張昊 馬利娜 余丹炯 韋燚

隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的港口作業(yè)模式已無法滿足日益增長(zhǎng)的貨物吞吐需求，港口自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。港口自動(dòng)化作業(yè)始于20世紀(jì)80年代，至今已有40年的發(fā)展歷史，目前已發(fā)展至第四代全自動(dòng)化碼頭作業(yè)。以自動(dòng)化為基礎(chǔ)，港口作業(yè)將向智能化方向發(fā)展，即實(shí)現(xiàn)港口作業(yè)無人化，從而有效提高港口作業(yè)效率和安全性。港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)作為港口高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，是智慧港口必不可少的組成部分。為了提高港口作業(yè)自動(dòng)化和智能化水平以及降低港口安全管理成本，可以在港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口設(shè)備多源數(shù)據(jù)的綜合利用：在港口設(shè)備的關(guān)鍵位置設(shè)置傳感器，采集設(shè)備振動(dòng)、應(yīng)變、溫度等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，深度挖掘其中的有效信息，從而提高港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性;同時(shí)，利用多源數(shù)據(jù)融合分析結(jié)果識(shí)別設(shè)備異常狀態(tài)，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障并實(shí)施預(yù)判性維護(hù)，從而提高港口設(shè)備運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)港口資源的有效利用。本文以港口岸橋?yàn)槔?，分析?shù)據(jù)融合技術(shù)在港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期為港口設(shè)備智能維保提供借鑒。

1數(shù)據(jù)融合技術(shù)介紹

數(shù)據(jù)融合技術(shù)指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合分析多源數(shù)據(jù)，充分挖掘多源數(shù)據(jù)中隱藏的信息，從而更加全面地評(píng)估對(duì)象的狀態(tài)。相較于單一傳感器監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能通過對(duì)多源數(shù)據(jù)的優(yōu)化組合來挖掘更多有效信息，從而有效提高觀測(cè)精度和判斷準(zhǔn)確度。各類復(fù)雜的機(jī)械和電氣控制系統(tǒng)往往具有多個(gè)狀態(tài)特征量，且狀態(tài)表達(dá)極為復(fù)雜，單個(gè)傳感器無法有效、全面地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài);因此，在對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，常常同時(shí)采集多源狀態(tài)數(shù)據(jù)，如設(shè)備的振動(dòng)、溫度、壓力、應(yīng)變、速度等數(shù)據(jù)，并將多源數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合后實(shí)施綜合處理，以提高系統(tǒng)評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，結(jié)合模糊評(píng)價(jià)技術(shù)，可充分利用原本無法融人信息化體系的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)?？梢?，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠高效、全面地利用復(fù)雜系統(tǒng)采集的多源數(shù)據(jù)，為后續(xù)的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、維護(hù)保養(yǎng)、數(shù)據(jù)可視化等提供支持。

2基于港口設(shè)備維保要求的港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)架構(gòu)

2.1港口設(shè)備維保要求

根據(jù)《港口設(shè)施維護(hù)管理規(guī)定》，港口設(shè)施維護(hù)是優(yōu)港口、轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容，其目的是為了保證港口設(shè)施使用安全，提高港口設(shè)施運(yùn)行效率，保障港口資源有效利用。港口設(shè)備維保的具體要求包括：貫徹預(yù)防為主的方針，事前維護(hù)優(yōu)于事后維修;遵循科學(xué)管理、合理使用、定期檢測(cè)、適時(shí)維修的原則，提倡科技進(jìn)步、節(jié)能減排，鼓勵(lì)開發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新方法;注重港口設(shè)備維保策略的理論支撐，以先進(jìn)的方法論指導(dǎo)港口設(shè)備維保工作，使港口設(shè)施始終保持良好狀態(tài)，提高港口設(shè)施的安全性、適用性和耐久性。

2.2港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)架構(gòu)

港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)自下而上分為設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)挖掘?qū)?、?yīng)用層和表示層（見圖1）。

設(shè)備層由裝卸搬運(yùn)作業(yè)設(shè)備組成，包括岸橋、堆場(chǎng)門式起重機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)引車、集裝箱跨運(yùn)車等，是港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)的對(duì)象。

數(shù)據(jù)層由各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備和通信設(shè)備組成，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備層工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。在港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)層是連接底層硬件與上層軟件的橋梁。第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）和第六代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（wi-Fi6）為工業(yè)場(chǎng)景提供了低延時(shí)、高穩(wěn)定、多接人的無線通信手段，使得部分場(chǎng)景下的港口設(shè)備能夠擺脫有線通信的限制。

數(shù)據(jù)挖掘?qū)印?yīng)用層和表示層都屬于上層軟件的范疇。數(shù)據(jù)挖掘?qū)拥闹饕δ苁翘幚頂?shù)據(jù)層采集的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并提取數(shù)據(jù)特征，從而為應(yīng)用層和表示層提供支撐，例如：實(shí)時(shí)分析起重機(jī)電機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)的異常狀態(tài)。應(yīng)用層的主要功能是根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘?qū)犹崛〉臄?shù)據(jù)特征，為存在故障隱患的設(shè)備安排預(yù)判性維護(hù)任務(wù)，合理調(diào)度港口各項(xiàng)維保工作，從而提高港口設(shè)施設(shè)備的安全性、適用性和耐久性。表示層的主要功能是在多平臺(tái)可視化展示港口整體運(yùn)作情況，輔助港口發(fā)展規(guī)劃、規(guī)章制度修訂等戰(zhàn)略性決策。

3數(shù)據(jù)融合技術(shù)在港口岸橋智能維保系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1數(shù)據(jù)采集

