三、起重装备健康监测一体化系统

健康监测系统集智能传感元件、数据无线采集和实时处理、结构损伤识别、健康诊断与可靠性预测以及远程通信与数据管理等硬软件系统于一体，是工程理论发展与实际综合的象征、高新技术开发与集成的标志，同时也是现代化健康监测系统未来发展的一种主流模式。

1．系统总体设计

起重机健康监测硬件系统包括传感模块、数据集成、数据传输、数据中心以及云平台。传感模块采用多种传感器来测量相关信息，在起重机上根据分析结果确定传感器的布设位置，多种传感器信息通过各自的解调仪器进行分别采集，最终汇总至监控室内的工控机。处理器收到数据后进行统计分析并以不同形式显示出来，然后数据通过GPRS模块传输到数据中心。数据中心实时接收并存储GPRS模块传输过来的数据，用户可以通过云平台提供的服务访问经过处理后的诊断结果。

图5 系统总体架构图

2．数据采集与数据集成

数据采集，是指从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中按照设定的频率和约定规则进行采集信息的过程。这里数据采集的目的是测量电压、电流、温度、压力或振动等物理量。基于PC的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。这里的一体化系统中的通信电路主要采用常用的以太网接口与上位机相连，同时也将232接口作为备用，这样可以通过网络形式来对多种设备进行同时数据采集。

数据集成是最基本的集成，主要方法包括数据的整理和加工、规则的描述和数据格式的定义。数据集成的目的是将不同的数据源统一到一致的视图中，将不同数据库中的内容进行统筹规划。网络集成是其硬基础，而作为信息资源载体的数据是软基础，也是该系统的首要任务。数据集成能够为监测系统集成搭建平台基础，没有数据集成，监测系统集成就不会合理地存在，其内部一定是杂乱无章的，是信息孤岛，这时监测系统集成就没有办法为企业管理者提供科学有效的数据信息，达到健康监测的目的。所以数据集成之前一定要对数据结构进行分析。

一般来说，数据结构可以分成结构化数据和非结构化数据。结构化数据也称作行数据，是由二维表结构来逻辑表达和实现的数据，严格地遵循数据格式与长度规范，主要通过关系型数据库进行存储和管理。与结构化数据相对的是不适于由数据库二维表来表现的非结构化数据，包括所有格式的办公文档、XML、HTML、各类报表、图片和音频、视频信息等。

针对起重装备服役健康监测云平台中的实时采集的应力、振动以及视频图像等多源异构数据，需要基于结构化（数字、文本）和非结构化（图像、视频）数据进行数据建模方法和数据存储技术研究，利用关系型数据库和实时数据库联合解决结构化数据存储问题，而非结构化数据的数据库采用多值字段、子字段和变长字段机制进行数据项的创建和管理，也可以通过事前处理将非结构化数据转换成便于存储和查询的结构化数据。

3．数据传输技术

针对健康监测系统搭建，无线传输方式相对于传统的有线传输方式具有以下显著优点：

1）组建监测系统的成本更低。有线传输必须通过各种方式铺置电缆，不仅需要大量的企业资源而且浪费大量自然资源；而无线数据传输方式只需要在每个无线终端配置相关无线模块接入无线网络就可以，且安装周期短，相比之下节约了投资、提高了系统安装效率。

2）环境适应性好。传统的有线传输受客观应用环境的限制太多，在起重机上的应用极其不便，布线工程不易实施，而无线数据传输方式则可以适用。

3）更易于监测系统将来可能的扩展。在用户安装好一个监测系统之后，会因新监测点的布置或者新功能需要而增加新的监测设备。如果采用有线传输，需要重新设计网络、布线，加大了工程难度，而且还可能影响旧的监测设施；若使用无线方式，只需将新增监测点进行相关配置添加入原有无线网络即可，更新系统简单易行。

4）更容易实现多点式监测系统的维护。采用有线传输方式的系统一旦出现故障必须逐段筛查，而无线通信方式下设备较少，易于高效检测，系统维护效率较高。

5）更适于组成多点式监测系统。有线传输布线繁多，不适合组建多点式系统，而采用无线传输方式简洁方便，可以很容易实现大范围的多点式监测，也便于实现缺陷定位，提高监测效率。

无线监测系统是监测技术和无线传输技术的结合，它可以将不同地点的现场监测信息实时通过无线传输手段传送到无线监测中心，然后由各个监测客户端同时读取数据，这大大加快了工业自动化的脚步，所以工业领域的数据通信、数据传输逐步向无线方向发展。这里的起重机健康监测系统是通过融入无线传输技术提高系统性能。

无线广域网络是移动电话及数据服务所使用的通信网络，覆盖范围可以达到十几千米乃至上百千米，无线广域网主要有2G、2．5G及3G等，主要采用GSM、GPRS、CDMA等技术。GPRS无线网络技术是2．5代移动网络技术，它具有以下优点：安装方便；成本低；监控不受距离、地域、时间的限制；运行可靠；数据采集实时性强；漏码、误码极少；硬件模块体积小、功耗低等。综合考虑各种应用条件，这里选择基于GPRS技术的无线传输手段。

同步数据在异构数据库之间的数据分发策略需要依据用户对数据传输量、传输稳定性和传输安全性等方面的要求进行设计。Web Service是基于应用层HTTP的应用程序通信方式，具有跨平台的优势，而且成熟框架较多易于开发，但是相比位于传输层之上的Socket、Web Service的传输方式在高负载和高并发的情况下容易出现消息阻塞和丢失的现象。这里采用性能较稳定、传输数据量较大的Socket通信方式进行更新数据在客户端和服务器端之间的传输。

异构数据库之间传送的数据包按照＜数据包头＞＋＜数据包体＞＋＜数据包尾＞的格式进行封装。数据包体为JSON格式的更新数据，数据包头的开始标识与包尾的结束标识用于判断数据包的合法性。

XML和JSON都能形成标准的数据格式，但是XML相比于JSON比较冗长而且不易生成与解析，因此这里采用JSON格式表示传输数据。同步程序服务器端从哈希影子表中读取到增量数据变化，将其转化成JSON格式的字符串，然后将序列化的数据转化为字节数组进行封包传输，到达客户端后程序执行解包操作并将数据还原成JSON字符串，再通过反序列化获得更新数据。

4．系统软件设计

起重机健康监测系统现场应用软件将分成五大功能模块，即初始化设置模块、传感器设置模块、数据显示模块、数据采集与存储模块和数据处理与传输模块，各个功能模块下面又分别有不同的子功能模块，如图6所示。

图6 健康监测系统软件功能模块

1）初始化设置模块：该模块由采集方式设置与数据库存储设置组成。采集方式设置用于设定采集的采集控制方式与采集频率。数据库存储设置包括本地存储及服务器的相关参数设置。

2）传感器设置模块：主要是查看、添加、删除和修改传感器的相关信息，包括传感器基本参数、安装位置、测量类型，以及计算相应物理量所需系数。

3）数据显示模块：用于监测数据的不同形式的展示，主要是界面设计和图像绘制。

4）数据采集与存储模块：该模块实现数据的采集和保存，主要工作是建立线程进行后台操作。

5）数据处理与传输模块：对监测数据进行预处理，并制定相应数据传输格式，最后将数据发送到服务器。