煤炭港口全鏈條智慧運營管控系統架構研究

郭 享，畢 磊，柳海宇

(中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

煤炭專用碼頭是我國煤炭運輸體系的樞紐，它直接影響我國煤炭運輸物流體系的效率和效益[1]。對煤炭港口的運營管理進行研究具有重要意義，因此，有必要研究全面、直觀的煤炭港口運營管控方法。

目前我國主要煤炭碼頭已基本建立起碼頭生產管理系統和生產控制系統[2]，內容涵蓋了業務合同、生產調度、生產作業、生產監控等環節，大大提高了煤炭港口的管理水平和生產效率。但是，上述系統僅對港口企業內部的生產經營數據進行管理，數據分散，沒有系統地對港口經營、生產相關和港口產業鏈上下游的大數據進行集中管理和分析，沒有對港口全要素進行三維可視化管控。

隨著數字港口、智慧港口概念的提出和建設發展，構建與物理港口完全映射的虛擬港口，并實現港口大數據集成與分析，為解決現有系統僅對港口企業內部的生產經營數據進行管理、數據分散的問題提供了理論和技術基礎。因此，筆者提出煤炭港口全鏈條智慧運營管控系統框架，利用虛擬現實技術、GIS技術、計算機信息技術，在網絡環境下，實現煤炭港口及產業鏈上下游的大數據收集與分析及數據可視化，實現對港口三維場景的實時巡航，通過與港口信息管理系統的對接，實現對港口人員、車輛、設備、堆場以及調度、運行等港口全要素的實時監控與管理，輔助港口各級管理人員對港口全鏈條更全面、直觀地進行管理與控制。

1 系統框架結構

煤炭港口全鏈條智慧運營管控系統框架結構如圖1所示。

圖1 系統框架結構

系統采用分層架構設計，實現各層之間獨立封裝，便于日后維護升級。通過生產管理系統、視頻監控系統、GPS定位系統、運行管理系統、缺陷管理系統、船訊網、路港信息共享平臺等，為煤炭港口全鏈條智慧運營管控系統提供了數據來源。建立三維模型數據庫、靜態數據庫、動態業務數據庫和算法數據庫，獲取港口及能源產業鏈全鏈條中分布于各節點的數據，為系統的運行提供數據和算法。應用層由2個模塊構成：1)數據可視化模塊，用于依據各節點的數據進行分析生成可視化數據，其中，可視化數據包括：歷史數據、實時數據和預測數據；2)全要素管控模塊，用于依據歷史數據、實時數據和預測數據對港口的人、機、車、船、貨等人力資源和物力資源進行全要素管理調度。

2 基礎系統

通過生產管理系統、GPS定位系統、視頻監控系統、運行管理系統、缺陷管理系統、船訊網、路港信息共享平臺等港口內、外部基礎系統，獲取港口產業鏈全鏈條市場數據、港口生產數據和管控數據，建立煤炭港口全鏈條智慧運營管控系統和基礎系統的接口服務，實現數據交互與數據共享。其中，生產管理系統可提供產業鏈全鏈條市場數據、港口生產數據等；GPS定位系統可提供人員車輛實時位置和軌跡數據；視頻監控系統以數據流的方式對接到本系統，獲取現場生產、安防、閘口等信息；運行管理系統可提供設備運行時間、作業量及下次維護及預報保養到期時間、平穩運行時間、歷史累計運行時間等數據；缺陷管理系統可提供設備異常報警、溫度和震動數據，以及設備運行壽命信息；船訊網可提供與港口相關在途、預到、在港的船舶信息；路港信息共享平臺可提供與港口相關的在途火車信息。

