在造船厂，门式起重机是其不可或缺的制造机械。由于制造的船体体积巨大，造船门式起重机的体积也非常巨大，并且运行工况复杂，作业高度较高，施工环境复杂障碍物多、操作人员技能水平参差不齐等特点。因此每年船舶制造过程所发生的施工事故统计数居高不下。

        在此背景下国家制定的 GB/T 5031—2008 规定，大型门式起重机必须安装起重机安全监控管理系统。但由于传感器信息传输网络搭建困难，造船厂门式起重机安全监控管理系统的数据和视频传输一直是待突破的行业难题。随着 2020 年国家 5G 基建战略的发展和实施，以及对系统其他原件部分技术的研究和升级，造船厂门式起重机的无线传输部分都升级为5G 传输。此次我们就以造船门式起重机安全监控系统在5G通讯背景下的技术升级为题，详细展开说明 5G 通讯技术在造船厂门机安全监控管理系统中的应用和技术升级。

        GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》规定了起重机安全监控管理系统的组成包括硬件和软件，基本单元有信息采集单元、信息处理单元、控制输出单元、信息存储单元、信息显示单元、信息导出接口单元等，当有远程监控需要时，应增加远程传输单元。起重机安全监控管理系统结构模式如图 1 所示。

 国内外科研学者针对造船门机安全监测控制系统广泛地开展了研究。浙江省特种设备科学研究院的凌张伟团队应用基于 ARM-Linux 的监测控制仪，对现有安全监测控制系统中的 PLC 数据进行判辨，并应用无线传输快速组网获取新的传感器数据，实现造船门机运行中实时采集、储存和传输数据，以及具备报警功能；广州特种机电设备检测研究院的黄国健团队介绍了广州造船龙门吊安全监管系统的检测，以及传感器选型、工作时间、联锁保护安全装置、扫描周期、起重量综合误差试验、视频信息系统的检验办法；江苏省特种设备安全监督检验研究院陈序、帅飞应用 TI 的 CC2530 无线芯片组成 ZigBee 无线传感网络，利用西门子 S7—400 系列 PLC 和组态软件 WinCC 组成和设计监控系统，实时监测门机的工作状态并，实现故障报警，并能提供过往数据查询，极大地方便了维护和修理。随着 AI 技术的发展，基于视频的对设备健康方面的监测日渐成熟，对大型起重机中电机、轴承等旋转机构的健康监测日益受到用户的关注。但视频和振动方面的监测，数据传输量大、时延低，对数据传输层要求很高；而 5G 具备了高速度、低功耗、低时延、泛在网等特点，正适合起重机后续健康安全系统发展的趋势。基于 5G 的造船门机安全监控系统功能架构如图 2 所示。

传感器、编码器等硬件应满足 GB/T 28264—2017 中表 1 列的要求。硬件层主要有各类传感器、信号采集盒、信号变送器等，其中超速保护装置、起升机构制动器、运行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回转角度、力矩限制器、抗风防滑装置、工作幅度，风速仪、机构之间的运行联锁、同一或不同一轨道运行机构防碰撞装置属于标准要求；振动、应力应变和视频属于健康监测的内容。

应力监测方法主要分声发射法、全息干涉法、光栅光纤传感测量法和应变片电测量法等 4 种，这 4 种应力监测方法的综合对比如表 1 所示。

由表 1 可知，系统采用应变电测法进行应力监测。 这一方法的原理是传感器安装固定在被测量结构表面，当构件变形时，传感器电阻值相应地发生变化，然后通过电阻应变调节器转化为电压（或电流）的变化，记录仪记录换算后的应变值或输出的与应变成正比例的电压（或电流）信号，即可获得所测应力或应变。应变计传感器参数如表 2 所示。

目前，最普遍可见的振动传感器有电容型、压阻型、压电型、电感型和光电型。压电加速度计为惯性式传感器的一种，有体积小质量轻、测量频率范围宽、量程广、易于安装且对被测量物件影响小等优点，故成为最普遍使用的振动传感器。综上所述，本系统选用压电式加速度传感器。

