智能港口設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

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【摘要】論文介紹物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線射頻識(shí)別RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能港口設(shè)備中的應(yīng)用，為港口設(shè)備的智能方案提供參考。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；智能港口；關(guān)鍵技術(shù) 

1引言

物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）意為“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，指通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）、紅外傳感器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物品和過(guò)程信息，以此對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能港口由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。智能港口感知層包括港區(qū)內(nèi)的作業(yè)設(shè)備及相應(yīng)作業(yè)區(qū)域內(nèi)的條碼識(shí)讀器、RFID讀寫器、攝像頭和傳感器等。感知層的主要作用是感知和識(shí)別物體以及采集和捕獲信息。智能港口網(wǎng)絡(luò)層以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)管理中心和物聯(lián)網(wǎng)信息中心，并對(duì)海量信息進(jìn)行智能處理。

2容錯(cuò)條碼視覺(jué)絕對(duì)定位系統(tǒng)在智能港口設(shè)備中的應(yīng)用

容錯(cuò)條碼視覺(jué)絕對(duì)定位系統(tǒng)是一種新型的測(cè)量與定位系統(tǒng)，是由現(xiàn)代化大型自動(dòng)化物流輸送系統(tǒng)衍變而來(lái)。此系統(tǒng)主要包括視覺(jué)讀碼器、絕對(duì)位置編碼帶、定位系統(tǒng)PLC（可編程邏輯控制器）。條碼定位閱讀器用支架安裝在大車軌道靠箱區(qū)內(nèi)側(cè)和小車軌道的外側(cè)，隨大車或小車一起運(yùn)動(dòng)。針對(duì)大車定位，兩驅(qū)動(dòng)側(cè)均設(shè)計(jì)安裝同樣的閱讀器和絕對(duì)編碼帶，用于兩側(cè)相互冗余定位。針對(duì)小車定位，只采用單側(cè)定位的方式，只在小車軌道的一側(cè)布置閱讀器和絕對(duì)編碼帶。在大車或小車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由閱讀器讀取沿線粘貼的、預(yù)先按照整條軌道長(zhǎng)度細(xì)分絕對(duì)位置編碼的專用帶狀條碼的信息，而后將讀出的數(shù)據(jù)通過(guò)PROFINET網(wǎng)絡(luò)傳送至定位系統(tǒng)PLC，由PLC計(jì)算出大車或者小車的實(shí)時(shí)絕對(duì)位置；主機(jī)PLC從遠(yuǎn)控系統(tǒng)接收目標(biāo)箱位指令后，由定位系統(tǒng)PLC通信讀取，并從數(shù)據(jù)塊中調(diào)取目標(biāo)箱位的精確坐標(biāo)信息，然后分別發(fā)出大車和小車控制命令（包含方向、速度給定、減速、停車指令），并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將這一系列指令傳送至機(jī)上主控PLC用于執(zhí)行。本系統(tǒng)專門為閱讀器和編碼帶設(shè)計(jì)了防護(hù)罩和自動(dòng)清潔裝置，防護(hù)罩采用經(jīng)處理過(guò)的耐化學(xué)、鹽霧腐蝕的金屬板折成。防護(hù)罩支架拼裝和固定在與軌道標(biāo)高齊平的基準(zhǔn)面上。防護(hù)罩和支架安裝必須經(jīng)過(guò)縱向、橫向與垂向水平校直，然后編碼帶在防護(hù)罩頂板內(nèi)側(cè)向下粘貼。加裝防護(hù)罩后，大大降低了灰塵、污物、雨水、強(qiáng)光等環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)的影響，閱讀器和編碼帶的使用壽命也會(huì)顯著延長(zhǎng)，一般至少使用10年以上。本系統(tǒng)采用了特殊編碼方式的編碼帶，可以容許在整個(gè)編碼帶中存在多處不大于30mm寬度的錯(cuò)碼、損壞、缺失或者接縫，依然保證測(cè)量精度。

