（机械电子工程专业论文）港口起重机金属结构远程在线监测数据无线传输研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 辑日 期： 协1 s 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 粹导师( 签名 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 港口作为对外贸易门户，随着经济的发展，港口建设逐步加快，这对港口 设备的要求也越来越高，港口机械设备朝着大型化、高速化、自动化和智能化 的方向发展，港口机械的功能越来越齐全，但是结构也越来越复杂，这其中所 隐含的安全问题也会增多。 传统对起重机检测的方法是定期由质量监测评估中心技术人员到起重机现 场实行检测，港口设备结构大型化，检测机构都距离地面几十米，而且质检技 术人员还需要带大量的检测设备，即使这样，检测到起重机状态也仅仅只是在 停止作业被检测的这一时刻的状态，不能充分说明起重机这段时期以来的安全 状况。 在线监测系统的开发，能够实时在线对港口起重机的金属结构应力变化进 行监测，对起重机所处状态作出判断，对可能出现的突发性故障作出停止作业 或者维护的指示建议。在线系统的研究对起重机金属结构实时在线的监测，对 监测数据的统计研究，对未来的起重机结构设计也有帮助。 本文即主要解决该实时在线监测系统中数据远程传输的问题。主要研究内 容如下： ( 1 ) 依据港1 3 机械设备结构特点，采用光纤b r a g g 光栅作为传感器采集数 据，对光线b r a g g 光栅模型以及传感原理作了详尽分析，结合港口起重机特点， 对传感器节点布置以及调制解调系统作出设计，然后依据采集数据参数特点， 制定了传感器网络拓扑结构，针对港口传输距离的需求，对无线传输协议8 0 2 1 1 以及传输基站作了相应的研究。 ( 2 ) 在g s m 网络的基础上，对g p r s 网络结构以及网络协议进行详尽研 究。对在g s m 网络结构上增加的各接口功能、协议以及数据流向进行深入研究， 绘制了网络传输结构平面图，结合网络供应商提供的几种组网方案以及系统实 际需求，制定无线组网方案。 ( 3 ) 在前面的分析研究的基础上，对无线终端d t u 实现软硬件开发，通 过拨号上网，接入g p r s 网络连接港口无线终端，实现数据的远程传输。并对 系统功能以及系统流程进行了分析，经研究学习v i s u a lb a s i c 语言，实现远程传 输数据的可视化。 关键词：远程传输；无线终端；g p r s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o r ta sag a t e w a yt of o r e i g nt r a d e ，w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n t , a n dg r a d u a l l y s p e e du pp o r tc o n s t r u c t i o n ，p o r te q u i p m e n tw h i c hr e q u i r eh i g h e ra n dh i g h e r , p o r t m a c h i n e r ya n de q u i p m e n tt o w a r dt h el a r g e - s c a l e ，h i g h - s p e e d , a u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n td i r e c t i o n , p o r tm a c h i n e r yf e a t u r e sm o r ec o m p l e t e ，b u tt h es t r u c t u r ei sm o r e c o m p l e x ，w h i c ha l s oi m p l i e da ni n c r e a s ei ns e c u r i t yi s s u e s t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f t e s t i n gt h ec r a n ei sr e g u l a r l ym o n i t o r e db yt h eq u a l i t y a s s e s s m e n tc e n t r et e c h n i c a ls t a f ft oi m p l e m e n tf i e l dt e s t i n gc r a n e s p o r te q u i p m e n t , l a r g e - s c a l es t r u c t u r e , t e s