起重機智慧管理平臺 ——讓起重機也有智慧
一、項目概況
1. 項目背景
為貫徹落實《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》和《促進大數據發展行動綱要》，加快實施國家大數據戰略，推動大數據產業健康快速發展，工信部編制了《大數據產業發展規劃（2016－2020年）》針對規劃結合起重機在工業、建筑業和港口運輸等方面有著不可替代的作用，起重機的安全生產和正常運行的要求更加嚴格。起重機屬于特種設備，國家規范管理的重大危險源，納入特種設備安全管理法，是設備管理的重中之重。全國范圍內每年起重機事故近500起，造成的直接經濟損失數十億元。每年有數十萬臺起重機因管理不善，造成故障甚至報廢。在現行的管理模式下，缺乏確實有效的起重機管理工具，需要對起重設備進行“全生命周期管理”為此，由中國聯通，大連理工大學，大連久鵬電子聯合研制開發的起重機智慧管理系統讓起重機智慧起來。
2. 項目簡介
該起重機智慧管理系統應用對象包括：橋式起重機、門式起重機、流動式起重機、塔式起重機、門座起重機、纜索起重機、桅桿起重機、架橋機、升船機、施工升降機，是嚴格依據GB/T 28264-2012《起重機械安全監控管理系統》、TSG Q7015–2016《起重機械定期檢驗規則》、TSG Q7016-2016《起重機械安裝改造重大維修監督檢驗規則》、GB12602-2009《起重機機械超載保護裝置安全技術規范》成功開發的起重機械智慧管理系統。獨創的物聯網、“云”計算的設計理念使該產品處于業內絕對領先地位。其主要技術特點：平臺云端化、用戶多樣化、系統開放化、硬件數字化、攝像自動化、圖像同步化、保養便捷化。
3. 項目目標
隨著系統的不斷升級最終將把起重機智慧管理系統打造成為一個集安全監控、設備維護保養、備品備件、壽命評估、專家診斷為一體的全國性起重機綜合服務平臺。通過起重機全生命周期的管理，最終建立中國首個起重機行業產業聯盟。
二、項目實施概況
目前，起重機行業存在設備檔案普遍缺失而且更新不及時，采購或租用的設備存在著品質風險，零配件供應混亂，質量參差不齊，設備維修、保養、檢測未有效落實，設備狀態及使用過程的信息不透明，健康狀況不能預知，存在安全隱患，缺乏數據支撐，無法有效管理決策等問題，只有有效利用移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等新的信息技術，才能對起重機進行全面監管，避免事故。通過本項目的開發，可實現設備信息實時監控，對行業不同用戶提供差異化的信息服務，從而使設備質量和使用過程可控性提高70%，人員、財產安全性提高50%，管理效率提高20%。
1. 項目總體架構和主要內容
起重機智慧管理平臺搭建在聯通“沃云”上，采用了分布存儲、集中管理的系統架構，實現多用戶差異化信息服務，滿足起重機監管部門和使用單位對設備的監管需要；并且平臺接口開放，可對接市場上不同品牌硬件產品，通過一鍵獲取現場存儲的數據，實現數據、視頻、3D動畫同步回放，實現完全掌握設備運行狀態；根據平臺大數據，結合專家知識實現起重機壽命評估、故障診斷，消除安全隱患，為設備保駕護航。可向客戶提供電腦版和手機版兩種類型平臺，其架構如圖1所示：
圖1 起重機智慧管理平臺總體架構
2. 平臺主要功能
2.1整體統計功能
主要實現對指定企業或指定區域的特種設備運行狀態進行宏觀統計，便于掌握所有設備整體運行情況。
圖2 起重機智慧管理平臺整體統計功能
2.2公告管理功能
主要實現對公告信息、榮譽信息和曝光信息的發布、瀏覽和管理。
圖3起重機智慧管理平臺公告管理功能
2.3實時監控功能
