基于物聯(lián)網(wǎng)的客運(yùn)索道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉文貞，張世亮，冀維金

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，河北 石家莊 050021）

近年來，隨著客運(yùn)索道品種不斷增多、數(shù)量迅速增長(zhǎng)，隨著旅游業(yè)的不斷發(fā)展，乘坐人數(shù)不斷上升，人們?cè)絹碓街匾暢俗鞯肋^程中的安全問題。河北省地處京津冀旅游圈，索道數(shù)量居全國(guó)之首，對(duì)于索道安全管理越來越重視。同時(shí)，2022年第24屆冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)將在北京市和張家口市舉辦，作為世界性的最高規(guī)格運(yùn)動(dòng)會(huì)之一，受關(guān)注度很高，客運(yùn)索道作為冬奧會(huì)的一種輔助工具，其運(yùn)營(yíng)過程中的安全性能將直接影響比賽運(yùn)動(dòng)員的身體狀況和賽事的精彩程度。同時(shí)，客運(yùn)索道作為公眾關(guān)注度高，媒體曝光度集中的特種設(shè)備，其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此，保障其設(shè)備安全成為刻不容緩的任務(wù)。

客運(yùn)索道在高空運(yùn)行、載客量大，是旅游景區(qū)的重要交通工具，安全與否直接關(guān)系到使用人的生命和財(cái)產(chǎn)，這決定了索道安全的重要性。從結(jié)構(gòu)上說，客運(yùn)索道是由鋼絲繩、鋼絲繩的驅(qū)動(dòng)裝置、迂回裝置、張緊裝置、支承裝置、抱索器、運(yùn)載工具、電氣設(shè)備及安全裝置組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大，整套設(shè)備分布至數(shù)百至數(shù)千米，許多部件檢查及維護(hù)需要起重工具和高空作業(yè)，操作和維護(hù)非常不便。

綜上所述，為保障冬奧會(huì)場(chǎng)地客運(yùn)索道設(shè)備安全運(yùn)行，服務(wù)于冬奧會(huì)賽事，需針對(duì)客運(yùn)索道各關(guān)鍵部位進(jìn)行全方位安全監(jiān)測(cè)，研究建立一套行之有效的索道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

客運(yùn)索道作為公眾關(guān)注度高，媒體曝光度集中的特種設(shè)備，其運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性至關(guān)重要。客運(yùn)架空索道賴以生存的前提是安全，而客運(yùn)索道運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵因素是設(shè)備運(yùn)行安全。目前，泰山索道已經(jīng)建成索道運(yùn)營(yíng)中心到泰山3條索道的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，各索道上、下站之間及各索道站之間，其主干網(wǎng)是千兆光纖，各工作區(qū)域均有超五類有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，組織開發(fā)了較為簡(jiǎn)單的互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，將網(wǎng)上辦公、設(shè)備管理、設(shè)備維護(hù)、設(shè)備更換、運(yùn)營(yíng)管理、票務(wù)管理、視頻監(jiān)控等相關(guān)業(yè)務(wù)集成到應(yīng)用平臺(tái)中。泰山索道運(yùn)營(yíng)中心就互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與客運(yùn)索道設(shè)備網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面存在以下不足：

（1）泰山索道站房、支架、線路的詳細(xì)地理位置及參數(shù)較為復(fù)雜，尤其趨南北走向的中天門索道，斜長(zhǎng)較大（2089.16米），平均爬坡角較大（30.28%），各個(gè)支架間基礎(chǔ)海拔差較大，水平距離差較大等復(fù)雜問題，不便于建立可靠、穩(wěn)定的無線（WIFI）網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

（2）泰山索道綜合管理系統(tǒng)雖已用于各站、部門間監(jiān)測(cè)，但對(duì)客運(yùn)索道設(shè)備，尤其是驅(qū)動(dòng)站、迂回站、支架間等設(shè)備監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用較少，設(shè)備架構(gòu)拓?fù)鋱D簡(jiǎn)單，如主電機(jī)、減速機(jī)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，漲緊裝置位置、承載索長(zhǎng)度參數(shù)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行風(fēng)速采集，上下站工作人員、支架檢修人員的視頻交互等方面不夠健全。

