■彭 文

（1.福建省港航勘察設(shè)計院有限公司，福州 350001；2.福建省閩航飛騰科技有限公司，福州 350009）

1 引言

隨著經(jīng)濟全球化和世界經(jīng)濟一體化的趨勢不斷增強和國際經(jīng)濟貿(mào)易的迅猛增長，水運在各國國民經(jīng)濟發(fā)展中的地位和作用越來越重要。 據(jù)相關(guān)資料顯示，國際經(jīng)濟貿(mào)易總量的95%以上通過水路運輸來承擔，而且呈逐年上升的趨勢，港口貨運量的增加對港口規(guī)模和裝卸作業(yè)智能化程度提出了更高的要求。 港口機電設(shè)備是港口現(xiàn)代化水平的標志，隨著港口規(guī)模和裝卸作業(yè)智能化的普及，其逐步朝著大型化、連續(xù)化、高速化、和自動化方向發(fā)展，設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。 港口機電設(shè)備具有數(shù)量多、種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)分散、通信協(xié)議不兼容等特點， 其監(jiān)控和維護問題日益突出，如何能夠有效、安全、實時、高效地監(jiān)控港口生產(chǎn)機電設(shè)備的運行狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)，提高港口生產(chǎn)效率和安全可靠度一直是港口企業(yè)生產(chǎn)管理人員關(guān)注的重點。 因此，加強基于BIM 技術(shù)的智慧港口設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)研究、設(shè)計實際應(yīng)用和更快地推廣將是今后智慧港口工程學(xué)科發(fā)展的必然趨勢。

2 平臺功能設(shè)計

2.1 設(shè)計目標

港口智慧監(jiān)控平臺是基于BIM 技術(shù)的虛擬港口模型平臺，集成港口設(shè)備運行狀態(tài)、技術(shù)參數(shù)、安全指標、音視頻信息等，實時監(jiān)控其工作運行相關(guān)技術(shù)指標，實現(xiàn)對港口設(shè)備運行的監(jiān)視；同時實現(xiàn)遠程智能管理、操控以及故障診斷和維護[1]，使港口管理企業(yè)及安全主管部門能夠及時、準確、動態(tài)地掌握港口生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況信息，并可以對未知安全事故提出預(yù)警信息。

2.2 平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）基于BIM 技術(shù)的三維、可交互的虛擬港口平臺的研究

利用BIM 技術(shù)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)虛擬港口場景的呈現(xiàn)、交互和漫游，構(gòu)建一個實時呈現(xiàn)港口設(shè)備的運行狀態(tài)、具有實景沉浸感和智能交互性的三維實景模型港口平臺（圖1）。在平臺上，將智慧監(jiān)控系統(tǒng)的各功能模塊數(shù)據(jù)進行采集處理，構(gòu)建出基于三維港口模型機電設(shè)備智慧監(jiān)控系統(tǒng)。 將國內(nèi)外港口現(xiàn)狀中“示意圖+圖例+數(shù)據(jù)”的傳統(tǒng)人機界面改變?yōu)橹庇^、良好、交互性強的三維實景模型界面，同時提高智慧監(jiān)控系統(tǒng)機電設(shè)備的數(shù)據(jù)信息表達能力[2]。

圖1 三維交互虛擬港口平臺

（2）全面感知的港口數(shù)據(jù)采集

港口設(shè)備繁多， 特別是已投入生產(chǎn)的老舊碼頭，由于設(shè)計實施期間，未制定設(shè)備數(shù)據(jù)接口標準，造成設(shè)備間產(chǎn)生信息孤島，無法將數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一平臺下監(jiān)控。 港口智慧監(jiān)控系統(tǒng)的研究將通過互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)完成對港口設(shè)備全面感知數(shù)字化，將分散在港口各區(qū)域的設(shè)備數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采集到同一個數(shù)據(jù)平臺中，為智能化監(jiān)控提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）可實際應(yīng)用的港口智慧監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺

