物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能港口設(shè)備的應(yīng)用

劉東輝　宋浩　王云鵬

【摘? 要】論文介紹物聯(lián)網(wǎng)的無線射頻識別RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能港口設(shè)備中的應(yīng)用，為港口設(shè)備的智能方案提供參考。

【Abstract】This paper introduces the application of RFID technology， sensor technology and wireless sensor network technology of internet of things in intelligent port equipment. It provides reference for the intelligent scheme of port equipment.

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);智能港口;關(guān)鍵技術(shù)

【Keywords】internet of things; intelligent port; key technology

【中圖分類號】U651? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）12-0164-02

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）意為“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，指通過無線射頻識別（RFID）、紅外傳感器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，實時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物品和過程信息，以此對物品和過程的智能化感知、識別和管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能港口由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。智能港口感知層包括港區(qū)內(nèi)的作業(yè)設(shè)備及相應(yīng)作業(yè)區(qū)域內(nèi)的條碼識讀器、RFID讀寫器、攝像頭和傳感器等。感知層的主要作用是感知和識別物體以及采集和捕獲信息。智能港口網(wǎng)絡(luò)層以無線網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)管理中心和物聯(lián)網(wǎng)信息中心，并對海量信息進行智能處理。

2 容錯條碼視覺絕對定位系統(tǒng)在智能港口設(shè)備中的應(yīng)用

容錯條碼視覺絕對定位系統(tǒng)是一種新型的測量與定位系統(tǒng)，是由現(xiàn)代化大型自動化物流輸送系統(tǒng)衍變而來。此系統(tǒng)主要包括視覺讀碼器、絕對位置編碼帶、定位系統(tǒng)PLC（可編程邏輯控制器）。

條碼定位閱讀器用支架安裝在大車軌道靠箱區(qū)內(nèi)側(cè)和小車軌道的外側(cè)，隨大車或小車一起運動。針對大車定位，兩驅(qū)動側(cè)均設(shè)計安裝同樣的閱讀器和絕對編碼帶，用于兩側(cè)相互冗余定位。針對小車定位，只采用單側(cè)定位的方式，只在小車軌道的一側(cè)布置閱讀器和絕對編碼帶。

在大車或小車的運動過程中，由閱讀器讀取沿線粘貼的、預(yù)先按照整條軌道長度細分絕對位置編碼的專用帶狀條碼的信息，而后將讀出的數(shù)據(jù)通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)傳送至定位系統(tǒng)PLC，由PLC計算出大車或者小車的實時絕對位置;主機PLC從遠控系統(tǒng)接收目標(biāo)箱位指令后，由定位系統(tǒng)PLC通信讀取，并從數(shù)據(jù)塊中調(diào)取目標(biāo)箱位的精確坐標(biāo)信息，然后分別發(fā)出大車和小車控制命令（包含方向、速度給定、減速、停車指令），并通過網(wǎng)絡(luò)將這一系列指令傳送至機上主控PLC用于執(zhí)行。

本系統(tǒng)專門為閱讀器和編碼帶設(shè)計了防護罩和自動清潔裝置，防護罩采用經(jīng)處理過的耐化學(xué)、鹽霧腐蝕的金屬板折成。防護罩支架拼裝和固定在與軌道標(biāo)高齊平的基準(zhǔn)面上。防護罩和支架安裝必須經(jīng)過縱向、橫向與垂向水平校直，然后編碼帶在防護罩頂板內(nèi)側(cè)向下粘貼。加裝防護罩后，大大降低了灰塵、污物、雨水、強光等環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響，閱讀器和編碼帶的使用壽命也會顯著延長，一般至少使用10年以上。本系統(tǒng)采用了特殊編碼方式的編碼帶，可以容許在整個編碼帶中存在多處不大于30mm寬度的錯碼、損壞、缺失或者接縫，依然保證測量精度。

3 傳感器技術(shù)在智能港口設(shè)備中的應(yīng)用

傳感器負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息的采集，是實現(xiàn)對現(xiàn)實世界感知的基礎(chǔ)，也是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。

由于遠控岸橋的起升高度及前伸距的加大，吊具相對于小車系統(tǒng)的懸垂量增大，對司機對箱產(chǎn)生了非常不利的影響，嚴(yán)重的影響生產(chǎn)效率，所以必須采用船形掃描系統(tǒng)提高以確保作業(yè)路徑的安全、作業(yè)效率的優(yōu)化。

船形掃描系統(tǒng)SPSS（Ship Profile Scanning System），系統(tǒng)通過安裝在岸邊集裝箱起重機小車平臺海側(cè)和司機室陸側(cè)的激光測距儀實時掃描船上的集裝箱高度，獲得船形輪廓信息，與岸橋控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，進而實現(xiàn)岸橋起升和小車方向的吊具防撞保護與智能減速功能。

船形掃描系統(tǒng)包括控制器、激光掃描儀2個、電源適配器、交換機、顯示器、吊具標(biāo)識板。控制器安裝在小車上，與激光掃描儀、顯示器及小車上的PLC通訊模塊連接。激光掃描儀將實時檢測的船型輪廓信息發(fā)給控制器，控制器運算處理后，向PLC系統(tǒng)發(fā)送控制指令，通過控制小車的移動與吊具的升降操作，實現(xiàn)在小車和起升方向的吊具智能減速和防撞保護，避免吊具以及吊具吊著集裝箱與船上的碼放集裝箱或者艙底、船舷發(fā)生碰撞事故。同時以圖形方式記錄船形及吊具運動軌跡，供岸橋司機參考，提高其操作效率。

