基于物聯(lián)網的智慧港口數字化應用研究

基于物聯(lián)網的智慧港口數字化應用研究

0秦皇島港：“一帶一路”倡議下的區(qū)域樞紐秦皇島港有限公司是一家集能源和能源運輸于一體的中心港口公司。它是世界上最大的銷售鐵路公司之一。它與秦鐵路相連，年吞吐能力為4億噸。煤炭產量占中國的35%以上，是世界上最先進的港口操作設備和流程控制系統(tǒng)（bc）有關。近年來，秦皇島港依托環(huán)渤海區(qū)位優(yōu)勢，積極融入“一帶一路”倡議和“京津冀”協(xié)同發(fā)展國家戰(zhàn)略，發(fā)展勢頭良好，形成了以秦皇島、唐山、滄州3大港區(qū)為載體，邯鄲國際路港為輻射節(jié)點，集疏通道為紐帶的港口物流網絡。在經濟新常態(tài)下，港口作為綜合物流供應鏈的核心節(jié)點，面臨著供給側結構性改革帶來的轉型升級壓力。秦皇島港應對內外部新形勢和新要求，不斷強化科技創(chuàng)新對港口發(fā)展的引領和支撐，在現(xiàn)代港口建設中深度應用互聯(lián)網、物聯(lián)網、云計算、無人機、大數據等信息化技術，提升港口數字化、智能化水平，開展“互聯(lián)網+港口”工程，將港口主業(yè)與互聯(lián)網深度融合，完善港口物流信息系統(tǒng)，創(chuàng)新港口物流運作模式，通過“數字化”“智能化”“綠色化”賦予港口發(fā)展新動力。1智慧應用層：構建港口物流大數據，實現(xiàn)信息共享、協(xié)同共享，提升服務質量項目研究基于頂層設計和“以數據為中心”的原則，通過應用物聯(lián)網、互聯(lián)網、大數據、無人機以及相關信息技術，提升港口物流自動化、信息化、智能化水平。項目總體架構圖見圖1，自下而上主要包括4個層面：智能感知層、基礎環(huán)境層、智慧應用層和協(xié)同共享層。(1）在智能感知層，利用北斗、物聯(lián)網、無人機、OPC等技術實現(xiàn)無人機盤垛、無人機水尺識別、港口PLC系統(tǒng)數據池等功能，完善港口物流基礎數據的智能感知和采集，為智慧應用層提供完整、堅實的數據支撐。(2）在基礎環(huán)境層，建設企業(yè)信息專網和云中心，應用RPR自愈環(huán)技術、安全網閘技術和三層交換技術將各港區(qū)工業(yè)控制網、區(qū)域網和互聯(lián)網安全互聯(lián)。在云中心建設方面，建成港口云計算中心和云存儲中心，實現(xiàn)計算服務和存儲服務的虛擬化。(3）在智慧應用層，通過對港口物流業(yè)務流程的優(yōu)化和數據邏輯模型的再造，在智能感知層數據的支撐下，利用數據庫、大數據、云計算和互聯(lián)網技術，實現(xiàn)港口綜合網上營業(yè)廳、港口一體化智能調度、港口煤炭作業(yè)管理等功能，實現(xiàn)大宗散貨在港口的智能調度和管理，建立港口物流“一單制”服務模式。(4）在協(xié)同共享層，基于對港口物流數據的整合、挖掘和增值應用，面向港口物流鏈上下游企業(yè)、口岸單位、政府監(jiān)管部門、港口客戶，通過信息的開放共享和互聯(lián)互通，實現(xiàn)鐵水聯(lián)運、海事聯(lián)動、到港船舶智能交通組織等功能，加快“互聯(lián)網+港口”的應用，實現(xiàn)港口與鐵路、海事之間的信息共享和業(yè)務協(xié)同，提升港口客戶服務水平。(5）在港口標準規(guī)范和安全保障體系方面，編制完成交通運輸行業(yè)標準《干散貨信息系統(tǒng)數據元標準》。2關鍵技術內容2.1基礎物流數據的管理頂層設計和應用功能一體化原則，即堅持港口信息化應用功能一盤棋，不單獨針對局部或某一環(huán)節(jié)。