装备作业运行状态远程预警技术研究与应用_程子聪.pdf

20231Building Construction182装备作业运行状态远程预警技术研究与应用程子聪1 张阿晋1 孙同心21.上海建工集团工程研究总院 上海 201114；2.上海电科智能系统股份有限公司 上海 200063摘要：对乡村住宅建造装备运行状态远程预警技术进行研究与应用，阐述了装备作业远程状态预警技术的国内外发展历程以及该技术的优越性。该技术包括状态数据感知与传输技术、聚类算法数据分析技术和远程预警管控技术3个关键技术，实现了运行状态参数化管理、历史数据记录分析和现装备运行状态的安全管控，实际工程证明，装备作业运行状态远程预警技术具有良好的应用效果，是未来装备监测的趋势。关键词：装备作业；状态感知；聚类算法；动态阈值告警中图分类号：TU17 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0182-03 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.046Research and Application of Remote Warning Technology for Equipment Operation StatusCHENG Zicong1 ZHANG Ajin1 SUN Tongxin21.Engineering General Institute of Shanghai Construction Group,Shanghai 201114,China;2.Shanghai SEARI Intelligent System Co.,Ltd.,Shanghai 200063,ChinaAbstract:The research and application of remote early warning technology for equipment operation status of rural residential construction are carried out,and the development process of remote early warning technology for equipment operation at home and abroad and the advantages of this technology are described.This technology includes three key technologies:state data perception and transmission technology,clustering algorithm data analysis technology,and remote early warning control technology.It realizes the parameterized management of operation status,historical data record analysis,and security control of current equipment operation status.The actual project has proved that the remote early warning technology of equipment operation status has good application effect and is the trend of future equipment monitoring.Keywords:equipment operation;state perception;clustering algorithm;dynamic threshold alarm段以及传感器等实体设备实现状态感知、阈值报警、异常数据分析等，并可借助算法模型以及历史运行参数数据实现未来短时的运行状态推演判断，从而最终掌握异常运行状态的远程预警能力，减少甚至避免装备作业安全事故发生。该技术在提高装备作业区域的稳定性、减少因装备故障停工区域扩大造成的资源浪费及防止发生故障引起的重大危害等方面具有重要的推广意义。2 远程预警技术应用现状近年来，远程技术逐渐被大众认知，医疗行业的远程手术、教育行业的在线课程以及近年来热门的线上兼职等远程工作方式使得我们的生活更加便捷。同时，建筑施工行业的远程技术也在兴起，经过几十年的发展，远程监管技术、施工服务体系、建筑施工方案等信息层出不穷，施工建筑专业研究的深化和所取得的成就，为远程监控与系统维护研究的开展奠定了良好的理论和技术基础。然而，装备作业安全运行状态远程预警技术的研究历史较短，故障诊断技术、远程数据传输技术以及人工智能算法模型等在建筑施工领域的应用才刚刚开始。建筑施工区域往往存在环境复杂、网络信号差等劣势。目前，1 远程预警技术研究目的和意义乡村住宅建造装备作业区域通常条件较为恶劣，且多数装备面临着长时间超负荷连续工作以及数据传输链路不稳定等多种复杂情况，早期因装备故障发展引起恶性事故频发，严重阻碍了装备作业的实施进度1-2。在传统管理手段中，装备异常运行状态通常需要人工巡查、视频巡查才能发现，发现之后人工派遣维修人员进行维修。这种方式往往效率低下、故障隐患不断，因此为避免装备作业环境安全事故发生，企业迫切需要新手段、新技术来实现故障的早期预警和及时处理3-6。装备作业区域安全运行状态远程预警技术旨在通过借助多种传感器采集装备作业过程的各类运行参数数据达到对装备运行状态的实时监控，如位置监控、运行监控、姿态监控以及操纵监控等，并基于数据处理层面的技术手基金项目：国家重点研发计划课题（2018YFD1100900）。作者简介：程子聪（1984），男，硕士，高级工程师。通信地址：上海市闵行区新骏环路700号（201114）。