基于多维衰减耦合的岸桥钢丝绳剩余寿命预测方法与系统与流程

本发明涉及港口起重机械安全监测及预测性维护，尤其涉及基于多维衰减耦合的岸桥钢丝绳剩余寿命预测方法与系统。

背景技术：

1、随着港口集装箱运输规模和岸桥自动化作业水平的不断提高，岸桥起升机构、俯仰机构、托架机构以及前、后牵引机构的运行频次和连续作业强度持续增加。钢丝绳作为岸桥载荷传递、机构牵引和运动控制过程中的关键承载部件，其服役状态直接影响岸桥作业的安全性和可靠性。在长期服役过程中，钢丝绳反复承受拉伸、弯曲、挤压、摩擦及启停冲击等复合载荷，并可能因润滑状态、绳槽配合、环境腐蚀及异常作业等因素产生断丝、磨损、锈蚀、变形、压扁、直径缩小以及力学性能下降等退化现象。不同岸桥机构的受力状态、运行方式和作业频率存在明显差异，不同规格、结构形式及强度等级的钢丝绳亦具有不同的寿命基准。因此，仅依据固定使用期限或单一检测结果实施更换，容易造成钢丝绳提前更换或超期服役，难以同时满足岸桥安全运行和维护资源合理配置的要求。如何结合钢丝绳实际作业负荷、现场巡检损伤和检测性能变化，对其剩余寿命进行动态、差异化预测，已成为岸桥设备状态维修中的重要技术问题。

2、现有技术中，本领域技术人员通常采用定期人工巡检、无损检测、累计作业次数统计或疲劳寿命计算等方式评估钢丝绳的服役状态。其中，人工巡检主要根据断丝数量、磨损程度、锈蚀程度、变形情况和绳径变化等表观特征判断钢丝绳是否达到报废条件；磁检测、视觉检测或其他无损检测方式主要用于识别钢丝绳局部缺陷，并通过检测信号或性能指标反映钢丝绳当前损伤状态；基于作业数据的寿命计算方式则通常根据吊运载荷、运行次数、弯折次数或运行时长估算钢丝绳的累计使用程度。此外，部分方案利用统计模型、疲劳分析模型或数据驱动模型，根据历史检测样本预测钢丝绳的健康状态或剩余运行时间。上述技术能够从不同角度反映钢丝绳的作业消耗或损伤状态，但作业数据、巡检数据和检测数据的采集频率、记录时刻及量纲通常不同，现有方法往往分别处理各类数据，缺乏以统一预测时刻为基础的时间对齐和衰减量化机制，因而难以完整反映各类退化因素随时间累积、衰减及相互作用的过程。

3、例如，授权公告号为cn109684784b的中国发明专利《起重机钢丝绳寿命监测方法》公开了一种根据吊运货物重量划分重量等级，统计各重量等级对应的吊运次数，并结合负荷系数和钢丝绳弯折循环次数计算已使用寿命及剩余寿命的方法。该方案能够将实际吊运载荷引入钢丝绳寿命计算，但其寿命评估主要建立在载荷等级、吊运次数及预设弯折寿命基础上，未将断丝、磨损、锈蚀、变形等巡检损伤信息以及破断拉力、抗拉强度、直径变化等检测性能信息纳入统一寿命模型，也未涉及不同采集时刻数据的时间修正及巡检损伤与检测性能异常之间的耦合加速关系，因而难以适应岸桥钢丝绳多因素共同退化的复杂工况。

4、授权公告号为cn115983838b的中国发明专利《起重机起升机构钢丝绳健康评估方法、装置、设备及存储介质》公开了根据最大货物重量、滑轮传动效率等参数计算钢丝绳工作静拉力和绳径、选定钢丝绳型号，并在钢丝绳投入使用后监测工作参数、进行健康评估及计算剩余运行时间的技术方案。该方案兼顾了钢丝绳选型和投入使用后的健康监测，但其主要针对起升机构钢丝绳的选型及健康状态评估，未针对岸桥起升、俯仰、托架及牵引等不同机构建立差异化基准寿命，也未建立作业消耗、巡检损伤和检测性能下降的统一无量纲衰减表达，难以充分描述不同类型退化信息在时间维度上的累积规律及非线性影响。

