■彭 文

（1.福建省港航勘察設(shè)計(jì)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(jì)全球化和世界經(jīng)濟(jì)一體化的趨勢(shì)不斷增強(qiáng)和國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的迅猛增長(zhǎng)，水運(yùn)在各國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位和作用越來(lái)越重要。 據(jù)相關(guān)資料顯示，國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易總量的95%以上通過(guò)水路運(yùn)輸來(lái)承擔(dān)，而且呈逐年上升的趨勢(shì)，港口貨運(yùn)量的增加對(duì)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(jī)電設(shè)備是港口現(xiàn)代化水平的標(biāo)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(dòng)化方向發(fā)展，設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。 港口機(jī)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(diǎn)， 其監(jiān)控和維護(hù)問(wèn)題日益突出，如何能夠有效、安全、實(shí)時(shí)、高效地監(jiān)控港口生產(chǎn)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)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(diǎn)。 因此，加強(qiáng)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(jì)實(shí)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(shì)。

2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

港口智慧監(jiān)控平臺(tái)是基于BIM 技術(shù)的虛擬港口模型平臺(tái)，集成港口設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、技術(shù)參數(shù)、安全指標(biāo)、音視頻信息等，實(shí)時(shí)監(jiān)控其工作運(yùn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)視；同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能管理、操控以及故障診斷和維護(hù)[1]，使港口管理企業(yè)及安全主管部門能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地掌握港口生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況信息，并可以對(duì)未知安全事故提出預(yù)警信息。

2.2 平臺(tái)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(tái)的研究

利用BIM 技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬港口場(chǎng)景的呈現(xiàn)、交互和漫游，構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)港口設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、具有實(shí)景沉浸感和智能交互性的三維實(shí)景模型港口平臺(tái)（圖1）。在平臺(tái)上，將智慧監(jiān)控系統(tǒng)的各功能模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，構(gòu)建出基于三維港口模型機(jī)電設(shè)備智慧監(jiān)控系統(tǒng)。 將國(guó)內(nèi)外港口現(xiàn)狀中“示意圖+圖例+數(shù)據(jù)”的傳統(tǒng)人機(jī)界面改變?yōu)橹庇^、良好、交互性強(qiáng)的三維實(shí)景模型界面，同時(shí)提高智慧監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)信息表達(dá)能力[2]。

圖1 三維交互虛擬港口平臺(tái)

（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(jì)實(shí)施期間，未制定設(shè)備數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，造成設(shè)備間產(chǎn)生信息孤島，無(wú)法將數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一平臺(tái)下監(jiān)控。 港口智慧監(jiān)控系統(tǒng)的研究將通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)完成對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)中，為智能化監(jiān)控提供數(shù)據(jù)支撐。

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

基于BIM 技術(shù)港口智慧監(jiān)控系統(tǒng)仿真平臺(tái)建立在先進(jìn)可靠的、 實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的工控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)港口裝卸設(shè)備、電氣設(shè)備、輸送設(shè)備等工作特點(diǎn)和原理的研究， 在工控機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.3 平臺(tái)主要功能模塊

