大型起重设备是工业生产的中坚力量，港口门座式起重机是事故发生概率最高的典

型危险设备之一，我国许多港口出现因结构性损伤等导致门机突然倒塌的事故，

以港口门座式起重机 MQ2533 为例，设计与实现了港口门座式起重机的安全监控预警系统，主要研究内容包括：

   对门机主要结构件的不安全因素进行了分析，得出门机可能出现的明显故障，为后续系统总体方案的设计奠定基础。

   港口门座式起重机安全监控预警系统总体方案设计。设计了系统硬件架构，包括采集与控制系统，处理与存储系统，无线通信系统，显示系统等；设计了系统软件安全监控平台，并以可视化界面展现监测状况，实现门机作业时各结构的实时监测与历史数据储存，设定各种测量数据的预警与报警阈值方案，系统对门机结构应力、位移和作业时风速风向的信息进行获取，监测数据以 4G 无线网络的方式传送至远程服务器，用户可通过 Internet 访问服务器获取监测的各项信息。考虑到门机复杂的作业环境及数据采集过程中偶然干扰引起的随机误差，本系统分析并加入滤波算法保证正确预警以减少维修人员不必要的检查，进而提高系统整体的测量精度与可靠性。

   传感器布点预警的工艺研究。通过有限元 ANSYS 软件建立门机 MQ2533 模型，得到门机在不同工况下的计算结果，分析计算出受力与位移较大的部件与相应的位置。根据分析计算结果，拟定应力与位移传感器的布设方案，通过分析计算得出风速风向传感器的具体布点位置，并对应力、位移、风速的阈值进行了分别的研究与设定。

    港口门座式起重机安全监控预警系统实现。编辑了多功能、易操作的安全监控平台系统，测量值分别以曲线、列表及数值等形式进行显示，使工作人员能够清晰实时的监测门机各结构的应力、位移以及作业过程中的风速风向情况，并且可对历史数据进行查询、统计与储存。最后进行系统的现场安装应用，对系统整体进行了测试，并对系统采集到的数据进行分析且提出可以采取的优化措施。

 

 

    近几年以来，我国港口产业的迅速发展，港口的安全状况是一项重要研究，从理论

与技术的层面上为各级港口的安全监督与管理提供足够的科学依据。港口门座式起重

机（以下简称门机），是港口典型的主要大型装卸机械设备，在生产日益繁重情况下，装

卸作业的规模也相对渐渐地扩大，这将对门机的安全性要求逐步增高。门机作业过程中金属结构的各种情况损伤（如裂纹、腐蚀等）都会降低极限承载能力，许多主要受力金属构件通常在所承受的载荷小于许用载荷的状况下过早地出现裂纹，从而引起突发性的结构件断裂故。我国较多港口多次突现门机的臂架弯折和突然倒塌等事故，2016 年 2 月 15 日，江靖江太和港务码头发生了一起门座式起重机由于臂架折断而坍塌的事件导致一名驾驶员死亡两条船受损，如图 1.1 所示；2009 年 7 月 13日，印度首都新德里的施工工地发生了一起高架桥坍塌的严重事故，随后在现场又发生了起重机倒塌事故，导致 5 人死亡，20 人受伤，如图 1.2

 

所示。如上述所示的这些因为金属结构件的疲劳损伤等引发的设备事故，将会造成较大的人员伤亡与财产损失。图 1.1   江苏港口门机臂架折断倒塌事故。  图 1.2 印度首都新德里工地起重机倒塌事故 由于门机的现场实测会受到较多因素限制，对于门机的整机进行风险评估仅仅通过现场实测较为困难，也缺乏相对客观性。门座式起重机属于国家明确规定的涉及人身与财产安全且具有较大危险性的大型特种设备，2014 年 1 月 1 日起颁布施行的《特种设备安全法》第四十八条明确规定特种设备若达到了设计使用年限，必须进行安全估。

门机的金属结构件进行健康状态监测是安全评估的根本与前提。因此，门机金属结构的在线监测就变得有特别深远意义，安全预警是结构健康监测系统非常重要的组成部分，它会对传感器及数据采集仪采集到的结构变形、焊缝位移、风荷载等数据信息进行实时监测与分析处理，当结构监控系统发现数据发生异常时（结构可能出现的损伤）给出预警及准确报警，综合结构温度、位移、风荷载与结构件应力/应变等信息，利用有限元 ANSYN 软件门机模型，且设定合适的预警方案，为大型起重设备门机更安全化、专业化、高速化奠定坚实基础。

