基于物联网的智慧港口数字化应用研究

基于物联网的智慧港口数字化应用研究

0秦皇岛港：“一带一路”倡议下的区域枢纽秦皇岛港有限公司是一家集能源和能源运输于一体的中心港口公司。它是世界上最大的销售铁路公司之一。它与秦铁路相连，年吞吐能力为4亿吨。煤炭产量占中国的35%以上，是世界上最先进的港口操作设备和流程控制系统（bc）有关。近年来，秦皇岛港依托环渤海区位优势，积极融入“一带一路”倡议和“京津冀”协同发展国家战略，发展势头良好，形成了以秦皇岛、唐山、沧州3大港区为载体，邯郸国际路港为辐射节点，集疏通道为纽带的港口物流网络。在经济新常态下，港口作为综合物流供应链的核心节点，面临着供给侧结构性改革带来的转型升级压力。秦皇岛港应对内外部新形势和新要求，不断强化科技创新对港口发展的引领和支撑，在现代港口建设中深度应用互联网、物联网、云计算、无人机、大数据等信息化技术，提升港口数字化、智能化水平，开展“互联网+港口”工程，将港口主业与互联网深度融合，完善港口物流信息系统，创新港口物流运作模式，通过“数字化”“智能化”“绿色化”赋予港口发展新动力。1智慧应用层：构建港口物流大数据，实现信息共享、协同共享，提升服务质量项目研究基于顶层设计和“以数据为中心”的原则，通过应用物联网、互联网、大数据、无人机以及相关信息技术，提升港口物流自动化、信息化、智能化水平。项目总体架构图见图1，自下而上主要包括4个层面：智能感知层、基础环境层、智慧应用层和协同共享层。(1）在智能感知层，利用北斗、物联网、无人机、OPC等技术实现无人机盘垛、无人机水尺识别、港口PLC系统数据池等功能，完善港口物流基础数据的智能感知和采集，为智慧应用层提供完整、坚实的数据支撑。(2）在基础环境层，建设企业信息专网和云中心，应用RPR自愈环技术、安全网闸技术和三层交换技术将各港区工业控制网、区域网和互联网安全互联。在云中心建设方面，建成港口云计算中心和云存储中心，实现计算服务和存储服务的虚拟化。(3）在智慧应用层，通过对港口物流业务流程的优化和数据逻辑模型的再造，在智能感知层数据的支撑下，利用数据库、大数据、云计算和互联网技术，实现港口综合网上营业厅、港口一体化智能调度、港口煤炭作业管理等功能，实现大宗散货在港口的智能调度和管理，建立港口物流“一单制”服务模式。(4）在协同共享层，基于对港口物流数据的整合、挖掘和增值应用，面向港口物流链上下游企业、口岸单位、政府监管部门、港口客户，通过信息的开放共享和互联互通，实现铁水联运、海事联动、到港船舶智能交通组织等功能，加快“互联网+港口”的应用，实现港口与铁路、海事之间的信息共享和业务协同，提升港口客户服务水平。(5）在港口标准规范和安全保障体系方面，编制完成交通运输行业标准《干散货信息系统数据元标准》。2关键技术内容2.1基础物流数据的管理顶层设计和应用功能一体化原则，即坚持港口信息化应用功能一盘棋，不单独针对局部或某一环节。以数据为中心的应用体系结构原则，即注重对数据的采集、管理和应用，而不以具体管理功能的实现为重点。数据集中管理和标准化原则，即建设港口数据中心，实现数据的统一存储和运维保障，坚持数据的标准化。数据智能感知和全面采集原则，即在基础数据的获得手段上坚持通过智能感知进行采集，而不依赖于手工录入，在采集范围上，实现对港口基础物流数据的全域采集。运维最简化原则，即在设计和实现过程中要考虑到系统上线运行后运维工作的简单化。2.2堆场数字化三维建模在智能感知层，利用北斗、物联网、无人机、OPC等技术，通过无人机盘垛系统、无人机水尺测量系统、港口PLC系统数据池、智能闸口管理系统、煤炭含水率在线测量系统、环境空气质量自动监测系统和视频监控系统等的建设，完善港口物流基础数据的智能感知和采集，实现煤炭物流数据在港口环节的全域采集，为智慧应用层提供完整、坚实的数据支撑。