸及搬运的自动化^[3]。

1.3 课题研究的主要内容及主要工作

本文根据集装箱港口大型装备监测需要和技术发展状况，结合传感检测技术、无线通信技术和云服务技术，构建一种基于云端服务的港口大型装备远程在线综合监测系统，满足港口对实时、易操作的港口大型装备监测系统的需要，便于监测人员分析设备运行状态参数，及时准确做出相应措施，致力于改善目前港口设备的监测体制，提升港口的现代化管理水平。

主要工作内容包括：

1. 港口大型装备现场数据采集模块设计
2. 基于云端服务的无线通信模块设计
3. 数据分析与处理
4. 监测软件开发

第2章 港口大型装备监测系统分析

2.1 港口大型装备结构

港口大型装备主要有岸桥和场桥（针对集装箱港口），是港口的主要设备，用来实现船舶与车辆装卸集装箱、堆场的堆垛和转运等，具有重复、周期性循环工作的特点。岸桥和场桥的型号很多，但其基本组成可大致分为三个部分，分别为执行机构、金属结构以及动力和控制系统。

1. 执行机构

执行机构是设备完成不同动作的部分，岸桥主要包括起升机构、大车行走机构、小车机构和俯仰机构等；场桥与岸桥类似，但没有俯仰机构，主要包括起升机构、大车行走机构和小车机构。起升机构由卷扬机带动使集装箱进行垂直升降；大车行走机构用于设备整体移动，方便进行装卸；小车机构用于实现集装箱平移运动；俯仰机构用于岸桥的前大梁起升，使船舶顺利通过，方便装卸和维修的进行。

1. 金属结构

金属结构是岸桥和场桥的支持框架，将各执行机构连接起来，使之协调运转，从而实现装卸活动，并支撑各执行机构自重及载荷，决定了起重机的最大起重量。

1. 动力和控制系统

动力和控制系统为设备提供动力并控制其运转。每个执行机构都由一个电机带动，并且配备一个减速器。控制系统控制各机构执行，从而实现各种动作，此外，还包括起重机上的其它附属设施如空调和通信等。

2.2 系统分析

2.2.1 港口大型装备监测需求

监测的主要目的是确定港口大型装备的机械健康水平，监测能够表征港口大型机械健康状态的数据，保证港口的安全生产，同时还要了解设备的运行状态。需要采集的数据如下：

1. 电机启停：各机构电机的启停状态，该参数可表明设备的运行状态。
2. 安全开关状态：在电路中有许多安全开关，可在电流过大，电压过高或温度过高等环境下做出动作，切断故障位置电源或做出其他反应，如断路器和急停开关。安全开关有利于针对现场情况快速做出反应，并且直接输出判断结果，相比于直接检测相关量更简便、快速。
3. 电机转速：各机构电机的转动速度，该参数可表明电机的工作状态，防止电机堵转或转速过高。
4. 关键部位应力：该数据可用于监测各关键受力点的受力状况，防止因设备过载或受力不均匀产生的受力过大，或因疲劳损伤等原因造成金属结构断裂等严重损坏设备的现象。
5. 电机与润滑油温度：该参数可监测设备是否处于较好的工作状态，防止因温度过高造成更大的损失。
6. 关键部位振动数据：用于监测设备运行时关键部位的振动状况，判断设备是否处于安全稳定的工作状态，便于及早发现异常。

2.2.2 基于云端服务的港口大型装备综合监测系统构架

基于云端服务的港口大型装备综合监测系统大致分为三部分，分别是：现场数据采集模块、无线数据传输模块和数据分析处理。如图2.1所示为港口大型装备综合监测系统组成概况图。

图 2.1 港口大型装备综合监测系统概况图

现场数据采集模块采集能够反映港口大型设备机械状态和电气状态的数据后，将数据传送到YeeCOM DTU，通过运营商网络将数据发送到2/3/4G基站，随后数据上传至云端，数据处理中心从云端接收数据并对数据进行分析。

2.2.3 基于云端服务的港口大型装备综合监测系统功能

本系统的主要功能如表2.1，可将所有功能分为设备远程监测功能和信息管理功能两类，远程监测是指对港口大型装备监测得来的数据及其分析，信息管理是对远程监测数据进行管理和维护。

其中在线状态监测为本系统的核心功能，其它的功能都要基于此功能才能实现；故障实时报警和异常状态预警可对港口的机电状态进行判断，提示相关人员进行处理；剩余寿命预测和健康水平评估可直观的显示港口健康水平。信息管理是对远程监测的补充，可对历史数据进行查询，储存和查询维修记录，发布日常管理维护计划等。

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