摘 要:為了解決港口危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)的作業(yè)與安防問(wèn)題,構(gòu)建了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的港口危險(xiǎn)貨物集裝箱作業(yè)與安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與頭戴式顯示終端設(shè)備構(gòu)成,利用北斗厘米級(jí)高精度差分定位、機(jī)器視覺(jué)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(XR)、人體姿態(tài)檢測(cè)和計(jì)算等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基于北斗網(wǎng)格碼的港口危險(xiǎn)貨物集裝箱數(shù)據(jù)查詢、作業(yè)指引、可視化消防安全輔助三大功能,進(jìn)一步提升了港口危險(xiǎn)貨物集裝箱管理的精細(xì)化、智能化,保障了港口危險(xiǎn)貨物集裝箱的存放和運(yùn)輸安全。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù);港口運(yùn)輸;危險(xiǎn)貨物集裝箱;可視化管理;北斗網(wǎng)格碼
中圖分類號(hào):TP39;TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2025)07-0-05
0 引 言
近兩年來(lái),交通運(yùn)輸部陸續(xù)發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)危險(xiǎn)貨物港口作業(yè)安全管理的通知》和《關(guān)于深入整治危險(xiǎn)貨物港口作業(yè)安全生產(chǎn)的通知》,強(qiáng)調(diào)重視消防設(shè)備維護(hù)保養(yǎng),完善港口危險(xiǎn)貨物集裝箱事故應(yīng)急預(yù)案,著力提升應(yīng)急救援能力。自2021年12月1日開(kāi)始,交通運(yùn)輸部開(kāi)始實(shí)施《港口危險(xiǎn)貨物重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理辦法》,要求加強(qiáng)對(duì)港口危險(xiǎn)貨物儲(chǔ)罐、集裝箱堆場(chǎng)等重大危險(xiǎn)源的安全風(fēng)險(xiǎn)管理和控制[1-3]。
我國(guó)每年因各類生產(chǎn)安全事故而死亡的人數(shù)超過(guò)10萬(wàn),每年要耗費(fèi)450多億元用于應(yīng)急救援[4],其中港口爆炸造成的損失也不計(jì)其數(shù)。2010—2019年,我國(guó)港口因危險(xiǎn)品管理不當(dāng)引發(fā)的重大事故近8起,共造成1 527人傷亡,直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)76.45億元[5]。同時(shí),國(guó)外也存在著嚴(yán)重的港口安全隱患,2020年8月4日,黎巴嫩首都貝魯特港口區(qū)發(fā)生劇烈爆炸,導(dǎo)致周圍10 km內(nèi)的建筑均遭受不同程度的損壞,造成數(shù)千人死傷;2022年6月4日,孟加拉國(guó)吉大港集裝箱堆場(chǎng)發(fā)生火災(zāi),造成49人死亡,數(shù)百人受傷。
在港口安全管理方面,文獻(xiàn)[6]中提出港口工作人員必須每天檢查港口資產(chǎn),以便提早發(fā)現(xiàn)威脅并及時(shí)采取相應(yīng)的安全措施;文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn),港口在同一區(qū)域內(nèi)存放非危險(xiǎn)品和危險(xiǎn)品的情況非常普遍,且這一做法存在明顯的安全隱患。在港口危險(xiǎn)貨物管理方面,文獻(xiàn)[8]提出建立健全且全國(guó)統(tǒng)一的危險(xiǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)營(yíng)運(yùn)許可體系與機(jī)制、嚴(yán)格準(zhǔn)入門檻十分重要;文獻(xiàn)[9]研究了我國(guó)港口危險(xiǎn)品管理中存在的問(wèn)題,指出港口安全與監(jiān)管部門、企業(yè)自身以及港口的基礎(chǔ)設(shè)施和安防水平有關(guān);文獻(xiàn)[10]分析了港口危險(xiǎn)品運(yùn)輸安全事故的原因,指出港口安全事故一般情況下與貨主沒(méi)有告知正確的貨物信息以及港口巡檢人員工作不及時(shí)、安全意識(shí)淡薄有關(guān);文獻(xiàn)[11]強(qiáng)調(diào)港口的危險(xiǎn)品安全管理重在預(yù)防。
綜上所述,目前港口危險(xiǎn)貨物運(yùn)維管控仍存在諸多安全隱患。本研究提出的港口危險(xiǎn)品貨物集裝箱作業(yè)與安防系統(tǒng),在前人的研究基礎(chǔ)上,應(yīng)用最新的元宇宙思想中的擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(XR)技術(shù)來(lái)消除安全隱患,實(shí)現(xiàn)對(duì)港口危險(xiǎn)貨物集裝箱的數(shù)字化、可視化管理,推進(jìn)港口危險(xiǎn)貨物集裝箱作業(yè)與安防的信息化和智能化,從而有效保障人員和貨物安全。
1 設(shè)計(jì)方案
