CN107504999B - 一种仓储货架安全预警与健康评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仓储货架安全预警与健康评估方法及装置，其特征在于，包括以下步骤：1)以时间周期T采集采样点的温度、湿度、加速度，得到N个采样时间点的温度、湿度、货架动能和货架势能；2)建立模糊评估模型；3)进行单点评估；4)按步骤2)‑3)，可得到N个采样时间点的单点评估结果，取点数最多对应的状态为最终货架健康状况。一种仓储货架安全预警与健康评估装置，包括仓储货架安全预警装置(01)、USB连接线(012)和计算机(02)，计算机(02)按所述的方法进行货架健康评估。本发明的仓储货架安全预警与健康评估方法及装置，可以监测多个物理量，超过阈值时实时预警，离线时进行健康评估。采用分离式安装座和USB有线传输技术，成本低，可靠性高。

Description

一种仓储货架安全预警与健康评估方法及装置

技术领域

本发明涉及物流仓储设备与环境监测技术领域，特别涉及一种仓储货架安全预警与健康评估方法及装置。

背景技术

随着社会经济的发展，大规模仓储设备的应用也越来越广泛。仓储货架是仓储作业的主要设备之一，很多仓储货架无人值守，当仓储货架周边环境的温度、湿度过高，或货架承载货物的重量超过设计载荷，或货架发生倾斜，或货架受到其它移动作业设备、货物或作业人员的碰撞冲击产生较大晃动，都将对存放在其上的货物或仓储作业人员的安全造成威胁。因此，需要在货架上安装安全预警装置，可以实时采集表证货架安全的参数，当这些参数超过预先设定的阈值时发出预警信息，提醒仓储作业人员做出应对措施，对货架健康评估并进行相应维护处理，是非常必要的。

现有的物流仓储领域也应用了一些安全监测技术，不过现有的技术都是针对环境安全监测，目前，并没有针对仓储货架安全的安全预警技术，也没有对仓储货架的运动数据进行采集作出评估的方法。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种仓储货架安全预警与健康评估方法及装置，可以监测多个物理量，超过阈值时实时预警，离线时进行健康评估。采用分离式安装座和USB有线传输技术，成本低，可靠性高。

本发明的具体技术方案是一种仓储货架安全预警与健康评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以时间周期T采集采样点的温度、湿度、加速度，通过加速度计算每个采样时间点的货架动能和货架势能，得到N个采样时间点的温度、湿度、货架动能和货架势能；

2)建立模糊评估模型

2.1)对于每个采样时间点，输入集U＝{u₁,u₂,u₃,u₄}，其中温度为u₁，湿度为u₂，货架动能为u³，货架势能为u₄，

设输出集F_i＝{f_i1,f_i2,f_i3}，i＝1,2,3,4，f_i1,f_i2,f_i3分别对应的为u_i的三种语言值，其中，f_i1表示货架正常状态，即货架运行正常；f_i2表示货架异常状态，即货架存在故障隐患；f_i3表示货架故障状态，即货架存在故障，需要进行维护，

2.2)对输入集内的各精确量进行模糊化，根据行业标准确定输出集三种语言值对应的u_i取值范围，选取隶属度函数，得到u_i模糊化后的模糊集合A_fi1(u_i)，

2.3)将输入集U＝{u₁,u₂,u₃,u₄}各参数归一化后，代入A_fi1(u_i)中，分别得到u_i的三种语言值的隶属度值r_i1、r_i2、r_i3，构造综合评判矩阵

2.4)令温度的权重为w₁，湿度的权重为w₂，货架动能的权重为w₃，货架势能的权重为w⁴，即评估的权重系数为W＝[w₁,w₂,w₃,w₄]；

3)进行单点评估

3.1)按式P＝W○R进行合成运算，得到P＝[e₁,e₂,e₃]，其中P为评估结果，e₁,e₂,e₃分别表示该采样时间点的评估输出结果落在f_i1,f_i2,f_i3三个语言值区间的隶属度，

3.2)将运算结果e₁,e₂,e₃按照最大隶属度原则进行反模糊化，max{e₁,e₂,e₃}对应的f_i1,f_i2,f_i3中的一个语言值为单点最终评估结果；

4)按步骤2)-3)，可得到N个采样时间点的单点评估结果，将货架运行正常、货架异常状态和货架故障状态出现的次数进行累加，比较货架运行正常点数、货架异常状态点数和货架故障状态点数的大小，取点数最多对应的状态为最终货架健康状况。

