特种设备健康监测技术与应用

结构健康监测技术是基于结构、计算机、通信、信息、传感器、材料等众多学科，通过对特征信息进行采集、处理、分析，对设备、产品等物理对象的安全情况进行评估的融合应用技术，广泛应用于航空、桥梁、建筑等行业。特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机动车辆。截止至 2018 年底，全国在用特种设备 1394.35 台套。特种设备安全关系到我国人民生命和财产安全，也关系到国家经济运行安全和社会稳定，一旦发生事故，将会造成不良的经济和社会影响。
因此，国家以及行业企业等对于特种设备本质安全、设备运行状态等安全监测的需求日益增加。我国政府高度重视特种设备安全监督管理工作，大力发展保障高参数、高风险特种设备安全运行的检测监测技术。当前健康监测技术与特种设备行业融合发展，已成为运用先进技术手段、服务特种设备安全管理的典型应用场景。


1、特种设备健康监测技术
我国特种设备安全法规定，对特种设备生产（包括设计、制造、安装、改造、修理）、经营、使用、检验、检测和监督管理，实施分类的、全过程的安全监督管理；鼓励先进技术和先进管理方法的推广应用。特种设备健康监测技术对于特种设备全过程的管理均可提供有效支持。因此，重点研究了特种设备健康监测总体架构，并对支撑系统功能实现的关键技术、特种设备领域典型应用场景进行了分析。


1.1  特种设备健康监测总体框架
结合结构健康监测系统的通用架构，根据特种设备行业的特点，研究提出了特种设备健康监测总体架构，如图1所示，涵盖数据采集、数据处理、数据传输、数据存储、数据分析等过程。
（1）数据采集。根据特种设备特点和管理需要，通过在设备及设备关键部位部署传感器，实现数据实时监测与采集，并实现物理量与电信号的转化。目前常用的传感器技术，从技术原理区分，包括：声发射、光纤光栅、超声导波等；从监测的对象区分，包括：应力应变、腐蚀、裂纹、温湿度等。
（2）数据处理。通过特征提取、数据预处理、数据融合等步骤，将传感器监测和采集的数据进行分析、综合，以完成所需的决策和信息处理过程。
（3）数据传输。将处理过的数据通过局域网、无线网、因特网等网络媒介传输到后端的系统平台，以备进一步的分析应用。
（4）数据存储。依托系统平台，数据按照其结构形态进行存储，包括结构化数据、非结构化数据。同时也包括其他的数据形式和数据存储方式。
（5）数据分析。利用系统平台的模型算法、专家系统等对数据进行分析以及可视化的展现，判断损伤的发生、位置和程度，对设备健康状况进行评估、预测预警等。
实现上述架构的支撑技术包括传感器技术、数据分析处理技术、网络和无线网络技术、数据库系统（传输、收集、储存和分析）等。其中：传感器技术是基础，传感器的灵敏性和精度、传感器的最优布置决定了数据采集的准确性，而密集阵列传感器、具有嵌入式微处理器的智能传感器和无线通信技术的结合，也进一步为开展健康监测提供了基础物联感知技术的支撑；基于系统平台的数据分析处理能力是关键，决定了质量安全分析的精准度，大数据、云计算、机器学习、人工智能等技术的发展则开创了数据分析的新领域。


2、特种设备健康监测技术发展趋势
通过对特种设备健康监测总体架构、承压类和机电类特种设备健康监测应用现状的研究，对于特种设备健康监测技术与应用的发展方面提出了以下思路。


2.1  关键支撑技术与特种设备行业融合发展
未来新一代信息技术等先进技术与特种设备行业融合将日益密切，智能化和集成化的传感技术、基于边缘计算的数据处理技术、面向特种设备安全的大数据分析技术、特种设备全生命周期的云服务技术等等，将成为特种设备健康监测发展的关键支撑技术。
传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。传感器领域的研究进展侧重于新材料、新工艺、智能化和集成化等等。如传感器从传统的压电传感器、红外传感器向光纤光栅等方向转移，光纤光栅传感器具人抗电磁干扰、抗腐蚀能力强、灵敏度高等优点，但目前系统成本较高阻碍了技术在行业的规模化应用。
基于边缘计算的数据处理技术将数据处理的压力从系统平台端前移至硬件端或中间件层，从设备接入、协议转换、边缘数据处理等方面入手，同时也为异构数据的采集和汇聚提供了解决方案。
面向特种设备安全的大数据分析技术不单单运用 Hadoop架构开展系统平台的构建，重要的意义在于基于机器学习、深度学习等智能化的算法模式开展监测数据的分析挖掘，从安全评估、预测预防等方面提供科学合理的数据支持。
特种设备全生命周期的云服务技术主要面向特种设备生产、使用、检验检测、安全监管等多个方面，运用资源云化技术、资源匹配技术等，实现资源优化布局和应用，从而为实现行业协同发展提供支撑。


2.2  特种设备安全管理业务与检测监测应用融合
长期以来，无损检测作为特种设备定期检验检测的一种重要手段，得到了较好应用。无损检测贯穿了工业生产从研发、标准化、生产制造到使用的整个过程，形成了一条“无损检测质量链”。 特种设备健康监测技术是一门新兴技术，与无损检测相比，主要强调对设备进行实时、在线的检测以及客观的数据分析，而非事后的检测以及专家经验分析。
无损检测与健康监测作为特种设备安全管理的两种重要技术手段，未来两者的融合应用将更加紧密，实现特种设备安全状况分析从离散到连续、从定时到实时方式的转变，为设备系统稳定性、缺陷建模、剩余寿命预测等提供多维度的分析，实现从独立样本到关联融合分析、从微观数据采集到宏观数据挖掘的发展。


2.3  工业互联网平台概念与特种设备健康监测系统平台的融合
特种设备是国民经济的重要基础装备，代表着一个国家和地区的经济发展水平，与工业、装备制造业等等各行各业密切关联。广泛应用于石油、化工、化肥、电力、机械、轻工、交通、建筑、矿山、冶金、医药、燃气等多个经济和民生领域。
长期以来，特种设备行业通过无损检测、健康监测等形成的知识、算法、模型，是行业宝贵的信息资源和智慧结晶。如何将相关成果进行推广，同时通过不断的推广形成知识、算法、模型迭代，将成为未来融合应用的关键。
由于特种设备与工业的强关联度，随着工业互联网、云计算等技术的发展，未来工业互联网平台概念将更多的运用到特种设备行业中，云检测、云监测等将成为发展趋势。依托基于工业互联网架构的特种设备健康监测平台，特种设备产业链用户将通过共享软硬件等物理资源以及开发工具、组件等数字化资源，从而构建行业智慧共同体。


文章来源：文章节选自《信息技术与信息化研究与探讨》