煤炭碼頭泛在感知與智能化管控技術(shù)研究

◎張肇倫 周鴻茂 王雪琳 盧寧 交通運輸部水運科學研究院

煤炭碼頭作為吸納人員、貨物、資金、技術(shù)、信息等生產(chǎn)力要素的重要載體，是維系社會經(jīng)濟正常運行、保證國家能源安全的重要場所。隨著改革開放40多年來我國對高新技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)，5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等先進信息技術(shù)得到了快速發(fā)展，應(yīng)用新興技術(shù)對煤炭碼頭進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級得到了政府、科研院所和港口企業(yè)的高度重視。自2014年以來，國家出臺一系列政策文件推動港口的智慧化轉(zhuǎn)型升級，如交通運輸部先后印發(fā)《關(guān)于推進港口轉(zhuǎn)型升級的指導意見》《交通運輸“十三五”信息化發(fā)展規(guī)劃》，以及交通運輸部聯(lián)合其他八部門印發(fā)《關(guān)于建設(shè)世界一流港口的指導意見》，文件從目標、措施、路徑等方面全方位指導智慧港口的建設(shè)，提出建設(shè)智慧港口示范工程，實現(xiàn)港口服務(wù)全流程自動化、智能化。從煤炭碼頭企業(yè)的需求來分析，以往粗放式的發(fā)展模式已經(jīng)不能適用碼頭未來的發(fā)展需求，提升碼頭設(shè)備自動化、服務(wù)敏捷化、管理智慧化、運營組織協(xié)同一體化等水平已經(jīng)成為煤炭碼頭企業(yè)當前階段的主要目標。

本文針對未來煤炭碼頭的智慧化發(fā)展趨勢，研究煤炭碼頭泛在感知與智能化管控技術(shù)，內(nèi)容涵蓋兩方面內(nèi)容，一是設(shè)備自動化改造過程中作業(yè)設(shè)備的泛在感知需求，二是碼頭智能化管控對于管理系統(tǒng)的需求及生產(chǎn)要素協(xié)同作業(yè)機理。研究成果將為煤炭碼頭企業(yè)科學的規(guī)劃和建設(shè)智慧化煤炭碼頭提供借鑒。

1.煤炭碼頭作業(yè)流程及關(guān)鍵設(shè)備

煤炭碼頭的作業(yè)流程主要包含卸船流程、裝船流程、卸車流程、裝車流程，每個流程代表著煤炭在碼頭內(nèi)各空間節(jié)點間的移動，作業(yè)流程將泊位、堆場、閘口、港外區(qū)域有序貫通，決定了碼頭的生產(chǎn)效率和運營水平，是物料在碼頭移動的生命線。煤炭碼頭的作業(yè)流程如下所示，其中每個流程的首尾兩端均為碼頭內(nèi)的空間節(jié)點：

1）卸船流程：泊位—碼頭裝卸船設(shè)備—碼頭水平運輸設(shè)備—碼頭堆場設(shè)備—堆場

2）裝船流程：堆場—碼頭堆場設(shè)備—碼頭水平運輸設(shè)備—碼頭裝卸船設(shè)備—泊位

3）裝車流程：堆場—碼頭堆場設(shè)備—碼頭水平運輸設(shè)備—裝卸車設(shè)備—火車—閘口

4）卸車流程：閘口—火車—裝卸車設(shè)備—碼頭水平運輸設(shè)備—碼頭堆場設(shè)備—堆場

由于國內(nèi)煤炭碼頭關(guān)鍵作業(yè)設(shè)備的選則要充分考慮碼頭的空間布局、主營業(yè)務(wù)和當前的技術(shù)發(fā)展水平等因素，所以導致碼頭應(yīng)用的設(shè)備存在一定的差異。煤炭碼頭的裝卸船設(shè)備主要有門座式抓斗卸船機、橋式抓斗卸船機、連續(xù)式裝船機、連續(xù)式卸船機；碼頭水平運輸設(shè)備主要是帶式輸送機；碼頭堆場設(shè)備主要有堆料機、取料機、堆取料機；裝卸車設(shè)備主要有裝車樓和翻車機。