綜上，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、特別是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和索道設(shè)備安全管理的要求，應(yīng)大膽嘗試借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)索道安全運(yùn)營(yíng)的設(shè)備全網(wǎng)覆蓋，開展對(duì)客運(yùn)索道設(shè)備安全運(yùn)行參數(shù)（信息）的監(jiān)測(cè)和信息的讀取收集。

2 客運(yùn)索道全方位安全檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

鋼絲繩損傷檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。索道設(shè)備的鋼絲繩作為強(qiáng)導(dǎo)磁體，它的導(dǎo)磁率比空氣的導(dǎo)磁率大100倍以上，利用鋼絲繩該特性可對(duì)鋼絲繩進(jìn)行勵(lì)磁，通過漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼絲繩損傷進(jìn)行判別。由于索道設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，存在低溫、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行勵(lì)磁及磁特征檢測(cè)帶來很大困難，是該項(xiàng)目需要克服的難點(diǎn)。

鋼絲繩損傷定位功能的實(shí)現(xiàn)。鋼絲繩由于跨度大、導(dǎo)程長(zhǎng)、速度快的特點(diǎn)，即使對(duì)損傷信息進(jìn)行了精確的識(shí)別，仍然很難定位到鋼絲繩實(shí)際的損傷部位，不利于修檢查看，設(shè)計(jì)一種與索道同步運(yùn)動(dòng)的在線編碼計(jì)數(shù)裝置是實(shí)現(xiàn)鋼絲繩損傷定位的關(guān)鍵。

索道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程互聯(lián)。通過現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新思想、新技術(shù)、新手段，構(gòu)建一個(gè)索道全方位集中安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)索道的安全、高效、優(yōu)質(zhì)的智慧管理模式。索道安全管理是索道管理的核心和根本，是索道乘客最基本的要求，也是索道生存的基礎(chǔ)。索道全方位集中安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過科學(xué)的手段來保證索道的安全、提高效率，使索道的未來朝著高性能、高安全性發(fā)展。

2.2 鋼絲繩損傷檢測(cè)

鋼絲繩是索道運(yùn)行的重要部件，在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的損傷不可修復(fù)，一旦損傷達(dá)到了安全規(guī)程中規(guī)定的極限值，必須及時(shí)更換整條鋼絲繩，避免發(fā)生事故。鋼絲繩隨著使用時(shí)間的增加，會(huì)產(chǎn)生斷絲、磨損、銹蝕、扭結(jié)等多種損傷現(xiàn)象。根據(jù)損傷的性質(zhì)和特征，可以把鋼絲繩損傷分為兩大類，局部缺陷型（LF）和截面積損耗型（LMA），分別簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)F損傷及LMA損傷。幾種常見的鋼絲繩斷絲損傷特征如下圖1所示。

圖1 鋼絲繩損傷特征

由于鋼絲繩一般采用碳素鋼，具有良好的導(dǎo)磁性，目前漏磁檢測(cè)法是最合適的鋼絲繩損傷檢測(cè)方法。其基本原理為：對(duì)鋼絲繩進(jìn)行軸向勵(lì)磁，無缺陷處內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持穩(wěn)定，而有斷絲處，磁導(dǎo)率明顯降低，斷口的磁力線將從磁導(dǎo)率大的介質(zhì)中繞行。若鋼絲繩未被激勵(lì)至飽和，則大多數(shù)磁力線穿入臨近的鋼絲繞行，極少部分漏出表面；若鋼絲繩勵(lì)磁至飽和，即每根鋼絲中能穿過的磁力線數(shù)均已達(dá)到最大值，如此，鋼絲繩斷口處的磁力線不能從臨近的鋼絲中繞行，而在鋼絲繩表面的空氣中泄露出來，形成漏磁場(chǎng)。損傷處漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度與分布取決于勵(lì)磁強(qiáng)度、損傷形狀及其幾何尺寸。當(dāng)勵(lì)磁強(qiáng)度一定時(shí)，使用磁敏元件對(duì)因鋼絲繩損傷產(chǎn)生的分布于周圍空間的漏磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，并由此來判斷鋼絲繩損傷狀況的檢測(cè)方法，即為鋼絲繩損傷漏磁檢測(cè)法的原理。其原理圖如圖2所示。

