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[摘 要]针对目前造船起重机集群作业时重叠工作区域内的安全问题，提出了将物联网技术应用于船厂起重机集群作业安全监控，实现起重机运行信息的集中管理，可最大程度预防重大事故的发生，对加强起重机安全管理有着重要意义。
[关键词]物联网 船厂起重机 集群作业
中图分类号：TP393 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）27-0395-01
引言：随着修造船厂的不断发展，运行规模的不断扩大，船厂对造船用起重机安全监控的要求已不再停留在现场设备的监控，而是要求能够对此类设备信息进行集中管理和集体监控。在实际施工现场，起重机群在重叠工作区域内的安全问题已经引起了学术界和工业界相当大的关注。
物联网是近年来根据射频、红外、GPS等无线传感器，按照一定的协议实现将物品联系起来进行信息交换的网络。而在起重机监控系统中引入物联网的概念，可实现现场起重机运行状况的远程监控和起重机运行信息的集中管理，最大程度预防重大事故的发生，并可同时实现事故发生后的应急救援指挥及快速责任追溯，对加强起重机安全管理有着极其重要的意义。
一、国内外起重机安全监控发展现状
在整个世界范围内，在起重机行业有一定影响力的企业主要集中在芬兰、西班牙、德国等老牌起重机设计强国，其中以德国的利勃海尔公司和沃尔夫公司、法国的马尼托瓦公司、芬兰的科尼等几十家制造企业实力比较雄厚，他们的产品已占据国际市场的大部分份额，往往代表了起重机生产的最先进技术。他们所生产的起重机都配置安装有各自公司自主研发的起重机监控设备，以保证起重机的安全作业。
国内起重机的监控系统起步较晚，大致有以下两个发展阶段：首先是单机版的监控系统。此类系统通常完成起重机的工作状态的采集、记录和分析。比如力矩限制器，这类产品完成了对起重机力矩的测量，限制了起重机运行的最大力矩，同时，可将起重机运行的部分数据记录下来，以供使用者参考，这种数据的读取需要使用者操作监控器来完成，而且功能较为单一，操作界面不够友好，同时缺乏良好的分析软件，大部分时候不能给予使用者合理的建议。其次是一个小范围的起重机监控系统，它通过在一个较小范围内将起重机监控器与上位机相连，实现将起重机的运行数据实时传送到上位机，然后通过上位机的软件分析起重机运行状态，给出合理的运行建议，但这种相连通常是通过有线串口通信实现的，对距离有一定的限制，而部分通过无线网络实现起重机监控系统的产品往往运行成本高。
二、船厂起重机集群作业特点
船厂的门式起重机、门座起重机等是复杂的大型生产设备，与安全相关的数据非常多，大致可分为以下三类：
（1） 运行数据：包括门式起重机大车、小车的位置、速度，门座起重机臂架旋转方位角、俯仰角和变幅幅度，吊钩的载重、位置、速度，电机的电流、电压、转速，电缆卷筒空满状态等;
（2） 环境数据：主要是风速、风向等;
（3）视频数据，包括大车轨道、小车轨道、吊钩、柔性腿、卷筒等各位置图像。
目前使用的造船起重机监控系统主要存在的问题是信息集成度过低，现在大多数造船起重机监控系统都是将一台起重机械的运行数据采集到起重机械的控制室，然后提供给操作人员，并没有将所有起重机械的实时运行数据汇总分析，需要在不同的终端和界面上进行查看和操作，特别是控制系统的操作记录和视频没有关联，在故障排查时查找图像比较繁琐，也使得企业决策者无法利用宝贵的生产数据做出合理的决策来提升生产效率。
因此，起重机群在初始阶段进行最优布局后，企业非常迫切地需要一个动态的安全监控系统来确保安全施工，特别是在大规模重叠的工作区域。与单一起重机的安全问题不同，处理起重机群的安全与协同工作问题的核心是高速稳定的通信、准确实时的信号处理和有效的防碰撞算法。
三、造船起重机群监控系统整体设计方案
物联网的典型架构可直观地分为三层：感知层，物联网的“皮肤和五官”，进行物体识别和信息采集;网络层，物联网的“神经中枢和大脑”，进行信息传递和处理;应用层，物联网的“社会分工”，与行业需求结合。
对于每台起重机，大小车、臂架和机身运行信息都可用一套特定的传感器检测得到。来自传感器的数据经过以太网输入嵌入式测控机（门座起重机上的测控机安装于驾驶室，门式起重机上的测控机则安装于大梁横梁内的三防电控箱）。测控机通过信号线路从安装在起重机关键部件的所有传感器获得数据，并分析处理和进一步计算，把最终关键姿态等数据远程传输到云服务器上的远程监控平台。安装于云服务器的远程监控平台通过无线AP从船厂现场的每台起重机获得数据，手持监控设备及移动监控终端可以很容易地通过互联网进行访问，船厂现场及起重机上的工作人员可通过无线AP访问远程监控系统，获取每台起重机的运行状态。管理员可以注册添加一台起重机到监控系统，并查看它的实时状态和某个区域起重机群的历史数据。
