煤炭港口全鏈條智慧運(yùn)營管控系統(tǒng)架構(gòu)研究

郭 享，畢 磊，柳海宇

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

煤炭專用碼頭是我國煤炭運(yùn)輸體系的樞紐，它直接影響我國煤炭運(yùn)輸物流體系的效率和效益[1]。對煤炭港口的運(yùn)營管理進(jìn)行研究具有重要意義，因此，有必要研究全面、直觀的煤炭港口運(yùn)營管控方法。

目前我國主要煤炭碼頭已基本建立起碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)[2]，內(nèi)容涵蓋了業(yè)務(wù)合同、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)作業(yè)、生產(chǎn)監(jiān)控等環(huán)節(jié)，大大提高了煤炭港口的管理水平和生產(chǎn)效率。但是，上述系統(tǒng)僅對港口企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)分散，沒有系統(tǒng)地對港口經(jīng)營、生產(chǎn)相關(guān)和港口產(chǎn)業(yè)鏈上下游的大數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和分析，沒有對港口全要素進(jìn)行三維可視化管控。

隨著數(shù)字港口、智慧港口概念的提出和建設(shè)發(fā)展，構(gòu)建與物理港口完全映射的虛擬港口，并實(shí)現(xiàn)港口大數(shù)據(jù)集成與分析，為解決現(xiàn)有系統(tǒng)僅對港口企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、數(shù)據(jù)分散的問題提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。因此，筆者提出煤炭港口全鏈條智慧運(yùn)營管控系統(tǒng)框架，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、GIS技術(shù)、計算機(jī)信息技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)煤炭港口及產(chǎn)業(yè)鏈上下游的大數(shù)據(jù)收集與分析及數(shù)據(jù)可視化，實(shí)現(xiàn)對港口三維場景的實(shí)時巡航，通過與港口信息管理系統(tǒng)的對接，實(shí)現(xiàn)對港口人員、車輛、設(shè)備、堆場以及調(diào)度、運(yùn)行等港口全要素的實(shí)時監(jiān)控與管理，輔助港口各級管理人員對港口全鏈條更全面、直觀地進(jìn)行管理與控制。

1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

煤炭港口全鏈條智慧運(yùn)營管控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)各層之間獨(dú)立封裝，便于日后維護(hù)升級。通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、運(yùn)行管理系統(tǒng)、缺陷管理系統(tǒng)、船訊網(wǎng)、路港信息共享平臺等，為煤炭港口全鏈條智慧運(yùn)營管控系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)來源。建立三維模型數(shù)據(jù)庫、靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、動態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和算法數(shù)據(jù)庫，獲取港口及能源產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條中分布于各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)和算法。應(yīng)用層由2個模塊構(gòu)成：1)數(shù)據(jù)可視化模塊，用于依據(jù)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析生成可視化數(shù)據(jù)，其中，可視化數(shù)據(jù)包括：歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)；2)全要素管控模塊，用于依據(jù)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)對港口的人、機(jī)、車、船、貨等人力資源和物力資源進(jìn)行全要素管理調(diào)度。

2 基礎(chǔ)系統(tǒng)

通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)行管理系統(tǒng)、缺陷管理系統(tǒng)、船訊網(wǎng)、路港信息共享平臺等港口內(nèi)、外部基礎(chǔ)系統(tǒng)，獲取港口產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條市場數(shù)據(jù)、港口生產(chǎn)數(shù)據(jù)和管控數(shù)據(jù)，建立煤炭港口全鏈條智慧運(yùn)營管控系統(tǒng)和基礎(chǔ)系統(tǒng)的接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與數(shù)據(jù)共享。其中，生產(chǎn)管理系統(tǒng)可提供產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條市場數(shù)據(jù)、港口生產(chǎn)數(shù)據(jù)等；GPS定位系統(tǒng)可提供人員車輛實(shí)時位置和軌跡數(shù)據(jù)；視頻監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)據(jù)流的方式對接到本系統(tǒng)，獲取現(xiàn)場生產(chǎn)、安防、閘口等信息；運(yùn)行管理系統(tǒng)可提供設(shè)備運(yùn)行時間、作業(yè)量及下次維護(hù)及預(yù)報保養(yǎng)到期時間、平穩(wěn)運(yùn)行時間、歷史累計運(yùn)行時間等數(shù)據(jù)；缺陷管理系統(tǒng)可提供設(shè)備異常報警、溫度和震動數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運(yùn)行壽命信息；船訊網(wǎng)可提供與港口相關(guān)在途、預(yù)到、在港的船舶信息；路港信息共享平臺可提供與港口相關(guān)的在途火車信息。

3 數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)采用Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。它包括立三維模型、靜態(tài)、動態(tài)和算法數(shù)據(jù)庫，可獲取港口及能源產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條中分布于各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)和算法。數(shù)據(jù)的類型包括港口管控、三維信息和視頻流媒體數(shù)據(jù)等。港口管控數(shù)據(jù)按照類別和需求通過查詢管控系統(tǒng)建立視圖，三維信息數(shù)據(jù)按照實(shí)際需求建表，通過優(yōu)化查詢語句提高查詢效率。視頻流媒體數(shù)據(jù)直接通過監(jiān)控視頻內(nèi)網(wǎng)IP地址獲取實(shí)時、歷史數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)不做儲存。

