基于物聯(lián)網的港口危險貨物集裝箱堆場作業(yè)與安防系統(tǒng)

摘 要：為了解決港口危險貨物集裝箱堆場的作業(yè)與安防問題，構建了一種基于物聯(lián)網的港口危險貨物集裝箱作業(yè)與安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與頭戴式顯示終端設備構成，利用北斗厘米級高精度差分定位、機器視覺識別、語音識別、擴展現(xiàn)實（XR）、人體姿態(tài)檢測和計算等技術，實現(xiàn)了基于北斗網格碼的港口危險貨物集裝箱數(shù)據(jù)查詢、作業(yè)指引、可視化消防安全輔助三大功能，進一步提升了港口危險貨物集裝箱管理的精細化、智能化，保障了港口危險貨物集裝箱的存放和運輸安全。

關鍵詞：物聯(lián)網；擴展現(xiàn)實技術；港口運輸；危險貨物集裝箱；可視化管理；北斗網格碼

中圖分類號：TP39；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-05

0 引 言

近兩年來，交通運輸部陸續(xù)發(fā)布了《關于加強危險貨物港口作業(yè)安全管理的通知》和《關于深入整治危險貨物港口作業(yè)安全生產的通知》，強調重視消防設備維護保養(yǎng)，完善港口危險貨物集裝箱事故應急預案，著力提升應急救援能力。自2021年12月1日開始，交通運輸部開始實施《港口危險貨物重大危險源監(jiān)督管理辦法》，要求加強對港口危險貨物儲罐、集裝箱堆場等重大危險源的安全風險管理和控制[1-3]。

我國每年因各類生產安全事故而死亡的人數(shù)超過10萬，每年要耗費450多億元用于應急救援[4]，其中港口爆炸造成的損失也不計其數(shù)。2010—2019年，我國港口因危險品管理不當引發(fā)的重大事故近8起，共造成1 527人傷亡，直接經濟損失超過76.45億元[5]。同時，國外也存在著嚴重的港口安全隱患，2020年8月4日，黎巴嫩首都貝魯特港口區(qū)發(fā)生劇烈爆炸，導致周圍10 km內的建筑均遭受不同程度的損壞，造成數(shù)千人死傷；2022年6月4日，孟加拉國吉大港集裝箱堆場發(fā)生火災，造成49人死亡，數(shù)百人受傷。

在港口安全管理方面，文獻[6]中提出港口工作人員必須每天檢查港口資產，以便提早發(fā)現(xiàn)威脅并及時采取相應的安全措施；文獻[7]研究發(fā)現(xiàn)，港口在同一區(qū)域內存放非危險品和危險品的情況非常普遍，且這一做法存在明顯的安全隱患。在港口危險貨物管理方面，文獻[8]提出建立健全且全國統(tǒng)一的危險品倉儲營運許可體系與機制、嚴格準入門檻十分重要；文獻[9]研究了我國港口危險品管理中存在的問題，指出港口安全與監(jiān)管部門、企業(yè)自身以及港口的基礎設施和安防水平有關；文獻[10]分析了港口危險品運輸安全事故的原因，指出港口安全事故一般情況下與貨主沒有告知正確的貨物信息以及港口巡檢人員工作不及時、安全意識淡薄有關；文獻[11]強調港口的危險品安全管理重在預防。

綜上所述，目前港口危險貨物運維管控仍存在諸多安全隱患。本研究提出的港口危險品貨物集裝箱作業(yè)與安防系統(tǒng)，在前人的研究基礎上，應用最新的元宇宙思想中的擴展現(xiàn)實（XR）技術來消除安全隱患，實現(xiàn)對港口危險貨物集裝箱的數(shù)字化、可視化管理，推進港口危險貨物集裝箱作業(yè)與安防的信息化和智能化，從而有效保障人員和貨物安全。

1 設計方案

1.1 解決方案設計

系統(tǒng)主要由云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與頭戴式顯示終端設備構成。將港口提供的BIM數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的EDI單證系統(tǒng)相結合，構建港口的靜態(tài)數(shù)字模型。通過在集裝箱正面起重機吊具上加裝基于北斗與機器視覺的危險貨物集裝箱定位終端，獲取集裝箱箱號與實時位置數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT送入云端服務器。針對堆場的海量集裝箱數(shù)據(jù)，采用北斗網格碼技術進行歸納整理，并與云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行鏈接，云端服務器可運用算法編排集裝箱堆場管理計劃、檢測和計算人體姿態(tài)、制定危險品消防預案，從而對港口的危險貨物集裝箱堆場進行作業(yè)指引、安防指揮。系統(tǒng)架構如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能設計

1.2.1 基于北斗網格碼的數(shù)據(jù)查詢

云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)基于北斗網格碼創(chuàng)建了危險貨物集裝箱網格索引大表。危險貨物集裝箱查驗員在開箱查驗時，只需佩戴頭戴式顯示終端，通過語音下達指令，即可查詢到任意集裝箱的信息，這些信息會顯示在設備上，便于快速查驗，無需攜帶紙質單證。