更进一步地，所述的步骤1)中通过加速度计算每个采样时间点的货架动能和货架势能方法是，设采集的振动加速度信号数值a_k，k＝1,2,......,N，采样点处的速度为V_k，V_k＝|a_k|*T，则有，

货架在采样点振动产生的X轴坐标方向上的动能为

货架在采样点振动产生的Y轴坐标方向上的动能为

货架在采样点振动产生的Z轴坐标方向上的动能为

求得在采样点的货架动能为EK_k＝EK_kx+EK_ky+EK_kz，

货架势能为

其中，V_kx、V_ky、V_kz分别为货架在采样点X、Y、Z轴坐标方向上的振动速度，a_kz为a_k在Z轴坐标方向的分量，m_a为货架自身质量，m_b为货架上承重货物的质量，H为货架高度。

更进一步地，所述的步骤2.2)中，设f_i1对应的取值范围为[q_i1，q_i2)，f_i2对应的取值范围是[q_i2，q_i4)，f_i3对应的取值范围是[q_i4，q_i5)，

根据指派法选取梯形函数与三角形函数相结合的线性隶属度函数如下，

输出f_i1对应的隶属度函数按下式(I)：

输出f_i2对应的隶属度函数按下式(II)：

输出f_i3对应的隶属度函数按下式(III)：

一种仓储货架安全预警与健康评估装置，包括仓储货架安全预警装置、USB连接线和计算机，

所述的仓储货架安全预警装置包括预警装置主机箱、预警装置安装底座和预警模块，所述的预警装置主机箱的底部具有凸起的燕尾，所述的预警装置安装底座包括安装底座本体、主机箱固定螺钉和安装底座固定螺钉，所述的安装底座本体上具有与预警装置主机箱的燕尾配合的燕尾槽，所述的主机箱固定螺钉用于夹紧安装在燕尾槽内的燕尾，所述的安装底座固定螺钉用于将安装底座本体固定在仓储货架上，所述的预警模块安装在预警装置主机箱内，能够监测货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重信息，并在货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重数值超出设定阈值时，进行预警，

所述的仓储货架安全预警装置放置在货架采样点处，按时间周期T实时采集货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重信息，在仓储货架安全预警装置发出预警时，将仓储货架安全预警装置通过USB连接线与计算机连接，计算机读取货架各采样时间点的周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度数据，按以上方法进行货架健康评估。

更进一步地，所述的预警模块包括微处理器和分别连接在微处理器上的FLASH存储器、温湿度传感器、三轴加速度传感器、实时钟模块、LED指示灯、USB接口、模拟量输入通道和锂电池，以上的所有器件安装在一块PCB板上，所述的模拟量输入通道用于与安装在货架上承重传感器连接。

更进一步地，所述的预警装置主机箱还具有与锂电池连接的电源开关穿出孔、与模拟量输入通道连接的接线端子穿出孔、用于LED指示灯透光的开孔和安装USB接口的USB接口开孔。

更进一步地，所述的预警装置主机箱还具有通风孔，所述的通风孔位于温湿度传感器附近。

更进一步地，所述的预警装置主机箱的箱体材料和预警装置安装底座的底座本体的材料为铝合金。

本发明的有益效果是1)本发明的仓储货架安全预警与健康评估方法采用模糊化的数学方法，隶属函数选取准确，得到综合评判矩阵，再进行相应的权重评估后得到综合评估结果，根据最大隶属度原则进行反模糊化，得到准确的评估语义，两个过程逻辑清楚、合理，判断准确，能够用于仓储货架的健康评估；2)本发明的仓储货架安全预警装置具有温湿度传感器、三轴加速度传感器多种传感器，可对仓储货架的安全进行全方位监测，监测超出阈值时及时预警；3)带有模拟量输入通道，可外接其它传感器；4)具有分离的主机箱和安装座，可方便地从仓储货架上安装拆卸，便于在线或离线使用；5)带有FLASH存储器，可用USB对数据进行有线传输，成本低、可靠性高；6)可进行长期无人值守监测，定时读出数据进行分析。

附图说明

图1为本发明的仓储货架安全预警与健康评估方法采用的隶属度函数的曲线图；

图2为本发明的仓储货架安全预警与健康评估装置的结构示意图；

图3为为本发明的仓储货架安全预警与健康评估装置的主机箱立体示意图；

图4为为本发明的仓储货架安全预警与健康评估装置的安装底座立体示意图；

图5为为本发明的仓储货架安全预警与健康评估装置的预警模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体技术方案作进一步地描述。

