基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧港口數(shù)字化應(yīng)用研究

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧港口數(shù)字化應(yīng)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(yùn)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(chǎn)量占中國的35%以上，是世界上最先進(jìn)的港口操作設(shè)備和流程控制系統(tǒng)（bc）有關(guān)。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(diǎn)，集疏通道為紐帶的港口物流網(wǎng)絡(luò)。在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，港口作為綜合物流供應(yīng)鏈的核心節(jié)點(diǎn)，面臨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革帶來的轉(zhuǎn)型升級(jí)壓力。秦皇島港應(yīng)對(duì)內(nèi)外部新形勢和新要求，不斷強(qiáng)化科技創(chuàng)新對(duì)港口發(fā)展的引領(lǐng)和支撐，在現(xiàn)代港口建設(shè)中深度應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、無人機(jī)、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)，提升港口數(shù)字化、智能化水平，開展“互聯(lián)網(wǎng)+港口”工程，將港口主業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，完善港口物流信息系統(tǒng)，創(chuàng)新港口物流運(yùn)作模式，通過“數(shù)字化”“智能化”“綠色化”賦予港口發(fā)展新動(dòng)力。1智慧應(yīng)用層：構(gòu)建港口物流大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享、協(xié)同共享，提升服務(wù)質(zhì)量項(xiàng)目研究基于頂層設(shè)計(jì)和“以數(shù)據(jù)為中心”的原則，通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、無人機(jī)以及相關(guān)信息技術(shù)，提升港口物流自動(dòng)化、信息化、智能化水平。項(xiàng)目總體架構(gòu)圖見圖1，自下而上主要包括4個(gè)層面：智能感知層、基礎(chǔ)環(huán)境層、智慧應(yīng)用層和協(xié)同共享層。(1）在智能感知層，利用北斗、物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、OPC等技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)盤垛、無人機(jī)水尺識(shí)別、港口PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)池等功能，完善港口物流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的智能感知和采集，為智慧應(yīng)用層提供完整、堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。(2）在基礎(chǔ)環(huán)境層，建設(shè)企業(yè)信息專網(wǎng)和云中心，應(yīng)用RPR自愈環(huán)技術(shù)、安全網(wǎng)閘技術(shù)和三層交換技術(shù)將各港區(qū)工業(yè)控制網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)安全互聯(lián)。在云中心建設(shè)方面，建成港口云計(jì)算中心和云存儲(chǔ)中心，實(shí)現(xiàn)計(jì)算服務(wù)和存儲(chǔ)服務(wù)的虛擬化。(3）在智慧應(yīng)用層，通過對(duì)港口物流業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化和數(shù)據(jù)邏輯模型的再造，在智能感知層數(shù)據(jù)的支撐下，利用數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)港口綜合網(wǎng)上營業(yè)廳、港口一體化智能調(diào)度、港口煤炭作業(yè)管理等功能，實(shí)現(xiàn)大宗散貨在港口的智能調(diào)度和管理，建立港口物流“一單制”服務(wù)模式。(4）在協(xié)同共享層，基于對(duì)港口物流數(shù)據(jù)的整合、挖掘和增值應(yīng)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(shí)現(xiàn)鐵水聯(lián)運(yùn)、海事聯(lián)動(dòng)、到港船舶智能交通組織等功能，加快“互聯(lián)網(wǎng)+港口”的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)港口與鐵路、海事之間的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，提升港口客戶服務(wù)水平。(5）在港口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全保障體系方面，編制完成交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《干散貨信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)元標(biāo)準(zhǔn)》。2關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容2.1基礎(chǔ)物流數(shù)據(jù)的管理頂層設(shè)計(jì)和應(yīng)用功能一體化原則，即堅(jiān)持港口信息化應(yīng)用功能一盤棋，不單獨(dú)針對(duì)局部或某一環(huán)節(jié)。以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)原則，即注重對(duì)數(shù)據(jù)的采集、管理和應(yīng)用，而不以具體管理功能的實(shí)現(xiàn)為重點(diǎn)。