基于BIM 技術(shù)港口智慧監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺建立在先進可靠的、 實時性很強的工控網(wǎng)絡(luò)平臺上，通過對港口裝卸設(shè)備、電氣設(shè)備、輸送設(shè)備等工作特點和原理的研究， 在工控機上進行動態(tài)模擬仿真，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控和故障成因的模擬分析，為港口企業(yè)安全生產(chǎn)管理及研究提供仿真實驗平臺。

2.3 平臺主要功能模塊

（1）港機智慧監(jiān)管

平臺通過與港機PLC 的對接，可實現(xiàn)：門機等設(shè)備整機實時狀態(tài)、設(shè)備起升、大車、小車及俯仰等機構(gòu)實時狀態(tài)、設(shè)備內(nèi)部通信狀態(tài)、設(shè)備供電電源狀態(tài)、設(shè)備實時故障、吊具系統(tǒng)實時狀態(tài)、設(shè)備歷史故障記錄、設(shè)備歷史狀態(tài)回放等功能，實現(xiàn)設(shè)備的遠程智能化管理及故障預(yù)判[3]；還可檢測港機內(nèi)、外部斷絲、磨損、銹蝕疲勞等各種損傷，通過機器智慧檢測代替人工檢測， 將鋼絲繩安全提升至最高等級，減少專門用于鋼絲繩的檢測時間，有效提高生產(chǎn)效率及科學(xué)延長鋼絲繩的使用壽命， 降低用繩成本。

（2）管網(wǎng)智慧監(jiān)管

針對港區(qū)供水、排水與消防等地下管線進行監(jiān)測， 通過對監(jiān)測部位安裝各類專業(yè)電子傳感器設(shè)備，獲取其流量、壓力、液位等運行狀態(tài)參數(shù)，以及傳感器設(shè)備本身工作運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時掌握地下管線的運行狀態(tài)，為港區(qū)地下管網(wǎng)的日常養(yǎng)護與應(yīng)急處置等工作提供實時、科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)支持，減少管網(wǎng)巡檢時間，有效提高生產(chǎn)效率[4]（圖2）。

圖2 管網(wǎng)智慧監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（3）變電站智慧監(jiān)管

平臺可以實時獲取變電站現(xiàn)場設(shè)備運行工況信息，從而實現(xiàn)遠程可視化巡檢；利用大數(shù)據(jù)比對，掌握現(xiàn)場安全隱患和整改措施落實情況核查；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析設(shè)備狀態(tài)影響因素，以及運行風險水平，實現(xiàn)檢修策略優(yōu)化并指導(dǎo)實現(xiàn)；實現(xiàn)全方位數(shù)據(jù)在線監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)分析，提高數(shù)據(jù)分析規(guī)則能力。

（4）港區(qū)智慧安防

系統(tǒng)提供實景的港區(qū)作業(yè)監(jiān)控功能，用戶可以實時獲取港區(qū)作業(yè)情況，可以通過攝像頭對港區(qū)堆場及設(shè)備作業(yè)情況視頻監(jiān)控。 通過工作區(qū)域固定點位的5G+行為識別設(shè)備，確認人員的身份，記錄告警抽煙行為、越區(qū)行為、未戴安全帽等危險行為；通過港口作業(yè)設(shè)備上的視頻設(shè)備收集圖像， 通過5G回傳確認當前操作者的身份， 防止非工作人員操作；周界區(qū)域固定點位的視頻 設(shè)備提取安防邊界的視頻圖像，通過5G 回傳至識別系統(tǒng)，識別未備案人員，并實時報警[5]。

（5）智慧作業(yè)管理

利用5G 技術(shù)全面支持集裝箱、散雜貨、滾裝等多種類型業(yè)務(wù)，從業(yè)務(wù)受理、計劃調(diào)度、作業(yè)執(zhí)行、資源分配、 費收結(jié)算等多方面對港口作業(yè)集中管理，從而對現(xiàn)代化綜合港口實現(xiàn)一體化管理；通過對港口泊位資源、堆場資源、工班資源，以及機械資源等的統(tǒng)一調(diào)度分配，提升港口作業(yè)效率與服務(wù)能力（圖3）。