以數據為中心的應用體系結構原則，即注重對數據的采集、管理和應用，而不以具體管理功能的實現(xiàn)為重點。數據集中管理和標準化原則，即建設港口數據中心，實現(xiàn)數據的統(tǒng)一存儲和運維保障，堅持數據的標準化。數據智能感知和全面采集原則，即在基礎數據的獲得手段上堅持通過智能感知進行采集，而不依賴于手工錄入，在采集范圍上，實現(xiàn)對港口基礎物流數據的全域采集。運維最簡化原則，即在設計和實現(xiàn)過程中要考慮到系統(tǒng)上線運行后運維工作的簡單化。2.2堆場數字化三維建模在智能感知層，利用北斗、物聯(lián)網、無人機、OPC等技術，通過無人機盤垛系統(tǒng)、無人機水尺測量系統(tǒng)、港口PLC系統(tǒng)數據池、智能閘口管理系統(tǒng)、煤炭含水率在線測量系統(tǒng)、環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等的建設，完善港口物流基礎數據的智能感知和采集，實現(xiàn)煤炭物流數據在港口環(huán)節(jié)的全域采集，為智慧應用層提供完整、堅實的數據支撐。無人機盤垛系統(tǒng)使用無人機平臺掛載攝像機從80m高空采集堆場圖像，通過對圖像特征的提取、拼接和三維解算得到堆場數字化三維模型，然后利用微積分原理計算出堆場垛位的體積和堆存量。該系統(tǒng)可有效代替大型露天堆場的人工盤點方式，大幅提高堆場盤垛效率，同時系統(tǒng)形成的堆場數字化三維模型可作為基礎數據支持無人堆場、無人堆取料功能的開發(fā)和實現(xiàn)。無人機航拍效果見圖2。無人機水尺測量系統(tǒng)利用旋翼無人機平臺，通過北斗差分定位，實現(xiàn)檢測無人機在船舶外舷的自動飛行和精準懸停，不靠近船體采集水尺圖像，通過機器學習并引用人工智能對外舷水尺進行自動識別和計算，為水尺計重提供參考，確保水尺計重的準確性、客觀性和可回溯性。無人機水尺測量現(xiàn)場和測量結果見圖3。港口PLC系統(tǒng)數據池利用OPC技術建立管理網與港口控制網間的數據交互層，通過數據交互層實現(xiàn)管理網與控制網的數據轉換、通信連接和訪問介入。通過PLC數據池采集和管理大量工控系統(tǒng)數據，完整記錄各單機、各流程、各作業(yè)環(huán)節(jié)的過程數據，為碼頭作業(yè)管理、電能計量、設備管理等功能提供詳盡的數據支撐。智能閘口管理系統(tǒng)利用RFID、CCTV、二維碼等技術，實現(xiàn)對進出港區(qū)的車輛行為、車輛稱重、運輸貨物等數據的采集。煤炭含水率在線測量系統(tǒng)采用基于微波透射法的煤炭含水率測量技術，通過測量煤炭中的介電常數、介質損耗角正切值并利用超聲波質量補償的方法實時測量煤炭含水率。環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)利用激光散射原理監(jiān)測空氣粉塵濃度，使用數字式溫濕度傳感器、風速儀等設備對環(huán)境起塵因素進行實時測量。視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用CCTV技術，實現(xiàn)對港區(qū)關鍵作業(yè)區(qū)域的全范圍無死角的實時視頻監(jiān)控。2.3基礎網絡建設在信息化基礎環(huán)境層，完善港口基礎網絡，實現(xiàn)工控網絡、企業(yè)管理網絡和互聯(lián)網以及港口外部企業(yè)網的安全互聯(lián)互通，建設港口云計算中心和云存儲中心，實現(xiàn)網絡服務、計算服務和存儲服務的虛擬化。