    针对上述问题及分析，本文面向工业自动化领域，着眼中国制造 2025 港口工业的

发展趋势，开发出了一套适应于复杂恶劣港口环境（雷电、强风雨、高粉尘等）下的港

口门座式起重机的安全监测预警系统，实现了对于门机作业中重要金属结构件以及风速

风向的远程实时监控，以保证门机的正常作业以及预防由于结构损伤而造成事故。

 

结构健康监测

这种跨学科且具有综合性的现代技术，主要由智能传感技术、数据传输技术、信息处理技术及测试技术等构成。结构健康监测技术主要是精巧的对智能传感器进行布点，在线实时监测各结构的信息（如应变、应力、位移等），综合数据传输技术与信息处理技术，利用相应专门的软件得出结构损伤的特征参数，检测识别结构件中不安全的情况，以消除早期故障存在的潜在隐患，为结构的健康、工作人员的后续维修提供有力的保障。结构健康监测与损伤诊断中重要组成部分即为传感器，也是整个结构健康监测系统能否以高质量、高标准完成的关键。结构健康监测系统包括以下几个部分，结构如图 1.3 所示。

 

 

 

1、传感系统。主要利用各类型的传感器测量待测结构件的各相应物理信息，并将其转为电信号为后续使用。

2、数据采集处理系统。常常安装在被测的金属结构里或者表面，主要将传感器采集到的数据送到监控中心进行分析与处理。

   3、无线通信系统。主要把采集并处理过的数据通过无线通讯方式传送到服务器。

   4、监控中心与报警装置。运用系统的软硬件诊断接收到的数据信息，判别结构故障

的具体位置与损伤程度，并对结构件的健康程度做出简单评估，如果发现结构件出现异

常状况，系统将发出预警报警信号以提醒工作人员的安全。

   无线通信网络与智能化传感元器件逐渐地研究发展，我国项目工程结构研究与应用

也得到了大力推进，上世纪 50 年代，结构健康监测（SHM）开始了最初的分析研究，最开始时期的研究集中于航空航天与机械工程等等领域，后来在上世纪 70 年代结构健康监测逐渐延伸到了土木工程领域，至今，健康监测系统的重点与难点仍然集中在结构的损伤识别。八十年代中后期，美国就布设了各种类型的传感器主要用在国内的一些桥梁结构上，用于构振动状态、环境荷载、应力变化情况，以及验证与安全性的评定。

1987 年，英国的 Foyle 桥上安装了结构健康监测系统，该桥三跨式钢箱桥，主要

监测正常工作阶段时大桥上车辆和风荷载相互作用的挠度、应变等等响应，以及温度场

与环境风情况的监测，该系统为典型的且安装较早的结构健康监测系统之一，该系统主

要功能是结构的实时监测、数据的实时分析与共享的数据网络，后续建立的结构健康监

测系统有较多大型相对结构复杂的桥梁，较为典型的为美国 Sunshine Skyway Bridge 斜拉式桥主跨为 440m、挪威 Skarnsundet 斜拉桥、丹麦 Faroe 跨海式斜拉桥、加拿大Confederation 刚构桥、澳大利亚 Warth 桥等。自 1996 年以来，我国许多大型桥梁

上也安装了具有差异类型的监控系统，像上海的徐浦大桥、江阴的长江大桥与卢浦的大

桥等等，主要由安装在大桥各部件的相应传感器获取结构与作业环境情况的数据信息。随着科学技术的时时更新，我国的经济也取得了巨大的收获，一大批的重大型结构工程

也正在建设结构健康监测系统，像主跨为 1490m 润扬长江公路大桥的悬索桥主桥、主跨

为 648m 我国第一座钢塔式斜拉桥的南京长江第三桥和主跨为 1088m 称世界第一大跨斜拉桥的苏通长江公路大桥等。

基于结构的应力与应变情况来进行监测的结构健康系统，通常是指利用传感器的方法来测量结构件的应变情况，在材料的弹性阶段，应力与应变满足关系式： •= E ，式中 E 是弹性模量，是应力，是应变，应力没办法直接测量，因其为面积力，一般情况下是利用应用非常广泛的应变间接地测量应力值。国外研究中，希腊帕特雷大学的研究者们利用反向传播前馈人工神经网络的算法处理数据，得出了在精度上有较大提高的基于应变测量的结构健康监测系统。