圖3 智慧作業(yè)管理系統(tǒng)框圖

3 平臺軟件開發(fā)設(shè)計

3.1 平臺軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

港口機電設(shè)備多樣， 通過設(shè)計C/S 平臺架構(gòu)，保證平臺終端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸端及處理端在不同硬件和軟件環(huán)境下運行， 數(shù)據(jù)可以在不同的硬件、軟件平臺上互聯(lián)互通。C/S（Client/Server 或客戶/服務(wù)器模式）即客戶端/服務(wù)器端架構(gòu)，是一種典型的兩層架構(gòu)，具有界面和操作豐富、安全性能容易保證、可實現(xiàn)多層認證、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。 C/S 平臺架構(gòu)能充分發(fā)揮客戶端PC 的處理能力， 客戶端響應(yīng)速度快。

3.2 平臺軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

（1）三維模型開發(fā)平臺

BIM 三維模型開發(fā)平臺選擇Autodesk， 包括REVIT、Civil 3D、Navisworks、InfraWorks、Inventor 等軟件，是國內(nèi)BIM 軟件中的主流產(chǎn)品之一，因其強大的設(shè)計模型族功能，設(shè)計人員上手容易，價格相對低廉等優(yōu)點深受設(shè)計和施工企業(yè)青睞。 軟件具有進行管道、建筑物構(gòu)建局部碰撞自動檢查功能，不需要人工對全部建筑物構(gòu)件進行逐一檢查， 節(jié)省檢查時間，并可利用顯示功能，自動跳轉(zhuǎn)到問題構(gòu)件；支持Sketchup 類型文件；基于CAD 基礎(chǔ)，容易上手。

（2）軟件開發(fā)平臺

軟件開發(fā)語言選擇是整個平臺設(shè)計的基礎(chǔ)，考慮到港口設(shè)施結(jié)構(gòu)多元多樣的特效， 選擇C# 語言作為平臺開發(fā)工具，C#是微軟公司發(fā)布的一種由C和C++衍生出來的深深植根于C 和C++語言家族，是Microsfot VisualStudio 的一個組成部分， 對于開發(fā)人員來說，全新的、簡單上手的C# 是一個非常好用的編程語言，有如下幾個特性：

（1）類型安全：在C# 中我們不能進行不安全的類型轉(zhuǎn)換，如將double 轉(zhuǎn)變?yōu)閎oolean，值類型被初始化為零，而引用類型被編譯器自動初始化。

（2）消除大量程序錯誤：C# 的現(xiàn)代化設(shè)計可以消除很多常見的編程錯誤，程序員編寫和維護那些復(fù)雜商業(yè)問題的程序就更加方便了，進一步降低開發(fā)成本。

（3）支持現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)編程新標準：C# 包含了內(nèi)置的特性， 使任何組件可以輕松轉(zhuǎn)化為XML 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)， 通過Internet 被任何操作系統(tǒng)上運行的任何程序調(diào)用。

4 結(jié)語

隨著港口從作為運輸樞紐的第一代港口（作為裝卸和服務(wù)的第二代港口，貿(mào)易和物流中心的第三代港口）向著樞紐轉(zhuǎn)運整合型物流中心的第四代港口的發(fā)展， 人們對港口認識側(cè)重點觀念的改變，使得智慧化港口、信息化港口、智能化港口、數(shù)字化港口等新理念也應(yīng)運而生。 沒有港口基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，沒有港口運輸裝備的標準化、智能化，就無法實現(xiàn)港口運輸要素的全面感知， 無法實現(xiàn)5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、北斗等新一代信息技術(shù)與港口運輸核心業(yè)務(wù)的深度融合，也無法實現(xiàn)港口運輸組織和運輸管理的創(chuàng)新[1]。 本文的研究成果可以有效改善現(xiàn)有港口基礎(chǔ)設(shè)施及設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、標準化、智能化等問題，通過對港口生產(chǎn)設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施的遠程智能化管理，實現(xiàn)港口設(shè)備資源統(tǒng)籌高效利用，減少人工設(shè)備巡檢，降低港口企業(yè)運營成本。