本发明的一种仓储货架安全预警与健康评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以时间周期T采集采样点的温度、湿度、加速度，通过加速度计算每个采样时间点的货架动能和货架势能，得到N个采样时间点的温度、湿度、货架动能和货架势能。

通过加速度计算每个采样时间点的货架动能和货架势能方法是，设采集的振动加速度信号数值a_k，k＝1,2,......,N，采样点处的速度为V_k，V_k＝|a_k|*T，则有，

货架在采样点振动产生的X轴坐标方向上的动能为

货架在采样点振动产生的Y轴坐标方向上的动能为

货架在采样点振动产生的Z轴坐标方向上的动能为

求得在采样点的货架动能为EK_k＝EK_kx+EK_ky+EK_kz，

货架势能为

其中，V_kx、V_ky、V_kz分别为货架在采样点X、Y、Z轴坐标方向上的振动速度，a_kz为a_k在Z轴坐标方向的分量，m_a为货架自身质量，m_b为货架上承重货物的质量，H为货架高度；

2)建立模糊评估模型

2.1)对于每个采样时间点，输入集U＝{u¹,u²,u³,u⁴}，其中温度为u¹，湿度为u₂，货架动能为u³，货架势能为u₄，

设输出集F_i＝{f_i1,f_i2,f_i3}，i＝1,2,3,4，f_i1,f_i2,f_i3分别对应的为u_i的三种语言值，其中，f_i1表示货架正常状态，即货架运行正常；f_i2表示货架异常状态，即货架存在故障隐患；f_i3表示货架故障状态，即货架存在故障，需要进行维护，

2.2)对输入集内的各精确量进行模糊化，根据行业标准确定输出集三种语言值对应的u_i取值范围，选取隶属度函数，得到u_i模糊化后的模糊集合A_fi1(u_i)，

设f_i1对应的取值范围为[q_i1，q_i2)，f_i2对应的取值范围是[q_i2，q_i4)，f_i3对应的取值范围是[q_i4，q_i5)，

根据指派法选取梯形函数与三角形函数相结合的线性隶属度函数如下，如附图1所示。

输出f_i1对应的隶属度函数按下式(I)：

输出f_i2对应的隶属度函数按下式(II)：

输出f_i3对应的隶属度函数按下式(III)：

2.3)将输入集U＝{u¹,u²,u³,u₄}各参数归一化后，代入A_fi1(u_i)中，分别得到u_i的三种语言值的隶属度值r_i1、r_i2、r_i3，构造综合评判矩阵

2.4)令温度的权重为w₁，湿度的权重为w₂，货架动能的权重为w₃，货架势能的权重为w₄，即评估的权重系数为W＝[w₁,w₂,w₃,w₄]，各权重值可以根据多次试验验证中给出；

3)进行单点评估

3.1)按式P＝W○R进行合成运算，得到P＝[e₁,e₂,e₃]，其中P为评估结果，e₁,e₂,e₃分别表示该采样时间点的评估输出结果落在f_i1,f_i2,f_i3三个语言值区间的隶属度，

3.2)将运算结果e₁,e₂,e₃按照最大隶属度原则进行反模糊化，max{e₁,e₂,e₃}对应的f_i1,f_i2,f_i3中的一个语言值为单点最终评估结果；

4)按步骤2)-3)，可得到N个采样时间点的单点评估结果，将货架运行正常、货架异常状态和货架故障状态出现的次数进行累加，比较货架运行正常点数、货架异常状态点数和货架故障状态点数的大小，取点数最多对应的状态为最终货架健康状况。

如附图2-5所示，本发明的一种仓储货架安全预警与健康评估装置，包括仓储货架安全预警装置01、USB连接线012和计算机02。

所述的仓储货架安全预警装置01，包括预警装置主机箱21、预警装置安装底座31和预警模块。所述的仓储货架安全预警装置01放置在货架采样点处，按时间周期T实时采集货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重信息，在仓储货架安全预警装置01发出预警时，将仓储货架安全预警装置01通过USB连接线012与计算机02连接，计算机02读取货架各采样时间点的周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度数据，按上述方法进行货架健康评估。

所述的预警装置主机箱21的底部具有凸起的燕尾211，所述的预警装置主机箱21还具有与锂电池19连接的电源开关穿出孔212、与模拟量输入通道18连接的接线端子穿出孔213、用于LED指示灯16透光的开孔214和安装USB接口17的USB接口开孔215。所述的预警装置主机箱21还具有通风孔216，所述的通风孔216位于温湿度传感器13附近。