四、造船起重机群作业远程监控系统应用
对于重型机械设备，碰撞是最严重的安全事故，目前仅有同船坞的两台门式起重机之间具备激光测距防碰撞措施，而门座起重机与门式起重机、门座起重机与门座起重机、门座起重机与建筑物或船体之间，没有任何防碰撞措施，完全依赖驾驶员和起重工目视和经验来控制。管理员需要查看起重机群的运行状态数据，在超速、超重、偏斜、碰撞等危险状态时及时提示和报警;在超大、超重起重机群联合抬吊等重要任务时，实时了解大车偏斜、载荷等运行数据;起重机出现超速、超限、偏斜、超重等危险状态时需要报警;起重机之间、起重机与建筑物过近时需要碰撞预警。
远程监控平台的核心功能之一是避免相邻起重机之间的碰撞，这是根据整个起重机群的工作状态进行综合防碰撞管理的。碰撞预警算法通过实时数据库获得单个起重机的位置、速度、姿态等数据，利用这些数据调整虚拟模型中的起重机位置和姿态，再运用三维解析几何方法计算起重机间，起重机与建筑物之间的距离。在危险情况下，如门座起重机吊臂与门式起重机支撑腿过近，碰撞预警软件会通过声光方式在控制中心和起重机驾驶室发出警报，在界面上显示危险区域的状态，并向起重机控制系统发出减速或制动信号，避免碰撞事故的发生。
结语：造船起重机群监控系统充分利用现有物联网技术，作为一个力学、电学、算法和网络通信全面集成的系统，可有效整合船厂在用起重机群，实现智能识别、定位、追踪、监控，节省大量的人力和物力，方便快捷监控管理，有着广阔的应用前景。
参考文献
[1] 师梦梦.基于空间姿态的起重机群防碰撞技术研究[D].大连：大连理工大学，2014.
[2] 闫佳妮.塔机群防碰撞监测系统的研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
[3] 王庆磊.塔式起重机群塔防碰撞的技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.
[4] 李艳芹.物联网在造船起重机监控系统中的应用研究[D].北京：北京理工大学，2015.
[5] 徐扬.物联网技术在起重机监控系统中的应用研究[D].南京：南京邮电大学，2012.
[6] 胡静波，冯月贵，王会方，庆光蔚.物联网技术在起重机动态监管中的应用 [J]，物联网技术，2013年第1期54-56.
[关键词]物联网 船厂起重机 集群作业
中图分类号：TP393 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）27-0395-01
引言：随着修造船厂的不断发展，运行规模的不断扩大，船厂对造船用起重机安全监控的要求已不再停留在现场设备的监控，而是要求能够对此类设备信息进行集中管理和集体监控。在实际施工现场，起重机群在重叠工作区域内的安全问题已经引起了学术界和工业界相当大的关注。
物联网是近年来根据射频、红外、GPS等无线传感器，按照一定的协议实现将物品联系起来进行信息交换的网络。而在起重机监控系统中引入物联网的概念，可实现现场起重机运行状况的远程监控和起重机运行信息的集中管理，最大程度预防重大事故的发生，并可同时实现事故发生后的应急救援指挥及快速责任追溯，对加强起重机安全管理有着极其重要的意义。
一、国内外起重机安全监控发展现状
在整个世界范围内，在起重机行业有一定影响力的企业主要集中在芬兰、西班牙、德国等老牌起重机设计强国，其中以德国的利勃海尔公司和沃尔夫公司、法国的马尼托瓦公司、芬兰的科尼等几十家制造企业实力比较雄厚，他们的产品已占据国际市场的大部分份额，往往代表了起重机生产的最先进技术。他们所生产的起重机都配置安装有各自公司自主研发的起重机监控设备，以保证起重机的安全作业。
国内起重机的监控系统起步较晚，大致有以下两个发展阶段：首先是单机版的监控系统。此类系统通常完成起重机的工作状态的采集、记录和分析。比如力矩限制器，这类产品完成了对起重机力矩的测量，限制了起重机运行的最大力矩，同时，可将起重机运行的部分数据记录下来，以供使用者参考，这种数据的读取需要使用者操作监控器来完成，而且功能较为单一，操作界面不够友好，同时缺乏良好的分析软件，大部分时候不能给予使用者合理的建议。其次是一个小范围的起重机监控系统，它通过在一个较小范围内将起重机监控器与上位机相连，实现将起重机的运行数据实时传送到上位机，然后通过上位机的软件分析起重机运行状态，给出合理的运行建议，但这种相连通常是通过有线串口通信实现的，对距离有一定的限制，而部分通过无线网络实现起重机监控系统的产品往往运行成本高。
