在造船廠，門式起重機是其不可或缺的制造機械。由于制造的船體體積巨大，造船門式起重機的體積也非常巨大，并且運行工況復雜，作業高度較高，施工環境復雜障礙物多、操作人員技能水平參差不齊等特點。因此每年船舶制造過程所發生的施工事故統計數居高不下。

        在此背景下國家制定的 GB/T 5031—2008 規定，大型門式起重機必須安裝起重機安全監控管理系統。但由于傳感器信息傳輸網絡搭建困難，造船廠門式起重機安全監控管理系統的數據和視頻傳輸一直是待突破的行業難題。隨著 2020 年國家 5G 基建戰略的發展和實施，以及對系統其他原件部分技術的研究和升級，造船廠門式起重機的無線傳輸部分都升級為5G 傳輸。此次我們就以造船門式起重機安全監控系統在5G通訊背景下的技術升級為題，詳細展開說明 5G 通訊技術在造船廠門機安全監控管理系統中的應用和技術升級。

        GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》規定了起重機安全監控管理系統的組成包括硬件和軟件，基本單元有信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元、信息存儲單元、信息顯示單元、信息導出接口單元等，當有遠程監控需要時，應增加遠程傳輸單元。起重機安全監控管理系統結構模式如圖 1 所示。

 國內外科研學者針對造船門機安全監測控制系統廣泛地開展了研究。浙江省特種設備科學研究院的凌張偉團隊應用基于 ARM-Linux 的監測控制儀，對現有安全監測控制系統中的 PLC 數據進行判辨，并應用無線傳輸快速組網獲取新的傳感器數據，實現造船門機運行中實時采集、儲存和傳輸數據，以及具備報警功能；廣州特種機電設備檢測研究院的黃國健團隊介紹了廣州造船龍門吊安全監管系統的檢測，以及傳感器選型、工作時間、聯鎖保護安全裝置、掃描周期、起重量綜合誤差試驗、視頻信息系統的檢驗辦法；江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院陳序、帥飛應用 TI 的 CC2530 無線芯片組成 ZigBee 無線傳感網絡，利用西門子 S7—400 系列 PLC 和組態軟件 WinCC 組成和設計監控系統，實時監測門機的工作狀態并，實現故障報警，并能提供過往數據查詢，極大地方便了維護和修理。隨著 AI 技術的發展，基于視頻的對設備健康方面的監測日漸成熟，對大型起重機中電機、軸承等旋轉機構的健康監測日益受到用戶的關注。但視頻和振動方面的監測，數據傳輸量大、時延低，對數據傳輸層要求很高；而 5G 具備了高速度、低功耗、低時延、泛在網等特點，正適合起重機后續健康安全系統發展的趨勢?；?5G 的造船門機安全監控系統功能架構如圖 2 所示。

傳感器、編碼器等硬件應滿足 GB/T 28264—2017 中表 1 列的要求。硬件層主要有各類傳感器、信號采集盒、信號變送器等，其中超速保護裝置、起升機構制動器、運行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回轉角度、力矩限制器、抗風防滑裝置、工作幅度，風速儀、機構之間的運行聯鎖、同一或不同一軌道運行機構防碰撞裝置屬于標準要求；振動、應力應變和視頻屬于健康監測的內容。

應力監測方法主要分聲發射法、全息干涉法、光柵光纖傳感測量法和應變片電測量法等 4 種，這 4 種應力監測方法的綜合對比如表 1 所示。

由表 1 可知，系統采用應變電測法進行應力監測。 這一方法的原理是傳感器安裝固定在被測量結構表面，當構件變形時，傳感器電阻值相應地發生變化，然后通過電阻應變調節器轉化為電壓（或電流）的變化，記錄儀記錄換算后的應變值或輸出的與應變成正比例的電壓（或電流）信號，即可獲得所測應力或應變。應變計傳感器參數如表 2 所示。

目前，最普遍可見的振動傳感器有電容型、壓阻型、壓電型、電感型和光電型。壓電加速度計為慣性式傳感器的一種，有體積小質量輕、測量頻率范圍寬、量程廣、易于安裝且對被測量物件影響小等優點，故成為最普遍使用的振動傳感器。綜上所述，本系統選用壓電式加速度傳感器。

