碼頭可視化智能管控系統(tǒng)

1、碼頭可視化智能管控系統(tǒng)摘要：為確保碼頭生產(chǎn)作業(yè)的安全性和管理效益的提 高，針對(duì)碼頭的作業(yè)操作部門(mén)，提供智能化的管控手段；利 用GNSS衛(wèi)星定位和UWB無(wú)線定位技術(shù)結(jié)合 GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各 類(lèi)作業(yè)機(jī)械的準(zhǔn)確定位與狀態(tài)的顯示，并通過(guò)PLC的控制實(shí)現(xiàn)大機(jī)的實(shí)時(shí)作業(yè)安全監(jiān)控及大機(jī)間的安全防撞預(yù)警，以便 合理調(diào)度、規(guī)避危險(xiǎn)和事故的發(fā)生。關(guān)鍵詞：GNSS衛(wèi)星定位；UWB無(wú)線定位；GIS系統(tǒng)；跑 垛分系統(tǒng)；GPS移動(dòng)站中圖分類(lèi)號(hào)： TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1007-9416（2017）04-0018-02碼頭生產(chǎn)作業(yè)對(duì)安全性要求較高，因此經(jīng)常需要對(duì)大型 設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)位置的追蹤和定位。傳統(tǒng)的監(jiān)

2、測(cè)方法，主要有 位置編碼器定位或 GPS定位，可是這些方法各有不同的局限 性。采用位置編碼器定位， 往往響應(yīng)延遲和累積誤差都較大。 而采用GPS定位，往往存在米級(jí)誤差，并且無(wú)法解決封閉料 倉(cāng)的定位問(wèn)題。為了提高港區(qū)碼頭的作業(yè)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、降低生 產(chǎn)事故和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并進(jìn)一步提升碼頭的信息化水平 和可視化管理水平，本文以GNSS技術(shù)及UWB技術(shù)等智能定 位應(yīng)用系統(tǒng)，結(jié)合 PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)機(jī)械和場(chǎng)地垛 位的可視化智能管控。1 系統(tǒng)功能 本系統(tǒng)引入衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)及超寬頻無(wú)線定位技術(shù)等智能定位應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)機(jī)械的可視化監(jiān)控和智能化調(diào)度。作業(yè)機(jī)械與場(chǎng)地垛位的準(zhǔn)確定位，以及作業(yè)

3、過(guò)程的 實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)調(diào)度 與機(jī)械司機(jī)作業(yè)指令的實(shí)時(shí)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率的實(shí)時(shí) 分析，有效提高碼頭作業(yè)效率； 同時(shí)實(shí)現(xiàn)作業(yè)量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)， 避免人為因素干擾，大大提高了碼頭堆場(chǎng)的智能化管理水平。大機(jī)上安裝高精度定位測(cè)姿系統(tǒng)，有效檢測(cè)大機(jī)的作業(yè)位置與大臂斗輪的位置，通過(guò) PLC的控制實(shí)現(xiàn)大機(jī)的實(shí)時(shí)作業(yè)安全監(jiān)控及大機(jī)間的安全防撞，顯著提升了碼頭生產(chǎn)作業(yè)的安 全性，規(guī)避生產(chǎn)事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。2 系統(tǒng)概述本系統(tǒng)利用衛(wèi)星定位技術(shù)（GNSS、超寬頻無(wú)線定位技 術(shù)（UWB）、與地理信息系統(tǒng)（GIS、以及無(wú)線通訊技術(shù)，在 原有的生產(chǎn)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，建立碼頭可視化智能管控系統(tǒng)。本

4、系統(tǒng)堆取料機(jī)定位與安全控制依靠GNSS高精度雙頻定位測(cè)向和實(shí)時(shí)的 RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)，GIS系統(tǒng)計(jì)算出堆取料機(jī) 機(jī)身和懸臂頂端當(dāng)前的實(shí)時(shí)高精度位置，大機(jī)的控制中心提 供接口將大機(jī)的位置信息與安全控制信息發(fā)送給PLC系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)大機(jī)的位置與可視化展示和自動(dòng)安全控制針對(duì)封閉料倉(cāng)內(nèi)無(wú)法使用 GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)品， 且RFID、WIFI 等定位手段無(wú)法達(dá)到厘米級(jí)定位精度的要求，所 以本系統(tǒng)采用 UWB 定位技術(shù)。通過(guò)系統(tǒng)對(duì)堆取料機(jī)上安裝 的定位標(biāo)簽的位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆取料機(jī)的定位，將堆取料 機(jī)的位置與姿態(tài)信息接入 PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)的安 全自動(dòng)控制。3 系統(tǒng)組成系統(tǒng)分成相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)分系統(tǒng)：