3傳感器技術(shù)在智能港口設(shè)備中的應(yīng)用

傳感器負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息的采集，是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的基礎(chǔ)，也是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于遠(yuǎn)控岸橋的起升高度及前伸距的加大，吊具相對(duì)于小車系統(tǒng)的懸垂量增大，對(duì)司機(jī)對(duì)箱產(chǎn)生了非常不利的影響，嚴(yán)重的影響生產(chǎn)效率，所以必須采用船形掃描系統(tǒng)提高以確保作業(yè)路徑的安全、作業(yè)效率的優(yōu)化。船形掃描系統(tǒng)SPSS（ShipProfileScanningSystem），系統(tǒng)通過(guò)安裝在岸邊集裝箱起重機(jī)小車平臺(tái)海側(cè)和司機(jī)室陸側(cè)的激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)掃描船上的集裝箱高度，獲得船形輪廓信息，與岸橋控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)岸橋起升和 小車方向的吊具防撞保護(hù)與智能減速功能。船形掃描系統(tǒng)包括控制器、激光掃描儀2個(gè)、電源適配器、交換機(jī)、顯示器、吊具標(biāo)識(shí)板。控制器安裝在小車上，與激光掃描儀、顯示器及小車上的PLC通訊模塊連接。激光掃描儀將實(shí)時(shí)檢測(cè)的船型輪廓信息發(fā)給控制器，控制器運(yùn)算處理后，向PLC系統(tǒng)發(fā)送控制指令，通過(guò)控制小車的移動(dòng)與吊具的升降操作，實(shí)現(xiàn)在小車和起升方向的吊具智能減速和防撞保護(hù)，避免吊具以及吊具吊著集裝箱與船上的碼放集裝箱或者艙底、船舷發(fā)生碰撞事故。同時(shí)以圖形方式記錄船形及吊具運(yùn)動(dòng)軌跡，供岸橋司機(jī)參考，提高其操作效率。兩個(gè)激光掃描儀安裝在小車（Trolley）前方，在前大臂（Boom）和吊具上架安裝標(biāo)識(shí)板。主激光掃描儀使用戶外長(zhǎng)距離激光掃描儀設(shè)備，掃描截面平行于小車行走方向，輔助激光掃描儀使用戶外中距激光掃描儀，掃描截面平行于大車行走方向。激光掃描儀對(duì)其正下方進(jìn)行連續(xù)掃描，可以獲取集裝箱的堆碼輪廓和船型輪廓。掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件處理后，形成可靠的船型輪廓信息。由于輪船位置和輪廓不會(huì)突變，故可以利用歷史信息對(duì)激光盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)全，并檢測(cè)輪船晃動(dòng)。當(dāng)?shù)蹙咭噪p箱吊方式裝卸船時(shí)，利用小車前方兩個(gè)激光掃描到兩排20尺箱型，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算取相對(duì)高箱作為防碰撞控制邊界進(jìn)行小車和吊具控制。岸橋吊具在船艙中作業(yè)時(shí)，司機(jī)往往看不到艙底，導(dǎo)致放箱時(shí)著箱過(guò)快，損壞設(shè)備或者集裝箱。船型掃描系統(tǒng)可以識(shí)別、記憶當(dāng)前作業(yè)排的高度，當(dāng)?shù)蹙叩撞拷咏摰讜r(shí)，自動(dòng)減速，保護(hù)設(shè)備和集裝箱。本系統(tǒng)采用雙激光測(cè)距融合技術(shù)，雙激光進(jìn)行無(wú)死角掃描，冗余校驗(yàn)，提升輪廓信息的準(zhǔn)確性；在更換場(chǎng)地作業(yè)貝位過(guò)程中，即時(shí)更新堆碼輪廓信息，提高系統(tǒng)時(shí)效性。