5、公开号为cn119804626a的中国发明专利申请《一种四绳抓斗起重机的钢丝绳剩余寿命预测方法》公开了对钢丝绳进行磁化，通过霍尔传感器采集钢丝绳周围磁场变化信号，对信号进行清洗和特征提取，并建立磁化预测模型以预测钢丝绳剩余寿命的技术方案。该方案主要聚焦于利用磁场检测信号进行高频次寿命预测，其预测结果较大程度依赖于传感器检测信号及样本模型，未涉及吊运箱量、运行次数、运行时长、载荷状态和启停频次等长期作业历史，也未融合人工巡检损伤记录及多类检测性能指标。因此，在检测数据采集间隔较长、传感器信号受现场环境影响或钢丝绳损伤尚未形成显著磁场特征时，该方案难以利用其他历史信息对寿命状态进行补充表征，信息利用仍不充分。

6、此外，授权公告号为cn111695214b的中国发明专利《基于统计模型的岸桥起重机疲劳损伤的确定方法》公开了按照岸桥工况对应力幅值和应力均值进行统计，并结合应力－寿命曲线计算岸桥结构疲劳损伤、预估岸桥剩余使用寿命的技术方案。该方案虽然针对岸桥设备并采用统计模型进行疲劳寿命分析，但其评估对象主要为岸桥金属结构，所采用的应力循环统计和应力－寿命曲线不能直接表征钢丝绳因断丝、磨损、腐蚀、压扁及性能下降形成的复合退化过程，亦未建立钢丝绳作业消耗、巡检损伤和检测性能之间的寿命耦合链路。

7、由此可见，现有钢丝绳寿命评估方法通常侧重于作业载荷统计、单次巡检判定或单源检测信号分析，各类数据之间相互割裂，难以将不同时间尺度、不同量纲和不同可信时效的数据统一映射为可比较的寿命衰减量。同时，钢丝绳的表观损伤与力学性能下降并非彼此独立，当断丝、直径缩小或强度下降达到异常状态时，钢丝绳的退化速度可能发生非线性加速，现有技术通常缺乏针对该类损伤耦合效应的量化机制。此外，现有方案所采用的寿命基准和模型参数多为预先设定，难以根据不同岸桥机构、钢丝绳属性及实际更换或报废结果进行差异化确定和持续校正，导致模型泛化能力和长期预测稳定性不足。

8、综上所述，如何克服现有技术中存在的多源异构数据时间基准不一致、作业消耗与损伤性能信息利用不充分、不同退化因素之间的耦合加速作用难以量化以及寿命基准和模型参数缺乏差异化校正等问题，提出一种更精确、更稳定且能够适应复杂岸桥工况的钢丝绳剩余寿命预测方法，成为了本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对岸桥钢丝绳剩余寿命预测方法，针对现有技术中多源异构数据难以统一融合、不同退化因素之间的耦合关系难以量化以及寿命预测结果准确性不足的问题，通过对历史作业数据、巡检损伤数据和检测性能数据进行时间对齐与无量纲化处理，构建多维时序衰减耦合模型并结合历史更换或报废数据进行参数校正，解决岸桥钢丝绳剩余寿命难以准确、动态预测的问题。

