钢丝绳力学检测智能处理系统中的大数据应用探索

王会强，张佳伟，陈维华

（河北软件职业技术学院计算机应用工程系，河北 保定 071000）

钢丝绳具有高强度、重量轻、耐冲击性、不易折断等特性，被应用于制造桥梁、矿物、船舶、缆车、索具等机械控制等行业领域。尽管钢丝绳的结构和尺寸各式各样，使用环境不尽相同，但对抬举、牵引、耐负荷等可起到改善作用。钢丝绳的品质和安全性能指标的水平对于其应用领域的产品和行业安全性非常重要。检测中心通过将钢丝绳拆股，做拉力、扭转、弯曲试验，将实验值与对应标准进行比对，检验该钢丝绳是否符合标准，并出检测报告。这项工作如果通过人工完成，是一项繁琐复杂的工作，因而，需要软件将检测流程智能化，检测数据物联网化，便于检验人员的工作。大数据技术作为一种新兴的科学技术手段，随着云计算、物联网等移动技术的不断发展已经深入各项科技领域。钢丝绳力学检测智能处理系统是根据检测中心的具体工作需要，针对我国和国际对于钢丝绳的标准规定研发的一款钢丝绳检测系统，它很好地解决了检测中心目前的一些问题，将钢丝绳拆股检测智能数据化，并且包含了最新的钢丝绳检测标准[1-2]。

本文主要反映以下实践探索：基于其力学的相关特征进行检测设备的设计开发，对钢丝进行拉伸、扭转、弯曲等力学性能指标进行检测，通过物联网和大数据搭载智能检测设备和计算机系统，实现自动化检测、显示、自动保存、数据测试的集中管理，确保测试结果的正确性和可靠性，提高产品检验质量管理效率。

1 力学检测研究的基本情况

国内外学者对钢丝绳防震装置的机械特性进行了很多实验性研究。V.P.Manjari研究了在各种频率激励下在各种负荷方向上螺旋和拱形钢丝绳振动装置的滞后曲线。S.Singh研究了各种频率和各种振幅激发信号对剪切方向振动同位器机械特性的影响。结果表明，振动同位素的力—位移曲线与激励信号无关。王宏采用锤型测试法研究了无负荷和预负荷分离系统的冲击特性，并将防震装置的基准刚度和冲击输入力公式相适应。帕布罗研究了振动器在各种冲击波形作用下的激励特性，并提出了考虑到三次稳定性振动的数学模型，并使用调和平衡法求解并建立了冲击响应的数学模型。B.K.Gupta对钢丝绳防振装置实施冲击特性测试，发现压缩时防振装置的刚性软化，冲击刚度低于静态刚度和动态刚度。学者们主要研究了钢丝绳力学特征的静态和振动特性等属性，我们将其力学特征属性统计并通过大数据智能化地将数据集合起来统一处理[3-5]。

本项目钢丝绳力学检测系统的设计与开发，主要包括硬件系统和软件系统两个部分。硬件系统可以实现钢丝绳自动测试、实时显示，智能存贮拉力、弯曲、扭转三项力学试验数据。实现拉力机、弯曲机、扭转机，硬件系统实现功能通用。系统可以实现手动录入钢丝实测直径，同时兼顾并行试验顺序和串行试验顺序、试验失败等一系列异常情况的处理。

检测中心对钢丝绳检测的流程为：对钢丝绳进行拆股，对拆股钢丝进行拉力、扭转、弯曲试验，将机器的试验结果记录，并将试验数值根据标准内规定的方式进行判定，判定钢丝绳是否符合标准。利用5G传感技术与手机互联网、移动互联网技术等相结合，将最终采集的数据和判定结果生成报告进行集中处理和自动管理[6]。在拉伸力收集过程中，由于传感器的非线性输出及其分散效果，系统会检测出拉伸力值错误，将检测结果设为非线性。为了提高系统检测结果的精度和线性，需要校正张力检测系统的传感器。一般传感器的非线性校准算法有三种方法：查找表法、内插法、长效拟合法。他们有自己的长处和短处，适合各种各样的状况。查找表方法不需要计算，但需要在整个测量范围内执行校准测试，测量大量测试数据，因此使用插值法校准系统的非线性。但是，传感器输出特性的曲率变化较大，非线性相对误差大，测量范围比较宽，因此难以满足使用线性方程的修正的精度要求，因此提出采用划分线性校正的方法。拉伸力检测装置的测量精度高，拉伸力误差在所有测量范围内必须小于1%。因此，在该项目中，在硬件设计中使用光电绝缘干扰防止及滤波电路，软件使用移动平均滤波、峰值保持及段差校准模块计划确保张力检测的稳定性和精度。

力学检测研究系统的目的是将上述流程简单化，实现完全智能化试验操作，良好的人机交互界面，高清液晶触屏显示，能够无线数据传输并且实现有伺服电机控制功能（适合于电子拉力机）。连接电子拉力机时可实现快速张紧，慢速拉伸，自动回程，快速试验功能。软件系统能够实现用户管理权限分级。管理员级和操作员级，操作员权限：下委托单，错误数据修改，生成并提交报告，清除无用数据。管理员权限：增加和删除用户的权利，修改操作员提交的报告，试验机的编制。能够完成自动判别试验数据，输出检验报告。实现成品钢丝的数据处理：根据相关企业标准自动判级，并生成电子版检测原始记录（Excel格式），可在企业网内部传输、共享、复制和打印。能够实现成品钢丝绳的数据处理：根据客户要求的产品验收标准、强度等级自动判别是否合格，并生成电子版检测原始记录和报告、质量证明书等，能够实现移动端操作和查询功能，并且具备完善文档自动生成系统和智能系统帮助[7]。