圖2 漏磁檢測(cè)原理

2.3 需要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)

該索道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)并匯總索道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一套索道全方位集中安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，能夠?qū)螚l索道的全天候、全方位實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)如下：

2.3.1 鋼絲繩在線監(jiān)測(cè)

（1）不影響索道的正常運(yùn)行，保證冬奧會(huì)賽事的正常開展。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼絲繩的局部缺陷（LF）和截面積損耗（LMA）曲線,能快速、準(zhǔn)確、監(jiān)測(cè)到鋼絲繩的損傷類型（斷絲、磨損、銹蝕和變形）以及損傷的程度。

2.3.2 溫度監(jiān)測(cè)

（1）減速機(jī)潤(rùn)滑油油溫監(jiān)測(cè)。

（2）電機(jī)、減速器溫度監(jiān)測(cè)。

2.3.3 壓力監(jiān)測(cè)

液壓站的壓力監(jiān)測(cè)：張緊系統(tǒng)的壓力監(jiān)測(cè)；緊急制動(dòng)器的開閉狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.3.4 電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)

（1）供電電壓、電流、電機(jī)電流等參數(shù)監(jiān)測(cè)。

（2）索道運(yùn)行速度、支架風(fēng)速監(jiān)測(cè)。

（3）高、低速制動(dòng)器開閉狀態(tài)、上下站主軸防斷軸保護(hù)開關(guān)狀態(tài)、行程限位開關(guān)狀態(tài)、檢修開關(guān)、各個(gè)支架脫索保護(hù)開關(guān)、超壓欠壓保護(hù)開關(guān)狀態(tài)等監(jiān)控。

2.4 客運(yùn)索道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

平臺(tái)數(shù)據(jù)采集包含3部分：鋼絲繩探傷設(shè)備數(shù)據(jù)采集、索道運(yùn)行節(jié)點(diǎn)參數(shù)（PLC）數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

探傷數(shù)據(jù)根據(jù)傳感器通道進(jìn)行自封裝通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，定義協(xié)議字頭包含索道站站號(hào)、傳感器通道數(shù)量以及傳輸方向，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含編碼器步長(zhǎng)值及磁傳感器損傷數(shù)據(jù)值；PLC數(shù)據(jù)則根據(jù)歐姆龍?jiān)O(shè)備自定義的通訊協(xié)議進(jìn)行讀取，包含讀取命令字頭、讀取數(shù)據(jù)類型（開關(guān)量、模擬量）、讀取地址長(zhǎng)度，以數(shù)據(jù)包格式發(fā)送到PC端；視頻數(shù)據(jù)借助攝像頭品牌廠家提供的SDK對(duì)視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，采集回來的數(shù)據(jù)才能被正常播放。

3 結(jié)語

本文分析了建立“科技冬奧”背景下客運(yùn)索道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。基于云計(jì)算、云存儲(chǔ)、云傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，監(jiān)測(cè)客運(yùn)索道重點(diǎn)安全部件的運(yùn)行狀態(tài)，并且對(duì)索道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（1）形成基于物聯(lián)網(wǎng)并匯總索道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一套索道全方位集中安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)是可行的。（2）形成單條索道的全天候、全方位實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是可行的。（3）形成索道群的高效安全隱患預(yù)警系統(tǒng)是可行的。