5、GNSS基準(zhǔn)站分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度與安全監(jiān)控分系統(tǒng)、車(chē)載移 動(dòng)站分系統(tǒng)、跑垛分系統(tǒng)、堆取料機(jī)GPS移動(dòng)站分系統(tǒng)、圭寸閉料倉(cāng) UWB 定位分系統(tǒng)。相關(guān)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、 無(wú)線系統(tǒng)以及碼頭生產(chǎn)操作系統(tǒng)。碼頭可視化智能管控系統(tǒng) 圖如圖 1。4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 GNSS基準(zhǔn)站分系統(tǒng)GNSS基準(zhǔn)站分系統(tǒng)負(fù)責(zé)生成差分改正數(shù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處 理中心分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給車(chē)載移動(dòng)站定位分系統(tǒng)中所有車(chē)載移 動(dòng)站終端設(shè)備。差分信息的播發(fā)的連續(xù)性和可靠性直接關(guān)系到全場(chǎng)的所有作業(yè)車(chē)輛的 GNSS定位精度。鑒于GNSSS準(zhǔn)站分系統(tǒng)在 整個(gè)系統(tǒng)的重要性，系統(tǒng)采用兩套 GNSS接收機(jī)進(jìn)行冗余熱 備，同時(shí)向GNS

6、S數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)發(fā)送產(chǎn)生的差分改正 信息以及基準(zhǔn)站 GNSS接收機(jī)自身的定位狀態(tài)； GNSS中心選 定其中一臺(tái)基準(zhǔn)站做為主站，另一臺(tái)做為從站，當(dāng)檢測(cè)主站 基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)選擇從站的基 準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)做為主站，從而保證GNSS系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定 性。4.2 數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)獲取 GNSS基準(zhǔn)站分系統(tǒng)發(fā)送的差分 改正信息，監(jiān)控基準(zhǔn)站接收機(jī)的工作狀態(tài)；通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)接 收大機(jī)的位置信息，并將實(shí)時(shí)位置信息存入GNSS數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)與控制系統(tǒng)及生產(chǎn)管理系統(tǒng)的接口，為系統(tǒng)提供安全生 產(chǎn)與預(yù)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)；實(shí)現(xiàn)調(diào)度作業(yè)指令的實(shí)時(shí)上傳下 達(dá)。數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器采用

7、雙機(jī)集群服務(wù)器、并使用 UPS 電源。4.3 作業(yè)調(diào)度與安全監(jiān)控分系統(tǒng) 作業(yè)調(diào)度與安全監(jiān)控分系統(tǒng)可展示場(chǎng)區(qū)作業(yè)狀況，如顯示作業(yè)機(jī)械位、各垛位的貨物信息（貨主、貨名、噸數(shù)、起 垛時(shí)間等信息） 以及垛位進(jìn)出的動(dòng)態(tài)信息、 港區(qū)地物等要素。 可指定任意作業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)軌跡回放，指定任意作業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn) 跟蹤漫游。接收數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)發(fā)送的作業(yè)區(qū)內(nèi)被監(jiān)控設(shè)備 的位置信息， 并發(fā)送作業(yè)調(diào)度指令。 作業(yè)調(diào)度指令通過(guò) GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至作業(yè)機(jī)械的車(chē)載GNSS終端，司機(jī)確認(rèn)操作后，信息再回 ?鞲?作業(yè)調(diào)度與安全監(jiān)控分系統(tǒng)。4.4 車(chē)載移動(dòng)站分系統(tǒng)車(chē)載移動(dòng)站分系統(tǒng)通過(guò) GPRS接收GNSS數(shù)據(jù)處理中分系 統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的差分改

8、正數(shù)；通過(guò) GPRS#位置信息回傳至 GNSS 數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)；到達(dá)指令位置后自動(dòng)上傳到達(dá)信息， 并提醒司機(jī)到達(dá)；對(duì)調(diào)度作業(yè)指令答復(fù)及完成確認(rèn)；與調(diào)度 終端的文字通訊功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：在港區(qū)的作業(yè)機(jī)械車(chē)輛上安裝GNSS定位終端。GNSS定位終端接收GNSS差分改正數(shù)后，實(shí)現(xiàn)高精度定位，精度可 達(dá)0.5m (CEF)，同時(shí)將定位信息通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)回傳到 GNSS 數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)，進(jìn)行車(chē)輛定位監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 GNSS 定位終端接收GNSS數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的調(diào)度作業(yè)信 息，結(jié)合GIS信息與GNSS實(shí)時(shí)定位信息，進(jìn)行位置校核， 實(shí)現(xiàn)作業(yè)指令位置到達(dá)觸發(fā)、走垛位置判斷等功能。4.5