港口岸橋智能維保系統(tǒng)要求在岸橋關(guān)鍵位置安裝傳感器，采集岸橋?qū)崟r(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括岸橋振動(dòng)、應(yīng)變、運(yùn)動(dòng)等數(shù)據(jù)。

（1）振動(dòng)數(shù)據(jù)振動(dòng)傳感器將岸橋振動(dòng)過程中的物理量（如位移、加速度等）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。振動(dòng)數(shù)據(jù)可用于評(píng)估金屬結(jié)構(gòu)剛度、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)狀態(tài)等。一般情況下，采用低頻振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)（岸橋主梁）振動(dòng)狀態(tài)，采用高頻振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)高速旋轉(zhuǎn)部件（如傳動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)、變速箱等）振動(dòng)狀態(tài)。

（2）應(yīng)變數(shù)據(jù)應(yīng)變傳感器安裝于岸橋金屬結(jié)構(gòu)相對(duì)較為薄弱、易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，以采集岸橋金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，從而監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況，避免作業(yè)時(shí)因結(jié)構(gòu)應(yīng)變過大而出現(xiàn)斷裂等情況。此外，應(yīng)變數(shù)據(jù)可用于修正理論模型計(jì)算值的誤差，使岸橋數(shù)字孿生模型更加接近實(shí)際。

（3）運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)主要有以下采集方式：一是在岸橋重要位置安裝測(cè)量加速度、角度等數(shù)據(jù)的姿態(tài)傳感器;二是直接運(yùn)用定位技術(shù)獲得設(shè)備整體或某個(gè)部件的位置數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器包括陀螺儀、加速度計(jì)等運(yùn)動(dòng)傳感器，可采集被監(jiān)測(cè)部件的加速度、速度、角加速度、角速度等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。定位技術(shù)包括刻度標(biāo)尺定位、磁釘定位、全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）定位等，其中：刻度標(biāo)尺定位、磁釘定位精度較高，但需要提前布置刻度標(biāo)尺、磁釘?shù)容o助裝置;GPS定位僅需GPS傳感器，但精度稍低。通過以上方式獲得的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可用于修正岸橋數(shù)字孿生模型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和計(jì)算理論受力情況，并且通過不同方式采集的數(shù)據(jù)還可以互相驗(yàn)證，從而提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

數(shù)據(jù)融合技術(shù)的功能是充分挖掘不同傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)數(shù)據(jù)融合程度的不同，數(shù)據(jù)融合可以分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。

數(shù)據(jù)層融合是將不同傳感器采集的原始數(shù)據(jù)直接融合的過程，例如：采用紅外線熱成像攝像頭對(duì)岸橋電動(dòng)機(jī)、變速箱等部件實(shí)施無接觸式溫度檢測(cè)，將熱成像數(shù)據(jù)與普通光學(xué)圖像數(shù)據(jù)相結(jié)合，可獲得帶有溫度數(shù)據(jù)的光學(xué)圖像數(shù)據(jù);識(shí)別帶有溫度數(shù)據(jù)的圖像，即可讀取特定位置的溫度。熱成像與光學(xué)圖像數(shù)據(jù)層融合示意見圖2。

特征層融合指從不同來源的原始數(shù)據(jù)中提取并融合多個(gè)特征信息的過程。通過多種測(cè)量手段獲取岸橋運(yùn)動(dòng)特征：電機(jī)編碼器采集岸橋電機(jī)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，據(jù)此可計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);姿態(tài)傳感器采集對(duì)應(yīng)部件的加速度數(shù)據(jù)，據(jù)此可計(jì)算設(shè)備速度、位置等;刻度標(biāo)尺定位系統(tǒng)和GPS傳感器等采集對(duì)應(yīng)部件的位置數(shù)據(jù)，據(jù)此可計(jì)算設(shè)備的速度、加速度等。電機(jī)編碼器和刻度標(biāo)尺定位系統(tǒng)的測(cè)量精度較高，但電機(jī)編碼器只能用于電機(jī)監(jiān)測(cè)，刻度標(biāo)尺定位系統(tǒng)只能用于有軌部分定位;姿態(tài)傳感器和GPS傳感器的測(cè)量精度較低，安裝要求也較低。特征層融合的作用是綜合分析通過上述測(cè)量手段獲取的岸橋運(yùn)動(dòng)特征，修正岸橋數(shù)字孿生模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。相較于單一測(cè)量手段，多種測(cè)量手段相結(jié)合可有效降低測(cè)量誤差。岸橋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特征層融合示意見圖3。

決策層融合指對(duì)不同來源的原始數(shù)據(jù)實(shí)施預(yù)處理和特征提取，并依據(jù)單個(gè)特征進(jìn)行初步?jīng)Q策，再通過綜合分析多個(gè)初步?jīng)Q策結(jié)果獲得聯(lián)合決策結(jié)果的過程。例如：分析岸橋振動(dòng)、溫度、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中1個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果存在異常，如主梁振動(dòng)異常、結(jié)構(gòu)應(yīng)變過大、電動(dòng)機(jī)溫度偏高等;先根據(jù)每個(gè)異常狀態(tài)初步判斷異常原因，再綜合多個(gè)初步結(jié)果推斷岸橋異常的根本原因。岸橋異常判斷決策層融合示意見圖4。

4結(jié)束語

智能化是港口設(shè)備維保系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，數(shù)據(jù)融合技術(shù)是涉及港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)。將數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用于港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)，通過對(duì)設(shè)備多源數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合和高效利用，能進(jìn)一步提高港口設(shè)備智能維保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，為港口設(shè)備高效、安全運(yùn)行提供保障，為港口信息化和智能化生產(chǎn)提供支撐。