t i n ga g e n c i e sa r et e n so fm e t e r sf r o mt h eg r o u n d ，a n dt h e q u a l i t ya n dt e c h n i c a lp e r s o n n e la l s on e e dt om n g al o to f t e s t i n ge q u i p m e n t ，e v e ni f t h u s ，t h es t a t ew a so n l yd e t e c t e dc r a n e st os t o pt h eo p e r a t i o nt ob ed e t e c t e do n l yi n t h i sm o m e n t ，c a nn o tf u l l ye x p l a i nt h ep e r i o ds i n c et h ec r a n es a f e t yc o n d i t i o n s t h ed e v e l o p m e n to fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，r e a lt i m eo n l i n eo n p o r tc r a n e st o m o n i t o rt h ec h a n g e si nt h em e t a ls t r u c t u r eo ft h es t r e s so nt h ec r a n ei nw h i c ht h es t a t e j u d g e , o nt h ep o s s i b l es u d d e nf a i l u r et os t o pt h eo p e r a t i o no rm a i n t e n a n c ei n s t r u c t i o n s r e c o m m e n d e d o n l i n es y s t e mf o rc r a n em e t a ls t r u c t u r eo nt h er e a l t i m eo n l i n e m o n i t o r i n g , t h es t a t i s t i c a ls t u d yo fm o n i t o r i n gd a t ao nt h ef u t u r ed e s i g no ft h ec r a n e s t r u c t u r ei sa l s oh e l p f u l t h i sp a p e ri sm a i n l yt os o l v et h er e a l - t i m eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rr e m o t e t r a n s m i s s i o no fd a t ap r o b l e m s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h eh a r b o rm e c h a n i c a ld e v i c eu n i q u ef e a t u r e ，u s e st h eo p t i c a lf i b e r b r a g gd i f f r a c t i o ng r a t i n gt ot a k et h es e n s o rg a t h e r i n gd a t a , h a sm a d et h ee x h a u s t i v e a n a l y s i st ot h el i g h tb r a g gd i f f r a c t i o ng r a t i n gm o d e la sw e l la st h es e n s i n gp r i n c i p l e ， t h eu n i o nh a r b o rh o i s tc r a n ec h a r a c t e r i s t i c ，m a k e st h ed e s i g nt ot h es e n s o rn o d e a r r a n g e m e n ta sw e l la st h em o d u l a t i o nd e m o d u l a t i o ns y s t e m ，t h e nt h eb a s i sg a t h e r i n g d a t ap a r a m e t e rc h a r a c t e r i s t i c ，h a sf o r m u l a t e dt h es e n s o rn e t w o r kt o p o