无人机盘垛系统使用无人机平台挂载摄像机从80m高空采集堆场图像，通过对图像特征的提取、拼接和三维解算得到堆场数字化三维模型，然后利用微积分原理计算出堆场垛位的体积和堆存量。该系统可有效代替大型露天堆场的人工盘点方式，大幅提高堆场盘垛效率，同时系统形成的堆场数字化三维模型可作为基础数据支持无人堆场、无人堆取料功能的开发和实现。无人机航拍效果见图2。无人机水尺测量系统利用旋翼无人机平台，通过北斗差分定位，实现检测无人机在船舶外舷的自动飞行和精准悬停，不靠近船体采集水尺图像，通过机器学习并引用人工智能对外舷水尺进行自动识别和计算，为水尺计重提供参考，确保水尺计重的准确性、客观性和可回溯性。无人机水尺测量现场和测量结果见图3。港口PLC系统数据池利用OPC技术建立管理网与港口控制网间的数据交互层，通过数据交互层实现管理网与控制网的数据转换、通信连接和访问介入。通过PLC数据池采集和管理大量工控系统数据，完整记录各单机、各流程、各作业环节的过程数据，为码头作业管理、电能计量、设备管理等功能提供详尽的数据支撑。智能闸口管理系统利用RFID、CCTV、二维码等技术，实现对进出港区的车辆行为、车辆称重、运输货物等数据的采集。煤炭含水率在线测量系统采用基于微波透射法的煤炭含水率测量技术，通过测量煤炭中的介电常数、介质损耗角正切值并利用超声波质量补偿的方法实时测量煤炭含水率。环境空气质量自动监测系统利用激光散射原理监测空气粉尘浓度，使用数字式温湿度传感器、风速仪等设备对环境起尘因素进行实时测量。视频监控系统利用CCTV技术，实现对港区关键作业区域的全范围无死角的实时视频监控。2.3基础网络建设在信息化基础环境层，完善港口基础网络，实现工控网络、企业管理网络和互联网以及港口外部企业网的安全互联互通，建设港口云计算中心和云存储中心，实现网络服务、计算服务和存储服务的虚拟化。基础网络建设基于弹性分组环（RPR）技术建成覆盖全港区的可自愈环形主干网，使用安全隔离网闸实现管理网与工控网、秦皇岛港网络与外部网络的安全互联。使用GPS和北斗授时设备为网络中的各种设备、终端和机械提供统一时间，实现终端间毫秒级时钟同步，在确保操控精度、作业精度和数据精度的同时，还为多源、异类数据的匹配提供有效的手段。港口云计算中心和云存储中心搭建港口内部云，面向应用层提供基础设施服务、平台服务和软件服务，利用虚拟化技术实现资源的集中利用。建成港口大数据中心，实现数据的集中存储和可控共享，为应用层提供良好的数据环境。2.4港口智能调度系统建设概述在智慧应用层，通过对港口物流业务流程的优化和数据逻辑模型的再造，在智能感知层数据的支撑下，利用数据库技术、大数据分析技术、云计算技术和互联网技术等，通过港口综合网上营业厅系统、港口一体化智能调度系统、港口煤炭业务管理系统、港口客户业务数据分析系统、港口智能抑尘系统、港口能源智能化管理系统建设和皮带机除铁器节能应用研究，实现煤炭码头作业的智能调度和管理，建立港口煤炭物流“一单制”服务模式，同时对港口大型机械进行节能减排技术改造。港口综合网上营业厅系统通过互联网与港口业务的深度融合，构建大型散货“一单制”线上业务办理模式，对港口业务支持率达到100%，港口业务办理效率提高约60%以上，目前客户使用率达到90%以上，并已经推广到唐山港曹妃甸港区，实现业务办理的一体化。港口一体化智能调度系统利用大数据处理分析技术，基于煤炭物流大数据判断铁路煤炭进港趋势、港口场存变化趋势、航运煤炭流向趋势和电厂需求变化趋势，创建大型散货港口作业资源智能调度和匹配的方法，实现对港口有限资源的高效利用。港口煤炭业务管理系统在基础数据智能感知和全面采集的支持下，通过对煤炭作业流程的优化和数据模型的再造，实现对港口煤炭作业全过程、实时动态管理，精准计量出大宗散货的实时动态场存量，系统能够支撑每年2亿t以上的煤炭吞吐量。