基于全域感知港口智能運維系統(tǒng)構(gòu)建方法與應(yīng)用

李剛, 王躍, 張國政

(中船重工信息科技有限公司， 江蘇 連云港 222000)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化和國際貿(mào)易的高速發(fā)展，港口作為物流樞紐中心在國際物流中起著重要作用。而我國港口企業(yè)則在世界港口界居于關(guān)鍵地位，從數(shù)量上說，我國的港口企業(yè)最多。從貨物吞吐量上比較，我國集裝箱吞吐量總數(shù)排名世界首位，但在港口物流業(yè)務(wù)管理方面，與發(fā)達(dá)國家相比，還存在較大的差距，如何通過信息化的手段提高港口物流管理水平，實現(xiàn)智能運維，已成為我國港口企業(yè)面臨的一個重要研究內(nèi)容。

行業(yè)內(nèi)對運維重視程度開始不斷升溫，在港口碼頭運輸過程中，調(diào)度能夠在最短時期內(nèi)發(fā)揮出最佳性能是衡量運維水平和業(yè)務(wù)水平的關(guān)鍵因素之一。如要做到這一點，其周期運輸內(nèi)的運維更加關(guān)鍵。

目前港口碼頭的信息化發(fā)展較為緩慢，大多數(shù)港口物流設(shè)備(岸橋、軌道吊、集卡等)未進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。同時，多部門的物流業(yè)務(wù)未實現(xiàn)信息共享和信息同步處理,急需有與之匹配的技術(shù)手段、管理機(jī)制和系統(tǒng)組織方案，實現(xiàn)強(qiáng)大的監(jiān)視、預(yù)警和快速決策分析功能[1-2]。

1 港口運維現(xiàn)狀

目前港口運維管理對象數(shù)量龐大、種類繁多、分布范圍廣，主要存在以下幾個方面問題。

(1) 運營管理的問題：港口物流設(shè)備物理空間大，岸橋設(shè)備、水平運輸設(shè)備、軌道吊設(shè)備、閘口設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、能耗設(shè)備等采集狀態(tài)及物理環(huán)境不同。而業(yè)務(wù)管理人員需隨時掌握各設(shè)備的運行情況，并對不同的貨物單號進(jìn)行工作安排，而現(xiàn)有的各港口當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)控與控制系統(tǒng)顯然不能滿足要求[4]。

(2) 運行維護(hù)的問題：各港口的物流裝卸和運輸設(shè)備數(shù)量很多，給維護(hù)檢修造成一定困難，同時由于無法實時了解設(shè)備運行狀態(tài)，無法對出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析和預(yù)測，會造成設(shè)備維修周期長及臨時轉(zhuǎn)場費用高，延誤了業(yè)務(wù)的運行，從而造成經(jīng)濟(jì)損失[5]。

(3) 遠(yuǎn)程管理的問題：港口地理范圍較大，現(xiàn)場管理人員長期駐守現(xiàn)場，部分工作區(qū)域環(huán)境較差,不具備發(fā)揮管理人員的工作效率。需要提供遠(yuǎn)程運維服務(wù)平臺，為管理員值守提供基礎(chǔ)技術(shù)手段同時也具備全局觀，提高港口安全穩(wěn)定的運行[6]。

為了能夠解決上述問題，急需建設(shè)智能運維服務(wù)平臺，通過該平臺來提高運行維護(hù)水平，提升運營效率，進(jìn)而增加經(jīng)濟(jì)效益。

計劃通過全域感知及智能遠(yuǎn)程運維服務(wù)平臺的建設(shè)與應(yīng)用，實現(xiàn)對港口裝卸和運輸設(shè)備遠(yuǎn)程集中數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、故障預(yù)測和運維服務(wù)優(yōu)化，提升企業(yè)乃至行業(yè)的運維水平，促進(jìn)現(xiàn)代港口運維管理和服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變。