數(shù)據(jù)集中管理和標(biāo)準(zhǔn)化原則，即建設(shè)港口數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和運(yùn)維保障，堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)智能感知和全面采集原則，即在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得手段上堅(jiān)持通過智能感知進(jìn)行采集，而不依賴于手工錄入，在采集范圍上，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口基礎(chǔ)物流數(shù)據(jù)的全域采集。運(yùn)維最簡化原則，即在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中要考慮到系統(tǒng)上線運(yùn)行后運(yùn)維工作的簡單化。2.2堆場數(shù)字化三維建模在智能感知層，利用北斗、物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、OPC等技術(shù)，通過無人機(jī)盤垛系統(tǒng)、無人機(jī)水尺測量系統(tǒng)、港口PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等的建設(shè)，完善港口物流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的智能感知和采集，實(shí)現(xiàn)煤炭物流數(shù)據(jù)在港口環(huán)節(jié)的全域采集，為智慧應(yīng)用層提供完整、堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。無人機(jī)盤垛系統(tǒng)使用無人機(jī)平臺(tái)掛載攝像機(jī)從80m高空采集堆場圖像，通過對(duì)圖像特征的提取、拼接和三維解算得到堆場數(shù)字化三維模型，然后利用微積分原理計(jì)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(diǎn)方式，大幅提高堆場盤垛效率，同時(shí)系統(tǒng)形成的堆場數(shù)字化三維模型可作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持無人堆場、無人堆取料功能的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。無人機(jī)航拍效果見圖2。無人機(jī)水尺測量系統(tǒng)利用旋翼無人機(jī)平臺(tái)，通過北斗差分定位，實(shí)現(xiàn)檢測無人機(jī)在船舶外舷的自動(dòng)飛行和精準(zhǔn)懸停，不靠近船體采集水尺圖像，通過機(jī)器學(xué)習(xí)并引用人工智能對(duì)外舷水尺進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和計(jì)算，為水尺計(jì)重提供參考，確保水尺計(jì)重的準(zhǔn)確性、客觀性和可回溯性。無人機(jī)水尺測量現(xiàn)場和測量結(jié)果見圖3。港口PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)池利用OPC技術(shù)建立管理網(wǎng)與港口控制網(wǎng)間的數(shù)據(jù)交互層，通過數(shù)據(jù)交互層實(shí)現(xiàn)管理網(wǎng)與控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、通信連接和訪問介入。通過PLC數(shù)據(jù)池采集和管理大量工控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，完整記錄各單機(jī)、各流程、各作業(yè)環(huán)節(jié)的過程數(shù)據(jù)，為碼頭作業(yè)管理、電能計(jì)量、設(shè)備管理等功能提供詳盡的數(shù)據(jù)支撐。智能閘口管理系統(tǒng)利用RFID、CCTV、二維碼等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出港區(qū)的車輛行為、車輛稱重、運(yùn)輸貨物等數(shù)據(jù)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(shù)，通過測量煤炭中的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切值并利用超聲波質(zhì)量補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)時(shí)測量煤炭含水率。環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)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(shù)字式溫濕度傳感器、風(fēng)速儀等設(shè)備對(duì)環(huán)境起塵因素進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用CCTV技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)關(guān)鍵作業(yè)區(qū)域的全范圍無死角的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。2.3基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在信息化基礎(chǔ)環(huán)境層，完善港口基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)以及港口外部企業(yè)網(wǎng)的安全互聯(lián)互通，建設(shè)港口云計(jì)算中心和云存儲(chǔ)中心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、計(jì)算服務(wù)和存儲(chǔ)服務(wù)的虛擬化?；A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基于彈性分組環(huán)（RPR）技術(shù)建成覆蓋全港區(qū)的可自愈環(huán)形主干網(wǎng)，使用安全隔離網(wǎng)閘實(shí)現(xiàn)管理網(wǎng)與工控網(wǎng)、秦皇島港網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的安全互聯(lián)。