状态监测技术在造船门式起重机安全保障上的应用

朱 靖

中船第九设计研究院工程有限公司 上海 200090

0 引言

发展是第一要务，安全是第一保障。工业和信息化部应急管理部联合印发《“工业互联网+安全生产”行动计划（2021-2023年）》的通知，提出“工业互联网+安全生产”是通过工业互联网在安全生产中的融合应用，增强工业安全生产的感知、监测、预警、处置和评估能力，加速安全生产从静态分析向动态感知、事后应急向事前预防、单点防控向全局联防的转变，提升工业生产本质安全水平。

船厂造船门式起重机单台造价高，在船舶制造中起着不可或缺的作用，由于其作业工况复杂（单机抬吊翻身和双机联吊、多机型交叉作业）、环境恶劣（露天临海/江、盐雾、湿度、大风），容易导致整机碰撞干涉、失稳倾覆、主体结构变形失效以及零部件腐蚀、疲劳断裂失效等事故隐患，引发较重大的特种设备安全事故。

1 造船门式起重机安全保障现状

目前各大船厂在役的造船门式起重机大部分都是新世纪以来由我国自行设计、制造、使用和运维的产品。受当时客观条件所限，这些造船门式起重机设计安全系数冗余，系数同制造安装水平的匹配性，理论工作级别与实际工作循环次数的一致性，零部件性能与维护保养的关联性等都存在较大差异和不确定性。由于船舶建造周期紧张，造船门式起重机不得不高负荷运行、交叉作业、甚至带病运行。目前船厂的生产设备维护主要以定期检修和事后应急抢修为主，现场安全管理人员无法掌握生产设备实时状况，对于设备的状态评估仍旧以静态经验判断为主，且因为设备问题繁多复杂，常常无法兼顾所有设备的深度维护保养，故需一套完善的造船门式起重机安全保障系统来保驾护航。

根据船厂造船门式起重机特点和管理现状对存在的风险等级进行分类，将造船门式起重机安全保障面临的内容分为4个等级的风险：

I类风险不造成人员伤害和设备损坏，如安全标识缺失、不够人性化的设计、维保体系的不完善；

II类风险可能造成人员伤害和设备损坏，但可以排除和控制，如不规范的操作方法、结构异常变形、起升机构振动超差、运行机构啃轨现象、刚柔腿运行机构同步性超差、区域起重机互相干涉等大部分险肇发生前期出现的问题；

III类风险会造成人员伤害和设备损坏，须立即处理：如主结构裂缝、主要承载结构变形失稳、关键零部件疲劳失效等；

IV类风险造成人员伤害和设备损坏，如事故和故障状态。

从安全保障上来看，着重关注的应是处在萌芽状态的II类风险，通过有效的监测手段，提前预知故障隐患并进行预警，防止风险等级的上升。

2 工业互联网平台架构和状态监测技术

2.1 工业互联网平台架构

近年来，新一轮科技革命和产业变革快速发展，工业互联网技术给传统造船行业带来了新的契机。本文以接入层、平台层和应用层这一典型技术架构建立的数字化平台作为承载造船门式起重机的安全保障系统基础平台。

1）接入层 由外部数据、实时数据采集及边缘计算、工业机理模型等组成；

2）平台层 由工业大数据计算中心——分布式文件存储系统、数据仓库系统、机器学习算法库、分布式协同调度服务、流式实施计算模型、大数据查询系统等组成；工业know-how模型由算法框架、工业微服务共享库、专业机理模型库、知识图谱、语义模型、领域知识和评价体系等组成；

3）应用层 提供运行状态监测、健康评估、异常情况预警、实时故障诊断和智能化运维服务的各类工业APP。

2.2 状态监测技术

1）通过传感器进行数据采集

针对II类风险中结构异常变形、起升机构振动超差等存在劣化趋势的风险，采用状态监测的方法对风险进行预测和预警。起重机状态监测技术路线如图1所示。通过采集设备运行状态数据和在线状态监测数据来获得设备运行和维保阶段产生的能反映设备整体和各部件状态变化的特征数据。