2、本发明提供一种基于多维衰减耦合的岸桥钢丝绳剩余寿命预测方法，具体包括以下步骤：

3、s1：获取目标钢丝绳的基础属性数据、所属岸桥机构类型、历史作业数据、巡检损伤数据、检测性能数据以及历史更换或报废数据；

4、s2：以当前预测时刻为统一预测时刻，对历史作业数据、巡检损伤数据和检测性能数据进行时间对齐，并将各类数据转换为无量纲衰减指标；

5、s3：根据基础属性数据和所属岸桥机构类型确定目标钢丝绳的差异化基准寿命；

6、s4：基于步骤s2处理后的历史作业数据计算作业等效衰减量；

7、s5：基于步骤s2处理后的巡检损伤数据计算巡检损伤衰减量；

8、s6：基于步骤s2处理后的检测性能数据计算检测性能衰减量；

9、s7：根据步骤s5得到的巡检损伤衰减量、步骤s6得到的检测性能衰减量以及异常阈值，计算损伤耦合加速量；

10、s8：将步骤s4至步骤s7得到的、、和输入多维时序衰减耦合模型，得到综合寿命保持率；

11、s9：根据步骤s3得到的差异化基准寿命和步骤s8得到的综合寿命保持率，确定目标钢丝绳在当前预测时刻的剩余等效寿命；

12、s10：根据历史更换或报废数据中的实际剩余等效寿命与步骤s9得到的剩余等效寿命之间的偏差，对多维时序衰减耦合模型的参数进行校正，并基于校正后的参数重新执行步骤s4至步骤s9。

13、作为本发明的一种技术优选方案，步骤s2中，时间对齐包括：对历史作业数据按照预设时间窗口进行累计或统计，得到当前预测时刻对应的作业统计指标；对巡检损伤数据和检测性能数据，根据其采集时间与当前预测时刻之间的时间间隔，确定对应的时间修正因子。

14、作为本发明的一种技术优选方案，步骤s3中，差异化基准寿命根据岸桥机构类型、钢丝绳直径、强度等级、结构形式和历史平均更换周期中的至少两项确定；岸桥机构类型包括起升机构、俯仰机构、托架机构、前牵引机构和后牵引机构中的至少一种。

15、作为本发明的一种技术优选方案，步骤s4中，作业等效衰减量按照如下方式计算：

16、；

17、其中，为经步骤s2转换后的第类无量纲作业指标，作业指标包括自然箱量、标准箱量、运行次数、运行时长、载荷状态和启停频次中的至少两项；为岸桥机构类型下第类作业指标的作业影响权重，为岸桥机构类型对应的非线性衰减指数。

18、作为本发明的一种技术优选方案，步骤s5中，巡检损伤衰减量按照如下方式计算：

19、；

20、其中，为第类巡检损伤指标，巡检损伤指标包括断丝数量、磨损程度、锈蚀程度、变形程度、压扁程度和跳槽记录中的至少两项；为对应的损伤等级函数，为对应的损伤权重，为步骤s2中确定的时间修正因子。

21、作为本发明的一种技术优选方案，步骤s6中，检测性能衰减量按照如下方式计算：

22、；

23、其中，为第类检测性能指标的性能衰减权重，为步骤s2中确定的时间修正因子，为第类检测性能指标的性能下降比例；

24、当检测性能指标为数值型指标时，，其中为标准值或初始值，为当前检测值；

25、当检测性能指标为等级型指标时，由预设等级量化表确定。

26、作为本发明的一种技术优选方案，步骤s7中，损伤耦合加速量按照如下方式计算：

27、；

28、其中，为耦合权重，为异常放大权重，为异常状态触发因子；

29、当断丝数量、直径缩小率、破断拉力下降率或抗拉强度下降率中的至少一项超过对应异常阈值时，，否则。

30、基于多维衰减耦合的岸桥钢丝绳剩余寿命预测系统，包括：

31、数据获取模块，用于获取目标钢丝绳的基础属性数据、所属岸桥机构类型、历史作业数据、巡检损伤数据、检测性能数据以及历史更换或报废数据；

32、时间对齐模块，用于以当前预测时刻为统一预测时刻，对历史作业数据、巡检损伤数据和检测性能数据进行时间对齐，并将各类数据转换为无量纲衰减指标；

33、基准寿命确定模块，用于根据基础属性数据和所属岸桥机构类型确定目标钢丝绳的差异化基准寿命；

34、衰减量计算模块，用于基于时间对齐模块处理后的历史作业数据、巡检损伤数据和检测性能数据，分别计算作业等效衰减量、巡检损伤衰减量和检测性能衰减量；

35、耦合加速计算模块，用于根据巡检损伤衰减量、检测性能衰减量以及异常阈值，计算损伤耦合加速量；

36、寿命预测模块，用于将作业等效衰减量、巡检损伤衰减量、检测性能衰减量和损伤耦合加速量输入多维度衰减模型，得到综合寿命保持率，并根据差异化基准寿命和综合寿命保持率确定剩余等效寿命；