l o g y , i nv i e w o f t h eh a r b o rt r a n s m i t t i n gr a n g ed e m a n d ，8 0 2 11a sw e l la st h et r a n s m i s s i o nb a s ed e p o t h a sd o n et h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ht ot h ew i r e l e s st r a n s p o r tp r o t o c o l s ( 2 ) i nt h eg s mn e t w o r kf o u n d a t i o n ，c o n d u c t st h ee x h a u s t i v er e s e a r c ht ot h e g p r sn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea sw e l la st h en e t w o r kp r o t o c 0 1 t 0v a r i o u sc o n n e c t i o n s 武汉理工大学硕士学位论文 f u n c t i o n ，t h ea g r e e m e n ta sw e l la st h ed a t aw h i c hi n c r e a s e si nt h eg s mn e t w o r k a r c h i t e c t u r ef l o wt oc o n d u c tt h et h o r o u g hr e s e 砒h a sd r a w nu pt h en e t w o r k t r a n s m i s s i o ns t l l l c c u r eh o r i z o n t a lp l a n , s e v e r a lk i n do fn e t w o r kp l a n sa sw e l la 8t h e s y s t e ma c t u a ld e m a n dw h i c ht h eu n i o nn e t w o r ks u p p l i e rp r o v i d e s ，t h ef o r m u l a t i o n w i r e l e s sn e t w o r k p l a n ( 3 ) i nt h ep r e v i o u sa n a l y s i s ，b a s e d0 1 1t h er e a l i z a t i o no ft h ew i r e l e s st e r m i n a l d t uh a r d w a r ea n ds o f t , w a r ed e v e l o p m e n t , t h r o u g hd i a l u pi n t e m e ta c c e s s ，a c c e s st o g p r sn e t w o r kc o n n e c t i o np o r tw i r e l e s st e r m i n a l s ，r e m o t et r a n s m i s s i o no fd a t a a n d t h es y s t e mf u n c t i o n sa n ds y s t e mp r o c e s s e sa r ea n a l y z e db yt h es t u d yt ol e a r nv i s u a l b a s i cl a n g u a g e ，r e m o t et r a n s m i s s i o no fd a t av i s u a l i z a t i o n k e yw o r d s ：r e m o t ew i r e l e s s ；t e r m i n a lt r a n s m i s s i o n ；g p r s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 课题来源及意义3 1 3 国内外的研究现状5 1 4 论文的主要研究内容8 第2 章港口机械的分类以及监测参数的选取9 2 1 引言9 2 2 港口装卸设备的分类及特点9 2 2 1 港口装卸设备的分类。9 2 2 2 港口装卸设备的特点1 1 2 3 监测参数的选取1 1 2 4 本章小结1 5 第3 章光纤光栅传感网络的研究1 6 3 1 引言1 6 3 2 光纤b r a g g 光栅传感器研究。