基礎網絡建設基于彈性分組環(huán)（RPR）技術建成覆蓋全港區(qū)的可自愈環(huán)形主干網，使用安全隔離網閘實現(xiàn)管理網與工控網、秦皇島港網絡與外部網絡的安全互聯(lián)。使用GPS和北斗授時設備為網絡中的各種設備、終端和機械提供統(tǒng)一時間，實現(xiàn)終端間毫秒級時鐘同步，在確保操控精度、作業(yè)精度和數據精度的同時，還為多源、異類數據的匹配提供有效的手段。港口云計算中心和云存儲中心搭建港口內部云，面向應用層提供基礎設施服務、平臺服務和軟件服務，利用虛擬化技術實現(xiàn)資源的集中利用。建成港口大數據中心，實現(xiàn)數據的集中存儲和可控共享，為應用層提供良好的數據環(huán)境。2.4港口智能調度系統(tǒng)建設概述在智慧應用層，通過對港口物流業(yè)務流程的優(yōu)化和數據邏輯模型的再造，在智能感知層數據的支撐下，利用數據庫技術、大數據分析技術、云計算技術和互聯(lián)網技術等，通過港口綜合網上營業(yè)廳系統(tǒng)、港口一體化智能調度系統(tǒng)、港口煤炭業(yè)務管理系統(tǒng)、港口客戶業(yè)務數據分析系統(tǒng)、港口智能抑塵系統(tǒng)、港口能源智能化管理系統(tǒng)建設和皮帶機除鐵器節(jié)能應用研究，實現(xiàn)煤炭碼頭作業(yè)的智能調度和管理，建立港口煤炭物流“一單制”服務模式，同時對港口大型機械進行節(jié)能減排技術改造。港口綜合網上營業(yè)廳系統(tǒng)通過互聯(lián)網與港口業(yè)務的深度融合，構建大型散貨“一單制”線上業(yè)務辦理模式，對港口業(yè)務支持率達到100%，港口業(yè)務辦理效率提高約60%以上，目前客戶使用率達到90%以上，并已經推廣到唐山港曹妃甸港區(qū)，實現(xiàn)業(yè)務辦理的一體化。港口一體化智能調度系統(tǒng)利用大數據處理分析技術，基于煤炭物流大數據判斷鐵路煤炭進港趨勢、港口場存變化趨勢、航運煤炭流向趨勢和電廠需求變化趨勢，創(chuàng)建大型散貨港口作業(yè)資源智能調度和匹配的方法，實現(xiàn)對港口有限資源的高效利用。港口煤炭業(yè)務管理系統(tǒng)在基礎數據智能感知和全面采集的支持下，通過對煤炭作業(yè)流程的優(yōu)化和數據模型的再造，實現(xiàn)對港口煤炭作業(yè)全過程、實時動態(tài)管理，精準計量出大宗散貨的實時動態(tài)場存量，系統(tǒng)能夠支撐每年2億t以上的煤炭吞吐量。港口客戶業(yè)務數據分析系統(tǒng)利用大數據清洗、匯聚和挖掘技術實現(xiàn)對港口客戶業(yè)務數據的可視化分析。港口智能抑塵系統(tǒng)通過空氣質量監(jiān)測數據與抑塵設備的聯(lián)動，通過PLC控制按需啟動抑塵設備。港口能源智能化管理系統(tǒng)實時監(jiān)控港區(qū)內水、電、油等能源消耗情況，實現(xiàn)異常用能報警以及單機、單船、單流程、單班用電量等能源實時監(jiān)控和管理。皮帶機除鐵器節(jié)能應用研究利用金屬探測技術智能控制除鐵器供電，節(jié)能效果顯著。2.5港口物流服務系統(tǒng)在協(xié)同共享層，基于對港口物流數據的整合、挖掘和增值應用，面向港口物流鏈上下游企業(yè)、口岸單位、政府監(jiān)管部門、港口客戶，通過信息的開放共享和互聯(lián)互通，建設鐵水聯(lián)運系統(tǒng)、海上智能交通組織平臺、海事業(yè)務聯(lián)動系統(tǒng)、鐵路運價成本測算比較系統(tǒng)、客戶視頻服務系統(tǒng)、港口行風測評系統(tǒng)、港口綜合物流信息服務系統(tǒng)，加快“互聯(lián)網+港口”的應用，實現(xiàn)港口與鐵路、港口與海事之間的信息共享和業(yè)務協(xié)同，為港口客戶和公眾提供綜合物流信息服務，提升港口服務水平。