數(shù)據(jù)庫通過綜合感知層和信息傳輸層采集和傳輸數(shù)據(jù)。1)綜合感知層用于感知煤炭碼頭運(yùn)營現(xiàn)場生產(chǎn)過程的設(shè)備、車輛、人員、堆場等信息進(jìn)而提供給數(shù)據(jù)庫，主要涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID信息采集、GPS定位和視頻監(jiān)控技術(shù)等。對于部分采集信息量較大的場景，信息的冗余處理在硬件終端或者信息源頭上進(jìn)行，以減輕網(wǎng)絡(luò)壓力。2)信息傳輸層用于運(yùn)營現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫與各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸[3]。由于煤炭碼頭運(yùn)營現(xiàn)場影響因素多，因此需要根據(jù)傳輸途徑及對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求，合理使用多種傳輸網(wǎng)絡(luò)，如光纖通信、無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)絡(luò)等。數(shù)據(jù)庫的對接按照HTTP協(xié)議，通過webservice接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。視頻流數(shù)據(jù)按照RTSP協(xié)議進(jìn)行對接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了流媒體數(shù)據(jù)的讀取、寫入等功能。

4 煤炭港口全鏈條數(shù)據(jù)可視化

4.1 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為視覺形式，以此增強(qiáng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的效果[4]。港口各級管理人員可以利用交互方式更加直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察和分析，發(fā)現(xiàn)全鏈條數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，對未來趨勢進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。數(shù)據(jù)可視化過程分為3個階段：

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理階段。數(shù)據(jù)預(yù)處理是數(shù)據(jù)可視化過程的一個基本階段[5]，是指將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理加工，把相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)整合，并進(jìn)行模塊化處理。包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的格式化和標(biāo)準(zhǔn)化、進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)變換、將數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮等。

2)繪測階段。繪測指將信息從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到幾何圖像。

3)顯示和交互階段。顯示即將繪測階段生成的數(shù)據(jù)圖形和圖像按照用戶要求輸出結(jié)果。該階段除了顯示數(shù)據(jù)圖像信息，還要傳遞數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性以及數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，并把用戶的反饋信息傳遞到軟件層，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

數(shù)據(jù)可視化采用儀表盤與三維場景聯(lián)動模式。兩側(cè)儀表盤中的各類數(shù)據(jù)與三維場景進(jìn)行真實(shí)位置的交互綁定，儀表盤指標(biāo)驅(qū)動三維可視化呈現(xiàn)，點(diǎn)擊兩側(cè)儀表盤中的任意數(shù)據(jù)項(xiàng)，三維場景即對應(yīng)顯示該數(shù)據(jù)項(xiàng)的來源及當(dāng)前狀態(tài)等信息，最終實(shí)現(xiàn)儀表盤中數(shù)據(jù)“有位可依”，告別光看圖表而找不到數(shù)據(jù)真正來源的尷尬。數(shù)據(jù)可視化的數(shù)據(jù)類型為港口管理中的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，管理人員可根據(jù)直觀的數(shù)據(jù)顯示來分析當(dāng)前市場動態(tài)和生產(chǎn)情況，并對未來做出預(yù)測與規(guī)劃。數(shù)據(jù)可視化界面如圖2所示。

圖2 煤炭港口全鏈條數(shù)據(jù)可視化

4.2 數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)類型包括：產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條市場數(shù)據(jù)(能源貨源流向、市場動態(tài)、市場份額、對標(biāo)情況、貨源結(jié)構(gòu)等)和港口生產(chǎn)數(shù)據(jù)(生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等)，數(shù)據(jù)覆蓋港口及能源產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條中分布于各節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)。其中，煤炭貨源流向由三維場景展示，其他數(shù)據(jù)由兩側(cè)儀表盤展示。

1)產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條市場數(shù)據(jù)。包括能源貨源流向、市場動態(tài)、市場份額、對標(biāo)情況和貨源結(jié)構(gòu)。采用儀表盤和三維場景聯(lián)動得到三維模型，在三維模型上繪制能源由貨源發(fā)車站經(jīng)鐵路到港口，由港口至客戶的流向圖。市場動態(tài)展示主產(chǎn)地煤炭價格及其行情走勢。市場份額展示港口在港區(qū)的調(diào)出量的占比。對標(biāo)情況展示周邊港口吞吐量以及生產(chǎn)效率的對比。貨源結(jié)構(gòu)展示煤炭調(diào)出量占比前十的貨主的吞吐量。

2)港口生產(chǎn)數(shù)據(jù)。包括生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。生產(chǎn)效率分析包括裝船效率和卸車效率的分析，并對人員技能和班組績效進(jìn)行管理。生產(chǎn)成本分析包括對港口整體卸車量、裝船量及其對應(yīng)的水、電、油成本的分析，還包括單機(jī)設(shè)備作業(yè)量及成本分析。

