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(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》和《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，加快實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，推動大數(shù)據(jù)產業(yè)健康快速發(fā)展，工信部編制了《大數(shù)據(jù)產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016－2020年）》針對規(guī)劃結合起重機在工業(yè)、建筑業(yè)和港口運輸?shù)确矫嬗兄豢商娲淖饔茫鹬貦C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(guī)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(shù)十億元。每年有數(shù)十萬臺起重機因管理不善，造成故障甚至報廢。在現(xiàn)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(lián)通，大連理工大學，大連久鵬電子聯(lián)合研制開發(fā)的起重機智慧管理系統(tǒng)讓起重機智慧起來。
2. 項目簡介
該起重機智慧管理系統(tǒng)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(jù)GB/T 28264-2012《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》、TSG Q7015–2016《起重機械定期檢驗規(guī)則》、TSG Q7016-2016《起重機械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗規(guī)則》、GB12602-2009《起重機機械超載保護裝置安全技術規(guī)范》成功開發(fā)的起重機械智慧管理系統(tǒng)。獨創(chuàng)的物聯(lián)網(wǎng)、“云”計算的設計理念使該產品處于業(yè)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(tǒng)開放化、硬件數(shù)字化、攝像自動化、圖像同步化、保養(yǎng)便捷化。
3. 項目目標
隨著系統(tǒng)的不斷升級最終將把起重機智慧管理系統(tǒng)打造成為一個集安全監(jiān)控、設備維護保養(yǎng)、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(yè)產業(yè)聯(lián)盟。
二、項目實施概況
目前，起重機行業(yè)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(yǎng)、檢測未有效落實，設備狀態(tài)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(shù)據(jù)支撐，無法有效管理決策等問題，只有有效利用移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新的信息技術，才能對起重機進行全面監(jiān)管，避免事故。通過本項目的開發(fā)，可實現(xiàn)設備信息實時監(jiān)控，對行業(yè)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(lián)通“沃云”上，采用了分布存儲、集中管理的系統(tǒng)架構，實現(xiàn)多用戶差異化信息服務，滿足起重機監(jiān)管部門和使用單位對設備的監(jiān)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(xiàn)場存儲的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻、3D動畫同步回放，實現(xiàn)完全掌握設備運行狀態(tài)；根據(jù)平臺大數(shù)據(jù)，結合專家知識實現(xiàn)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(tǒng)計功能
主要實現(xiàn)對指定企業(yè)或指定區(qū)域的特種設備運行狀態(tài)進行宏觀統(tǒng)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(tǒng)計功能
2.2公告管理功能
主要實現(xiàn)對公告信息、榮譽信息和曝光信息的發(fā)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(jiān)控功能
主要實現(xiàn)設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，包括運行數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、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(tài)進行直觀展示。
圖4 起重機智慧管理平臺實時監(jiān)控功能
2.4歷史查詢功能
對歷史的違章數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、工作循環(huán)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和100ms的歷史數(shù)據(jù)進行查詢和同步回放。實現(xiàn)遠程一鍵調取現(xiàn)場100ms歷史數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行3D仿真，同時結合歷史視頻圖像，進行直觀的歷史狀態(tài)還原。
圖5 起重機智慧管理平臺歷史查詢功能
2.5數(shù)據(jù)分析功能
對工作等級、異常數(shù)據(jù)、傳感器故障等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，并結合行業(yè)專家，實現(xiàn)專家診斷。
圖6 起重機智慧管理平臺數(shù)據(jù)分析功能
2.6企業(yè)管理功能
滿足各種行業(yè)內相關單位的管理需要，對不同類型企業(yè)、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(yè)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(tǒng)的整體運行數(shù)據(jù)以及單臺塔機的運行情況進行全面監(jiān)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(wǎng)絡互聯(lián)架構
圖9起重機智慧管理平臺網(wǎng)絡互聯(lián)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(jù)平臺不斷變化的服務架構、業(yè)務體量和業(yè)務需求，快速提供動態(tài)、靈活、彈性、虛擬、共享和高效的計算資源服務。
4. 數(shù)據(jù)架構和應用
圖10起重機智慧管理平臺數(shù)據(jù)架構和應用
平臺數(shù)據(jù)分三層結構實現(xiàn)：
1）數(shù)據(jù)存儲層
平臺采用雙數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)方案，高速數(shù)據(jù)庫主要用于高速的實時數(shù)據(jù)展示，存儲數(shù)據(jù)庫主要用于存儲大量設備運行數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)挖掘分析后的結果。
2）數(shù)據(jù)邏輯層
采用WebService為數(shù)據(jù)核心，同時向外輻射和擴展多個WebService為不同應用提供數(shù)據(jù)支持。