3 數據庫

系統采用Oracle關系型數據庫。它包括立三維模型、靜態、動態和算法數據庫，可獲取港口及能源產業鏈全鏈條中分布于各節點的數據，為系統的運行提供數據和算法。數據的類型包括港口管控、三維信息和視頻流媒體數據等。港口管控數據按照類別和需求通過查詢管控系統建立視圖，三維信息數據按照實際需求建表，通過優化查詢語句提高查詢效率。視頻流媒體數據直接通過監控視頻內網IP地址獲取實時、歷史數據，本系統不做儲存。

數據庫通過綜合感知層和信息傳輸層采集和傳輸數據。1)綜合感知層用于感知煤炭碼頭運營現場生產過程的設備、車輛、人員、堆場等信息進而提供給數據庫，主要涉及無線傳感網絡、RFID信息采集、GPS定位和視頻監控技術等。對于部分采集信息量較大的場景，信息的冗余處理在硬件終端或者信息源頭上進行，以減輕網絡壓力。2)信息傳輸層用于運營現場數據庫與各系統間的數據傳輸[3]。由于煤炭碼頭運營現場影響因素多，因此需要根據傳輸途徑及對網絡帶寬的要求，合理使用多種傳輸網絡，如光纖通信、無線網絡、局域網絡等。數據庫的對接按照HTTP協議，通過webservice接口服務，實現數據交互。視頻流數據按照RTSP協議進行對接，進而實現了流媒體數據的讀取、寫入等功能。

4 煤炭港口全鏈條數據可視化

4.1 數據可視化

數據可視化技術將數據信息轉化為視覺形式，以此增強數據呈現的效果[4]。港口各級管理人員可以利用交互方式更加直觀地進行數據觀察和分析，發現全鏈條數據之間的關聯性，對未來趨勢進行準確預測。數據可視化過程分為3個階段：

1)數據預處理階段。數據預處理是數據可視化過程的一個基本階段[5]，是指將收集到的數據進行預處理加工，把相關聯的數據整合，并進行模塊化處理。包括對數據進行基本的格式化和標準化、進行數據相關變換、將數據壓縮和解壓縮等。

2)繪測階段。繪測指將信息從數據轉換到幾何圖像。

3)顯示和交互階段。顯示即將繪測階段生成的數據圖形和圖像按照用戶要求輸出結果。該階段除了顯示數據圖像信息，還要傳遞數據之間的關聯性以及數據發展趨勢，并把用戶的反饋信息傳遞到軟件層，以實現人機交互。

數據可視化采用儀表盤與三維場景聯動模式。兩側儀表盤中的各類數據與三維場景進行真實位置的交互綁定，儀表盤指標驅動三維可視化呈現，點擊兩側儀表盤中的任意數據項，三維場景即對應顯示該數據項的來源及當前狀態等信息，最終實現儀表盤中數據“有位可依”，告別光看圖表而找不到數據真正來源的尷尬。數據可視化的數據類型為港口管理中的重點關注內容，管理人員可根據直觀的數據顯示來分析當前市場動態和生產情況，并對未來做出預測與規劃。數據可視化界面如圖2所示。

圖2 煤炭港口全鏈條數據可視化

4.2 數據類型

數據類型包括：產業鏈全鏈條市場數據(能源貨源流向、市場動態、市場份額、對標情況、貨源結構等)和港口生產數據(生產效率、生產成本等)，數據覆蓋港口及能源產業鏈全鏈條中分布于各節點的歷史數據、實時數據和預測數據。其中，煤炭貨源流向由三維場景展示，其他數據由兩側儀表盤展示。

1)產業鏈全鏈條市場數據。包括能源貨源流向、市場動態、市場份額、對標情況和貨源結構。采用儀表盤和三維場景聯動得到三維模型，在三維模型上繪制能源由貨源發車站經鐵路到港口，由港口至客戶的流向圖。市場動態展示主產地煤炭價格及其行情走勢。市場份額展示港口在港區的調出量的占比。對標情況展示周邊港口吞吐量以及生產效率的對比。貨源結構展示煤炭調出量占比前十的貨主的吞吐量。