二、船厂起重机集群作业特点
船厂的门式起重机、门座起重机等是复杂的大型生产设备，与安全相关的数据非常多，大致可分为以下三类：
（1） 运行数据：包括门式起重机大车、小车的位置、速度，门座起重机臂架旋转方位角、俯仰角和变幅幅度，吊钩的载重、位置、速度，电机的电流、电压、转速，电缆卷筒空满状态等;
（2） 环境数据：主要是风速、风向等;
（3）视频数据，包括大车轨道、小车轨道、吊钩、柔性腿、卷筒等各位置图像。
目前使用的造船起重机监控系统主要存在的问题是信息集成度过低，现在大多数造船起重机监控系统都是将一台起重机械的运行数据采集到起重机械的控制室，然后提供给操作人员，并没有将所有起重机械的实时运行数据汇总分析，需要在不同的终端和界面上进行查看和操作，特别是控制系统的操作记录和视频没有关联，在故障排查时查找图像比较繁琐，也使得企业决策者无法利用宝贵的生产数据做出合理的决策来提升生产效率。
因此，起重机群在初始阶段进行最优布局后，企业非常迫切地需要一个动态的安全监控系统来确保安全施工，特别是在大规模重叠的工作区域。与单一起重机的安全问题不同，处理起重机群的安全与协同工作问题的核心是高速稳定的通信、准确实时的信号处理和有效的防碰撞算法。
三、造船起重机群监控系统整体设计方案
物联网的典型架构可直观地分为三层：感知层，物联网的“皮肤和五官”，进行物体识别和信息采集;网络层，物联网的“神经中枢和大脑”，进行信息传递和处理;应用层，物联网的“社会分工”，与行业需求结合。
对于每台起重机，大小车、臂架和机身运行信息都可用一套特定的传感器检测得到。来自传感器的数据经过以太网输入嵌入式测控机（门座起重机上的测控机安装于驾驶室，门式起重机上的测控机则安装于大梁横梁内的三防电控箱）。测控机通过信号线路从安装在起重机关键部件的所有传感器获得数据，并分析处理和进一步计算，把最终关键姿态等数据远程传输到云服务器上的远程监控平台。安装于云服务器的远程监控平台通过无线AP从船厂现场的每台起重机获得数据，手持监控设备及移动监控终端可以很容易地通过互联网进行访问，船厂现场及起重机上的工作人员可通过无线AP访问远程监控系统，获取每台起重机的运行状态。管理员可以注册添加一台起重机到监控系统，并查看它的实时状态和某个区域起重机群的历史数据。
四、造船起重机群作业远程监控系统应用
对于重型机械设备，碰撞是最严重的安全事故，目前仅有同船坞的两台门式起重机之间具备激光测距防碰撞措施，而门座起重机与门式起重机、门座起重机与门座起重机、门座起重机与建筑物或船体之间，没有任何防碰撞措施，完全依赖驾驶员和起重工目视和经验来控制。管理员需要查看起重机群的运行状态数据，在超速、超重、偏斜、碰撞等危险状态时及时提示和报警;在超大、超重起重机群联合抬吊等重要任务时，实时了解大车偏斜、载荷等运行数据;起重机出现超速、超限、偏斜、超重等危险状态时需要报警;起重机之间、起重机与建筑物过近时需要碰撞预警。
远程监控平台的核心功能之一是避免相邻起重机之间的碰撞，这是根据整个起重机群的工作状态进行综合防碰撞管理的。碰撞预警算法通过实时数据库获得单个起重机的位置、速度、姿态等数据，利用这些数据调整虚拟模型中的起重机位置和姿态，再运用三维解析几何方法计算起重机间，起重机与建筑物之间的距离。在危险情况下，如门座起重机吊臂与门式起重机支撑腿过近，碰撞预警软件会通过声光方式在控制中心和起重机驾驶室发出警报，在界面上显示危险区域的状态，并向起重机控制系统发出减速或制动信号，避免碰撞事故的发生。
结语：造船起重机群监控系统充分利用现有物联网技术，作为一个力学、电学、算法和网络通信全面集成的系统，可有效整合船厂在用起重机群，实现智能识别、定位、追踪、监控，节省大量的人力和物力，方便快捷监控管理，有着广阔的应用前景。
参考文献
[1] 师梦梦.基于空间姿态的起重机群防碰撞技术研究[D].大连：大连理工大学，2014.
[2] 闫佳妮.塔机群防碰撞监测系统的研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
[3] 王庆磊.塔式起重机群塔防碰撞的技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.
[4] 李艳芹.物联网在造船起重机监控系统中的应用研究[D].北京：北京理工大学，2015.
[5] 徐扬.物联网技术在起重机监控系统中的应用研究[D].南京：南京邮电大学，2012.
[6] 胡静波，冯月贵，王会方，庆光蔚.物联网技术在起重机动态监管中的应用 [J]，物联网技术，2013年第1期54-56.