3）數(shù)據(jù)展示層
平臺展示層相當于數(shù)據(jù)的展示皮膚，僅僅將不同的數(shù)據(jù)展示出來即可。展示層目前提供網(wǎng)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(wǎng)絡安全
采用可信網(wǎng)絡連接機制，對檢驗連接到通信網(wǎng)絡的設備進行可信，以防止非法接入用戶。基礎網(wǎng)絡安全可以實現(xiàn)隨著業(yè)務發(fā)展需要，靈活的制定安全策略、入侵防御、流量監(jiān)管、負載均衡等安全功能，實現(xiàn)業(yè)務和網(wǎng)絡安全高度融合。
4.2業(yè)務安全性
通過劃分云安全區(qū)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(shù)據(jù)安全性
針對核心的數(shù)據(jù)安全性問題，我們提供異地災備、數(shù)據(jù)服務冗余及數(shù)據(jù)訪問的安全審計等多種應對方案，以保障數(shù)據(jù)的可用性及安全性。
4.4數(shù)據(jù)傳輸安全性
平臺與設備通過TCP的加密私有協(xié)議進行通訊，第一保證網(wǎng)絡穩(wěn)定、第二保證數(shù)據(jù)不會被監(jiān)聽而盜用。平臺內部通訊均采用加密的數(shù)據(jù)結構以及固定IP、服務號、校驗位等手段防止其他外圍的監(jiān)聽盜用。同時也保證了內部通訊的穩(wěn)定性和可靠性。
6. 智慧管理終端
新一代全數(shù)字式起重機智慧管理終端是集微處理器技術，數(shù)字通信技術，數(shù)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(shù)字化、網(wǎng)絡化、高精度、結構緊湊、高穩(wěn)定性、高可靠性、自校準、系統(tǒng)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(xiàn)遠程管理的必備產品，亦是模擬式起重機安全監(jiān)理系統(tǒng)的更新替代產品，是當前各主管部門提高監(jiān)管效率，降低監(jiān)管成本，提高監(jiān)管覆蓋率切實有效的監(jiān)管手段。
1、主要功能：
l 監(jiān)控項目：可對吊鉤高度、小車行程、環(huán)境風速、實時吊重、大臂轉角、塔身傾斜 、力矩、視頻等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。
l 數(shù)據(jù)記錄：以100ms為間隔儲存3個月的數(shù)據(jù) ，滿足GBT28264標準。
l 數(shù)據(jù)顯示：通過主機上的顯示屏，實時顯示監(jiān)控的數(shù)據(jù)，以便司機隨時了解塔機的工作狀態(tài)
l 制動控制：當塔機各項監(jiān)控數(shù)據(jù)達到預設值時，系統(tǒng)自動控制各路輸出，只允許塔機向安全方向運動。
l 遠程監(jiān)控：利用3G/4G網(wǎng)絡技術和完善的遠程監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)遠程在線管理監(jiān)控。
l 傳感器自校準：利用數(shù)字式傳感器的自校準功能可實現(xiàn)塔機運行中的自校準保證安全裝置運行可靠。
l 視頻監(jiān)控：實現(xiàn)對塔機吊鉤的實時監(jiān)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(shù)據(jù)準確。拉力、幅度綜合誤差2%以內。
2) 數(shù)字化：所有傳感器為數(shù)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(shù)據(jù)保存速度100ms。數(shù)據(jù)保存時間3個月以上。
4) 網(wǎng)絡化：設備之間采用以太網(wǎng)和4G網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)結構，使系統(tǒng)具有極大的擴展性，為行業(yè)發(fā)展預留升級空間。
三、下一步實施計劃
打通整個起重設備數(shù)據(jù)服務，全面實現(xiàn)起重機“智慧管理”
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
GB/T 28264-2012《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》中明確提出了數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)，可以完美對接市場上絕大部分的傳感器。通過數(shù)據(jù)總線與MCU進行傳感器讀取命令和和傳感器響應數(shù)據(jù)的交互，從而實現(xiàn)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(shù)據(jù)）
1.3儲存模塊
數(shù)據(jù)儲存方面，采用了獨家的數(shù)據(jù)儲存算法，并已申請專利。該算法通過對數(shù)據(jù)儲存方式，尋址方式的優(yōu)化，實現(xiàn)了對儲存器的高度讀寫，以滿足高效的數(shù)據(jù)儲存及所需數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)儲存。
1.4通訊接口
本產品通訊接口，支持以太網(wǎng)口，RS-485接口，RS-232接口，均可以實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)，報警數(shù)據(jù)及設備運行狀態(tài)的監(jiān)視。與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交互通過以太網(wǎng)口，采用TCP/IP協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)上傳速率和頻率都可配置，適應不同的帶寬和數(shù)據(jù)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(xiàn)快速的設備定位。并可以提供衛(wèi)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(guī)劃開發(fā)，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(yè)協(xié)會“2017中國物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)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(tǒng)平臺，常州市安監(jiān)站已把該平臺作為本地建筑塔機安全監(jiān)控管理的總平臺，現(xiàn)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
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點、建議，不構成法律建議，也不應替代律師意見。本報告所有材料或內容的知識產權歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內容除外），并受法律保護。如需轉載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權許可。未經授權許可，任何人不得將報告的全部或部分內容以發(fā)布、轉載、匯編、轉讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內容通過網(wǎng)絡方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內相關描述及相關數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關法律責任。
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