2)港口生產數據。包括生產效率和生產成本。生產效率分析包括裝船效率和卸車效率的分析，并對人員技能和班組績效進行管理。生產成本分析包括對港口整體卸車量、裝船量及其對應的水、電、油成本的分析，還包括單機設備作業量及成本分析。

5 煤炭港口全要素運營管控

根據港口實際運營情況，構建與物理港口完全映射的虛擬港口。通過與現有生產管理系統、運行管理系統、缺陷管理系統、船訊網等對接，將感知的運營過程、設備、車輛信息、人員狀態、堆場信息、環境等數據在系統數據平臺上進行集中并導入數據庫；根據算法與數據模型，結合生產業務流程上各數據之間的邏輯關系，及時進行處理并反饋到系統，輔助港口運行管控。

圖3為煤炭碼頭全要素管控系統界面。全要素包括港口人員、車輛、設備、調度、運行、堆場等，為港口管理中的重點關注內容。

圖3 煤炭碼頭全要素管控系統界面

1)人員管理。運用物聯網技術，獲取人員定位數據，實現人員實時位置、運行軌跡以及現場某點滯留時間的查詢。人員管理能夠篩選出現場人員的個人檔案，對人員進行分塊、分區域、分工種統計，具有電子柵欄入侵報警、設定人員到位檢測等功能，同時根據現場人員位置實時調出臨近監控的視頻畫面，能夠實現人員活動情況信息與視頻監控系統的聯動查詢。人員定位管理與生產作業、設備運行等要素統籌考慮，建立一套現場各崗位人員活動分析模型，能夠準確分析各崗位人員履職情況。

2)生產車輛管理。運用物聯網技術，獲取車輛定位數據，實現車輛的實時位置顯示和運行軌跡查詢，實現車輛運行時間、燃油消耗、操作人員姓名、車輛保養等信息查詢。將車輛作業效率、能耗指標與駕駛人員結合起來，作為評定駕駛人員技能的主要依據。

3)設備管理。獲取運行管理系統中兩票和運行臺時信息，基于歷史數據和預測數據，實現設備檢修狀態時，顯示其工作票或工單信息，包括檢修內容、檢修負責人、監護責任人、物資和工藝等。實現設備運行壽命管理，提供關鍵部件檢修、更換報警功能。

4)調度管理。基于路港信息共享平臺和船訊網，獲取并實時顯示在途火車、船舶信息，運用智能調度仿真模型，生成預測數據，據此制訂港口調度計劃，包括流程、設備、車船、貨物等。

5)運行管理。基于實時數據生成港口數據模型，實時模擬港口工藝系統的運行狀態，實現設備精準狀態顯示，包括臂架精準位置、角度等信息，顯示設備故障報警信息，與視頻系統實現無縫切換。裝卸作業時，沿線皮帶秤、軌道衡數據能夠在模型中清晰展示。卸車作業時，能夠顯示火車正在作業的節數；裝船作業時，能夠顯示船舶正在作業的艙位，以及各輪次裝載量。運行管理還具有基于歷史數據的歷史運行回溯功能。

6)堆場管理。實時顯示數字化堆場信息，包括三維垛型、入場時間、堆存數量、煤炭化驗指標、貨物持有人等。

6 結語

1)獲取港口及能源產業鏈全鏈條中分布于各節點的數據；采用儀表盤和三維場景聯動將各節點的數據依據數據類型分別生成對應的可視化數據，包括全鏈條市場數據和港口生產數據以及直觀、全面地分析和呈現港口及能源產業鏈全鏈條的大數據。

2)依據虛擬現實技術、GIS技術、計算機信息技術等，實現對港口人員、車輛、設備、調度、運行、堆場等人力資源和物力資源全要素管控。

3)煤炭港口全鏈條智慧運營管控系統建立的難點在于收集、匯聚全鏈條的數據以及數據在不同模塊間的傳遞。在今后的研究中，還需要對大數據分析與挖掘進行更深入的研究。