基于BIM 港口智慧監控平臺的研究

■彭 文

（1.福建省港航勘察設計院有限公司，福州 350001；2.福建省閩航飛騰科技有限公司，福州 350009）

1 引言

隨著經濟全球化和世界經濟一體化的趨勢不斷增強和國際經濟貿易的迅猛增長，水運在各國國民經濟發展中的地位和作用越來越重要。 據相關資料顯示，國際經濟貿易總量的95%以上通過水路運輸來承擔，而且呈逐年上升的趨勢，港口貨運量的增加對港口規模和裝卸作業智能化程度提出了更高的要求。 港口機電設備是港口現代化水平的標志，隨著港口規模和裝卸作業智能化的普及，其逐步朝著大型化、連續化、高速化、和自動化方向發展，設備的組成與結構越來越復雜。 港口機電設備具有數量多、種類多、結構復雜、作業分散、通信協議不兼容等特點， 其監控和維護問題日益突出，如何能夠有效、安全、實時、高效地監控港口生產機電設備的運行狀態和技術參數，提高港口生產效率和安全可靠度一直是港口企業生產管理人員關注的重點。 因此，加強基于BIM 技術的智慧港口設備監控系統研究、設計實際應用和更快地推廣將是今后智慧港口工程學科發展的必然趨勢。

2 平臺功能設計

2.1 設計目標

港口智慧監控平臺是基于BIM 技術的虛擬港口模型平臺，集成港口設備運行狀態、技術參數、安全指標、音視頻信息等，實時監控其工作運行相關技術指標，實現對港口設備運行的監視；同時實現遠程智能管理、操控以及故障診斷和維護[1]，使港口管理企業及安全主管部門能夠及時、準確、動態地掌握港口生產設備的運行狀況信息，并可以對未知安全事故提出預警信息。

2.2 平臺關鍵技術研究

（1）基于BIM 技術的三維、可交互的虛擬港口平臺的研究

利用BIM 技術的虛擬現實技術實現虛擬港口場景的呈現、交互和漫游，構建一個實時呈現港口設備的運行狀態、具有實景沉浸感和智能交互性的三維實景模型港口平臺（圖1）。在平臺上，將智慧監控系統的各功能模塊數據進行采集處理，構建出基于三維港口模型機電設備智慧監控系統。 將國內外港口現狀中“示意圖+圖例+數據”的傳統人機界面改變為直觀、良好、交互性強的三維實景模型界面，同時提高智慧監控系統機電設備的數據信息表達能力[2]。

圖1 三維交互虛擬港口平臺

（2）全面感知的港口數據采集

港口設備繁多， 特別是已投入生產的老舊碼頭，由于設計實施期間，未制定設備數據接口標準，造成設備間產生信息孤島，無法將數據集成到統一平臺下監控。 港口智慧監控系統的研究將通過互聯網信息技術完成對港口設備全面感知數字化，將分散在港口各區域的設備數據，統一采集到同一個數據平臺中，為智能化監控提供數據支撐。

（3）可實際應用的港口智慧監控系統仿真平臺

基于BIM 技術港口智慧監控系統仿真平臺建立在先進可靠的、 實時性很強的工控網絡平臺上，通過對港口裝卸設備、電氣設備、輸送設備等工作特點和原理的研究， 在工控機上進行動態模擬仿真，實現對設備運行狀態的遠程監控和故障成因的模擬分析，為港口企業安全生產管理及研究提供仿真實驗平臺。

2.3 平臺主要功能模塊

（1）港機智慧監管

平臺通過與港機PLC 的對接，可實現：門機等設備整機實時狀態、設備起升、大車、小車及俯仰等機構實時狀態、設備內部通信狀態、設備供電電源狀態、設備實時故障、吊具系統實時狀態、設備歷史故障記錄、設備歷史狀態回放等功能，實現設備的遠程智能化管理及故障預判[3]；還可檢測港機內、外部斷絲、磨損、銹蝕疲勞等各種損傷，通過機器智慧檢測代替人工檢測， 將鋼絲繩安全提升至最高等級，減少專門用于鋼絲繩的檢測時間，有效提高生產效率及科學延長鋼絲繩的使用壽命， 降低用繩成本。

（2）管網智慧監管

針對港區供水、排水與消防等地下管線進行監測， 通過對監測部位安裝各類專業電子傳感器設備，獲取其流量、壓力、液位等運行狀態參數，以及傳感器設備本身工作運行狀態數據，實時掌握地下管線的運行狀態，為港區地下管網的日常養護與應急處置等工作提供實時、科學、可靠的數據支持，減少管網巡檢時間，有效提高生產效率[4]（圖2）。