9、 跑垛分系統(tǒng)跑垛分系統(tǒng)結(jié)合高精度 GNSS GIS信息，實(shí)現(xiàn)跺位信息 的更新維護(hù)(跑跺) ，對(duì)垛位實(shí)施精準(zhǔn)化管理。根據(jù)前一天 的跺位變化情況， 生成跑跺清單， 按清單要求進(jìn)行跑跺作業(yè)， 在垛位邊界上確認(rèn)位置，從而自動(dòng)生成垛位邊界準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。在港區(qū)的專(zhuān)用車(chē)輛安裝 GNSS手持定位終端。GNSS手持 定位終端實(shí)現(xiàn)高精度定位，定位精度達(dá)到分米級(jí)；利用高精度的GNSS定位信息，通過(guò)跑車(chē)對(duì)垛位邊界的實(shí)時(shí)測(cè)量，準(zhǔn) 確的獲得垛位邊界信息。系統(tǒng)支持采用坐標(biāo)3-6點(diǎn)GNSS數(shù)據(jù)圈定多邊形貨垛位置等功能。GNSS手持定位終端通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)接收機(jī) GNSS基準(zhǔn)站 播發(fā)的GNSS差分改正數(shù)，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位。該終端支

10、持 WindowsCE系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收 GNSS高精度定位信息，實(shí)時(shí)的 對(duì)垛位邊界進(jìn)行位置測(cè)量，從而對(duì)貨垛邊界進(jìn)行確定，自動(dòng) 生成垛位邊界信息。4.6堆取料機(jī)GPS移動(dòng)站分系統(tǒng) 堆取料機(jī)的定位與懸臂姿態(tài)計(jì)算給司機(jī)提供位置導(dǎo)航 和作業(yè)過(guò)程可視化，提供堆取料機(jī)定位信息給PLC進(jìn)行堆取料機(jī)安全作業(yè)以及作業(yè)垛位錯(cuò)誤控制。每臺(tái)移動(dòng)站配置一臺(tái)終端、一個(gè)IPC-VT定位控制設(shè)備、兩個(gè)GNSS天線和一個(gè)電臺(tái)天線，定位控制設(shè)備和 GNSS天線 之間串接避雷器，控制器通過(guò)串口與堆取料機(jī)PLC通訊模塊連接。一個(gè)GNSS天線安裝在懸臂靠近前部一側(cè)，另一個(gè)GNSS天線安裝在大機(jī)后端距離前部天線 5m 以上，定位控制設(shè)備

11、安裝于駕駛室或電氣柜內(nèi)。司機(jī)室可以安裝圖形化工控終端，與PLC的通訊相連，根據(jù)大機(jī)的位置進(jìn)行位置作業(yè)導(dǎo)航顯示，同時(shí)可看到其他堆 取料機(jī)位置。4.7 封閉料倉(cāng) UWB 定位分系統(tǒng) 在封閉料倉(cāng)頂棚上以格狀安置超寬頻無(wú)線定位接收器， 并在大機(jī)上多部位放置定位標(biāo)簽，標(biāo)簽每秒發(fā)射1100次信號(hào)，通過(guò)定位接收器實(shí)時(shí)接收標(biāo)簽發(fā)出的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)到 定位處理器進(jìn)行處理，計(jì)算每個(gè)標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置（也就是需 要被跟蹤的目標(biāo)所處位置及運(yùn)動(dòng)軌跡） 。每一個(gè)標(biāo)簽都具有 有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的識(shí)別號(hào)，所以定位系統(tǒng)就知道每一個(gè)標(biāo)簽 在每一個(gè)時(shí)刻的位置以及運(yùn)動(dòng)信息。然后根據(jù)標(biāo)簽的位置再 實(shí)時(shí)分析出大機(jī)的位置與姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大機(jī)的定位

12、，同 時(shí)，將大機(jī)的位置與姿態(tài)信息接入大機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控 中心實(shí)時(shí)監(jiān)控大機(jī)作業(yè)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并與實(shí)時(shí)位置進(jìn)行比對(duì)， 生成報(bào)警信息，發(fā)給相應(yīng)的移動(dòng)站或大機(jī)的PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警信息進(jìn)行報(bào)警提示，提醒司機(jī)注意，并實(shí)現(xiàn)大 機(jī)在危險(xiǎn)狀況下的自動(dòng)制動(dòng)，避免事故的發(fā)生。5 結(jié)語(yǔ) 綜上，本文對(duì)碼頭可視化智能管控系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹， 對(duì)其車(chē)載移動(dòng)站分系統(tǒng)、跑垛分系統(tǒng)、堆取料機(jī)GPS移動(dòng)站分系統(tǒng)和圭寸閉料倉(cāng) UWB定位分系統(tǒng)的功能一一做出了分析， 做到作業(yè)車(chē)輛快速定位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意車(chē)輛實(shí)現(xiàn)漫游跟蹤、 軌跡回放等功能，對(duì)垛位的空間、圭閉料?區(qū)域?qū)嵤┝丝梢暬芾恚瑢?duì)大機(jī)的作業(yè)實(shí)施了智能控制，實(shí)現(xiàn)了碼頭作業(yè)運(yùn) 行的管控一體化，提高了工作效益