煤炭港口全链条智慧运营管控系统架构研究

2020-11-09柳海宇

水运工程 2020年9期

郭享，毕磊，柳海宇

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

煤炭专用码头是我国煤炭运输体系的枢纽，它直接影响我国煤炭运输物流体系的效率和效益[1]。对煤炭港口的运营管理进行研究具有重要意义，因此，有必要研究全面、直观的煤炭港口运营管控方法。

目前我国主要煤炭码头已基本建立起码头生产管理系统和生产控制系统[2]，内容涵盖了业务合同、生产调度、生产作业、生产监控等环节，大大提高了煤炭港口的管理水平和生产效率。但是，上述系统仅对港口企业内部的生产经营数据进行管理，数据分散，没有系统地对港口经营、生产相关和港口产业链上下游的大数据进行集中管理和分析，没有对港口全要素进行三维可视化管控。

随着数字港口、智慧港口概念的提出和建设发展，构建与物理港口完全映射的虚拟港口，并实现港口大数据集成与分析，为解决现有系统仅对港口企业内部的生产经营数据进行管理、数据分散的问题提供了理论和技术基础。因此，笔者提出煤炭港口全链条智慧运营管控系统框架，利用虚拟现实技术、GIS技术、计算机信息技术，在网络环境下，实现煤炭港口及产业链上下游的大数据收集与分析及数据可视化，实现对港口三维场景的实时巡航，通过与港口信息管理系统的对接，实现对港口人员、车辆、设备、堆场以及调度、运行等港口全要素的实时监控与管理，辅助港口各级管理人员对港口全链条更全面、直观地进行管理与控制。

1 系统框架结构

煤炭港口全链条智慧运营管控系统框架结构如图1所示。

图1 系统框架结构

系统采用分层架构设计，实现各层之间独立封装，便于日后维护升级。通过生产管理系统、视频监控系统、GPS定位系统、运行管理系统、缺陷管理系统、船讯网、路港信息共享平台等，为煤炭港口全链条智慧运营管控系统提供了数据来源。建立三维模型数据库、静态数据库、动态业务数据库和算法数据库，获取港口及能源产业链全链条中分布于各节点的数据，为系统的运行提供数据和算法。应用层由2个模块构成：1)数据可视化模块，用于依据各节点的数据进行分析生成可视化数据，其中，可视化数据包括：历史数据、实时数据和预测数据；2)全要素管控模块，用于依据历史数据、实时数据和预测数据对港口的人、机、车、船、货等人力资源和物力资源进行全要素管理调度。

2 基础系统

通过生产管理系统、GPS定位系统、视频监控系统、运行管理系统、缺陷管理系统、船讯网、路港信息共享平台等港口内、外部基础系统，获取港口产业链全链条市场数据、港口生产数据和管控数据，建立煤炭港口全链条智慧运营管控系统和基础系统的接口服务，实现数据交互与数据共享。其中，生产管理系统可提供产业链全链条市场数据、港口生产数据等；GPS定位系统可提供人员车辆实时位置和轨迹数据；视频监控系统以数据流的方式对接到本系统，获取现场生产、安防、闸口等信息；运行管理系统可提供设备运行时间、作业量及下次维护及预报保养到期时间、平稳运行时间、历史累计运行时间等数据；缺陷管理系统可提供设备异常报警、温度和震动数据，以及设备运行寿命信息；船讯网可提供与港口相关在途、预到、在港的船舶信息；路港信息共享平台可提供与港口相关的在途火车信息。

3 数据库

系统采用Oracle关系型数据库。它包括立三维模型、静态、动态和算法数据库，可获取港口及能源产业链全链条中分布于各节点的数据，为系统的运行提供数据和算法。数据的类型包括港口管控、三维信息和视频流媒体数据等。港口管控数据按照类别和需求通过查询管控系统建立视图，三维信息数据按照实际需求建表，通过优化查询语句提高查询效率。视频流媒体数据直接通过监控视频内网IP地址获取实时、历史数据，本系统不做储存。

数据库通过综合感知层和信息传输层采集和传输数据。1)综合感知层用于感知煤炭码头运营现场生产过程的设备、车辆、人员、堆场等信息进而提供给数据库，主要涉及无线传感网络、RFID信息采集、GPS定位和视频监控技术等。对于部分采集信息量较大的场景，信息的冗余处理在硬件终端或者信息源头上进行，以减轻网络压力。2)信息传输层用于运营现场数据库与各系统间的数据传输[3]。由于煤炭码头运营现场影响因素多，因此需要根据传输途径及对网络带宽的要求，合理使用多种传输网络，如光纤通信、无线网络、局域网络等。数据库的对接按照HTTP协议，通过webservice接口服务，实现数据交互。视频流数据按照RTSP协议进行对接，进而实现了流媒体数据的读取、写入等功能。

4 煤炭港口全链条数据可视化

4.1 数据可视化

数据可视化技术将数据信息转化为视觉形式，以此增强数据呈现的效果[4]。港口各级管理人员可以利用交互方式更加直观地进行数据观察和分析，发现全链条数据之间的关联性，对未来趋势进行准确预测。数据可视化过程分为3个阶段：