使用GPS和北斗授時(shí)設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備、終端和機(jī)械提供統(tǒng)一時(shí)間，實(shí)現(xiàn)終端間毫秒級(jí)時(shí)鐘同步，在確保操控精度、作業(yè)精度和數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，還為多源、異類數(shù)據(jù)的匹配提供有效的手段。港口云計(jì)算中心和云存儲(chǔ)中心搭建港口內(nèi)部云，面向應(yīng)用層提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺(tái)服務(wù)和軟件服務(wù)，利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的集中利用。建成港口大數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和可控共享，為應(yīng)用層提供良好的數(shù)據(jù)環(huán)境。2.4港口智能調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)概述在智慧應(yīng)用層，通過對(duì)港口物流業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化和數(shù)據(jù)邏輯模型的再造，在智能感知層數(shù)據(jù)的支撐下，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，通過港口綜合網(wǎng)上營業(yè)廳系統(tǒng)、港口一體化智能調(diào)度系統(tǒng)、港口煤炭業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、港口客戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(shè)和皮帶機(jī)除鐵器節(jié)能應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)煤炭碼頭作業(yè)的智能調(diào)度和管理，建立港口煤炭物流“一單制”服務(wù)模式，同時(shí)對(duì)港口大型機(jī)械進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造。港口綜合網(wǎng)上營業(yè)廳系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)與港口業(yè)務(wù)的深度融合，構(gòu)建大型散貨“一單制”線上業(yè)務(wù)辦理模式，對(duì)港口業(yè)務(wù)支持率達(dá)到100%，港口業(yè)務(wù)辦理效率提高約60%以上，目前客戶使用率達(dá)到90%以上，并已經(jīng)推廣到唐山港曹妃甸港區(qū)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)辦理的一體化。港口一體化智能調(diào)度系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，基于煤炭物流大數(shù)據(jù)判斷鐵路煤炭進(jìn)港趨勢、港口場存變化趨勢、航運(yùn)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(diào)度和匹配的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口有限資源的高效利用。港口煤炭業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)智能感知和全面采集的支持下，通過對(duì)煤炭作業(yè)流程的優(yōu)化和數(shù)據(jù)模型的再造，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口煤炭作業(yè)全過程、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理，精準(zhǔn)計(jì)量出大宗散貨的實(shí)時(shí)動(dòng)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(wù)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)清洗、匯聚和挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)港口客戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可視化分析。港口智能抑塵系統(tǒng)通過空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)與抑塵設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，通過PLC控制按需啟動(dòng)抑塵設(shè)備。港口能源智能化管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控港區(qū)內(nèi)水、電、油等能源消耗情況，實(shí)現(xiàn)異常用能報(bào)警以及單機(jī)、單船、單流程、單班用電量等能源實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。皮帶機(jī)除鐵器節(jié)能應(yīng)用研究利用金屬探測技術(shù)智能控制除鐵器供電，節(jié)能效果顯著。2.5港口物流服務(wù)系統(tǒng)在協(xié)同共享層，基于對(duì)港口物流數(shù)據(jù)的整合、挖掘和增值應(yīng)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(shè)鐵水聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)、海上智能交通組織平臺(tái)、海事業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、鐵路運(yùn)價(jià)成本測算比較系統(tǒng)、客戶視頻服務(wù)系統(tǒng)、港口行風(fēng)測評(píng)系統(tǒng)、港口綜合物流信息服務(wù)系統(tǒng)，加快“互聯(lián)網(wǎng)+港口”的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)港口與鐵路、港口與海事之間的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，為港口客戶和公眾提供綜合物流信息服務(wù)，提升港口服務(wù)水平。