兩個激光掃描儀安裝在小車（Trolley）前方，在前大臂（Boom）和吊具上架安裝標(biāo)識板。主激光掃描儀使用戶外長距離激光掃描儀設(shè)備，掃描截面平行于小車行走方向，輔助激光掃描儀使用戶外中距激光掃描儀，掃描截面平行于大車行走方向。激光掃描儀對其正下方進行連續(xù)掃描，可以獲取集裝箱的堆碼輪廓和船型輪廓。掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后，形成可靠的船型輪廓信息。由于輪船位置和輪廓不會突變，故可以利用歷史信息對激光盲區(qū)進行補全，并檢測輪船晃動。當(dāng)?shù)蹙咭噪p箱吊方式裝卸船時，利用小車前方兩個激光掃描到兩排20尺箱型，系統(tǒng)自動計算取相對高箱作為防碰撞控制邊界進行小車和吊具控制。岸橋吊具在船艙中作業(yè)時，司機往往看不到艙底，導(dǎo)致放箱時著箱過快，損壞設(shè)備或者集裝箱。船型掃描系統(tǒng)可以識別、記憶當(dāng)前作業(yè)排的高度，當(dāng)?shù)蹙叩撞拷咏摰讜r，自動減速，保護設(shè)備和集裝箱。

本系統(tǒng)采用雙激光測距融合技術(shù)，雙激光進行無死角掃描，冗余校驗，提升輪廓信息的準(zhǔn)確性;在更換場地作業(yè)貝位過程中，即時更新堆碼輪廓信息，提高系統(tǒng)時效性。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能港口設(shè)備中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)中，物品與人的無障礙交流必然離不開可進行大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)。傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可分為兩類：近距離通信和廣域網(wǎng)絡(luò)通信。近距離通信以IEEE802.15.4和2.4GHz為代表。

岸邊集裝箱起重機采用了無線溫度實時檢測系統(tǒng)，對關(guān)鍵的設(shè)備，如電機，減速機出軸部位進行實時在線溫度監(jiān)測，通過對溫度值的分析來判斷這些設(shè)備是否正常工作，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的機械故障，提示工程人員進行檢修，一方面防止事故的進一步擴大，造成更嚴(yán)重的后果;另一方面，減少日常檢修工作的難度和時間，為設(shè)備可靠作業(yè)提供保障。

該智能在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分組成，即無線發(fā)送模塊、無線傳輸路由模塊和無線接收模塊。無線發(fā)送模塊采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線接收模塊，無線傳輸路由模塊則在信號較弱的情況下起到無線數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)和傳遞功能。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

無線傳輸路由模塊，采用最新的微功率無線通信技術(shù)和先進的節(jié)電免維護技術(shù)，是一款超低功耗（自動休眠及快速喚醒設(shè)計）、支持路由及自組網(wǎng)絡(luò)（點對點、點對多點、多點中繼）的無線通信模塊，該無線路由模塊能保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，可實現(xiàn)系統(tǒng)的冗余跳轉(zhuǎn)，使無線發(fā)送模塊在最佳的狀態(tài)下工作。無線路由模塊采用ZigBee無線通信協(xié)議，符合IEEE802.15.4無線通信標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4G ISM（工業(yè)、科研、醫(yī)療）免申請頻段，可選擇16個無線信道。采用直接序列擴頻（GSSS）技術(shù)，抗干擾能力強。設(shè)備內(nèi)部采用全向天線，傳輸距離可達300m。設(shè)備采用外部DC24V供電。高達255個設(shè)備編址。

無線測溫網(wǎng)絡(luò)中，每個數(shù)字傳感器探頭配置一個無線發(fā)送模塊，用來采集數(shù)據(jù)及發(fā)送數(shù)據(jù);整個網(wǎng)絡(luò)中配備2～3個無線路由模塊，對無線發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)起到轉(zhuǎn)發(fā)和中繼的作用;在無線測溫網(wǎng)絡(luò)中配備1臺無線接收模塊，所有節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)最終將匯總到無線接收模塊?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)匯總到無線接收模塊，無線接收模塊通過光纖轉(zhuǎn)換器接入港口的光纖網(wǎng)絡(luò)中，在中控室再由光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接入上位機服務(wù)器內(nèi)。上位機服務(wù)器中的系統(tǒng)監(jiān)測軟件進行實時數(shù)據(jù)采集;實時數(shù)據(jù)顯示;定溫報警，并可對被監(jiān)控區(qū)域分段設(shè)置不同分區(qū)，每個分區(qū)可以任意設(shè)置報警值，對不同的部位進行不同標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控;溫升速率報警等顯示。

5 結(jié)語

隨著物流的數(shù)字化和國際化，物流集裝箱化成為物流運輸?shù)闹饕l(fā)展方向，使得港口間的競爭越加激烈，提供港口設(shè)備的智能化是各個港口碼頭關(guān)注的重要領(lǐng)域。與此同時物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使之更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)應(yīng)用到自動化碼頭的生產(chǎn)作業(yè)中成為了現(xiàn)實。

【參考文獻】

【1】孫洪雁.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在港口智能化建設(shè)中的應(yīng)用分析[J].物流工程與管理，2014（5）：97-98.

【2】王宇，李繼春.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能港口中的應(yīng)用前景[J].集裝箱化，2010，21（12）：28-30.

【作者簡介】劉東輝（1986-），男，山東煙臺人，工程師，從事港口設(shè)備自動化、機電系統(tǒng)自動化研究。