1)数据预处理阶段。数据预处理是数据可视化过程的一个基本阶段[5]，是指将收集到的数据进行预处理加工，把相关联的数据整合，并进行模块化处理。包括对数据进行基本的格式化和标准化、进行数据相关变换、将数据压缩和解压缩等。

2)绘测阶段。绘测指将信息从数据转换到几何图像。

3)显示和交互阶段。显示即将绘测阶段生成的数据图形和图像按照用户要求输出结果。该阶段除了显示数据图像信息，还要传递数据之间的关联性以及数据发展趋势，并把用户的反馈信息传递到软件层，以实现人机交互。

数据可视化采用仪表盘与三维场景联动模式。两侧仪表盘中的各类数据与三维场景进行真实位置的交互绑定，仪表盘指标驱动三维可视化呈现，点击两侧仪表盘中的任意数据项，三维场景即对应显示该数据项的来源及当前状态等信息，最终实现仪表盘中数据“有位可依”，告别光看图表而找不到数据真正来源的尴尬。数据可视化的数据类型为港口管理中的重点关注内容，管理人员可根据直观的数据显示来分析当前市场动态和生产情况，并对未来做出预测与规划。数据可视化界面如图2所示。

图2 煤炭港口全链条数据可视化

4.2 数据类型

数据类型包括：产业链全链条市场数据(能源货源流向、市场动态、市场份额、对标情况、货源结构等)和港口生产数据(生产效率、生产成本等)，数据覆盖港口及能源产业链全链条中分布于各节点的历史数据、实时数据和预测数据。其中，煤炭货源流向由三维场景展示，其他数据由两侧仪表盘展示。

1)产业链全链条市场数据。包括能源货源流向、市场动态、市场份额、对标情况和货源结构。采用仪表盘和三维场景联动得到三维模型，在三维模型上绘制能源由货源发车站经铁路到港口，由港口至客户的流向图。市场动态展示主产地煤炭价格及其行情走势。市场份额展示港口在港区的调出量的占比。对标情况展示周边港口吞吐量以及生产效率的对比。货源结构展示煤炭调出量占比前十的货主的吞吐量。

2)港口生产数据。包括生产效率和生产成本。生产效率分析包括装船效率和卸车效率的分析，并对人员技能和班组绩效进行管理。生产成本分析包括对港口整体卸车量、装船量及其对应的水、电、油成本的分析，还包括单机设备作业量及成本分析。

5 煤炭港口全要素运营管控

根据港口实际运营情况，构建与物理港口完全映射的虚拟港口。通过与现有生产管理系统、运行管理系统、缺陷管理系统、船讯网等对接，将感知的运营过程、设备、车辆信息、人员状态、堆场信息、环境等数据在系统数据平台上进行集中并导入数据库；根据算法与数据模型，结合生产业务流程上各数据之间的逻辑关系，及时进行处理并反馈到系统，辅助港口运行管控。

图3为煤炭码头全要素管控系统界面。全要素包括港口人员、车辆、设备、调度、运行、堆场等，为港口管理中的重点关注内容。

图3 煤炭码头全要素管控系统界面

1)人员管理。运用物联网技术，获取人员定位数据，实现人员实时位置、运行轨迹以及现场某点滞留时间的查询。人员管理能够筛选出现场人员的个人档案，对人员进行分块、分区域、分工种统计，具有电子栅栏入侵报警、设定人员到位检测等功能，同时根据现场人员位置实时调出临近监控的视频画面，能够实现人员活动情况信息与视频监控系统的联动查询。人员定位管理与生产作业、设备运行等要素统筹考虑，建立一套现场各岗位人员活动分析模型，能够准确分析各岗位人员履职情况。

2)生产车辆管理。运用物联网技术，获取车辆定位数据，实现车辆的实时位置显示和运行轨迹查询，实现车辆运行时间、燃油消耗、操作人员姓名、车辆保养等信息查询。将车辆作业效率、能耗指标与驾驶人员结合起来，作为评定驾驶人员技能的主要依据。

3)设备管理。获取运行管理系统中两票和运行台时信息，基于历史数据和预测数据，实现设备检修状态时，显示其工作票或工单信息，包括检修内容、检修负责人、监护责任人、物资和工艺等。实现设备运行寿命管理，提供关键部件检修、更换报警功能。

4)调度管理。基于路港信息共享平台和船讯网，获取并实时显示在途火车、船舶信息，运用智能调度仿真模型，生成预测数据，据此制订港口调度计划，包括流程、设备、车船、货物等。

5)运行管理。基于实时数据生成港口数据模型，实时模拟港口工艺系统的运行状态，实现设备精准状态显示，包括臂架精准位置、角度等信息，显示设备故障报警信息，与视频系统实现无缝切换。装卸作业时，沿线皮带秤、轨道衡数据能够在模型中清晰展示。卸车作业时，能够显示火车正在作业的节数；装船作业时，能够显示船舶正在作业的舱位，以及各轮次装载量。运行管理还具有基于历史数据的历史运行回溯功能。

6)堆场管理。实时显示数字化堆场信息，包括三维垛型、入场时间、堆存数量、煤炭化验指标、货物持有人等。