16 3 2 1 光纤b r a g g 光栅的结构与理论模型1 6 3 2 2 光纤b r a g g 光栅应变传感的基本原理1 9 3 2 3 光纤b r a g g 光栅的传感解调2 2 3 2 4 光纤b r a g g 光栅传感器的安装2 5 3 3 传感网络拓扑结构2 6 3 4 传感网络传输协议研究2 8 3 5 无线传感网络基站研究2 9 3 6 本章小结31 第4 章g p r s 网络研究3 2 4 1 移动通信技术的发展概况3 2 4 2g p r s 网络结构研究3 2 4 3g p r s 网络协议研究。3 6 i v 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 1g p r s 网络协议3 6 4 3 2g p r s 传输平面3 7 4 4g p r s 网络特点。3 9 4 5 无线网络组网方案4 0 4 6 本章小结4 2 第5 章港口机械设备结构应力监测数据的无线传输4 3 5 1 引言。4 3 5 2 数据远程无线传输的硬件平台4 3 5 2 1 数据远程无线传输的硬件模块功能4 3 5 2 2 数据远程无线传输的硬件系统连接4 7 5 3 数据远程无线传输的软件研发5 2 5 3 1 超级终端配置5 2 5 3 2 无线终端的软件研发5 3 5 4 系统软件需求分析6 0 5 5 系统软件流程：6 1 5 6v b 编程语言介绍及系统实现6 3 5 7 本章小结6 6 第6 章总结与展望6 7 6 1 全篇总结6 7 6 2 展望6 8 参考文献6 9 致谢7 2 攻读硕士期间发表的论文与参加的科研项目7 3 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 港口作为对外国际贸易的开放门户，担当着重要的作用，与此同时，港口 也担当着国内河海运输以及水陆交通的重要枢纽的角色。国际分工日益深化， 是必然趋势，国际贸易在此过程中也必将继续深入发展，所以，港口在这个货 物贸易日益频繁化的前提下，所起到的作用也一定会更加突出【l 】，现如今，甚至 在评价一个国家的经济发展水平的时候，港口的发展程度也称为了重要的评价 因素。 在大力发展港口的同时，港口机械设备的维护以及管理问题必将也必须得 到重视，只有港口机械维持在良好的作业运行状态下，港口才能保持在良好的 运行发展轨道中。对港口机械施行有效的监测以及管理控制之后，设备的安全 可靠性，装卸港口货物的装卸效率以及港口货物的流通速度，都必将得到很大 程度上的提升，这样造成的影响是直接减少了船舶的滞港时间，加快了国际经 济贸易的步伐，促进国民经济的快速发展。所以，对港口机械施行有效监测以 及管理控制的措施研究，是十分必要的，也是有着深远意义的。 对于港口机械来说，传动、控制、电气等机构一旦出现故障可以局部更换， 而金属结构如果遭到十分恶劣的破坏，则整台机械设备都将意味着报废。所以， 对港口机械的金属结构实行监测，及时对其进行维护保养，对港口机械维持在 较为良好的工作状态中，以及对减少因为机械设备金属结构的失效造成的人员 伤亡以及重大财产损失，都具有十分重大的意义。q 2 3 5 、q 3 4 5 等材料都是经常 被选来作为港口机械金属结构的构件的材料，而这些金属构件又大多数为焊接 成型的薄壁结构，然而，焊接对于疲劳强度以及稳定性都有着十分大的影响。 因为港口机械设备的设计制造技术发展的原因，在早期就考虑到焊接结构对疲 劳、断裂等因素影响的机械设计几乎没有，而这些早期设计的机械设备在众多 港口中仍然在被沿用，所以，这些港口机械设备都潜含着一定的危险，但是， 如果说要把这些设备统统淘汰换掉，这显然是不符合实际也是不符合国情的。 为了保证港口机械在服役期间的安全以及港口的安全生产，港口把关注的 武汉理工大学硕士学位论文 重点已经放在了试图去及时了解机械结构的工作情况，以及时实时调整机械的 运行条件或者采取相应的保养、维护措施。 随着经济的不断发展，港口也不断建设，港口机械功能也越来越复杂，结 构形式也日趋大型化，这使得人们对机械质量安全问题越来越重视。要对港口 机械进行远程在线的实时监测，需要有受环境干扰较小的传感器设备进行实时 的监测，然后这个传感器网络再把监测到的信息传送至港口的无线基站点，接 着数据通过g p r s 无线网络输送到远程的质量安全检测部门，由质检安全部门 作出综合评价，这样就能够实现港口机械健康安全的运行。这样让装卸机械避 免了停止工作来作质检的情况，而且港口的装卸效率也得到了保证，而在这个 过程中，质量检测人员无需到港口机械工作现场就可以了解港口机械实时的工 作情况，而这样实时监测的大量数据，结合机械设备的实际情况，还能够为今 后的港口机械的设计与施工布局、维护及安全状况分析提供宝贵的参考。所以， 这样的港口机械状态远程在线监测系统的研发是有着十分重要的实际意义的， 而在这个系统中，数据的传输起着重要的作用，本文即主要研究起重机金属结 构在远程在线监测的状态下，数据的无线传输。 远程监测系统通常会把现场设备、设施与控制中心连接起来，这主要是通 过采用专用网络、体积小而功率大的无线电台或者是以m o d e m 、以太网、低压 电力线等专线，这些方法都是在较早的远程监测系统中用到的方法，在这些监 测系统中，传感器采集到的工况信息采用已经预定的协议送至控监控室。