5 煤炭港口全要素運(yùn)營管控

根據(jù)港口實(shí)際運(yùn)營情況，構(gòu)建與物理港口完全映射的虛擬港口。通過與現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)、運(yùn)行管理系統(tǒng)、缺陷管理系統(tǒng)、船訊網(wǎng)等對接，將感知的運(yùn)營過程、設(shè)備、車輛信息、人員狀態(tài)、堆場信息、環(huán)境等數(shù)據(jù)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺上進(jìn)行集中并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫；根據(jù)算法與數(shù)據(jù)模型，結(jié)合生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程上各數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，及時進(jìn)行處理并反饋到系統(tǒng)，輔助港口運(yùn)行管控。

圖3為煤炭碼頭全要素管控系統(tǒng)界面。全要素包括港口人員、車輛、設(shè)備、調(diào)度、運(yùn)行、堆場等，為港口管理中的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

圖3 煤炭碼頭全要素管控系統(tǒng)界面

1)人員管理。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，獲取人員定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人員實(shí)時位置、運(yùn)行軌跡以及現(xiàn)場某點(diǎn)滯留時間的查詢。人員管理能夠篩選出現(xiàn)場人員的個人檔案，對人員進(jìn)行分塊、分區(qū)域、分工種統(tǒng)計，具有電子?xùn)艡谌肭謭缶?、設(shè)定人員到位檢測等功能，同時根據(jù)現(xiàn)場人員位置實(shí)時調(diào)出臨近監(jiān)控的視頻畫面，能夠?qū)崿F(xiàn)人員活動情況信息與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動查詢。人員定位管理與生產(chǎn)作業(yè)、設(shè)備運(yùn)行等要素統(tǒng)籌考慮，建立一套現(xiàn)場各崗位人員活動分析模型，能夠準(zhǔn)確分析各崗位人員履職情況。

2)生產(chǎn)車輛管理。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，獲取車輛定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時位置顯示和運(yùn)行軌跡查詢，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行時間、燃油消耗、操作人員姓名、車輛保養(yǎng)等信息查詢。將車輛作業(yè)效率、能耗指標(biāo)與駕駛?cè)藛T結(jié)合起來，作為評定駕駛?cè)藛T技能的主要依據(jù)。

3)設(shè)備管理。獲取運(yùn)行管理系統(tǒng)中兩票和運(yùn)行臺時信息，基于歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修狀態(tài)時，顯示其工作票或工單信息，包括檢修內(nèi)容、檢修負(fù)責(zé)人、監(jiān)護(hù)責(zé)任人、物資和工藝等。實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行壽命管理，提供關(guān)鍵部件檢修、更換報警功能。

4)調(diào)度管理?；诼犯坌畔⒐蚕砥脚_和船訊網(wǎng)，獲取并實(shí)時顯示在途火車、船舶信息，運(yùn)用智能調(diào)度仿真模型，生成預(yù)測數(shù)據(jù)，據(jù)此制訂港口調(diào)度計劃，包括流程、設(shè)備、車船、貨物等。

5)運(yùn)行管理?；趯?shí)時數(shù)據(jù)生成港口數(shù)據(jù)模型，實(shí)時模擬港口工藝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備精準(zhǔn)狀態(tài)顯示，包括臂架精準(zhǔn)位置、角度等信息，顯示設(shè)備故障報警信息，與視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫切換。裝卸作業(yè)時，沿線皮帶秤、軌道衡數(shù)據(jù)能夠在模型中清晰展示。卸車作業(yè)時，能夠顯示火車正在作業(yè)的節(jié)數(shù)；裝船作業(yè)時，能夠顯示船舶正在作業(yè)的艙位，以及各輪次裝載量。運(yùn)行管理還具有基于歷史數(shù)據(jù)的歷史運(yùn)行回溯功能。

6)堆場管理。實(shí)時顯示數(shù)字化堆場信息，包括三維垛型、入場時間、堆存數(shù)量、煤炭化驗(yàn)指標(biāo)、貨物持有人等。

6 結(jié)語

1)獲取港口及能源產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條中分布于各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；采用儀表盤和三維場景聯(lián)動將各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)類型分別生成對應(yīng)的可視化數(shù)據(jù)，包括全鏈條市場數(shù)據(jù)和港口生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及直觀、全面地分析和呈現(xiàn)港口及能源產(chǎn)業(yè)鏈全鏈條的大數(shù)據(jù)。

2)依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、GIS技術(shù)、計算機(jī)信息技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對港口人員、車輛、設(shè)備、調(diào)度、運(yùn)行、堆場等人力資源和物力資源全要素管控。

3)煤炭港口全鏈條智慧運(yùn)營管控系統(tǒng)建立的難點(diǎn)在于收集、匯聚全鏈條的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)在不同模塊間的傳遞。在今后的研究中，還需要對大數(shù)據(jù)分析與挖掘進(jìn)行更深入的研究。