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，集疏通道為紐帶的港口物流網(wǎng)絡(luò)。在經(jīng)濟新常態(tài)下，港口作為綜合物流供應(yīng)鏈的核心節(jié)點，面臨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革帶來的轉(zhuǎn)型升級壓力。秦皇島港應(yīng)對內(nèi)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(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)、云計算、無人機、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)新港口物流運作模式，通過“數(shù)字化”“智能化”“綠色化”賦予港口發(fā)展新動力。1智慧應(yīng)用層：構(gòu)建港口物流大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息共享、協(xié)同共享，提升服務(wù)質(zhì)量項目研究基于頂層設(shè)計和“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)、無人機以及相關(guān)信息技術(shù)，提升港口物流自動化、信息化、智能化水平。項目總體架構(gòu)圖見圖1，自下而上主要包括4個層面：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、OPC等技術(shù)實現(xiàn)無人機盤垛、無人機水尺識別、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、堅實的數(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，建成港口云計算中心和云存儲中心，實現(xiàn)計算服務(wù)和存儲服務(wù)的虛擬化。(3）在智慧應(yīng)用層，通過對港口物流業(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)、云計算和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(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(wǎng)+港口”的應(yīng)用，實現(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)計和應(yīng)用功能一體化原則，即堅持港口信息化應(yīng)用功能一盤棋，不單獨針對局部或某一環(huán)節(jié)。以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)原則，即注重對數(shù)據(jù)的采集、管理和應(yīng)用，而不以具體管理功能的實現(xiàn)為重點。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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲和運維保障，堅持?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(chǔ)物流數(shù)據(jù)的全域采集。運維最簡化原則，即在設(shè)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(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、OPC等技術(shù)，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(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、堅實的數(shù)據(jù)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(shù)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(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(zhǔn)懸停，不靠近船體采集水尺圖像，通過機器學(xué)習(xí)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(zhǔn)確性、客觀性和可回溯性。無人機水尺測量現(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、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)，實現(xiàn)對進出港區(qū)的車輛行為、車輛稱重、運輸貨物等數(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)量補償?shù)姆椒▽崟r測量煤炭含水率。環(huán)境空氣質(zhì)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(shù)字式溫濕度傳感器、風(fēng)速儀等設(shè)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(shù)，實現(xiàn)對港區(qū)關(guān)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(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)港口云計算中心和云存儲中心，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、計算服務(wù)和存儲服務(wù)的虛擬化。基礎(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和北斗授時設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)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(shù)據(jù)精度的同時，還為多源、異類數(shù)據(jù)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(nèi)部云，面向應(yīng)用層提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺服務(wù)和軟件服務(wù)，利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)資源的集中利用。建成港口大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲和可控共享，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)和皮帶機除鐵器節(jié)能應(yīng)用研究，實現(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，同時對港口大型機械進行節(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(diào)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(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，通過對煤炭作業(yè)流程的優(yōu)化和數(shù)據(jù)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(zhǔn)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(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)實現(xiàn)對港口客戶業(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，通過PLC控制按需啟動抑塵設(shè)備。港口能源智能化管理系統(tǒng)實時監(jiān)控港區(qū)內(nèi)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(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)運系統(tǒng)、海上智能交通組織平臺、海事業(yè)務(wù)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(wù)系統(tǒng)、港口行風(fēng)測評系統(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)運系統(tǒng)基于WebService技術(shù)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(dá)確報和在途車位置信息，提供給鐵路局船舶預(yù)報、場存信息和設(shè)備信息。信息的實時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，建立以船舶動態(tài)數(shù)據(jù)為核心的船舶調(diào)度模型，實現(xiàn)港口與海事對到港船舶的聯(lián)合調(diào)度，并通過海事VTS數(shù)據(jù)與船舶在港期間關(guān)鍵時間點數(shù)據(jù)的匹配，實現(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)動系統(tǒng)通過港口與海事業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(wù)和海事業(yè)務(wù)，實現(xiàn)港口業(yè)務(wù)與海事業(yè)務(wù)的協(xié)同受理和審批。鐵路運價成本測算比較系統(tǒng)根據(jù)煤炭運輸通道的運行距離、運價構(gòu)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(jié)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(jīng)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(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(wù)系統(tǒng)基于移動互聯(lián)網(wǎng)和移動終端向不同的用戶群推送生產(chǎn)動態(tài)、船舶預(yù)報、船舶動態(tài)、車輛動態(tài)、價格指數(shù)、航運指數(shù)等港口綜合服務(wù)信息，通過對現(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運輸標(biāo)準(zhǔn)依托項目實施成果完成《干散貨信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)元》《散雜貨艙單報文》《散雜貨船圖報文》等3項標(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、運輸工具共3大類數(shù)據(jù)880項數(shù)據(jù)元。3政府監(jiān)管服務(wù)項目建成后，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(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)在提升國家動力煤炭物流效率，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、實現(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“互聯(lián)網(wǎng)+港口”行動，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