有线 m o d e m 的通信方式或者是r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，均为p c 机多微机系统与由单片机 构成的数据采集系统串行接口经常采用的通信方式，数据传送速度快，并且安 全经济实用，自成系统是该种系统的优势，但是因为其采用的是有线数据传输 方式，需要单独布设通信线路这成了这种系统致命的缺陷，这直接导致了在应 用的场合扩展的问题，而且，即使采用了这种系统，在传输距离很远的情况下， 工程的成本又将成为新的问题。 g p r s 通用分组无线业务【2 】，英文全称为g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，现阶 段发展起来的方便快捷的无线数据传输方式，大多数都是以该传输协议作为基 础的，在利用了g p r s 网络传输特性好、网络覆盖率高等网络资源优势之后， 现发展的远程监测系统都能够为数据采集系统提供更优良的无线数据传输方 式，而基于g p r s 网络的这种无线传输方式的监测系统也必将成为发展趋势， 在工业控制以及现场监测等领域得到广泛的应用p j 。 g s m 全球移动通信系统，也就是g l o b a ls y s t e mf o rm 0 b i l ec o m m u n i c a t i o n ， 2 武汉理工大学硕士学位论文 是g p r s 的发展基础，现在g p r s 的发展程度已经基本上覆盖了有的城镇以及 农村、原野如此广泛的覆盖面，同时又能够与因特网实现无缝连接，所以，将 g p r s 网络应用到各种监测系统中，是完全可行的，这对于传统的检测方式是一 种实质性的突破。相比于原来的g s m 网络，g p r s 提升了很多方面的性能，首 先对于信道的占用问题【4 】，相比于原来的g s m 网络，一个用户只能局限于只能 占用一个信道，而在g p r s 网络，用户的信道占有量可以达到八个，而编码方 式的升级【5 】，使每条信道的理论速率可以达到2 1 4 k b s ，这样，g p r s 网络的理 论最大传输速率就能够达到1 7 1 2 k b s ，这个速度在实际应用中也差不多可达到 2 0 - 4 0 k b s ，这与传统的电话线m o d e m 模式相比较，几乎不相上下，这个速率对 于数据采集仪表来说已经完全足够。g p r s 在性能上的大幅度提升，使得其具有 了总所周知的两大优点：永远在线和按量计费。也就是说只要g p r s 终端拨号 上线成功，客户端没有主动下线，客户端是不会被基站系统剔除的，而用户的 长时间占线如果没有数据的传输，没有流量就没有费用。g p r s 网络豹这两大优 点正好符合了港口机械的远程监测系统的需求，即长时间在线监测，而按照流 量计费的方式又不会让系统运行成本过高【6 】。 g p r s 远程无线在线监测系统是运用光纤光栅传感器组成的数据采集系统， 将采集到的监测信号经拨号连接，然后再通过g p r s 网络完成数据的远程传输。 监测终端可以是p c 机，也可以是移动终端。 1 2 课题来源及意义 随着经济的快节奏发展，港口对于港口吞吐量以及港口功能都有了更高的 规定，使得港口装卸的这些机械设备由连续化、大型化、高速化和自动化的方 向转化变得越来越困难【7 1 ，功能的逐渐强大，复杂的构件与结构，港口机械设备 的这种变化尽管带来了装卸效率的提高以及生产成本的降低的好处，但是因为 港口机械设备的组成与结构越来越复杂，这其中蕴含的设备的故障率也在提升， 而港口机械这种大型设备一旦出现故障，简单的是停工停产，严重的甚至可能 会机毁人亡，这所造成的影响很严重，带来的经济损失也十分巨大。所以，机 械设备的发展趋势也决定了对可靠性要求会越来越高。为了解决机械设备安全 运行的问题，提高设备的安全运转率以及可靠性，对设备的运行工况实行有效 监测和判断是解决该问题的有效手段，因为进行了实时监测，所以对装备作业 中的异常情况能够及时发现，这样就能有效的使突发性的故障率降低下来，而 3 武汉理工大学硕士学位论文 且依据监测结果，合理适时的安排维护、修理等，这对于保证设备的安全可靠 运行，提高货物装卸效率都是十分有效的，这样进而减少船舶在港口的滞留时 间，提升港口货物的流通速度，这对促进对外贸易和加快经济发展，都具有十 分重要的意义。 传统的港口设备的监测方法为“定期保养，事后维修，目前这种方法在我 国大部分的港口依然沿用至今，而且，故障检测与修复的方法以及设备也不太 先进，这可能已经不太适应港口设备的发展形势，这整机的工作潜力也造成了 一定的影响，而传统检测方案的停机维护时间长也直接影响了港口的装卸效率， 所以，对港口机械设备的在线实时监测十分必要【8 】。 