1.1 解決方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與頭戴式顯示終端設(shè)備構(gòu)成。將港口提供的BIM數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的EDI單證系統(tǒng)相結(jié)合,構(gòu)建港口的靜態(tài)數(shù)字模型。通過(guò)在集裝箱正面起重機(jī)吊具上加裝基于北斗與機(jī)器視覺(jué)的危險(xiǎn)貨物集裝箱定位終端,獲取集裝箱箱號(hào)與實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù),并通過(guò)NB-IoT送入云端服務(wù)器。針對(duì)堆場(chǎng)的海量集裝箱數(shù)據(jù),采用北斗網(wǎng)格碼技術(shù)進(jìn)行歸納整理,并與云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行鏈接,云端服務(wù)器可運(yùn)用算法編排集裝箱堆場(chǎng)管理計(jì)劃、檢測(cè)和計(jì)算人體姿態(tài)、制定危險(xiǎn)品消防預(yù)案,從而對(duì)港口的危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)指引、安防指揮。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
1.2.1 基于北斗網(wǎng)格碼的數(shù)據(jù)查詢
云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基于北斗網(wǎng)格碼創(chuàng)建了危險(xiǎn)貨物集裝箱網(wǎng)格索引大表。危險(xiǎn)貨物集裝箱查驗(yàn)員在開(kāi)箱查驗(yàn)時(shí),只需佩戴頭戴式顯示終端,通過(guò)語(yǔ)音下達(dá)指令,即可查詢到任意集裝箱的信息,這些信息會(huì)顯示在設(shè)備上,便于快速查驗(yàn),無(wú)需攜帶紙質(zhì)單證。
1.2.2 危險(xiǎn)貨物集裝箱作業(yè)指引
集裝箱正面起重機(jī)司機(jī)通過(guò)佩戴頭戴式顯示終端,接收云端編排的堆場(chǎng)作業(yè)指令,通過(guò)高亮顯示出等待作業(yè)的危險(xiǎn)貨物集裝箱以及云端規(guī)劃的作業(yè)路線。司機(jī)從設(shè)備中能更加直觀地看到需要調(diào)取的集裝箱及其操作路徑。該設(shè)計(jì)可提高對(duì)危險(xiǎn)貨物集裝箱裝卸的效率、準(zhǔn)確率和合理性,無(wú)需下方理貨員的指揮配合。
1.2.3 可視化消防安全輔助
可視化消防功能具體如下:
(1)提供位置與軌跡信息。消防人員佩戴終端時(shí),即使位于存在物理遮蔽的環(huán)境內(nèi),也能通過(guò)北斗高精度差分定位確定自身的位置,并高亮顯示就近的消防設(shè)施。
(2)應(yīng)急預(yù)案指引。消防人員佩戴終端后,可獲得災(zāi)區(qū)危險(xiǎn)貨物集裝箱內(nèi)的危險(xiǎn)貨物種類信息;云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)針對(duì)火災(zāi)的不同程度,會(huì)給出相應(yīng)的消防策略與撤退路線。消防員無(wú)需自行判斷滅火方式,僅需依照云端指引進(jìn)行消防救援即可,避免了因不恰當(dāng)?shù)膿浠鹦袨槎鴮?dǎo)致的二次爆炸事故,降低了事故的傷亡率,縮短了消防員的救援時(shí)間,提高了救援效率。
(3)消防人員姿態(tài)呈現(xiàn)與導(dǎo)航式快速搜救。消防人員佩戴終端設(shè)備后,系統(tǒng)會(huì)利用人體姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)來(lái)獲取消防人員的姿態(tài)信息,包括行走、奔跑、靜止和躺臥等狀態(tài)。當(dāng)有消防員處于靜止或躺臥狀態(tài)超過(guò)1 min時(shí),云端系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把該消防人員的歷史行走軌跡以及當(dāng)前坐標(biāo)顯示到其他消防人員的終端中,其他消防人員便能沿著軌跡和坐標(biāo)快速找到遇險(xiǎn)人員,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航式搜救。
(4)遠(yuǎn)程調(diào)度指揮。頭戴式顯示終端會(huì)把所采集到的相關(guān)信息及時(shí)傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)管理中心,這樣指揮中心就可以及時(shí)、清晰地了解現(xiàn)場(chǎng)地理位置、火情態(tài)勢(shì)、救援力量部署等相關(guān)情況,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)消防員的救援情況,便于指揮調(diào)度。
1.3 人體姿態(tài)檢測(cè)計(jì)算