主要實現設備運行狀態的實時監控，包括運行數據、報警數據、視頻圖像、安裝位置等信息，并通過3D仿真的形式對設備的運行狀態進行直觀展示。
圖4 起重機智慧管理平臺實時監控功能
2.4歷史查詢功能
對歷史的違章數據、故障數據、報警數據、工作循環數據、視頻數據和100ms的歷史數據進行查詢和同步回放。實現遠程一鍵調取現場100ms歷史數據，并對數據進行3D仿真，同時結合歷史視頻圖像，進行直觀的歷史狀態還原。
圖5 起重機智慧管理平臺歷史查詢功能
2.5數據分析功能
對工作等級、異常數據、傳感器故障等數據進行統計和分析，并結合行業專家，實現專家診斷。
圖6 起重機智慧管理平臺數據分析功能
2.6企業管理功能
滿足各種行業內相關單位的管理需要，對不同類型企業、不同類型工作人員提供個性化功能。
圖7起重機智慧管理平臺企業管理功能
2.8移動終端管理
通過手機、平板等移動設備，在任何時間任何地點都可對系統的整體運行數據以及單臺塔機的運行情況進行全面監控，使管理變得更加的簡單、便捷。
圖8 起重機智慧管理平臺移動終端界面
3. 網絡互聯架構
圖9起重機智慧管理平臺網絡互聯架構
3.1基本特點
高可用性、高擴展性、高實時性、高安全性。
3.2彈性云計算
根據平臺不斷變化的服務架構、業務體量和業務需求，快速提供動態、靈活、彈性、虛擬、共享和高效的計算資源服務。
4. 數據架構和應用
圖10起重機智慧管理平臺數據架構和應用
平臺數據分三層結構實現：
1）數據存儲層
平臺采用雙數據庫實現方案，高速數據庫主要用于高速的實時數據展示，存儲數據庫主要用于存儲大量設備運行數據以及數據挖掘分析后的結果。
2）數據邏輯層
采用WebService為數據核心，同時向外輻射和擴展多個WebService為不同應用提供數據支持。
3）數據展示層
平臺展示層相當于數據的展示皮膚，僅僅將不同的數據展示出來即可。展示層目前提供網頁端、安卓端、蘋果端三大類主流軟件應用服務方式為客戶提供便捷的使用體驗。
5.安全及可靠性
4.1基礎網絡安全
采用可信網絡連接機制，對檢驗連接到通信網絡的設備進行可信，以防止非法接入用戶。基礎網絡安全可以實現隨著業務發展需要，靈活的制定安全策略、入侵防御、流量監管、負載均衡等安全功能，實現業務和網絡安全高度融合。
4.2業務安全性
通過劃分云安全區域邊界，進行邊界訪問控制、包過濾及安全審計及完整性保護，可有效保障平臺服務的安全性。
4.3數據安全性
針對核心的數據安全性問題，我們提供異地災備、數據服務冗余及數據訪問的安全審計等多種應對方案，以保障數據的可用性及安全性。
4.4數據傳輸安全性
平臺與設備通過TCP的加密私有協議進行通訊，第一保證網絡穩定、第二保證數據不會被監聽而盜用。平臺內部通訊均采用加密的數據結構以及固定IP、服務號、校驗位等手段防止其他外圍的監聽盜用。同時也保證了內部通訊的穩定性和可靠性。
6. 智慧管理終端
新一代全數字式起重機智慧管理終端是集微處理器技術，數字通信技術，數字傳感器技術，智能分析技術等多種高新技術為一體的新型高科技產品，產品的主要技術特點：標準化、通用化、數字化、網絡化、高精度、結構緊湊、高穩定性、高可靠性、自校準、系統的適應性強、性價比更好。是新形勢下起重機應用提高安全保障，預防重大安全事故，實現遠程管理的必備產品，亦是模擬式起重機安全監理系統的更新替代產品，是當前各主管部門提高監管效率，降低監管成本，提高監管覆蓋率切實有效的監管手段。
1、主要功能：
l 監控項目：可對吊鉤高度、小車行程、環境風速、實時吊重、大臂轉角、塔身傾斜 、力矩、視頻等數據進行監控。
l 數據記錄：以100ms為間隔儲存3個月的數據 ，滿足GBT28264標準。