所述的预警装置安装底座31包括安装底座本体、主机箱固定螺钉312和安装底座固定螺钉313，所述的安装底座本体上具有与预警装置主机箱21的燕尾211配合的燕尾槽311，所述的主机箱固定螺钉312用于夹紧安装在燕尾槽311内的燕尾211，所述的安装底座固定螺钉313用于将安装底座本体固定在仓储货架上。

所述的预警装置主机箱21的箱体材料和预警装置安装底座31的底座本体的材料为铝合金。

所述的预警模块安装在预警装置主机箱21内。能够监测货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重信息，并在货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重数值超出设定阈值时，进行预警。设定阈值一般用国家标准、行业标准、企业标准确定，或根据存储的物品的要求确定，如电子仓库的环境温度控制在15度～30度，电子仓库的环境湿度控制在30％～70％。

所述的预警模块包括微处理器11和分别连接在微处理器11上的FLASH存储器12、温湿度传感器13、三轴加速度传感器14、实时钟模块15、LED指示灯16、USB接口17、模拟量输入通道18和锂电池19，以上的所有器件安装在一块PCB板上。

微处理器11，是预警装置01的核心，用于控制信息的采集、存储和传输，并完成信息处理等功能。

FLASH存储器12，使用1G容量FLASH存储器，用于存储采集的信息。

温湿度传感器13，采用集成一体化传感器，通过I2C总线与微处理器11电连接，用于采集货架周边环境温度、货架周边环境湿度，生成温度与湿度信息存储至FLASH存储器12。

三轴加速度传感器14，采用集成一体化传感器，通过I2C与微处理器11电连接，用于采集货架X、Y、Z三维加速度，生成货架三维加速度信息存储至FLASH存储器12。

实时钟模块15，为预警装置01的工作提供基准实时钟。

LED指示灯16，设置2个或2个以上LED指示灯，用于预警装置01工作状态显示和报警信息显示，由微处理器11控制其点亮或熄灭。

USB接口17，是预警装置01的有线通信接口，用于与PC机或其它智能设备通信，将FLASH存储器12中存储的信息传输至PC机或其它智能设备。

模拟量输入通道18，与货架承重传感器相连，是预警装置01接入货架承重信号的过程通道。货架承重传感器是另外独立安装的装置，根据需要安装在货架的支架底部位置。

锂电池19，为预警装置01内部电路提供工作电源。锂电池19带有电源开关。

仓储货架安全预警装置01采用锂电池供电，在线实时采集仓储货架安全参数，包括货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度信息、货架承重等信息，将采集的信息存储在大容量FLASH存储器12中。

Claims (7)

1.一种仓储货架安全预警与健康评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以时间周期T采集采样点的温度、湿度、加速度，通过加速度计算每个采样时间点的货架动能和货架势能，得到N个采样时间点的温度、湿度、货架动能和货架势能；

2)建立模糊评估模型

2.1)对于每个采样时间点，输入集U＝{u₁,u₂,u₃,u₄}，其中温度为u₁，湿度为u₂，货架动能为u₃，货架势能为u₄，

设输出集F_i＝{f_i1,f_i2,f_i3}，i＝1,2,3,4，f_i1,f_i2,f_i3分别对应的为u_i的三种语言值，其中，f_i1表示货架正常状态，即货架运行正常；f_i2表示货架异常状态，即货架存在故障隐患；f_i3表示货架故障状态，即货架存在故障，需要进行维护，

2.2)对输入集内的各精确量进行模糊化，根据行业标准确定输出集三种语言值对应的u_i取值范围，选取隶属度函数，得到u_i模糊化后的模糊集合A_fi1(u_i)，

设f_i1对应的取值范围为[q_i1，q_i2)，f_i2对应的取值范围是[q_i2，q_i4)，f_i3对应的取值范围是[q_i4，q_i5)，

根据指派法选取梯形函数与三角形函数相结合的线性隶属度函数如下，

输出f_i1对应的隶属度函数按下式(I)：

输出f_i2对应的隶属度函数按下式(II)：

输出f_i3对应的隶属度函数按下式(III)：

2.3)将输入集U＝{u₁,u₂,u₃,u₄}各参数归一化后，代入

中，分别得到u_i的三种语言值的隶属度值r_i1、r_i2、r_i3，构造综合评判矩阵

2.4)令温度的权重为w₁，湿度的权重为w₂，货架动能的权重为w₃，货架势能的权重为w₄，即评估的权重系数为W＝[w₁,w₂,w₃,w₄]；

3)进行单点评估

3.1)按式P＝W○R进行合成运算，得到P＝[e₁,e₂,e₃]，其中P为评估结果，e₁,e₂,e₃分别表示该采样时间点的评估输出结果落在f_i1,f_i2,f_i3三个语言值区间的隶属度，