消防人員在救援時(shí)經(jīng)常因火場(chǎng)環(huán)境存在物理遮蔽且較復(fù)雜,遇到危險(xiǎn)情況時(shí)無(wú)法自我呼救。針對(duì)該問(wèn)題,系統(tǒng)利用姿態(tài)傳感器收集人體姿態(tài)數(shù)據(jù),并應(yīng)用閾值算法和Mahony數(shù)據(jù)融合算法,結(jié)合加速度、俯仰角、滾動(dòng)角以及北斗差分定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)消防人員行動(dòng)姿態(tài)的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。將消防員的行為分為臥倒、靜止、走動(dòng)、跑動(dòng)四種狀態(tài)。設(shè)定動(dòng)態(tài)加速度閾值EdZ為1.5g,如果消防員的動(dòng)態(tài)加速度超過(guò)EdZ,則開(kāi)始檢測(cè)其高度變化:ΔH=Hb-Ha,其中Hb和Ha分別表示在超過(guò)閾值前后1 s內(nèi)的高度值。設(shè)定ΔH的閾值為0.5 m,在觸發(fā)加速度閾值后,若ΔH的值超過(guò)閾值,則判定消防員可能處于臥倒?fàn)顟B(tài),進(jìn)行臥倒行為檢測(cè)計(jì)算;若ΔH的值小于閾值,則判定為類臥倒行為[12]。臥倒行為檢測(cè)是基于類臥倒行為檢測(cè)的技術(shù),采用了9軸數(shù)據(jù)的Mahony算法來(lái)判斷是否存在臥倒行為。根據(jù)人體坐標(biāo)系處理重力分量[13],首先設(shè)置初始四元數(shù)表達(dá)式為q=q0+iq1+jq2+kq3,其中初始四元數(shù)取值為{1, 0, 0, 0}。利用三軸磁力計(jì)和加速度的輸出計(jì)算姿態(tài)角(見(jiàn)式(1));為了減少信號(hào)的噪聲,對(duì)磁力計(jì)輸出的三軸數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理(見(jiàn)式(2))。
式中:ax、ay、az為傳感器加速度的三軸分量;mx、my、mz為傳感器磁力計(jì)的三軸分量。
用叉乘誤差進(jìn)行P-I控制以修正陀螺零偏。通過(guò)調(diào)節(jié)KP、KI兩個(gè)參數(shù),可以控制加速度計(jì)修正陀螺儀姿態(tài)的速度,進(jìn)而對(duì)陀螺儀輸出的角速度進(jìn)行修正(見(jiàn)式(3)),最后得到更新后的姿態(tài)角(見(jiàn)式(4)):
式中:gx、gy、gz為傳感器陀螺儀的三軸分量。
計(jì)算出姿態(tài)角后,引入北斗差分定位方法來(lái)檢查人體的高度,以判斷是否處于跌倒?fàn)顟B(tài)。若eulerx、eulery、eulerz 三者任一值大于35°且后續(xù)ΔH高度變化持續(xù)小于0.35 m,則判定為消防員遇到危險(xiǎn)。
2 硬件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
硬件由危險(xiǎn)貨物集裝箱定位終端、頭戴式顯示終端構(gòu)成。硬件架構(gòu)如圖2所示。
2.2 硬件開(kāi)發(fā)
2.2.1 危險(xiǎn)貨物集裝箱定位終端
危險(xiǎn)貨物集裝箱定位終端由北斗定位芯片(UB4B0M)、NB-IoT數(shù)傳模塊(BC28)、攝像頭、照明燈構(gòu)成。在正面吊具抓舉危險(xiǎn)貨物集裝箱時(shí),攝像頭拍攝集裝箱頂部,獲取其頂部照片;高精度北斗定位芯片利用差分定位獲得該集裝箱的厘米級(jí)位置信息;將其頂部照片同位置信息通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。硬件實(shí)物如圖3所示。
2.2.2 頭戴式顯示終端
傳統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在著疊加圖像偏移、環(huán)境識(shí)別效率低、可視范圍狹窄等不足。本文自主設(shè)計(jì)的頭戴式顯示終端基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù),由定向聲音采集麥克風(fēng)、北斗定位芯片、姿態(tài)傳感器、雙目攝像頭、頭戴式顯示器、MCU、數(shù)傳模塊構(gòu)成,硬件實(shí)物如圖4所示。頭戴式顯示終端通過(guò)麥克風(fēng)和語(yǔ)音識(shí)別模塊搜集和識(shí)別語(yǔ)音指令,再通過(guò)NB-IoT數(shù)傳模塊上傳到云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),云端返回設(shè)備請(qǐng)求的集裝箱信息。利用北斗定位芯片可得到自身經(jīng)緯度,并利用霍爾加速度傳感器及陀螺儀傳感器測(cè)量得到自身姿態(tài)及偏轉(zhuǎn)角。采用與人眼視角相仿的36 mm焦距雙目攝像頭采集左右眼畫面,分別投映在兩塊顯示器上,畫面前方疊加顯示云端所返回的集裝箱信息,并在畫面內(nèi)高亮顯示該集裝箱。
3 軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
3.1 軟件開(kāi)發(fā)
基于本文自主開(kāi)發(fā)的云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),根據(jù)港口提供的BIM數(shù)據(jù)將港口危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字化還原,如消防設(shè)施位置和基礎(chǔ)堆場(chǎng)定位畫線等。在建立的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)、過(guò)程模擬等,確保數(shù)字化模型在港口危險(xiǎn)貨物集裝箱作業(yè)全過(guò)程的信息數(shù)據(jù)交換和反饋?;贕eoSOT全球剖分網(wǎng)格與港口BIM模型對(duì)危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)場(chǎng)景進(jìn)行三維網(wǎng)格化建模;形成堆場(chǎng)的三維網(wǎng)格圖后,基于三維網(wǎng)格圖及網(wǎng)格編碼,建立危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)格編碼,并創(chuàng)建網(wǎng)格索引大表,提供設(shè)備的網(wǎng)格查詢功能,實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)時(shí)空數(shù)據(jù)統(tǒng)一快速檢索。