（1）港機(jī)智慧監(jiān)管

平臺(tái)通過(guò)與港機(jī)PLC 的對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)：門機(jī)等設(shè)備整機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備起升、大車、小車及俯仰等機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)故障、吊具系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程智能化管理及故障預(yù)判[3]；還可檢測(cè)港機(jī)內(nèi)、外部斷絲、磨損、銹蝕疲勞等各種損傷，通過(guò)機(jī)器智慧檢測(cè)代替人工檢測(cè)， 將鋼絲繩安全提升至最高等級(jí)，減少專門用于鋼絲繩的檢測(cè)時(shí)間，有效提高生產(chǎn)效率及科學(xué)延長(zhǎng)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(duì)港區(qū)供水、排水與消防等地下管線進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)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(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，以及傳感器設(shè)備本身工作運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握地下管線的運(yùn)行狀態(tài)，為港區(qū)地下管網(wǎng)的日常養(yǎng)護(hù)與應(yīng)急處置等工作提供實(shí)時(shí)、科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)支持，減少管網(wǎng)巡檢時(shí)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(tái)可以實(shí)時(shí)獲取變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行工況信息，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化巡檢；利用大數(shù)據(jù)比對(duì)，掌握現(xiàn)場(chǎng)安全隱患和整改措施落實(shí)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(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)水平，實(shí)現(xiàn)檢修策略優(yōu)化并指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)全方位數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)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(shí)景的港區(qū)作業(yè)監(jiān)控功能，用戶可以實(shí)時(shí)獲取港區(qū)作業(yè)情況，可以通過(guò)攝像頭對(duì)港區(qū)堆場(chǎng)及設(shè)備作業(yè)情況視頻監(jiān)控。 通過(guò)工作區(qū)域固定點(diǎn)位的5G+行為識(shí)別設(shè)備，確認(rèn)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(xiǎn)行為；通過(guò)港口作業(yè)設(shè)備上的視頻設(shè)備收集圖像， 通過(guò)5G回傳確認(rèn)當(dāng)前操作者的身份， 防止非工作人員操作；周界區(qū)域固定點(diǎn)位的視頻 設(shè)備提取安防邊界的視頻圖像，通過(guò)5G 回傳至識(shí)別系統(tǒng)，識(shí)別未備案人員，并實(shí)時(shí)報(bào)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(jì)劃調(diào)度、作業(yè)執(zhí)行、資源分配、 費(fèi)收結(jié)算等多方面對(duì)港口作業(yè)集中管理，從而對(duì)現(xiàn)代化綜合港口實(shí)現(xiàn)一體化管理；通過(guò)對(duì)港口泊位資源、堆場(chǎng)資源、工班資源，以及機(jī)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(tái)軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

港口機(jī)電設(shè)備多樣， 通過(guò)設(shè)計(jì)C/S 平臺(tái)架構(gòu)，保證平臺(tái)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(yùn)行， 數(shù)據(jù)可以在不同的硬件、軟件平臺(tái)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(shí)現(xiàn)多層認(rèn)證、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。 C/S 平臺(tái)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(tái)軟件開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

（1）三維模型開(kāi)發(fā)平臺(tái)

BIM 三維模型開(kāi)發(fā)平臺(tái)選擇Autodesk， 包括REVIT、Civil 3D、Navisworks、InfraWorks、Inventor 等軟件，是國(guó)內(nèi)BIM 軟件中的主流產(chǎn)品之一，因其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)模型族功能，設(shè)計(jì)人員上手容易，價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)深受設(shè)計(jì)和施工企業(yè)青睞。 軟件具有進(jìn)行管道、建筑物構(gòu)建局部碰撞自動(dòng)檢查功能，不需要人工對(duì)全部建筑物構(gòu)件進(jìn)行逐一檢查， 節(jié)省檢查時(shí)間，并可利用顯示功能，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到問(wèn)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(kāi)發(fā)平臺(tái)

軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選擇是整個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(yǔ)言作為平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具，C#是微軟公司發(fā)布的一種由C和C++衍生出來(lái)的深深植根于C 和C++語(yǔ)言家族，是Microsfot VisualStudio 的一個(gè)組成部分， 對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，全新的、簡(jiǎn)單上手的C# 是一個(gè)非常好用的編程語(yǔ)言，有如下幾個(gè)特性：

（1）類型安全：在C# 中我們不能進(jìn)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(dòng)初始化。

（2）消除大量程序錯(cuò)誤：C# 的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)可以消除很多常見(jiàn)的編程錯(cuò)誤，程序員編寫和維護(hù)那些復(fù)雜商業(yè)問(wèn)題的程序就更加方便了，進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)成本。

（3）支持現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)編程新標(biāo)準(zhǔn)：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(guò)Internet 被任何操作系統(tǒng)上運(yùn)行的任何程序調(diào)用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著港口從作為運(yùn)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(yùn)整合型物流中心的第四代港口的發(fā)展， 人們對(duì)港口認(rèn)識(shí)側(cè)重點(diǎn)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(yùn)而生。 沒(méi)有港口基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化，沒(méi)有港口運(yùn)輸裝備的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)港口運(yùn)輸要素的全面感知， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、北斗等新一代信息技術(shù)與港口運(yùn)輸核心業(yè)務(wù)的深度融合，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)港口運(yùn)輸組織和運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)化、智能化等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)港口生產(chǎn)設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施的遠(yuǎn)程智能化管理，實(shí)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(yùn)營(yíng)成本。