2 基于全域感知的港口智能運維設(shè)計

基于全域感知的港口智能運維需對全域感知的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、集成，依托云平臺，采用“云計算+終端應(yīng)用”架構(gòu)，結(jié)合港口物流設(shè)備運行狀態(tài)、壽命、工作載荷、用電量等歷史數(shù)據(jù)[3]，采用深度學(xué)習(xí)預(yù)測算法，達(dá)到對港口物流設(shè)備故障、運行情況的預(yù)警和運維管理，充分發(fā)揮港口運維大數(shù)據(jù)價值，降低設(shè)備機(jī)組故障率，提高運維效率，建立港口物流運維服務(wù)新模式。

2.1 總體設(shè)計

港口的智能化運維與信息化程度關(guān)聯(lián)性較高，而運維設(shè)計也將基于港口建設(shè)現(xiàn)狀及分布。

本文的全域感知，將針對港口分布及物流的全業(yè)務(wù)流程來進(jìn)行設(shè)計，全域感知，即全面覆蓋前端的裝卸設(shè)備、水平運輸設(shè)備、輔助管理設(shè)備、動力運行設(shè)備和運營管理設(shè)備的信息。

基于全域感知港口智能運維將從數(shù)據(jù)感知與采集、數(shù)據(jù)管理與分析和運維服務(wù)應(yīng)用3個層面開展，而面向的主要對象為裝卸系統(tǒng)設(shè)備和運輸系統(tǒng)設(shè)備，該運維系統(tǒng)的總體組成如圖1所示。

圖1 總體組成

(1) 感知與采集系統(tǒng)，包括智能全域感知系統(tǒng)、配套零部件監(jiān)測系統(tǒng)、CMS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、軌道吊、岸橋等設(shè)備預(yù)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)對主要裝卸和運輸設(shè)備、環(huán)境和運營管理等數(shù)據(jù)的采集。

(2) 數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)、運維管理數(shù)據(jù)的集中存儲、管理，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)有效集成與共享，提供大數(shù)據(jù)分析運行環(huán)境。

(3) 運維服務(wù)應(yīng)用中心，提供設(shè)備部件預(yù)警、故障分析、壽命預(yù)測、重大安全報警、能耗分析、動力機(jī)組評估、運維服務(wù)管理、無人機(jī)巡檢等系統(tǒng)，提高運維決策水平。

2.2 詳細(xì)設(shè)計

基于全域感知港口智能運維平臺，主要以裝卸和運輸設(shè)備為主要監(jiān)測對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、參數(shù)調(diào)整、故障預(yù)警及診斷、檢修維護(hù)計劃制定以及狀態(tài)評估等功能。按照功能層次劃分，可以將平臺分為感知層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)通信層、大數(shù)據(jù)分析層和應(yīng)用層，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1) 感知層

主要由分布在裝卸設(shè)備和運輸設(shè)備的主要工作部位的傳感器、內(nèi)部的總線通信部分、外部通信部分、無人機(jī)巡檢系統(tǒng)(主要針對岸橋)、現(xiàn)場監(jiān)控服務(wù)器等組成。通信部分由數(shù)據(jù)采集模塊和實時控制器組成，完成對傳感器采集信號的抗干擾濾波和A/D轉(zhuǎn)換。

(2) 數(shù)據(jù)采集層

主要由部署在港口各業(yè)務(wù)設(shè)備的配套零部件監(jiān)測系統(tǒng)、CMS信息采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成，現(xiàn)場監(jiān)控服務(wù)器接收上傳的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)分析模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理后通過加密虛擬專用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)中心。

(3) 網(wǎng)絡(luò)通信層

平臺的網(wǎng)絡(luò)通信主要是由兩部分構(gòu)成，一是使用光纖環(huán)網(wǎng)連接傳感器/控制設(shè)備與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，二是使用無線通信網(wǎng)絡(luò)將港口寬闊及無法布線區(qū)域設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行聯(lián)通。