港口客户业务数据分析系统利用大数据清洗、汇聚和挖掘技术实现对港口客户业务数据的可视化分析。港口智能抑尘系统通过空气质量监测数据与抑尘设备的联动，通过PLC控制按需启动抑尘设备。港口能源智能化管理系统实时监控港区内水、电、油等能源消耗情况，实现异常用能报警以及单机、单船、单流程、单班用电量等能源实时监控和管理。皮带机除铁器节能应用研究利用金属探测技术智能控制除铁器供电，节能效果显著。2.5港口物流服务系统在协同共享层，基于对港口物流数据的整合、挖掘和增值应用，面向港口物流链上下游企业、口岸单位、政府监管部门、港口客户，通过信息的开放共享和互联互通，建设铁水联运系统、海上智能交通组织平台、海事业务联动系统、铁路运价成本测算比较系统、客户视频服务系统、港口行风测评系统、港口综合物流信息服务系统，加快“互联网+港口”的应用，实现港口与铁路、港口与海事之间的信息共享和业务协同，为港口客户和公众提供综合物流信息服务，提升港口服务水平。铁水联运系统基于WebService技术实现秦皇岛港与北京铁路局之间的信息实时交互，港口实时接收铁路方提供的发车确报、到达确报和在途车位置信息，提供给铁路局船舶预报、场存信息和设备信息。信息的实时交互能够有效地支撑路港双方生产的协同。海上智能交通组织平台基于港口、海事、船代、拖船、引航数据的互通，建立以船舶动态数据为核心的船舶调度模型，实现港口与海事对到港船舶的联合调度，并通过海事VTS数据与船舶在港期间关键时间点数据的匹配，实现船舶在秦皇岛海域范围内的全过程行为管理。海事业务联动系统通过港口与海事业务数据的实时交互，支撑客户线上同时办理航次作业委托、海事审批、清单交接、改单、撤单等港口业务和海事业务，实现港口业务与海事业务的协同受理和审批。铁路运价成本测算比较系统根据煤炭运输通道的运行距离、运价构成和价格浮动因素，综合测算不同运输通道的运输成本，同时结合铁路线路图将不同货运线路的运费价格统一显示在线路图上，使用户能够直观地对比各发货站经不同运输线路到各港口的货运轨迹和运费价格。客户视频服务系统依托互联网，为客户提供货物在港区内部各个生产作业环节的视频图像以及与之相关联的生产作业数据，为客户提供了解货物在港作业情况的便捷手段。港口行风测评系统为客户提供意见反馈平台，使港口及时掌握客户满意度。港口综合物流信息服务系统基于移动互联网和移动终端向不同的用户群推送生产动态、船舶预报、船舶动态、车辆动态、价格指数、航运指数等港口综合服务信息，通过对现有数据资源的增值应用提升港口服务水平。2.6运输标准依托项目实施成果完成《干散货信息系统数据元》《散杂货舱单报文》《散杂货船图报文》等3项标准编制工作，其中《干散货信息系统数据元》（JT/T1065—2016）已正式发布，成为交通运输行业标准。该标准覆盖港口基础设施设备、生产经营、运输工具共3大类数据880项数据元。3政府监管服务项目建成后，已经整体应用于秦皇岛港码头公司、港航管理部门和相关重要港口客户，为秦皇岛港10多家基层生产单位、119家煤炭客户、36家船代和海事等政府监管部门提供服务。系统应用使港口作业效率大幅提高，各港区数据上报效率提高80%以上，无人机水尺识别将水尺测量时间减少50%以上，港口与海事、铁路间信息传递效率提高80%以上。4加大科技投入，推动信息互联互通秦皇岛港数字化应用系统的建设在提升国家动力煤炭物流效率，规范物流信息标准，构建智慧港口等方面发挥重要作用。在系统的设计、实现和应用推广过程中，结合秦皇岛港信息化应用水平和物流新技术、新理念的进步，认为在近期应在以下方面开展工作：(1）结合秦皇岛港建设国际化企业的目标，不断深入推进“互联网+港口”行动，让互联网和信息化成为企业转型发展的有力抓手