鐵水聯(lián)運系統(tǒng)基于WebService技術實現(xiàn)秦皇島港與北京鐵路局之間的信息實時交互，港口實時接收鐵路方提供的發(fā)車確報、到達確報和在途車位置信息，提供給鐵路局船舶預報、場存信息和設備信息。信息的實時交互能夠有效地支撐路港雙方生產的協(xié)同。海上智能交通組織平臺基于港口、海事、船代、拖船、引航數據的互通，建立以船舶動態(tài)數據為核心的船舶調度模型，實現(xiàn)港口與海事對到港船舶的聯(lián)合調度，并通過海事VTS數據與船舶在港期間關鍵時間點數據的匹配，實現(xiàn)船舶在秦皇島海域范圍內的全過程行為管理。海事業(yè)務聯(lián)動系統(tǒng)通過港口與海事業(yè)務數據的實時交互，支撐客戶線上同時辦理航次作業(yè)委托、海事審批、清單交接、改單、撤單等港口業(yè)務和海事業(yè)務，實現(xiàn)港口業(yè)務與海事業(yè)務的協(xié)同受理和審批。鐵路運價成本測算比較系統(tǒng)根據煤炭運輸通道的運行距離、運價構成和價格浮動因素，綜合測算不同運輸通道的運輸成本，同時結合鐵路線路圖將不同貨運線路的運費價格統(tǒng)一顯示在線路圖上，使用戶能夠直觀地對比各發(fā)貨站經不同運輸線路到各港口的貨運軌跡和運費價格?？蛻粢曨l服務系統(tǒng)依托互聯(lián)網，為客戶提供貨物在港區(qū)內部各個生產作業(yè)環(huán)節(jié)的視頻圖像以及與之相關聯(lián)的生產作業(yè)數據，為客戶提供了解貨物在港作業(yè)情況的便捷手段。港口行風測評系統(tǒng)為客戶提供意見反饋平臺，使港口及時掌握客戶滿意度。港口綜合物流信息服務系統(tǒng)基于移動互聯(lián)網和移動終端向不同的用戶群推送生產動態(tài)、船舶預報、船舶動態(tài)、車輛動態(tài)、價格指數、航運指數等港口綜合服務信息，通過對現(xiàn)有數據資源的增值應用提升港口服務水平。2.6運輸標準依托項目實施成果完成《干散貨信息系統(tǒng)數據元》《散雜貨艙單報文》《散雜貨船圖報文》等3項標準編制工作，其中《干散貨信息系統(tǒng)數據元》（JT/T1065—2016）已正式發(fā)布，成為交通運輸行業(yè)標準。該標準覆蓋港口基礎設施設備、生產經營、運輸工具共3大類數據880項數據元。3政府監(jiān)管服務項目建成后，已經整體應用于秦皇島港碼頭公司、港航管理部門和相關重要港口客戶，為秦皇島港10多家基層生產單位、119家煤炭客戶、36家船代和海事等政府監(jiān)管部門提供服務。系統(tǒng)應用使港口作業(yè)效率大幅提高，各港區(qū)數據上報效率提高80%以上，無人機水尺識別將水尺測量時間減少50%以上，港口與海事、鐵路間信息傳遞效率提高80%以上。4加大科技投入，推動信息互聯(lián)互通秦皇島港數字化應用系統(tǒng)的建設在提升國家動力煤炭物流效率，規(guī)范物流信息標準，構建智慧港口等方面發(fā)揮重要作用。在系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)和應用推廣過程中，結合秦皇島港信息化應用水平和物流新技術、新理念的進步，認為在近期應在以下方面開展工作：(1）結合秦皇島港建設國際化企業(yè)的目標，不斷深入推進“互聯(lián)網+港口”行動，讓互聯(lián)網和信息化成為企業(yè)轉型發(fā)展的有力抓手