振动传感器通过安装支架吸附在被测物体表面，结合无线节点，它还可提供本地指令，用无线传输将信号发送到中央控制室，并用网关接收振动数据，以便后续进行数据采集和趋势分析。振动传感器参数如表 3 所示。

目前，机身是起重机监控系统监测的重点，很少有使用监测系统来关注起重机外部工作环境的情况。起重机通常在港口，码头等环境中运行，这些工作环境比较复杂，而起重机的外部环境异常会影响起重机的正常运行，甚至引发安全事故。因此，本方案通过二次开发视频设备，在监测系统中集成视频监控，动态抓取起重机在外的工作环境的状态。

本地中央主机端和远程监控器直接访问视频监控工控机，并从工控机中获取实时视频数据和过往视频文件。摄像头可以捕获实时动态变化，还具备夜间红外摄像功能。视频监控模块的主要技术有图像实时显示、历史图像回溯下载等。摄像机的参数如表 4 所示。

GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》中起重量限制器、起升高度限位器、风速仪装置、防碰撞装置、抗风防滑装置、超速保护装置、起升机构制动器、回转角度传感器等通过双绞屏蔽线或光纤有线的方式，由于造船门机跨距较大，部分改造的造船门机条件所限，也可采用 5G 的通讯方式。应力片、振动和摄像探头的传感器设备，布局广、线路布置比较麻烦，且如果采用其他无线传感器或其他通信方式，带宽和时延都有问题，本文采用 5G 的传输方式，5G 网络架构图如 3 所示。

GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》中规定的超速保护装置、起升机构制动器、运行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回转角度、力矩限制器、抗风防滑装置、工作幅度，风速仪、机构之间的运行联锁、同一或不同一轨道运行机构防碰撞装置等数据通过 PLC 方式进行采集。

本项目电气控制系统中，支持使用 Profifibus 现场总线及网络的设备有风速仪装置、编码器、驱动器、超载保护装置等。运用现场总线技术，通过 Profifibus 通讯电缆与主 PLC 通讯，将门机上的传感器、输入输出采集模块、驱动器等总线设备连通，并读取相应运行数据。

       数据采集器工控机带有以太网控制器，通过交换机与主 PLC 连接，通过网关软件系统读取 PLC 相应传感器设备的信息。网关软件采用应用于工业控制领域中的OPC 技术，可依据统一标准平稳高效地读取硬件设备数据，后续系统应用软件也可基于 OPC 技术灵活地进行信息交换，以提高系统兼容性和可拓展性。

振动和应变传感器与无线节点配对，可提供本地数值指示，也可采用专用采集卡方式，将信号无线发送到中心位置，无线网关接收温度和振动的数据，用于后续收集与趋向分析。

自研软件系统采用 Modbus 协议进行振动数据采集， 采集后数据通过 5G 放到后方数据中心。

本项目安装有 7 个以上摄像头，能对设备的运行状态进行全方位无死角的实时监控、记录，能监控机械作业和发现设备异常。在门机刚性支腿的上部与柔性支腿的上部各安装一部带云台可变焦距摄像头 , 以观察门机的吊装作业情况，满足吊装现场的各种需要；在大车行走结构的两侧各安装一部固定焦距的摄像头 , 用来观察大车行走时的轨道情况；在刚性支腿下部电缆滚筒处的适当位置 , 安装一部固定焦距的摄头 , 用于观察滚筒的运行情况。所有监视监控图像可通过有线网络传至视频录像机进行存储，自研软件系统进行视频数据的读取和分析，视频分析后，把分析结果通过 5G 传到后方，后方监控也可通过 5G 查询历史录像。

GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》中规定的超速保护装置、起升机构制动器、运行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回转角度、力矩限制器、抗风防滑装置、工作幅度，风速仪、机构之间的运行联锁、同一或不同一轨道运行机构防碰撞装置等数据，采用关系型数据 SqlServer 的方式进行存储；振动数据由于采集频率较高，有效价值较低，采用序列化文件方式存储；视频数据采用文件方式存储，并自动删除 3 个月之前的数据，能够有效地实现数据存储功能，并预留数据接口，实现公司内部开源的设备数据中心，避免信息隔绝。现场数据库中储存经软件运算处理过的数据。现场数据库的数据通过工业 / 有线网络，传送到中央监测室的服务器中，这些数据在服务器中经过软件还原为画面并存储在服务器中。

本系统数据监控软件以工控机为基础，基于 C# 开发平台 , 依据 GB/T 28264—2017 进行监控界面开发，通过Winfom 开发 GUI，可形象而方便地对系统各数据状态进行实时监测，并可查看历史作业回访和历史数据等。

系统对 3D 模型与设备可视化进行集成，在确保可用性与有效性的基础上，既可在普通电脑上正常浏览，还可根据工程技术人员的实际需要，实现移动端快速浏览 3D 模型。

对电机、联轴器、齿轮箱等进行实时健康检查，通过振动和温测量分析，即振动测量仪器给出一个数值，通过该测量值与标准值的比较，以及发展趋势来判定机器的状态（优秀、良好、报警、维修等）。图 4 给出了工业常用领域关于振动判定的国际标准 ISO 10816。 通过测点的振动值进行定时实时采集和计算，并对运行趋势进行跟踪。当趋势状态发生变化时，机器状态就发生了变化（故障），系统会自动提醒维修人员进行维修（或更换配件），经维修后系统自动跟踪，趋势回归正常。

通过采集的门机各个位置的应力数据，可在 Unity 门机模型进行实时监控和曲线分析。系统采用雨流计数和Palmgren-Miner 理论两种算法结合的方式，雨流计数法在疲劳寿命估算中运用较广泛，Palmgren-Miner 理论（以下简称 Miner 理论）是线性疲劳累积损伤理论中最典型的。雨流计数法（又名塔顶法）在理论力学有足够的根据，在后期不断实践中证明了其结果和实验结果较为接近，具备做判断的依据标准。Miner 线性理论比较容易系统计算和实现，可以不考虑不同应力之间彼此的相互影响，而只关注不同应力水平及对应的应力循环次数即可；对于焊接结构细节，该理论也具有一定的精准度。因此，结合计算机的运算处理能力，考虑简化整个计算的过程，实现程序的简单化，决定采用 Miner 线性理论。

该系统中提供预警功能，可向用户发出预警告知异常点的位置，提醒用户特别注意，提高检查频次。若有关键部位的实际寿命超出了理论寿命，危险信号将立刻发送给用户，提示用户尽快准备备件，并适时停止生产进行检修和维护更换部件。系统支持灵活报警设置，可 设置各类设备的报警方式，包括故障报警、状态异常报警等。报警设置支持角色通知、用户通知、各种方式通知（APP、微信公众号、系统报警等），支持多级报警设置，同一报警第一接收人在设定时间内未处理，系统根据设置自动通知后续接收人，监督报警处理速度，协 助用户进行管理优化。

通过对客户作业现场和机械进行三维建模，结合模型轻量化技术，快速构建作业现场三维模型，并将设备的离线和在线数据连接到三维模型中，结合视频线控，实现企业设备 360°无死角监控。同时，对门机设备的状态进行等级评估，自动生成设备详细的健康评估报告，评估报告内容可经过灵活设置，将设备的基础信息、运行参数信息、故障信息、故障等级、运行时间等各维度进行分析统计，生成设备的详细的健康评估报告。

国家新基建战略的实施如火如荼，5G 时代依然到来，以 5G 数据传输技术为核心的造船门式起重机安全监控系统技术升级的新时代已然开启。作为行业先锋还需对造船门式起重机的 5G 数据传输深入研究。通过对 5G 数据传输的应用和学习，能对工况和运行情况更好地管理，有效解决在吊装工作室的难题，降低重大事故的发生。