图1 起重机状态监测技术路线图

设备运行状态数据主要是指设备的工况数据，如载荷大小、起升高度、行走距离以及设备控制系统参数，如电机的电流、电压、转矩等，这些数据的采集可从安全监控管理系统和PLC管理的数据库中搜集。

在线状态监测数据是通过外加的专用传感器采集相关的特征数据，针对关键结构件和机构件，从结构变形和机构振动2个方面布置应变和加速度传感器，分别采集起重机工作时的时域和频域特征值数据。

2）数据预处理

由于数据采集的渠道、协议以及时序均存在差异性，需对采集到的原始数据进行时间同步、清洗、集成、转换、离散化、规约、降维和特征提取等处理工作，以满足分析、预测、诊断等功能的实施。将采集到的设备运行状态数据和在线状态监测数据进行清洗、分类和梳理，将各类不同来源的数据在数据采集模型内进行时间同步，并将关联数据通过边缘计算进行筛选和整合，减少后续平台的处理工作量，满足应用需求。

3）基于机理模型和大数据技术的数据分析

根据对II类风险的分析，结合在设计、制造安装、实际使用过程中遇到的问题和解决问题积累的经验，从整机钢结构、起升机构及关键零部件的循环特性、疲劳累积和趋势变化等对安全性影响较大的内容进行研究。

通过运行状态数据估算起重设备整机以及关键零部件的已使用寿命，从而评估起重设备的健康状况。基于采集的运行状态数据和在线状态监测数据，再结合造船门式起重机的机理模型，进行专业分析及大数据分析，监测起重设备的故障趋势，实现故障的预警与预测。

2.3 应用场景

将PLC中设备运行状态数据和在线监测采集到的数据融合和迭代，采用标准化数据处理、图形化数据显示、人性化的用户交互界面，快速显示分析处理结果。从而实现对起重设备的健康评估、故障预测以及相应的设备运维管理。

1）健康评估

如图2所示，根据采集的设备运行状态数据和在线监测数据，对造船门式起重机的主要结构件、关键零部件的状态进行分析和评估，评价其健康情况，有利于生产和维保部门提前预知设备状况，有针对性地安排维修或零部件计划。

图2 起重机健康评估系统架构图

2）故障预测

①主梁结构异常变形故障预测机理模型

如图3所示，根据历史积累数据对比不同时序下相同工况时应变传感器采集的应变通道时域数据可判断主梁结构变化的趋势，根据算法判断存在劣化趋势时进行故障预警，避免结构失效引起的灾难事故。

图3 起重机主梁结构故障预测技术路线

②起升机构传动系统故障预测机理模型

如图4所示，根据历史积累数据对比不同时序下相同工况时采集的起升机构传动系统上各振动传感器的频域数据，可判断机构状态变化的趋势，避免重要机构件险肇事故的发生。

图4 起重机传动系统故障预测技术路线

3）运维管理

在建立信息化设备运维管理平台的基础上，将电子台账、现场看板、设备电子资料、维护保养要求和记录通过三屏合一的模式投放到各个终端进行无纸化管理。同时根据设备运行状态数据进行易损件更换周期预估、润滑油加注周期精确计算、备品备件预采购零库存等一系列的拓展应用，提升运维管理水平。

3 应用价值

1）保障造船门式起重机生产安全

本系统对于造船门式起重机生产安全的介入时间点均是设备和系统参数在达到临界点之前，能有效防止实际故障的发生，从而将造船门式起重机的安全生产从静态分析向动态感知、从应急向事前预防、从单点防控向全局联防转变，故生产的安全性大幅度提升。

2）降低造船门式起重机维护及停机成本

基于状态监测的造船门式起重机安全保障系统，使得维护周期动态可控；同时，因故障的提前预警，现场作业可合理安排维护工作，使造船门式起重机因故障意外停机时间大幅减少，从而降低总体维护及停机的成本。

3）提高造船门式起重机生产、运维的效率

采用先进的传感器技术及工业互联网技术，通过专业分析与大数据算法并行，可实时了解造船门式起重机的关键参数和故障的演化趋势，从而有针对性地调整设备或系统的运行状态与负荷，最终寻找到产能、质量与损耗三者的平衡点，提高造船门式起重机的综合效率和延长其有效寿命。