振動傳感器通過安裝支架吸附在被測物體表面，結合無線節點，它還可提供本地指令，用無線傳輸將信號發送到中央控制室，并用網關接收振動數據，以便后續進行數據采集和趨勢分析。振動傳感器參數如表 3 所示。

目前，機身是起重機監控系統監測的重點，很少有使用監測系統來關注起重機外部工作環境的情況。起重機通常在港口，碼頭等環境中運行，這些工作環境比較復雜，而起重機的外部環境異常會影響起重機的正常運行，甚至引發安全事故。因此，本方案通過二次開發視頻設備，在監測系統中集成視頻監控，動態抓取起重機在外的工作環境的狀態。

本地中央主機端和遠程監控器直接訪問視頻監控工控機，并從工控機中獲取實時視頻數據和過往視頻文件。攝像頭可以捕獲實時動態變化，還具備夜間紅外攝像功能。視頻監控模塊的主要技術有圖像實時顯示、歷史圖像回溯下載等。攝像機的參數如表 4 所示。

GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》中起重量限制器、起升高度限位器、風速儀裝置、防碰撞裝置、抗風防滑裝置、超速保護裝置、起升機構制動器、回轉角度傳感器等通過雙絞屏蔽線或光纖有線的方式，由于造船門機跨距較大，部分改造的造船門機條件所限，也可采用 5G 的通訊方式。應力片、振動和攝像探頭的傳感器設備，布局廣、線路布置比較麻煩，且如果采用其他無線傳感器或其他通信方式，帶寬和時延都有問題，本文采用 5G 的傳輸方式，5G 網絡架構圖如 3 所示。

GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》中規定的超速保護裝置、起升機構制動器、運行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回轉角度、力矩限制器、抗風防滑裝置、工作幅度，風速儀、機構之間的運行聯鎖、同一或不同一軌道運行機構防碰撞裝置等數據通過 PLC 方式進行采集。

本項目電氣控制系統中，支持使用 Profifibus 現場總線及網絡的設備有風速儀裝置、編碼器、驅動器、超載保護裝置等。運用現場總線技術，通過 Profifibus 通訊電纜與主 PLC 通訊，將門機上的傳感器、輸入輸出采集模塊、驅動器等總線設備連通，并讀取相應運行數據。

       數據采集器工控機帶有以太網控制器，通過交換機與主 PLC 連接，通過網關軟件系統讀取 PLC 相應傳感器設備的信息。網關軟件采用應用于工業控制領域中的OPC 技術，可依據統一標準平穩高效地讀取硬件設備數據，后續系統應用軟件也可基于 OPC 技術靈活地進行信息交換，以提高系統兼容性和可拓展性。

振動和應變傳感器與無線節點配對，可提供本地數值指示，也可采用專用采集卡方式，將信號無線發送到中心位置，無線網關接收溫度和振動的數據，用于后續收集與趨向分析。

自研軟件系統采用 Modbus 協議進行振動數據采集， 采集后數據通過 5G 放到后方數據中心。

本項目安裝有 7 個以上攝像頭，能對設備的運行狀態進行全方位無死角的實時監控、記錄，能監控機械作業和發現設備異常。在門機剛性支腿的上部與柔性支腿的上部各安裝一部帶云臺可變焦距攝像頭 , 以觀察門機的吊裝作業情況，滿足吊裝現場的各種需要；在大車行走結構的兩側各安裝一部固定焦距的攝像頭 , 用來觀察大車行走時的軌道情況；在剛性支腿下部電纜滾筒處的適當位置 , 安裝一部固定焦距的攝頭 , 用于觀察滾筒的運行情況。所有監視監控圖像可通過有線網絡傳至視頻錄像機進行存儲，自研軟件系統進行視頻數據的讀取和分析，視頻分析后，把分析結果通過 5G 傳到后方，后方監控也可通過 5G 查詢歷史錄像。

GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》中規定的超速保護裝置、起升機構制動器、運行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回轉角度、力矩限制器、抗風防滑裝置、工作幅度，風速儀、機構之間的運行聯鎖、同一或不同一軌道運行機構防碰撞裝置等數據，采用關系型數據 SqlServer 的方式進行存儲；振動數據由于采集頻率較高，有效價值較低，采用序列化文件方式存儲；視頻數據采用文件方式存儲，并自動刪除 3 個月之前的數據，能夠有效地實現數據存儲功能，并預留數據接口，實現公司內部開源的設備數據中心，避免信息隔絕?，F場數據庫中儲存經軟件運算處理過的數據?，F場數據庫的數據通過工業 / 有線網絡，傳送到中央監測室的服務器中，這些數據在服務器中經過軟件還原為畫面并存儲在服務器中。

本系統數據監控軟件以工控機為基礎，基于 C# 開發平臺 , 依據 GB/T 28264—2017 進行監控界面開發，通過Winfom 開發 GUI，可形象而方便地對系統各數據狀態進行實時監測，并可查看歷史作業回訪和歷史數據等。

系統對 3D 模型與設備可視化進行集成，在確?？捎眯耘c有效性的基礎上，既可在普通電腦上正常瀏覽，還可根據工程技術人員的實際需要，實現移動端快速瀏覽 3D 模型。

對電機、聯軸器、齒輪箱等進行實時健康檢查，通過振動和溫測量分析，即振動測量儀器給出一個數值，通過該測量值與標準值的比較，以及發展趨勢來判定機器的狀態（優秀、良好、報警、維修等）。圖 4 給出了工業常用領域關于振動判定的國際標準 ISO 10816。 通過測點的振動值進行定時實時采集和計算，并對運行趨勢進行跟蹤。當趨勢狀態發生變化時，機器狀態就發生了變化（故障），系統會自動提醒維修人員進行維修（或更換配件），經維修后系統自動跟蹤，趨勢回歸正常。

通過采集的門機各個位置的應力數據，可在 Unity 門機模型進行實時監控和曲線分析。系統采用雨流計數和Palmgren-Miner 理論兩種算法結合的方式，雨流計數法在疲勞壽命估算中運用較廣泛，Palmgren-Miner 理論（以下簡稱 Miner 理論）是線性疲勞累積損傷理論中最典型的。雨流計數法（又名塔頂法）在理論力學有足夠的根據，在后期不斷實踐中證明了其結果和實驗結果較為接近，具備做判斷的依據標準。Miner 線性理論比較容易系統計算和實現，可以不考慮不同應力之間彼此的相互影響，而只關注不同應力水平及對應的應力循環次數即可；對于焊接結構細節，該理論也具有一定的精準度。因此，結合計算機的運算處理能力，考慮簡化整個計算的過程，實現程序的簡單化，決定采用 Miner 線性理論。

該系統中提供預警功能，可向用戶發出預警告知異常點的位置，提醒用戶特別注意，提高檢查頻次。若有關鍵部位的實際壽命超出了理論壽命，危險信號將立刻發送給用戶，提示用戶盡快準備備件，并適時停止生產進行檢修和維護更換部件。系統支持靈活報警設置，可 設置各類設備的報警方式，包括故障報警、狀態異常報警等。報警設置支持角色通知、用戶通知、各種方式通知（APP、微信公眾號、系統報警等），支持多級報警設置，同一報警第一接收人在設定時間內未處理，系統根據設置自動通知后續接收人，監督報警處理速度，協 助用戶進行管理優化。

通過對客戶作業現場和機械進行三維建模，結合模型輕量化技術，快速構建作業現場三維模型，并將設備的離線和在線數據連接到三維模型中，結合視頻線控，實現企業設備 360°無死角監控。同時，對門機設備的狀態進行等級評估，自動生成設備詳細的健康評估報告，評估報告內容可經過靈活設置，將設備的基礎信息、運行參數信息、故障信息、故障等級、運行時間等各維度進行分析統計，生成設備的詳細的健康評估報告。

國家新基建戰略的實施如火如荼，5G 時代依然到來，以 5G 數據傳輸技術為核心的造船門式起重機安全監控系統技術升級的新時代已然開啟。作為行業先鋒還需對造船門式起重機的 5G 數據傳輸深入研究。通過對 5G 數據傳輸的應用和學習，能對工況和運行情況更好地管理，有效解決在吊裝工作室的難題，降低重大事故的發生。