电子邮箱：收稿日期：2022-11-15数字建造DIGITAL CONSTRUCTION建筑施工第45卷第1期183大数据量的采集和实时传输仍会受到施工环境差的影响而 中断。在国外，装备作业安全运行状态远程预警技术的研究方向主要包含对装备实时运行状态感知、数据阈值报警以及基于人工智能算法的未来短时异常预警等几个方面。通过设置预警信息管理单元和预警信息分析单元，对报警后的结果处理进行分析比对，有效提高预警准确性；该项技术的研究受到美国、英国、日本、韩国等国家的高度重视，各国在该技术研究的相关领域均投入大量的人力物力。在我国，装备作业运行状态远程预警技术也受到一大批学者重视。西安交通大学、哈尔滨工业大学、天津大学、武汉工业大学、华中理工大学等高校都在向国外先进水平看齐，已开始或准备开始从事建筑施工领域的装备作业安全运行状态远程预警技术研究工作。但由于国内对于该技术的研究时间较短，装备作业安全运行预警技术不够成熟，远程预警技术仍受到施工环境恶劣、路网条件差以及信息收发不及时的影响。近几年，从国家层面提出的国家信息化发展战略纲要“十四五”国家信息化规划等新基建相关政策来看，我国新型建筑施工领域的装备作业领域的远程预警技术拥有着巨大的发展前景。3 技术优势装备作业安全运行状态远程预警技术的优势主要在以下3个方面：1）数据获取实时化。通过在作业装备上加装各类传感器，如定位标签、倾角传感器、角位移变送器、加速度仪、环境传感器以及星光级相机等，实现了装备作业过程全天候、高覆盖面的数据采集感知。2）信息传输扁平化。基于物联网技术架起了实时的数据链传输模式，打破了以往滞后的信息互通模式。3）数据查看互通化。整个设备运行的数据链变得可视，可以在手机端、PC端掌握装备的使用参数、生产运行、故障维修等情况。通过远程设备故障报警，迅速诊断，告知故障原因及解决办法，还可以协助运维人员远程排除故障，缩减装备停机时间，有效减少因装备故障带来的损失。4 关键技术研究4.1 状态数据感知与传输技术装备作业区域安全运行状态的状态数据感知是整个远程预警技术的核心，数据接收和处理的效率直接影响到预警处理的结果。装备作业区域运行状态远程预警技术基于嵌入式信号传输模块7（支持LoRa、NB-IoT等传输协议）以及无线中继模块等实现区域自组网，达到数据在边缘侧初步汇聚的目的，同时通过架设4G/GPRS入云模块等实现海量现场数据上网传输，为后续平台功能奠定基础。故障采集主要通过传输设备实现数据的采集初始化、发送采集信号并对故障装备数据进行批量处理的过程。其中，装备作业运行状态故障监测的数据采集核心点在于判断故障节点，在故障节点处实现故障中断，结束运行状态故障预警的数据采集。具体的采集流程为：数据采集初始化发送采集信号对故障装备数据进行批量采集如非故障节点，返回采集故障装备数据，否则执行中断指令输出故障数据结束。4.2 聚类算法数据分析技术系统采用基于DBSCAN聚类算法实现异常数据监测与归类分析预警，算法可将高密度的区域划分为簇，并将低密度区域中的点标记为异常值8。其核心流程为将采集到的传感数据经抽象后分别与核心点集中的核心点进行欧几里得距离计算，如果得到的距离小于等于基于历史正常运行状态数据训练处的半径r，则认为该数据为正常数据；如果对核心数据点集遍历一次得到的距离仍大于r，则认为该数据是异常数据。此时统计数据出现异常的连续次数，当数据异常连续出现的次数大于最小个数时，则系统判定当前作业装备存在异常情况。从历史作业装备运行状态数据分析的维度来看，算法将故障原因、故障形态等数据进行多维多次的归类分析，从而挖掘出极易引发故障的诱因、故障常发形态、常发时间地点等，并基于此结果进一步为异常状态的提前预警、备品备件的合理化库存备货提供数据支撑，并最终提升作业装备使用寿命，减少因故障引发的各类损失9（图1）。结束所有样本都已经被访问？否是判断该样本是否为核心点判断该样本是否已被访问N处理集合 中的所有样本N获取该样本领域内所有样本集合将该样本加入 中，并将其类编号设置为新增类的编号C新增一个类 ，类编号加1C是否否标记该样本为已被访问是循环遍历每一个样本将所有样本标记为未访问，将其类编号设置为1开始中所有样本都已经被访问？N是否将该样本加入 中，并将其类编号设置为新增类的编号C否是否是循环遍历 中的每一个样本N标记该样本已被访问判断该样本是否已被归类？判断该样本是否为核心点判断该样本是否已被访问把该样本领域内的所有样本添加到集合 中N图1 聚类算法原理示意程子聪、张阿晋、孙同心:装备作业运行状态远程预警技术研究与应用20231Building Construction1844.3 远程预警管控技术装备作业运行状态远程预警技术首先会在装备作业区域采集作业装备运行状态数据，常见作业装备包含物料提升装置、构件部品装配装置、构件部品起吊装备等。摄像头及传感器获取装备作业运行异常信息，系统自动预警提示，安排管理人员至现场巡查装置设备故障运行问题，系统可根据作业需求，联动远程设备，进行维保或对现场环境的二次数据收集，实现信息采集、信息接报、预测预警、智能方案、指挥调度、备品备件调配管理、综合业务管理。当施工装备运行状态出现停滞时，故障数据被状态监测传感器获取并经过无线传输，进一步判断是否为装备作业故障而引起的。若确实是装备故障，则在后端软件平台（PC端、移动端、云端等）接收前端检测数据进行规则匹配报警，实现远程预警的功能，具体的实现过程如图2所示。装备/装置状态监测传感器传输分析终端显示预警PC客户端手机端云端等状态监测传感器数据无线传输数据分析评价混凝土/砂浆制备与输送装备构件/部品起吊装备构件/部品装配装置物料提升装置图2 装备作业区域安全运行状态远程预警技术5 技术应用情况为了更好地展示装备作业运行状态远程预警技术研究成果，及早发现技术应用的不足，探索技术未来改善方向，在上海交通大学医学院附属新华医院奉贤院区项目中进行示范应用。5.1 工程概况本项目位于奉贤区南桥新城，东至丽南路、南至奉浦大道、西至肖南路、北至程普路，总建筑面积133 495 m2，其中地上建筑面积94