(4) 大數(shù)據(jù)分析層

通過私有云數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，對整個港口采集的設(shè)備狀態(tài)與運行數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運營管理數(shù)據(jù)(主要物流服務(wù)系統(tǒng))，進(jìn)行集中存儲、綜合分析與決策評估。大數(shù)據(jù)分析層主要由ESB系統(tǒng)、主數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)集成模塊、大數(shù)據(jù)分析服務(wù)模塊、基礎(chǔ)設(shè)施等組成。大數(shù)據(jù)分析用以解決業(yè)務(wù)層和設(shè)備層的優(yōu)化，對業(yè)務(wù)層來說，將對管理運營系統(tǒng)中物流管理業(yè)務(wù)，分析出合理的調(diào)度以及配載的優(yōu)化。而對于設(shè)備層來說，將對設(shè)備的狀態(tài)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做到設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)作業(yè)計劃設(shè)計、優(yōu)化等。

(5) 應(yīng)用層

通過遠(yuǎn)程運維中心的建設(shè)，根據(jù)具體的運維應(yīng)用需求，以大數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)分析能力為支撐，實現(xiàn)部件預(yù)警、故障分析、壽命預(yù)測、重大安全報警、風(fēng)資源分析、機(jī)組評估、運維服務(wù)管理、無人機(jī)巡檢系統(tǒng)等功能。

該智能運維平臺的信息處理流程主要是基于工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)，依據(jù)業(yè)務(wù)流程框架不同功能模塊對于數(shù)據(jù)處理和分析需求，從設(shè)備與運維管理系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)源，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享交流、設(shè)備主數(shù)據(jù)設(shè)計與管理、概述性分析、預(yù)測性分析，再以大數(shù)據(jù)服務(wù)的方式輸出，對設(shè)備與運維管理進(jìn)行評估與優(yōu)化，從而為平臺業(yè)務(wù)流程框架功能的具體實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程架構(gòu)

基于全域感知港口智能運維平臺，根據(jù)設(shè)計可實現(xiàn)對港口裝卸設(shè)備工況、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測和管理調(diào)度優(yōu)化。將狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)依照運行評估理論體系的指導(dǎo)，實現(xiàn)運行狀態(tài)的評估，根據(jù)評估結(jié)果優(yōu)化的實際需求，生成建議報告，輔助完成各設(shè)備檢修計劃。同時，將狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)合故障分析及預(yù)測模型可實現(xiàn)設(shè)備故障報警分析、異常狀態(tài)分析、故障診斷及大部件專家預(yù)警功能，進(jìn)而實現(xiàn)對設(shè)備異常、趨勢、失效的分析。最終，故障診斷與分析結(jié)果、技術(shù)改進(jìn)與策略優(yōu)化結(jié)果作為維修評估與運維策略優(yōu)化的數(shù)據(jù)輸入，實現(xiàn)運營狀態(tài)實時反饋、設(shè)備維修評估等功能。

3 應(yīng)用與實踐

該設(shè)計方案正在某港口進(jìn)行改造實施，由于該運維平臺建設(shè)周期較長，目前只實現(xiàn)堆場運維平臺的初建工作。該應(yīng)用業(yè)務(wù)智能運維平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的融合，數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)和管理數(shù)據(jù)狀態(tài)分析、統(tǒng)計分析、預(yù)測性分析、可視化分析等功能，經(jīng)過1 512小時的現(xiàn)場運行，提升了運營效率。堆場作業(yè)運維管理數(shù)據(jù)分析圖如圖4所示。對應(yīng)軌道吊設(shè)備運維分析圖如圖5所示。改造前后相關(guān)指標(biāo)的對比如表1所示。

表1 綜合指標(biāo)對比

圖4 堆場作業(yè)運維管理數(shù)據(jù)分析

圖5 軌道吊設(shè)備運維分析

4 總結(jié)

本文基于全域感知，結(jié)合云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以預(yù)測和實時評估決策為核心，提出了一種適用于港口智能運維的解決方案，在工程項目中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的結(jié)果。

在以后的工程應(yīng)用和研究中，將以此基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，提高狀態(tài)預(yù)測準(zhǔn)確率，為港口智能運維做出貢獻(xiàn)，實行降本增效。