3.2 軟件成品
構(gòu)建完成的系統(tǒng)具有智能信息整理、基于北斗網(wǎng)格碼的數(shù)據(jù)查詢、危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)指引(如圖5所示)、堆場(chǎng)可視化消防指揮(如圖6所示)等功能。
4 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)
目前本系統(tǒng)已在福建省內(nèi)河港口投入試用,對(duì)比市場(chǎng)上的類似商用系統(tǒng),本系統(tǒng)具有如下創(chuàng)新點(diǎn):
(1)結(jié)合BIM與EDI技術(shù),構(gòu)建港口集裝箱堆場(chǎng)的數(shù)字孿生系統(tǒng),通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)貨物集裝箱實(shí)物定位,實(shí)時(shí)更新數(shù)字孿生系統(tǒng)中的位置信息,保障了云端風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的實(shí)時(shí)性。
(2)利用北斗網(wǎng)格碼三維網(wǎng)格化儲(chǔ)存堆場(chǎng)三維數(shù)據(jù),創(chuàng)建網(wǎng)格索引大表,提供設(shè)備網(wǎng)格查詢功能,實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)時(shí)空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一快速檢索。
(3)運(yùn)用擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)貨物集裝箱作業(yè)可視化引導(dǎo),使作業(yè)人員快速、安全、高效地完成作業(yè)任務(wù),提高作業(yè)效率,減少紙質(zhì)單證的使用,符合國(guó)家低碳發(fā)展的要求。
(4)所設(shè)計(jì)的消防安全智能預(yù)案系統(tǒng),能夠在消防員面對(duì)險(xiǎn)情時(shí)提供最合理的救援方案與撤退路線,實(shí)現(xiàn)對(duì)險(xiǎn)情的有效控制,使災(zāi)情防控更具針對(duì)性,滅火救援更具專業(yè)性。
5 結(jié) 語(yǔ)
為了提高港口的安全性和競(jìng)爭(zhēng)力[14],現(xiàn)代港口需要加快港口危險(xiǎn)品管理的信息化和智能化進(jìn)程。本文所研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的港口危險(xiǎn)貨物集裝箱作業(yè)與安防系統(tǒng),采用北斗網(wǎng)格碼技術(shù)將海量危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理,并與云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行鏈接,云端服務(wù)器可運(yùn)用算法編排集裝箱堆場(chǎng)管理計(jì)劃、制定危險(xiǎn)品消防預(yù)案。針對(duì)不同的使用對(duì)象,頭戴式顯示終端可實(shí)現(xiàn)不同的功能指引,最終實(shí)現(xiàn)北斗網(wǎng)格碼的數(shù)據(jù)查詢、危險(xiǎn)貨物集裝箱作業(yè)指引、可視化消防安全輔助等功能,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)港口危險(xiǎn)貨物集裝箱管理的精細(xì)化、智能化、安全化。這一方案可被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)管理領(lǐng)域。它有望在確保外貿(mào)貨物安全、堆場(chǎng)作業(yè)安全以及消防作業(yè)可靠性等方面取得良好的進(jìn)展,為港口危險(xiǎn)貨物集裝箱的作業(yè)與安全防范提供重要的參考價(jià)值。
注:本文通訊作者為林宇洪。
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收稿日期:2024-04-21 修回日期:2024-05-24
作者簡(jiǎn)介:葉芷藝(2000—),女,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程。
湯建民(2001—),男,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)樯止こ獭?/p>
朱文軍(2002—),男,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸工程。
林宇洪(1976—),男,碩士,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程。