基于點布點算法的設(shè)備關(guān)鍵部位傳感器選址法*

李永翠 張 蕾 林建成 李 波

1 青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司 2 青島港國際股份有限公司

1 引言

隨著港口自動化加速發(fā)展，自動化岸邊集裝箱起重機(jī)、軌道式龍門起重機(jī)、輪胎式龍門起重機(jī)等設(shè)備在自動化集裝箱碼頭得到廣泛應(yīng)用[1-3]。為保證設(shè)備全天候安全和高效運行，對設(shè)備維保工作提出非常嚴(yán)苛的要求。由于設(shè)備運行狀態(tài)、健康狀態(tài)、故障狀態(tài)需要技術(shù)人員、操作人員現(xiàn)場檢查獲取，定期維護(hù)和日常巡檢兩種較為傳統(tǒng)的方式不能滿足現(xiàn)代化港口設(shè)備的維保要求，且設(shè)備維護(hù)、維修工作比較復(fù)雜，信息獲取的手段落后，無法做到設(shè)備故障的預(yù)防為主[4-5]。目前，可通過加裝傳感器采集設(shè)備關(guān)鍵部位振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到設(shè)備故障預(yù)警效果，傳感器安裝位置選擇是準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

為此，研究一種集裝箱碼頭設(shè)備監(jiān)測傳感器安裝選址方法，能夠保證碼頭設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性與可靠性，且不影響碼頭設(shè)備的正常工作與日常維護(hù)，有助于提高碼頭設(shè)備的健康監(jiān)控效果。

2 點布點選址算法

在港口大型裝卸設(shè)備的局部凸型單聯(lián)通結(jié)構(gòu)中設(shè)置以下參數(shù)：聲波在本單連通結(jié)構(gòu)上的傳播速度v；聲波在本單連通結(jié)構(gòu)上的傳播頻率h；聲波在本單連通結(jié)構(gòu)上的傳播波長λ。

繪制凸連通結(jié)構(gòu)的3維視圖，得到它的覆蓋區(qū)域V；在區(qū)域V內(nèi)，任意選擇一個點，記為I0。如果I0是頂點，則將它記為B0；若非頂點，從I0出發(fā)，在區(qū)域V內(nèi)搜索它的邊界，并沿著邊界找到一個頂(尖)點，標(biāo)記為B0；若處處無頂(尖)點，則任選一個邊界點，標(biāo)記為B0。

圖1 算法三維示意圖

在B0和B1上加裝振動傳感器。在B0位置以合適強(qiáng)度敲擊凸連通結(jié)構(gòu)，記錄數(shù)據(jù)，其中B0和B1數(shù)據(jù)序列分別是:X0={x0,1,x0,2,…,x0,k},X1={x1,1,x1,2,…,x1,k}。

將上述序列標(biāo)準(zhǔn)化，以基本點位數(shù)據(jù)序列為例，令

mi=max{xi,1,xi,2,…,xi,k}

(1)

(2)

最終得到：

(3)

以相同方法，以B0和B1為基點，分別確定B2和B3。

(1)B2到B0、B2到B1的距離的平方和最大，且2個距離分別是λ整數(shù)倍，計算C0,2。

(2)B3到B0、B3到B1、B3到B2的距離的平方和最大，3個距離分別是λ整數(shù)倍，計算C0,3。

3 現(xiàn)場實驗

3.1 傳感器安裝

港口大型裝卸設(shè)備監(jiān)測傳感器安裝選址方法，應(yīng)用于碼頭設(shè)備上的局部單聯(lián)通結(jié)構(gòu)上，該部件為一體構(gòu)件，而不是通過螺釘連接的分立部件，例如一體成型部件、焊接一體部件等。

依據(jù)所提出的選址方法確定的第一安裝點B0和第二安裝點B1，第一安裝點B0位于預(yù)安裝區(qū)域的邊界頂點上，為振動最明顯的位置；第二安裝點B1與第一安裝點B0之間滿足λ的整數(shù)倍關(guān)系，則第二安裝點B1為振動加強(qiáng)點，故將這2個點作為振動傳感器的安裝位置，能夠保證碼頭設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性與可靠性，且不影響設(shè)備的正常工作與日常維護(hù)，有助于提高碼頭設(shè)備的健康監(jiān)控效果。

當(dāng)現(xiàn)場需要安裝更多的振動傳感器時，可以已搜索到的安裝點為基點繼續(xù)搜索得到更多的安裝點。搜索過程中，滿足新搜索到的安裝點與已搜索到的安裝點之間的距離為λ的整數(shù)倍關(guān)系，且各距離的平方和最大。

例如，以第一安裝點B0和第二安裝點B1為基點，搜索第三安裝點B2時，滿足d12+d22最大，且d1、d2均滿足λ的整數(shù)倍；其中，d1為B2至B0的距離，d2為B2到B1的距離。

上述更多安裝點的確定方式中，用已確定的振動加強(qiáng)點當(dāng)做基點，能夠確保以最快的搜索速度在預(yù)安裝區(qū)域V搜索其他滿足條件的振動加強(qiáng)點；一方面通過λ的整數(shù)倍關(guān)系將安裝點全部限定在振動加強(qiáng)點上，另一方面，通過距離平方和最大的條件限定，限定安裝點盡可能占據(jù)整個預(yù)安裝區(qū)域且不發(fā)生重復(fù)找點的問題，從而最大程度的反映整塊預(yù)安裝區(qū)域采集數(shù)據(jù)的全面性。

3.2 算法對比實驗

針對港口大型裝卸設(shè)備加裝傳感器選址，現(xiàn)比較通用的安裝方法為3個方向確定1個監(jiān)測域，設(shè)備關(guān)鍵位置的水平H、垂直V、軸向A為傳感器最適合安裝位置，簡稱該方法為三向一域。實驗分兩組，一組是按照“三向一域”方法，二組是按照點布點算法進(jìn)行實驗。為滿足實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，在2個基本相同時間點讓同一臺設(shè)備對同一個集裝箱在相同工況下進(jìn)行作業(yè)，截取相同工況時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(見圖2、圖3)。

圖2 三向一域的實驗圖譜

圖3 點布點算法的實驗圖譜

從圖2、圖3信號轉(zhuǎn)換的譜圖可清晰展現(xiàn)出，利用點布點算法接收的信號更強(qiáng)，雖然“三向一域”法也能很好確定安裝位置，采集的信號振幅和頻率都相同，但信號強(qiáng)度不夠。在特殊工況振動微弱時，在確定區(qū)域使用點可布點算法找出精準(zhǔn)點，實現(xiàn)振動共鳴，增強(qiáng)信號。

4 結(jié)語

大型集裝箱碼頭設(shè)備向自動化和智能化發(fā)展，及時和提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障進(jìn)行維保極其重要，也是傳統(tǒng)港口向智慧港口發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。基于點布點算法的設(shè)備關(guān)鍵部位傳感器選址法，可提高設(shè)備故

障數(shù)據(jù)的前期采集準(zhǔn)確度，為港口設(shè)備維護(hù)的智能模式發(fā)展提供技術(shù)支持。未來將通過對該方法采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，形成設(shè)備運行狀態(tài)的新分析方法，提高設(shè)備故障數(shù)據(jù)分析的精確度，實現(xiàn)港口設(shè)備的智慧化管控。