37、参数校正模块，用于根据历史更换或报废数据中的实际剩余等效寿命与寿命预测模块得到的剩余等效寿命之间的偏差，对多维度衰减模型的参数进行校正。

38、作为本发明的一种技术优选方案，参数校正模块校正的参数包括作业影响权重、非线性衰减指数、损伤权重、性能衰减权重、耦合权重、异常放大权重以及模型权重参数、、、中的至少一种；寿命预测模块基于校正后的参数重新确定综合寿命保持率和剩余等效寿命。

39、与相关的现有技术相比，本发明的有益效果是：

40、1.本发明通过获取目标钢丝绳的基础属性数据、岸桥机构类型、历史作业数据、巡检损伤数据、检测性能数据以及历史更换或报废数据，并以统一预测时刻对不同来源、不同采集周期的数据进行时间对齐和无量纲化处理，实现了多源异构数据在同一寿命评价体系下的融合，能够减少因数据量纲不一致、采集时刻不同而造成的预测偏差。

41、2.本发明根据岸桥机构类型及钢丝绳自身属性确定差异化基准寿命，使寿命预测过程能够考虑起升机构、俯仰机构、托架机构以及牵引机构等不同机构在载荷特征、运行频次和受力方式上的差异，避免采用统一固定寿命基准所导致的评估结果失真，提高了剩余寿命预测对不同岸桥机构和不同规格钢丝绳的适应能力。

42、3.本发明分别构建作业等效衰减量、巡检损伤衰减量和检测性能衰减量，能够综合表征钢丝绳在实际作业消耗、表观损伤及性能下降等多个维度的退化状态。其中，通过对运行次数、运行时长、载荷状态、启停频次等作业指标进行加权及非线性处理，能够更准确地反映不同作业强度对钢丝绳寿命消耗的影响；通过引入损伤等级函数和时间修正因子，能够兼顾巡检损伤的严重程度及巡检结果的时效性；通过计算检测性能指标的下降比例，能够将钢丝绳力学性能或状态性能的变化量化为寿命衰减因素。

43、4.本发明进一步根据巡检损伤衰减量、检测性能衰减量及异常阈值计算损伤耦合加速量，使模型不仅能够考虑各类退化因素的独立影响，还能够反映表观损伤与性能下降同时发生时产生的加速退化效应。当断丝数量、直径缩小率、破断拉力下降率或抗拉强度下降率超过对应异常阈值时，通过异常状态触发因子对寿命衰减进行放大，从而提高对钢丝绳异常退化状态和突发风险的识别能力。

44、5.本发明将作业等效衰减量、巡检损伤衰减量、检测性能衰减量和损伤耦合加速量输入多维时序衰减耦合模型，以指数衰减形式确定综合寿命保持率，并结合差异化基准寿命计算剩余等效寿命，能够建立从作业过程、损伤状态和检测性能到剩余寿命之间的统一量化关系，使预测结果能够连续反映钢丝绳寿命随服役时间和损伤程度变化的趋势，提高剩余寿命预测的完整性和稳定性。

45、6.本发明还能够利用历史更换或报废数据中的实际剩余等效寿命对模型参数进行校正，使作业影响权重、损伤权重、性能衰减权重、耦合权重及模型权重参数能够根据岸桥实际运行结果持续修正，从而降低预设参数与真实工况之间的偏差，提高模型在不同设备、不同机构和不同作业环境下的泛化能力。

46、7.本发明能够根据剩余等效寿命和损伤耦合加速量确定钢丝绳风险等级，并在剩余寿命低于寿命阈值或损伤耦合加速量高于加速阈值时输出更换建议或预警信息，从而为钢丝绳的状态检修、维护计划制定和更换时机判断提供量化依据，有利于降低钢丝绳超期服役风险，并减少仅依据固定周期更换所造成的资源浪费。