3.2)将运算结果e₁,e₂,e₃按照最大隶属度原则进行反模糊化，max{e₁,e₂,e₃}对应的f_i1,f_i2,f_i3中的一个语言值为单点最终评估结果；

4)按步骤2)-3)，可得到N个采样时间点的单点评估结果，将货架运行正常、货架异常状态和货架故障状态出现的次数进行累加，比较货架运行正常点数、货架异常状态点数和货架故障状态点数的大小，取点数最多对应的状态为最终货架健康状况。

2.如权利要求1所述的一种仓储货架安全预警与健康评估方法，其特征在于，所述的步骤1)中通过加速度计算每个采样时间点的货架动能和货架势能方法是，设采集的振动加速度信号数值a_k，k＝1,2,......,N，采样点处的速度为V_k，V_k＝|a_k|*T，则有，

货架在采样点振动产生的X轴坐标方向上的动能为

货架在采样点振动产生的Y轴坐标方向上的动能为

货架在采样点振动产生的Z轴坐标方向上的动能为

求得在采样点的货架动能为EK_k＝EK_kx+EK_ky+EK_kz，

货架势能为

其中，V_kx、V_ky、V_kz分别为货架在采样点X、Y、Z轴坐标方向上的振动速度，a_kz为a_k在Z轴坐标方向的分量，m_a为货架自身质量，m_b为货架上承重货物的质量，H为货架高度。

3.一种仓储货架安全预警与健康评估装置，包括仓储货架安全预警装置(01)、USB连接线(012)和计算机(02)，

所述的仓储货架安全预警装置(01)包括预警装置主机箱(21)、预警装置安装底座(31)和预警模块，所述的预警装置主机箱(21)的底部具有凸起的燕尾(211)，所述的预警装置安装底座(31)包括安装底座本体、主机箱固定螺钉(312)和安装底座固定螺钉(313)，所述的安装底座本体上具有与预警装置主机箱(21)的燕尾(211)配合的燕尾槽(311)，所述的主机箱固定螺钉(312)用于夹紧安装在燕尾槽(311)内的燕尾(211)，所述的安装底座固定螺钉(313)用于将安装底座本体固定在仓储货架上，所述的预警模块安装在预警装置主机箱(21)内，能够监测货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重信息，并在货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重数值超出设定阈值时，进行预警，

所述的仓储货架安全预警装置(01)放置在货架采样点处，按时间周期T实时采集货架周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度和货架承重信息，在仓储货架安全预警装置(01)发出预警时，将仓储货架安全预警装置(01)通过USB连接线(012)与计算机(02)连接，计算机(02)读取货架各采样时间点的周边环境温度、货架周边环境湿度、三轴加速度数据，按权利要求1所述的方法进行货架健康评估。

4.如权利要求3所述的一种仓储货架安全预警与健康评估装置，其特征在于，所述的预警模块包括微处理器(11)和分别连接在微处理器(11)上的FLASH存储器(12)、温湿度传感器(13)、三轴加速度传感器(14)、实时钟模块(15)、LED指示灯(16)、USB接口(17)、模拟量输入通道(18)和锂电池(19)，以上的所有器件安装在一块PCB板上，所述的模拟量输入通道(18)用于与安装在货架上承重传感器连接。

5.如权利要求4所述的一种仓储货架安全预警与健康评估装置，其特征在于，所述的预警装置主机箱(21)还具有与锂电池(19)连接的电源开关穿出孔(212)、与模拟量输入通道(18)连接的接线端子穿出孔(213)、用于LED指示灯(16)透光的开孔(214)和安装USB接口(17)的USB接口开孔(215)。

6.如权利要求5所述的一种仓储货架安全预警与健康评估装置，其特征在于，所述的预警装置主机箱(21)还具有通风孔(216)，所述的通风孔(216)位于温湿度传感器(13)附近。

7.如权利要求6所述的一种仓储货架安全预警与健康评估装置，其特征在于，所述的预警装置主机箱(21)的箱体材料和预警装置安装底座(31)的底座本体的材料为铝合金。

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