2.煤炭碼頭關(guān)鍵設(shè)備感知需求

提出煤炭碼頭關(guān)鍵設(shè)備的感知需求要以實現(xiàn)碼頭作業(yè)流程全自動化或半自動化為目標，并且充分考慮煤炭碼頭的作業(yè)流程、關(guān)鍵設(shè)備、作業(yè)方式、實際作業(yè)工況和當前技術(shù)發(fā)展水平。通過感知設(shè)備采集的設(shè)備狀態(tài)信息代替?zhèn)鹘y(tǒng)碼頭工作人員的視覺、觸覺、聽覺，這些信息是碼頭作業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)狀可查、未來可測、風險可變的基礎(chǔ)。具體的感知需求包括包含以下六類：

視頻：主要功能是事件存檔、狀態(tài)監(jiān)控、危險預警、輔助遠程操控等。視頻監(jiān)控要覆蓋煤炭移動的作業(yè)場景和設(shè)備主要部件，安裝時要根據(jù)設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)選擇合適的位置。

運行和定位：主要功能是實時獲取設(shè)備和其主要部件的位置、角度、加速度信息，輔助設(shè)備自動作業(yè)、防碰撞、吊具防搖等。對需重點監(jiān)控的機構(gòu)應(yīng)配備兩套獨立的位置檢測裝置進行相互校驗，同時定位的偏差要滿足具體實際要求，常見的設(shè)備和技術(shù)包括RFID定位、GPS定位、北斗衛(wèi)星定位、編碼器、角速度傳感器、角度傳感器等。

智能識別：主要功能是對設(shè)備周邊環(huán)境的3D掃描和通過OCR識別車號等。常見的設(shè)備包括機關(guān)掃描儀、雷達、RFID等。

信息管控：主要功能是對任務(wù)進展、異常信息、人工介入等與設(shè)備任務(wù)完成情況相關(guān)內(nèi)容的記錄與傳遞。

遠程操作：主要功能是在設(shè)備遠程操控時記錄設(shè)備操作人員身份信息和設(shè)備狀態(tài)信息。

安全保護：主要功能是采集并分析設(shè)備上主要機構(gòu)處的傳感器信號，通過對信號的分析避免設(shè)備的損傷和設(shè)備間的碰撞。

感知到的信息經(jīng)由泛在感知網(wǎng)絡(luò)傳遞到相應(yīng)的管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)經(jīng)過采集和分析后，設(shè)備的狀態(tài)信息會呈現(xiàn)在人機交互界面中供遠程操控室的操作人員對設(shè)備進行遠程操控，或設(shè)備本身進行全自動化作業(yè)。煤炭碼頭關(guān)鍵設(shè)備感知需求如表1所示。

表1 煤炭碼頭關(guān)鍵設(shè)備感知需求[3-5]

3.煤炭碼頭關(guān)鍵系統(tǒng)需求

煤炭碼頭關(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)對碼頭內(nèi)主要生產(chǎn)、管理、服務(wù)功能全覆蓋，包括設(shè)備自動化作業(yè)、業(yè)務(wù)協(xié)同管理、線上商務(wù)服務(wù)等功能。在設(shè)備狀態(tài)信息充分感知并可根據(jù)需要在各個系統(tǒng)間自由流轉(zhuǎn)的前提下，對碼頭業(yè)務(wù)進行劃分可以整合為4個關(guān)鍵系統(tǒng)。關(guān)鍵系統(tǒng)的功能如下：

管理信息系統(tǒng)：具備生產(chǎn)作業(yè)管理、理貨管理、堆存管理、設(shè)備管理、能耗管理、物資管理、閘口管理、統(tǒng)計分析管理、基礎(chǔ)信息管理等功能。