4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能港口設(shè)備中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)中，物品與人的無(wú)障礙交流必然離不開(kāi)可進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)。傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可分為兩類：近距離通信和廣域網(wǎng)絡(luò)通信。近距離通信以IEEE802.15.4和2.4GHz為代表。岸邊集裝箱起重機(jī)采用了無(wú)線溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵的設(shè)備，如電機(jī)，減速機(jī)出軸部位進(jìn)行實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)溫度值的分析來(lái)判斷這些設(shè)備是否正常工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的機(jī)械故障，提示工程人員進(jìn)行檢修，一方面防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，造成更嚴(yán)重的后果；另一方面，減少日常檢修工作的難度和時(shí)間，為設(shè)備可靠作業(yè)提供保障。該智能在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三部分組成，即無(wú)線發(fā)送模塊、無(wú)線傳輸路由模塊和無(wú)線接收模塊。無(wú)線發(fā)送模塊采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線接收模塊，無(wú)線傳輸路由模塊則在信號(hào)較弱的情況下起到無(wú)線數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)和傳遞功能。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。無(wú)線傳輸路由模塊，采用最新的微功率無(wú)線通信技術(shù)和先進(jìn)的節(jié)電免維護(hù)技術(shù)，是一款超低功耗（自動(dòng)休眠及快速喚醒設(shè)計(jì)）、支持路由及自組網(wǎng)絡(luò)（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)中繼）的無(wú)線通信模塊，該無(wú)線路由模塊能保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余跳轉(zhuǎn)，使無(wú)線發(fā)送模塊在最佳的狀態(tài)下工作。無(wú)線路由模塊采用ZigBee無(wú)線通信協(xié)議，符合IEEE802.15.4無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4GISM（工業(yè)、科研、醫(yī)療）免申請(qǐng)頻段，可選擇16個(gè)無(wú)線信道。采用直接序列擴(kuò)頻（GSSS）技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)。設(shè)備內(nèi)部采用全向天線，傳輸距離可達(dá)300m。設(shè)備采用外部DC24V供電。高達(dá)255個(gè)設(shè)備編址。無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)數(shù)字傳感器探頭配置一個(gè)無(wú)線發(fā)送模塊，用來(lái)采集數(shù)據(jù)及發(fā)送數(shù)據(jù)；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中配備2～3個(gè)無(wú)線路由模塊，對(duì)無(wú)線發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)起到轉(zhuǎn)發(fā)和中繼的作用；在無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中配備1臺(tái)無(wú)線接收模塊，所有節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)最終將匯總到無(wú)線接收模塊?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)匯總到無(wú)線接收模塊，無(wú)線接收模塊通過(guò)光纖轉(zhuǎn)換器接入港口的光纖網(wǎng)絡(luò)中，在中控室再由光纖轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接入上位機(jī)服務(wù)器內(nèi)。上位機(jī)服務(wù)器中的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示；定溫報(bào)警，并可對(duì)被監(jiān)控區(qū)域分段設(shè)置不同分區(qū)，每個(gè)分區(qū)可以任意設(shè)置報(bào)警值，對(duì)不同的部位進(jìn)行不同標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控；溫升速率報(bào)警等顯示。

5結(jié)語(yǔ)

隨著物流的數(shù)字化和國(guó)際化，物流集裝箱化成為物流運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展方向，使得港口間的競(jìng)爭(zhēng)越加激烈，提供港口設(shè)備的智能化是各個(gè)港口碼頭關(guān)注的重要領(lǐng)域。與此同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使之更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)化碼頭的生產(chǎn)作業(yè)中成為了現(xiàn)實(shí)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】孫洪雁.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在港口智能化建設(shè)中的應(yīng)用分析[J].物流工程與管理,2014(5):97-98.

【2】王宇,李繼春.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能港口中的應(yīng)用前景[J].集裝箱化,2010,21(12):28-30.

作者：劉東輝 宋浩 王云鵬 單位：青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司