2 智能系统软件实现

钢丝绳力学检测智能处理系统由三部分组成，分别为硬件仪表、桌面程序、检测软件。硬件仪表安装于钢丝的试验设备上，当使用试验设备对钢丝进行试验时，当前设备上的仪表会记录设备的试验结果值；桌面程序主要用于仪表与检测软件之间的数据通信，仪表将试验数据发出，钢丝绳力学检测智能处理系统是一个软硬件相结合的综合系统，所应用的技术比较广泛。桌面程序采用编程语言编写，通过串口与仪表进行数据通信，兼容性高，运行速度快且稳定，桌面程序通过串口接收试验数据，将数据写入数据库中，检测软件系统采用网络版，系统应用数据库进行了数据的存储，将数据分表保存，增加了速度，并提高了灵活性。检测软件采用了Springboot+mybatis框架，这是一个成熟的技术，性能稳定，扩展性很高，维护性强，配置部署方便，运行环境比较简单。后台采用了开源框架平台，便于系统扩展。客户端采用Web和移动手机客户端，方便操作使用；服务器端采用开源数据库，维护方便，使用简单。服务程序部署到中心服务器上，通过网络各个终端输入正确的账户密码后，在网络上进行系统操作。管理员登录后可以根据汇总数据生成报表。超级管理员可以对权限进行划分并汇总各个数据生成报表。通过权限管理，配置管理功能。对各个操作人员的分配。在数据库中读取桌面程序存入的数据，如此便完成了硬件仪表与检测软件的数据通信，成功地将设备的试验数据传输给检测软件。检测软件根据试验数据，对钢丝绳或钢丝进行检测[8-10]。

系统的主要检测业务均在检测软件上体现，下面着重介绍检测软件的功能。钢丝绳力学检测智能处理系统检测软件部分主要有以下几个功能：机器管理、数据管理、钢丝检测、钢丝绳检测、报告统计、用户管理，检测流程如图1所示。

图1 钢丝绳力学检测智能处理系统流程图

机器管理是指对试验机器的管理，它主要是便于将试验数据同机器编号一一对应，将机器编号、机器类型等数据添加到系统中，软件即可监测该设备仪表的运行情况，当设备仪表发送试验数据的时候，软件即可收取试验数据，管理员可修改、删除该机器。软件可监测设备仪表的运行状态，并实时显示，以便于管理员查看设备状态。

数据管理是对试验数据的管理，做钢丝试验时，将一批钢丝试验作为一个批次。数据管理分为试验数据查询和错误数据处理两个功能，试验数据查询即管理员可根据批次号、试验类型、机器编号查询试验数据；错误处理是对试验中可能出现错误的一种处理方式，工作人员在做试验时，可能会将批次号或者试样编号输入错误，错误处理是对其的一种更正，管理员可以修改试验数据的批次号和试样编号来更正数据。

钢丝检测是对制绳前钢丝的检测，检测钢丝的抗拉强度级别和用途。对一批钢丝进行拉力、扭转、弯曲试验，将试验数据根据批次号组合调入到系统中，由工作人员输入钢丝对应的原直径和公称直径等数据，即可对这批钢丝进行判定。钢丝是根据《J&L 10302-2018制绳用钢丝》和《54402.1钢丝及钢丝绳检验试验规程》两个文件中的标准以及规定进行判定的。钢丝判定完毕后可生成钢丝判定结果报告并打印[8-9]。报告统计功能是对系统中生成的钢丝绳的报告的管理，管理员可以查看系统中生成的钢丝绳报告。管理员可以选择一个或者多个报告导出到电脑中。用户管理是对使用系统的用户的全方面管理，管理员可随时进行添加、修改、删除用户，并限制用户的权限。图2显示钢丝绳力学检测智能处理系统伪代码截图。

图2 钢丝绳力学检测智能处理系统伪代码示意图

3 硬件处理与实现

针对企业需要，我们对钢丝绳的三种力学性能参数：扭曲性能、弯转性能、拉力性能进行了测量，如图3所示。

图3 钢丝绳力学检测智能处理系统关键硬件部分设计示意图

在钢丝绳力学检测智能处理系统中其钢丝绳3种力学性能参数检测中，检测是使用Keli的PST电阻桥传感器来实现的。电阻桥传感器是将电阻信号转换成电信号，传感器的灵敏度为0.002mc/V[10-13]，采用5V电源供电、10mV的比例输出电压信号、OmV-10mV的弱电信号，为了放大OV-5V的电压信号需要通过放大器电路，为了取得和处理数据需要发送到测量电路。同时，由于干扰信号被放大后叠加在张力信号上，系统的灵敏度和稳定性降低，无法正常检测张力值。因此，滤波和放大电路的设计非常重要。这里使用符合EC-00100标准的桥接式汽车压力传感器信号调整用的高集成专用芯片NS9260设计电路。

钢丝绳力学检测智能处理系统界面简洁易懂，操作简单方便，系统的主要功能为用户可添加、删除机器，系统可监控机器的在线状态，系统中可查看试验数据，并对错误的试验数据的批次号和试样编号进行修改，机器编号可填入做试验的机器编号，可调入对应批次钢丝绳的试验数据，对钢丝绳进行判定，即显示系统中所有的钢丝绳报告。如表1所示，管理员可管理系统中的用户，可添加、修改、删除用户并将钢丝绳检测报告导出。

表1 钢丝绳检测报告示意表

4 小结

针对企业需要，应用于钢丝绳力学检测智能处理系统的设计与改进在传统力学基础上，实现在物联网技术中新技术上的设计和应用；社会效益体现在项目研发过程中解决了企业信息化建设中的重要内容，实现大数据自动检测、实时显示、自动保存、集中管理，确保测试结果的实时性和可靠性，减轻测试负责人的劳动强度，提高产品检查的工作效率和质量管理水平。