港口设备的装卸的货物量一次都可达数十吨甚至上百吨，这种大型机械的 体型是可想而知的，这样的大型机械的很多工作机构都已经距离地面几十米高， 比如说起升、变幅、运行、回转等机构，而这些大型机械设备的楼梯又通常都 十分陡峭和狭窄，质量检测人员携带着测试仪器以及需要布置的线缆、贴片等 爬到这些需要检测的设备上进行检测，这给质检人员带来了很大的难度以及危 险性，有些情况下需要多次测试时，这就更使质检人员疲于奔命。尽管如此， 众多港口对机械设备的检测也仍然沿用该传统方法，质检人员的工作危险不仅 繁琐，而且因为只能在设备停止作业的情况下才能得到检测数据，这样就使得 整体设备机器在长时间内的工作状态不能得到真实而全面的反映，再加上这种 非实时性的检测，在装卸设备可能处于危险工况的时候，不能及时的提醒操作 人员停止作业进行维护。所以，对港口机械设备能够进行在线实时监测的系统 研发，是十分必要也具有十分重要意义的。这样的系统一将研发出来，只需要 一次的安装，系统便可以长期的实时监测，质量检测技术人员就不用再那样辛 苦繁琐，这可以在很大程度上减少质检技术人员的劳动强度，质检人员只需在 远程检测中心就可以随时查看起重机的运行情况，以及查阅机械结构这段时间 以来的工作状态，根据设备的实际情况来安排维护甚至是大修，这样能够及时 发现可能存在的隐患并采取相应的措施，大幅度地降低机械设备故障率，提高 生产效率，把事故的发生率降到最低【9 】。 为了实时在线监测的实现，我们需要急切解决的问题是如何传输监测到的 信号数据。由于有线监测需要的电线电缆是非常多的，而且信号的衰减，雷击 等自然条件信号传输造成损害都是需要解决的问题，除此之外，生产现场环境 较为恶劣，电缆十分容易遭到破坏，更重要的是，港1 ：3 的装卸机械，许多都是 不可能一直固定在一个位置作业的，机械设备不可能拖着长长的线缆进行作业， 4 武汉理工大学硕士学位论文 这是不实际的，而且这样检测到的数据也是不准确的。相比于有线系统，无线 网络的数据传输更可靠，而且有着众多的优点：系统架设少量无线基站，建成 的速度快；而且因为是无线传输，河流大山等地理因素对传输都不会带来布设 上的难度，适应性强；如果港口继续发展，新的设备群需要监测的时候，只需 要对新的设备群布监测点以及修改少量的软件接口即可实现，可扩展性强；如 果有某处的无线监测点出现故障或者损坏，只需要更换该部分即可，但是如果 是有线系统，则有可能因为某处电缆的破坏而要换掉整根电缆，所以，可维护 性好。 通过以上的分析，采用在线实时监测系统，之前我国对港口设备维护体制 机制是“定期的维修和“事后的维修 ，这一体制将会从根本上得到改变，向 着“视性的维修 和“状态的维修”的体制机制发展。 1 3 国内外的研究现状 现如今，大量行业的发展都朝着科技化、智能化的方向发展，在线监测也 成为现代可以的研究热点，并且在很多行业当中都已经得到了应用【l o 】。而在港 口方面，实时在线监测系统能够对机械设备实现实时的在线监测，这对降低设 备的故障率，以及因为检测而需要停止作业都有很实际的帮助，这样可以有效 的保证港口的安全生产。 据有关统计，对港口设备施行实时在线监测，根据设备的使用情况来安排 维护或者大修等，作业发生的事故率能够大幅度降低，设备的维修资金也能够 降低四分之一甚至一半。据初步估算，假如对全国范围内的的港口设备检测均 转换成实时在线监测诊断技术，我国每年的新增效益可达数百亿人民币。 到目前为止，我国对无线监测技术在起重机械与交通运输领域的应用，已 经有较为深入的研究，比较有代表性的系统有港口船舱作业实时安全监控等系 统、集装箱装卸桥电气系统状态监控系统等。我国如今的状态监控和故障诊断 系统主要是对针对某些机构或构件而设计的，应用之后效果可佳。但对港口起 重机金属结构的状态监控建立全面完善的监测诊断评价系统，还有很大的发展 空间。 科技不断发展，通信网络、监测技术、嵌入式技术等技术日趋成熟，特别 是d t 工程信息检测技术，也就是d e t e c t i o nt e c h n i q u e 技术的发展，让传统的监 测显示系统显得很落后【1 1 1 。基于信息技术与智能传感技术的多功能监测监控评 5 武汉理工大学硕士学位论文 判系统，已经成为众多研究者的研究热点，它的成功研发将会成为工业监测领 域的新纪元，对今后该领域的发展起着深远的影响。 监测监控系统的发展历程经历了三次突破：从单机监控跨越到跨平台监控； 从信号监测监控到信息监测监控；从仪表监测发展到智能监测。采集数字化、 前端一体化、系统集成化、监控网络化已经成为了现代监测监控技术的发展方 向，它基于智能节点，以信息平台为框架，以信息处理为核心，通过信息平台 把系统中的监控设备、后台的数据库以及评价系统、管理控制系统联接起来， 组成一个有着多个监测监控层，信息共享的有机整体【1 2 1 。 实时在线状态监测技术发展迅速，应用广泛，是因为该技术能够能够有效 地降低设备故障率【1 3 1 ，减少故障检测与维修所消耗的时间，这些问题的减少， 对生产效率的提高有直接帮助，所以，应用极其广泛，比如说：机床的状态实 时监控、群控电梯的故障监测和监控、大型电站的性能检测和分析、电机的故 障监测以及工业的炉温升降监控系统等【1 4 】。 ， 从上个世纪8 0 年代开始，国外的学者就研发了一批性能很高的状态监测系 统，譬如美国b a r n e s & n o b l e ( b & n ) 公司推出的7 2 0 0 系列、i r d 公司推出的t c p c 周期巡检系统、丹麦申克( b k ) 公司推出的3 5 4 2 机械状态监测系统、亚特兰 大公司推出的m 7 0 0 0 在线监测系统等等【1 5 l 。这一系列的监测系统的特点不仅仅 是比例大的硬件、极强监测功能、多的采集信息量、快速度的处理，而且具有 简单、易懂的故障诊断能力，但是它们的不足是非常昂贵的价格，除了需要准 备专用的计算机系统和计算机语言之外，新功能开发的困难程度和操作人员的 要求高也是缺点之一。将移动通信技术与智能传感技术结合起来在日本安川公 司的c m s 系统中得到了实现，该系统能够完成对集装箱装卸设备远程监控。 远程监控在企业中也可以得到运用，企业可以借助远程监控系统【1 6 】，有效 地连接企业内部的控制网和信息网，不仅可以实时掌握生产状况，还可以使企 业的综合自动化得以实现，不过是在把企业的管理经营策略以及企业的生产状 况结合起来的前提下实现的。具有代表性的日本住友公司，通过采用大型起重 机械监控系统和超高速交换路由技术，让其机械产品的在线状态检测遍布全球， 保证了其国际化的高品质服务。 近段时间，我国的一些科研单位和高等院校也研究了各种状态监测和故障 诊断系统。它们的共同特征是以软件研发为中心，基于微机系统，灵活性大、 功能多、适用面广、价格低廉。但是在实现了这些功能的同时，还有很多有待 改进的问题：以巡回监测为主，实时性没有很好的体现，硬件功能较弱，系统 6 武汉理工大学硕士学位论文 集成化程度还不够，二次仪表、传感器可靠性有待加强【1 7 1 ，不太能适应工业现 场恶劣的工作环境。 现场监控采用g e 9 0 3 0 系列p l c ，以移动通信技术为基础，上海交通大学 研发了港口起重设备远程监控系统n e ts c a d 。在该系统中，现场起重设备与监 控中心的连接是通过无线网关实现的，通过t c p i p 协议完成检测数据的无线传 输。它可以在线监测以及远程诊断码头上的设备。因为在分析过程中主要是对 电控信号进行分析，所以导致它对工作环境要求较高，而且在恶劣环境中有时 实时性、稳定性也不能得到有效保证。 率先将因特网技术引入到设备远程监控系统中，并已经实现了基于因特网 的远程监控系统研发的为以华中科技大学为代表的国内科研机构。现在，他们 正努力突破以多智能m u l t i a g e n t 的分布式智能测控为基础的嵌入式因特网接入 技术。 在分布式监控方面，国外的研究热点是多智能体系系统【1 8 l m u l t ia g e n t s y s t e m ，但是我国的研究仍处于不完全时期，很多或者停留在理论层面，较好的 也仅具备不多的a g e n t 特性，并且几乎没有融合控制算法。与一般智能信息系统 中的多智能体系系统技术相比，以多智能体系系统为基础的分布式智能监控技 术具有其独特性，不仅要求其实时性和可靠性高，而且还要对资源受限性考虑 充分【1 9 1 。 武汉理工大学研发了光纤光栅大坝健康监控系统【2 0 】，它的传感器是光纤光 栅【2 l 】，这一系统主要对结构应变进行监测，目前在水布娅大坝、武汉长江二桥 等重要设施中已经充分展现了它的作用。 发达工业国家很好的掌握了对港口装卸机械状态进行监测以及系统的开 发，因此，使其在这方面处于了主导地位。其中以a b b 、s i e m e n s 、g e 和施 耐德等公司较为著名。这些公司采用智能传感器技术田l ，使用高速宽带通信技 术合作开发或者是自主研发了一些装卸效率高、安全可靠度好的港口装卸机械 设备，并且不断的研发和提出了新的装置、新的方案，在这一过程中结合了先 进的计算机控制技术。但在金属结构的监测与诊断方面，技术还有待于进一步 的成熟完善，虽然已经有很多无损探伤、结构检测等，但在实际中，能够在港 口较为恶劣的条件下长期可靠稳定的在线监测的系统仍然较为缺乏，所以，对 港口机械的金属结构远程在线监测系统的研究是十分具有意义的，而本文主要 研究的就是在该系统中数据无线传输的问题。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 本课题以港口起重机为研究对象，主要解决了对起重机金属结构远程在线 监测的数据传输问题。在数据采集方面，采用光纤b r a g g 光栅传感器，对传感器 的应变传感原理以及对温度传感的影响进行了分析，并结合传感器复用以及温 度影响的分析，对光纤光栅传感器监测点的布置提出了新的意见。接着，初步 研究了光纤b r a g g 光栅的传感解调，并提出了传感网络的拓扑结构，依据拓扑结 构，对无线网络传输协议以及港口无线网络基站进行了研究。