鐵水聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)基于WebService技術(shù)實(shí)現(xiàn)秦皇島港與北京鐵路局之間的信息實(shí)時(shí)交互，港口實(shí)時(shí)接收鐵路方提供的發(fā)車確報(bào)、到達(dá)確報(bào)和在途車位置信息，提供給鐵路局船舶預(yù)報(bào)、場存信息和設(shè)備信息。信息的實(shí)時(shí)交互能夠有效地支撐路港雙方生產(chǎn)的協(xié)同。海上智能交通組織平臺(tái)基于港口、海事、船代、拖船、引航數(shù)據(jù)的互通，建立以船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)為核心的船舶調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)港口與海事對(duì)到港船舶的聯(lián)合調(diào)度，并通過海事VTS數(shù)據(jù)與船舶在港期間關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)的匹配，實(shí)現(xiàn)船舶在秦皇島海域范圍內(nèi)的全過程行為管理。海事業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)通過港口與海事業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，支撐客戶線上同時(shí)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(wù)和海事業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)港口業(yè)務(wù)與海事業(yè)務(wù)的協(xié)同受理和審批。鐵路運(yùn)價(jià)成本測算比較系統(tǒng)根據(jù)煤炭運(yùn)輸通道的運(yùn)行距離、運(yùn)價(jià)構(gòu)成和價(jià)格浮動(dòng)因素，綜合測算不同運(yùn)輸通道的運(yùn)輸成本，同時(shí)結(jié)合鐵路線路圖將不同貨運(yùn)線路的運(yùn)費(fèi)價(jià)格統(tǒng)一顯示在線路圖上，使用戶能夠直觀地對(duì)比各發(fā)貨站經(jīng)不同運(yùn)輸線路到各港口的貨運(yùn)軌跡和運(yùn)費(fèi)價(jià)格?？蛻粢曨l服務(wù)系統(tǒng)依托互聯(lián)網(wǎng)，為客戶提供貨物在港區(qū)內(nèi)部各個(gè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)的視頻圖像以及與之相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)，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(fēng)測評(píng)系統(tǒng)為客戶提供意見反饋平臺(tái)，使港口及時(shí)掌握客戶滿意度。港口綜合物流信息服務(wù)系統(tǒng)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)終端向不同的用戶群推送生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、船舶預(yù)報(bào)、船舶動(dòng)態(tài)、車輛動(dòng)態(tài)、價(jià)格指數(shù)、航運(yùn)指數(shù)等港口綜合服務(wù)信息，通過對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的增值應(yīng)用提升港口服務(wù)水平。2.6運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)依托項(xiàng)目實(shí)施成果完成《干散貨信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)元》《散雜貨艙單報(bào)文》《散雜貨船圖報(bào)文》等3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)編制工作，其中《干散貨信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)元》（JT/T1065—2016）已正式發(fā)布，成為交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)覆蓋港口基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、生產(chǎn)經(jīng)營、運(yùn)輸工具共3大類數(shù)據(jù)880項(xiàng)數(shù)據(jù)元。3政府監(jiān)管服務(wù)項(xiàng)目建成后，已經(jīng)整體應(yīng)用于秦皇島港碼頭公司、港航管理部門和相關(guān)重要港口客戶，為秦皇島港10多家基層生產(chǎn)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(wù)。系統(tǒng)應(yīng)用使港口作業(yè)效率大幅提高，各港區(qū)數(shù)據(jù)上報(bào)效率提高80%以上，無人機(jī)水尺識(shí)別將水尺測量時(shí)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(dòng)信息互聯(lián)互通秦皇島港數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)在提升國家動(dòng)力煤炭物流效率，規(guī)范物流信息標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建智慧港口等方面發(fā)揮重要作用。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用推廣過程中，結(jié)合秦皇島港信息化應(yīng)用水平和物流新技術(shù)、新理念的進(jìn)步，認(rèn)為在近期應(yīng)在以下方面開展工作：(1）結(jié)合秦皇島港建設(shè)國際化企業(yè)的目標(biāo)，不斷深入推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+港口”行動(dòng)，讓互聯(lián)網(wǎng)和信息化成為企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的有力抓手