◎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、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的持續(xù)攻關，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得到了快速發(fā)展，應用新興技術對煤炭碼頭進行數(shù)字化轉型升級得到了政府、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型升級，如交通運輸部先后印發(fā)《關于推進港口轉型升級的指導意見》《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)《關于建設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，提出建設智慧港口示范工程，實現(xiàn)港口服務全流程自動化、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，提升碼頭設備自動化、服務敏捷化、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，內容涵蓋兩方面內容，一是設備自動化改造過程中作業(yè)設備的泛在感知需求，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)劃和建設智慧化煤炭碼頭提供借鑒。

1.煤炭碼頭作業(yè)流程及關鍵設備

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的空間節(jié)點：

1）卸船流程：泊位—碼頭裝卸船設備—碼頭水平運輸設備—碼頭堆場設備—堆場

2）裝船流程：堆場—碼頭堆場設備—碼頭水平運輸設備—碼頭裝卸船設備—泊位

3）裝車流程：堆場—碼頭堆場設備—碼頭水平運輸設備—裝卸車設備—火車—閘口

4）卸車流程：閘口—火車—裝卸車設備—碼頭水平運輸設備—碼頭堆場設備—堆場

由于國內煤炭碼頭關鍵作業(yè)設備的選則要充分考慮碼頭的空間布局、主營業(yè)務和當前的技術發(fā)展水平等因素，所以導致碼頭應用的設備存在一定的差異。煤炭碼頭的裝卸船設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；碼頭水平運輸設備主要是帶式輸送機；碼頭堆場設備主要有堆料機、取料機、堆取料機；裝卸車設備主要有裝車樓和翻車機。

2.煤炭碼頭關鍵設備感知需求

提出煤炭碼頭關鍵設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、關鍵設備、作業(yè)方式、實際作業(yè)工況和當前技術發(fā)展水平。通過感知設備采集的設備狀態(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。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)場景和設備主要部件，安裝時要根據(jù)設備的具體結構選擇合適的位置。

運行和定位：主要功能是實時獲取設備和其主要部件的位置、角度、加速度信息，輔助設備自動作業(yè)、防碰撞、吊具防搖等。對需重點監(jiān)控的機構應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，常見的設備和技術包括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：主要功能是對設備周邊環(huán)境的3D掃描和通過OCR識別車號等。常見的設備包括機關掃描儀、雷達、RFID等。

信息管控：主要功能是對任務進展、異常信息、人工介入等與設備任務完成情況相關內容的記錄與傳遞。

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

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

感知到的信息經(jīng)由泛在感知網(wǎng)絡傳遞到相應的管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)經(jīng)過采集和分析后，設備的狀態(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備進行遠程操控，或設備本身進行全自動化作業(yè)。煤炭碼頭關鍵設備感知需求如表1所示。

表1 煤炭碼頭關鍵設備感知需求[3-5]

3.煤炭碼頭關鍵系統(tǒng)需求

煤炭碼頭關鍵系統(tǒng)應實現(xiàn)對碼頭內主要生產(chǎn)、管理、服務功能全覆蓋，包括設備自動化作業(yè)、業(yè)務協(xié)同管理、線上商務服務等功能。在設備狀態(tài)信息充分感知并可根據(jù)需要在各個系統(tǒng)間自由流轉的前提下，對碼頭業(yè)務進行劃分可以整合為4個關鍵系統(tǒng)。關鍵系統(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、設備管理、能耗管理、物資管理、閘口管理、統(tǒng)計分析管理、基礎信息管理等功能。

設備管理系統(tǒng)：具備裝卸船機械自動控制、水平運輸設備自動控制、堆場設備自動控制、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)：具備碼頭裝卸船設備遠程操控、碼頭堆場設備遠程操控等功能。

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、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鍵設備和關鍵系統(tǒng)之間的關系，以及碼頭進行作業(yè)時的信息流轉內容，即設備的感知信息和系統(tǒng)處理后的信息。其中煤炭碼頭關鍵設備和關鍵系統(tǒng)交互關系如圖1所示。

圖1 煤炭碼頭關鍵設備和關鍵系統(tǒng)交互關系

碼頭關鍵設備和關鍵系統(tǒng)交互關系圖中以大寫字母A、B、C、D表示的是煤炭碼頭內的關鍵系統(tǒng)；以小寫字母a，b，c，d表示的是物料移動過程中所應用的關鍵設備；箭頭代表信息的流轉方向；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)計劃到設備管理系統(tǒng)，然后設備管理系統(tǒng)向各個設備發(fā)送調度指令，設備接收到指令后開始作業(yè)。設備在作業(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，并實時的向設備管理系統(tǒng)匯報，設備管理系統(tǒng)將收到的信息進行分析和處理，然后向設備發(fā)送作業(yè)指令。當設備遇到突發(fā)情況或者作業(yè)多次失敗后，設備操作人員可申請接入并通過遠程操控系統(tǒng)對設備進行遠程控制。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。設備和系統(tǒng)間的信息流轉主要包含三類，即系統(tǒng)間交互、系統(tǒng)與設備間交互、設備間交互。

5.結論

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、關鍵設備、作業(yè)方式、實際作業(yè)工況和當前技術發(fā)展水平，提出煤炭碼頭關鍵設備的感知需求。然后以煤炭碼頭關鍵系統(tǒng)功能應覆蓋碼頭內主要生產(chǎn)、管理、服務等全部功能為前提，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)劃和建設智慧化煤炭碼頭提供技術支撐和實踐參考依據(jù)。