最后学习了g p r s 的网络结构以及组网特性，并实现了对网络终端d t u 的硬件以及软件研发，实 现了港口起重机金属结构的远程在线监测的数据传输系统。 本文主要内容包括： ( 1 ) 介绍了港口设备的分类及特点，根据理论基础以及经验，提出了监测 参数的选取标准； ( 2 ) 介绍了港口机械设备结构应力传感器，对光纤b r a g g 光栅传感器的应 变传感原理以及对温度传感的影响进行了分析，对光纤光栅复用以及消除温度 影响，对光纤光栅传感监测点提出了改进，并初步研究了光纤b r a g g 光栅的传感 解调，提出了传感网络的拓扑结构，依据拓扑结构研究了无线传感网络的传输 协议以及无线网络基站； ( 3 ) 详细研究g p r s 网络，进而选择了组网接入方式； ( 4 ) 对网络终端d t u 进行硬件以及软件的开发，完成芯片拨号上网，实 现数据的远程传输；接着对系统进行全局性分析，制定软件流程，实现监测点 的数据传输。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章港口机械的分类以及监测参数的选取 2 1 引言 港1 3 装卸机械是指完成港1 ：3 港内的运输、船舶( 车辆) 的装卸、库场堆码，以 及车内、舱内、库内等作业的各种机械装置。它的主要作用是对港口内的各种 货物进行装卸与搬运，用机械化生产来取代手工劳动。为了解放众多的从事繁 重体力劳动的装卸工人，需要把港口装卸机械推广到港口装卸作业中去并且完 善港口技术装备和现代化管理，这样不仅可以使劳动生产效率提高、船舶车辆 的周转率加快，港口的通货能力增强，船舶车辆在港的滞留时间减少，而且还 能够让港口装卸作业的机械化、现代化得以实现；同时还能使国民经济的发展 与社会主义建设的步伐的速度、质量更快更好。 2 2 港口装卸设备的分类及特点 2 2 1 港口装卸设备的分类 港口的基本组成部分由港口陆域设施、港口水域和码头构成。根据生产作 业的特点，港口的生产作业主要包括集疏远、船舶航行作业、装卸作业以及存 储作业四大系统。在港口对各类货物的装卸时，由于货物具有来源广、货种繁 多的特点，所以我们要选用相应的机械对其进行装卸，在这一过程中还必须满 足不同环节的要求，所以就有了各种港口装卸机械，根据工作特点和用途，可 划分为四大类：装卸搬运机械、输送机械、起重机械和港口专用机械。 ( 1 ) 装卸、搬运机械 在港口内，使用装卸车辆搬运货物或作对货物进行堆码的这类机械叫做装 卸搬运机械，而且在使用中不具有固定方向。而且它以工作场地不固定，流动 性大，短暂运输、搬运为主，无轨运动为特征。装卸搬运机械包括单斗装卸机、 叉式装卸车、搬运车、牵引车、平板车等。 ， ( 2 ) 输送机械 9 武汉理工大学硕士学位论文 输送机械就是连续不停的输送货物的机械。它工作时按照固定的路线连续 的对货物进行输送，并且以连续分布的形式对散货进行输送，对于放在承载构 件上的成件货物，则也是按照一定的次序的。它具有可以不停、连续的输送货 物以及运动过程中不停车的特点。 带斗提升机、气力输送机、式输送机等都是常见的输送设备。 ( 3 ) 起重机械 使用起重机械对货物进行操作时，是让其吊挂货物然后进行提升在进行一 个或作几个移动后即可完成对货物的操作，就是把货物放在卸载地点。接着进 行循环操作，运移其他货物。它主要是用来对货物进行水平的移动或作垂直提 升。 起重机械工作时以短暂而重复为特征，常常被使用于装卸车、船或对货物 进行堆垛处理，它属于间歇动作的机械。目前有多种类型的起重机械可供我们 使用，像在港口我们一般使用构造复杂的起重机。现在使用的起重机械主要有 简单的、复杂的起重机械以及升降机三种。 我们常使用的是起重机的起升机构对货物进行垂直移动，此外，起重机还 可能有变幅、旋转、行走等机构中的一种或多种，这主要是为了对货物进行更 方便的操作，例如对货物的水平移动等。起重机可以分为臂架类、桥架类两类， 这一分类主要是按照起重机的结构特点以及作业范围进行划分的。 港口作业中较为常用的起重机械有门座起重机、龙门起重机、装卸桥、轮 胎起重机等。 ( 4 ) 港口专用装卸的机械 港口装卸作业中，某种货物的装卸或者装卸作业的某一环节用普通的装卸 机械是不能完成的。所以针对这种情况我们只能设计制造专用装卸机械在港口 进行系列化作业。常常在集装箱作业、件杂货作业以及散货作业中使用专用的 装卸机械。 针对集装箱的专用机械具有非常多的种类，如货场码垛、堆高机械，集装 箱叉式装卸车( 可以对水平货物进行搬运) 、集装箱龙门起重机、水平搬运机械 即集装箱底盘挂车、以及集装箱牵引车跨运车等。 针对散货使用专用机械对其作业也具有多种种类。像散货装、卸船机，散 货装、卸车机械，散货堆场机械和散货舱内机械，像散货装船机和卸船机就属 于卸船前方机械，平舱机、清舱机属于散货舱内机械，取料机、堆料机、堆取 料机属于堆场机械等等。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 像杂货舱内机械，件杂货装、卸船前方机械，件杂货库场机械等常常被作