設(shè)備管理系統(tǒng)：具備裝卸船機械自動控制、水平運輸設(shè)備自動控制、堆場設(shè)備自動控制、除塵自動控制、照明自動控制、通風機械自動控制、作業(yè)信息監(jiān)測、堆存量信息監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、能耗監(jiān)測等功能。

遠程操控系統(tǒng)：具備碼頭裝卸船設(shè)備遠程操控、碼頭堆場設(shè)備遠程操控等功能。

支持保障系統(tǒng)：具備無線對講、港口視頻監(jiān)控、電子海圖、氣象信息展示、定位導航、網(wǎng)上服務(wù)、大屏幕顯示、數(shù)據(jù)中心等功能。

4.煤炭碼頭生產(chǎn)要素耦合機理

煤炭碼頭生產(chǎn)要素耦合機理包含碼頭關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵系統(tǒng)之間的關(guān)系，以及碼頭進行作業(yè)時的信息流轉(zhuǎn)內(nèi)容，即設(shè)備的感知信息和系統(tǒng)處理后的信息。其中煤炭碼頭關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵系統(tǒng)交互關(guān)系如圖1所示。

圖1 煤炭碼頭關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵系統(tǒng)交互關(guān)系

碼頭關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵系統(tǒng)交互關(guān)系圖中以大寫字母A、B、C、D表示的是煤炭碼頭內(nèi)的關(guān)鍵系統(tǒng)；以小寫字母a，b，c，d表示的是物料移動過程中所應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備；箭頭代表信息的流轉(zhuǎn)方向；①，②，③……代表的是具體的交互信息，包括作業(yè)指令、作業(yè)指令執(zhí)行狀態(tài)、作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)介入請求、故障信息、遠程操控作業(yè)指令、連鎖控制信號等。以卸船流程為例，首先管理信息系統(tǒng)制定并下發(fā)作業(yè)計劃到設(shè)備管理系統(tǒng)，然后設(shè)備管理系統(tǒng)向各個設(shè)備發(fā)送調(diào)度指令，設(shè)備接收到指令后開始作業(yè)。設(shè)備在作業(yè)過程中會實時的感知自身作業(yè)信息和外界環(huán)境信息，并實時的向設(shè)備管理系統(tǒng)匯報，設(shè)備管理系統(tǒng)將收到的信息進行分析和處理，然后向設(shè)備發(fā)送作業(yè)指令。當設(shè)備遇到突發(fā)情況或者作業(yè)多次失敗后，設(shè)備操作人員可申請接入并通過遠程操控系統(tǒng)對設(shè)備進行遠程控制。支持保障系統(tǒng)為碼頭的生產(chǎn)經(jīng)營活動提供可靠的后勤保障服務(wù)。設(shè)備和系統(tǒng)間的信息流轉(zhuǎn)主要包含三類，即系統(tǒng)間交互、系統(tǒng)與設(shè)備間交互、設(shè)備間交互。

5.結(jié)論

本文針對未來煤炭碼頭的智慧化發(fā)展趨勢，對煤炭碼頭泛在感知與智能化管控技術(shù)進行研究，首先以實現(xiàn)碼頭作業(yè)流程全自動化或半自動化為目標，充分考慮煤炭碼頭的作業(yè)流程、關(guān)鍵設(shè)備、作業(yè)方式、實際作業(yè)工況和當前技術(shù)發(fā)展水平，提出煤炭碼頭關(guān)鍵設(shè)備的感知需求。然后以煤炭碼頭關(guān)鍵系統(tǒng)功能應(yīng)覆蓋碼頭內(nèi)主要生產(chǎn)、管理、服務(wù)等全部功能為前提，提出碼頭智能化管控對管理系統(tǒng)的需求，以及生產(chǎn)要素間的協(xié)同作業(yè)機理。研究成果將為煤炭碼頭企業(yè)科學的規(guī)劃和建設(shè)智慧化煤炭碼頭提供技術(shù)支撐和實踐參考依據(jù)。