圖2 管網智慧監控系統結構圖

（3）變電站智慧監管

平臺可以實時獲取變電站現場設備運行工況信息，從而實現遠程可視化巡檢；利用大數據比對，掌握現場安全隱患和整改措施落實情況核查；利用大數據技術分析設備狀態影響因素，以及運行風險水平，實現檢修策略優化并指導實現；實現全方位數據在線監測及歷史數據分析，提高數據分析規則能力。

（4）港區智慧安防

系統提供實景的港區作業監控功能，用戶可以實時獲取港區作業情況，可以通過攝像頭對港區堆場及設備作業情況視頻監控。 通過工作區域固定點位的5G+行為識別設備，確認人員的身份，記錄告警抽煙行為、越區行為、未戴安全帽等危險行為；通過港口作業設備上的視頻設備收集圖像， 通過5G回傳確認當前操作者的身份， 防止非工作人員操作；周界區域固定點位的視頻 設備提取安防邊界的視頻圖像，通過5G 回傳至識別系統，識別未備案人員，并實時報警[5]。

（5）智慧作業管理

利用5G 技術全面支持集裝箱、散雜貨、滾裝等多種類型業務，從業務受理、計劃調度、作業執行、資源分配、 費收結算等多方面對港口作業集中管理，從而對現代化綜合港口實現一體化管理；通過對港口泊位資源、堆場資源、工班資源，以及機械資源等的統一調度分配，提升港口作業效率與服務能力（圖3）。

圖3 智慧作業管理系統框圖

3 平臺軟件開發設計

3.1 平臺軟件結構設計

港口機電設備多樣， 通過設計C/S 平臺架構，保證平臺終端數據采集、數據傳輸端及處理端在不同硬件和軟件環境下運行， 數據可以在不同的硬件、軟件平臺上互聯互通。C/S（Client/Server 或客戶/服務器模式）即客戶端/服務器端架構，是一種典型的兩層架構，具有界面和操作豐富、安全性能容易保證、可實現多層認證、響應速度快等優點。 C/S 平臺架構能充分發揮客戶端PC 的處理能力， 客戶端響應速度快。

3.2 平臺軟件開發關鍵技術

（1）三維模型開發平臺

BIM 三維模型開發平臺選擇Autodesk， 包括REVIT、Civil 3D、Navisworks、InfraWorks、Inventor 等軟件，是國內BIM 軟件中的主流產品之一，因其強大的設計模型族功能，設計人員上手容易，價格相對低廉等優點深受設計和施工企業青睞。 軟件具有進行管道、建筑物構建局部碰撞自動檢查功能，不需要人工對全部建筑物構件進行逐一檢查， 節省檢查時間，并可利用顯示功能，自動跳轉到問題構件；支持Sketchup 類型文件；基于CAD 基礎，容易上手。

（2）軟件開發平臺

軟件開發語言選擇是整個平臺設計的基礎，考慮到港口設施結構多元多樣的特效， 選擇C# 語言作為平臺開發工具，C#是微軟公司發布的一種由C和C++衍生出來的深深植根于C 和C++語言家族，是Microsfot VisualStudio 的一個組成部分， 對于開發人員來說，全新的、簡單上手的C# 是一個非常好用的編程語言，有如下幾個特性：

（1）類型安全：在C# 中我們不能進行不安全的類型轉換，如將double 轉變為boolean，值類型被初始化為零，而引用類型被編譯器自動初始化。

（2）消除大量程序錯誤：C# 的現代化設計可以消除很多常見的編程錯誤，程序員編寫和維護那些復雜商業問題的程序就更加方便了，進一步降低開發成本。

（3）支持現有的網絡編程新標準：C# 包含了內置的特性， 使任何組件可以輕松轉化為XML 網絡服務， 通過Internet 被任何操作系統上運行的任何程序調用。

4 結語

隨著港口從作為運輸樞紐的第一代港口（作為裝卸和服務的第二代港口，貿易和物流中心的第三代港口）向著樞紐轉運整合型物流中心的第四代港口的發展， 人們對港口認識側重點觀念的改變，使得智慧化港口、信息化港口、智能化港口、數字化港口等新理念也應運而生。 沒有港口基礎設施的網絡化、數字化，沒有港口運輸裝備的標準化、智能化，就無法實現港口運輸要素的全面感知， 無法實現5G、大數據、物聯網、云計算、北斗等新一代信息技術與港口運輸核心業務的深度融合，也無法實現港口運輸組織和運輸管理的創新[1]。 本文的研究成果可以有效改善現有港口基礎設施及設備網絡化、數字化、標準化、智能化等問題，通過對港口生產設備及基礎設施的遠程智能化管理，實現港口設備資源統籌高效利用，減少人工設備巡檢，降低港口企業運營成本。