宾夕法尼亚州立大学 Nezih Mrad 与日本京都大学刘正利用贝叶斯网络算法处理数据得到了良好效果的多类应变传感器结构健康监测系统，图 1.4 是 MTS 机测试与负载测试实验时的部分现场照片。

 

西班牙瓦伦西亚理工大学的研究者设计了一种应用于结构健康监测具有特殊性的光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器利用非对称的包装配置，经过测试得出，该光纤光栅传感器相比于其他光纤光栅传感器具有很大的进步。

基于上述结构监测的飞速发展，起重机属于大型的结构危险型设备，美国属于科技大国，对于起重机的健康监测方面的研究成果处于领先的水平，作为研究代表是南加州福尼亚大学与斯坦福大学，近些年来，工业产业的飞速变化与发展，研制与开发大型起重机设备的健康监测系统一直是较为热点领域。日本为例，即研究开发的基于无线技术起重机监控系统之后，随后将光纤光栅传感器和无线通讯技术相融合，并且将此监控系统安装在大型的起重机械设备上，实现了对特大型危险特种设备的远程实时监控，完成了起重机作业下的数据采集，为后续的数据分析以及安全评估提供了重要依据，基本实现了大型特种起重设备的长期实时在线监测。

    在大型起重设备的操作实施过程中缺乏合理健康的管理，它不像飞机一样带存储芯片式的黑匣子功能，发生事故的重要原因是没办法实现追踪，导致事故的原因分析与责任的追究不能够长期有效的开展，另外，大型起重设备缺乏管理的重要表现是由于发生故障而不能及时预警。对于大型起重设备安全监控系统的研究，在早期，国内外较多的科技研发机构也投入了相对较多时间，由于早期情况下科研的水平相应较为低下，整个系统所用的处理器、元器件与软件的算法等性能都相应不好，造成传感器采集到的数据准确性偏低、精度不高以及存储方法的局限性，导致非常珍贵的历史数据常常丢失、起重设备的性能指标无法进行可靠分析。因此，目前阶段安全监控系统研究的侧重应集中于传感器数据的采集、数据实时性可靠分析、历史数据的存储查看与保存及作业过程中的管理等等，为了实现起重机械设备安全运行的有效监管必须装有此类安全监测系统。我国如宜昌微特电子开发的铁路架桥机的安全监控管理系统，如图1.5 所示，

 

 

实现了对架桥机运行姿态安全性的实时监测，避免架桥机驾驶人员由于工作失误而导致的事故情况，该系统主要由监控系统软件、数据信息保存和远程监控系统组成，可以查

询历史数据信息，且可在后台进行分析架桥机是否处于危险状态，能将架桥机的运行姿态的各种被测信息上传并且保存于服务器终端，可以远程查看架桥机的实时 GPS 正确位置，出现危险故障时进行预警与报警警示，并且保存故障的具体信息，提高架桥机在运行过程中的精度与可靠性，可以合理的管理架桥机在运行过程中的历史记录，运用无线远程数据模块，实现对架桥机的远程操作修复，并且提供和 PLC 的通信端口，实时的获取各个传感器采集到的数据并进行清晰实时显示。最近，北京中船信息科技有限公司新推出了一套起重机安全监控管理系统，如图 1.6所示，该系统具有较高的精度且测量特别精确，并且可以提供远程故障诊断，能够精确地测量起重机各个机构的姿态数据，起重机械的监测数据能够实现实时的在线监测，与物联网技术、卫星定位及云计算技术等使用紧密相关，为起重机的安全作提供了坚强的后盾。

作为精密仪器制造的行业领导者安川公司，也不甘于落后，该公司将监测系统研究重点对象集中在了港口的集装箱装卸设备，安川公司结合了实际管理需求与起重机设备安全监控的有用信息，研发出了一套相对综合性的监控系统，将起重机械作业监测与企业生产管理相结合，通过网络通信技术实现了远程监控与企业管理无缝链接，该系统使作业现场无需太工作人员的分配参与起重机作业与生产管理，为实现无人化的监管奠定了坚实的基础。