l 數據顯示：通過主機上的顯示屏，實時顯示監控的數據，以便司機隨時了解塔機的工作狀態
l 制動控制：當塔機各項監控數據達到預設值時，系統自動控制各路輸出，只允許塔機向安全方向運動。
l 遠程監控：利用3G/4G網絡技術和完善的遠程監控管理平臺，實現遠程在線管理監控。
l 傳感器自校準：利用數字式傳感器的自校準功能可實現塔機運行中的自校準保證安全裝置運行可靠。
l 視頻監控：實現對塔機吊鉤的實時監控，本地保存7天以上歷史圖像。
2、技術特點：
1) 高精度：所有傳感器都為0.3級傳感器，保證數據準確。拉力、幅度綜合誤差2%以內。
2) 數字化：所有傳感器為數字傳感器、避免傳輸過程中干擾。力矩綜合誤差在3%以內。
3) 高實時性：采樣速度100ms，數據保存速度100ms。數據保存時間3個月以上。
4) 網絡化：設備之間采用以太網和4G網絡傳輸，實時性強、擴展性強、可傳輸視頻。
5) 視頻集成：視頻可自動追蹤吊鉤，視頻保存時間120小時以上。
6) 自校準：系統可自校準，避免運行過程中產生累積誤差。
以上特點保證了系統的高精度，高速度和視頻管理功能，完全滿足GBT28264標準。由于采用以太網結構，使系統具有極大的擴展性，為行業發展預留升級空間。
三、下一步實施計劃
打通整個起重設備數據服務，全面實現起重機“智慧管理”
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
GB/T 28264-2012《起重機械安全監控管理系統》中明確提出了數據的采集和存儲的時間周期為100ms,目前市場上沒有能夠滿足這個要求的產品，為了達到產品能夠全面滿足國家的標準，經過半年堅持不懈的努力成功開發TC核心板。
1.2采集模塊
采集模塊采用并行方式同時讀取多個傳感器數據，可以完美對接市場上絕大部分的傳感器。通過數據總線與MCU進行傳感器讀取命令和和傳感器響應數據的交互，從而實現每100ms一次的高速采集頻率。
傳感器讀取波形（周期為100ms 每個周期左為讀取命令，右為響應數據）
1.3儲存模塊
數據儲存方面，采用了獨家的數據儲存算法，并已申請專利。該算法通過對數據儲存方式，尋址方式的優化，實現了對儲存器的高度讀寫，以滿足高效的數據儲存及所需數據的快速讀取。儲存器的容量支持擴展，通過對儲存器容量的擴展，可以最多支持長達360自然日的數據儲存。
1.4通訊接口
本產品通訊接口，支持以太網口，RS-485接口，RS-232接口，均可以實現對實時數據，報警數據及設備運行狀態的監視。與數據中心的數據交互通過以太網口，采用TCP/IP協議，保證了數據的可靠性。數據上傳速率和頻率都可配置，適應不同的帶寬和數據實時性的要求。
1.5 GPS模塊
本產品配備GPS模塊，一般條件下，均可實現快速的設備定位。并可以提供衛星授時功能，確保本產品與國際標準時間的同步。
2. 實施效果
經過18個月的規劃開發，硬件產品順利通過遼寧安科院檢驗，起重機智慧管理云平臺及硬件產品多次和國家質檢總局特種設備處、北京起重運輸機械設計研究院、中國建筑科學研究院、浙江省特種設備檢驗研究院等國家管理部門及科研院所進行技術交流，得到了各位領導和專家的高度認可，并獲得中國通信工業協會“2017中國物聯網優秀解決方案獎”。經過近半年推廣，目前已經有遼寧、江蘇、河南、湖南四省的八個城市的500臺起重機設備已接入我公司的起重機智慧管理系統平臺，常州市安監站已把該平臺作為本地建筑塔機安全監控管理的總平臺，現場安全管理人員對手機APP中的報警管理和違章管理等功能給與了高度好評。
聲明
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