1.2.2 危險貨物集裝箱作業(yè)指引

集裝箱正面起重機司機通過佩戴頭戴式顯示終端，接收云端編排的堆場作業(yè)指令，通過高亮顯示出等待作業(yè)的危險貨物集裝箱以及云端規(guī)劃的作業(yè)路線。司機從設備中能更加直觀地看到需要調取的集裝箱及其操作路徑。該設計可提高對危險貨物集裝箱裝卸的效率、準確率和合理性，無需下方理貨員的指揮配合。

1.2.3 可視化消防安全輔助

可視化消防功能具體如下：

（1）提供位置與軌跡信息。消防人員佩戴終端時，即使位于存在物理遮蔽的環(huán)境內，也能通過北斗高精度差分定位確定自身的位置，并高亮顯示就近的消防設施。

（2）應急預案指引。消防人員佩戴終端后，可獲得災區(qū)危險貨物集裝箱內的危險貨物種類信息；云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)針對火災的不同程度，會給出相應的消防策略與撤退路線。消防員無需自行判斷滅火方式，僅需依照云端指引進行消防救援即可，避免了因不恰當?shù)膿浠鹦袨槎鴮е碌亩伪ㄊ鹿剩档土耸鹿实膫雎剩s短了消防員的救援時間，提高了救援效率。

（3）消防人員姿態(tài)呈現(xiàn)與導航式快速搜救。消防人員佩戴終端設備后，系統(tǒng)會利用人體姿態(tài)檢測技術來獲取消防人員的姿態(tài)信息，包括行走、奔跑、靜止和躺臥等狀態(tài)。當有消防員處于靜止或躺臥狀態(tài)超過1 min時，云端系統(tǒng)會自動把該消防人員的歷史行走軌跡以及當前坐標顯示到其他消防人員的終端中，其他消防人員便能沿著軌跡和坐標快速找到遇險人員，實現(xiàn)導航式搜救。

（4）遠程調度指揮。頭戴式顯示終端會把所采集到的相關信息及時傳輸?shù)皆贫藬?shù)據(jù)管理中心，這樣指揮中心就可以及時、清晰地了解現(xiàn)場地理位置、火情態(tài)勢、救援力量部署等相關情況，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控現(xiàn)場消防員的救援情況，便于指揮調度。

1.3 人體姿態(tài)檢測計算

消防人員在救援時經常因火場環(huán)境存在物理遮蔽且較復雜，遇到危險情況時無法自我呼救。針對該問題，系統(tǒng)利用姿態(tài)傳感器收集人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，并應用閾值算法和Mahony數(shù)據(jù)融合算法，結合加速度、俯仰角、滾動角以及北斗差分定位技術，實現(xiàn)對消防人員行動姿態(tài)的監(jiān)測和檢測。將消防員的行為分為臥倒、靜止、走動、跑動四種狀態(tài)。設定動態(tài)加速度閾值EdZ為1.5g，如果消防員的動態(tài)加速度超過EdZ，則開始檢測其高度變化：ΔH=Hb-Ha，其中Hb和Ha分別表示在超過閾值前后1 s內的高度值。設定ΔH的閾值為0.5 m，在觸發(fā)加速度閾值后，若ΔH的值超過閾值，則判定消防員可能處于臥倒狀態(tài)，進行臥倒行為檢測計算；若ΔH的值小于閾值，則判定為類臥倒行為[12]。臥倒行為檢測是基于類臥倒行為檢測的技術，采用了9軸數(shù)據(jù)的Mahony算法來判斷是否存在臥倒行為。根據(jù)人體坐標系處理重力分量[13]，首先設置初始四元數(shù)表達式為q=q0+iq1+jq2+kq3，其中初始四元數(shù)取值為{1， 0， 0， 0}。利用三軸磁力計和加速度的輸出計算姿態(tài)角（見式（1））；為了減少信號的噪聲，對磁力計輸出的三軸數(shù)據(jù)進行歸一化處理（見式（2））。

式中：ax、ay、az為傳感器加速度的三軸分量；mx、my、mz為傳感器磁力計的三軸分量。

用叉乘誤差進行P-I控制以修正陀螺零偏。通過調節(jié)KP、KI兩個參數(shù)，可以控制加速度計修正陀螺儀姿態(tài)的速度，進而對陀螺儀輸出的角速度進行修正（見式（3）），最后得到更新后的姿態(tài)角（見式（4））：

式中：gx、gy、gz為傳感器陀螺儀的三軸分量。

計算出姿態(tài)角后，引入北斗差分定位方法來檢查人體的高度，以判斷是否處于跌倒狀態(tài)。若eulerx、eulery、eulerz 三者任一值大于35°且后續(xù)ΔH高度變化持續(xù)小于0.35 m，則判定為消防員遇到危險。

2 硬件設計與開發(fā)

2.1 硬件架構設計

硬件由危險貨物集裝箱定位終端、頭戴式顯示終端構成。硬件架構如圖2所示。

2.2 硬件開發(fā)

2.2.1 危險貨物集裝箱定位終端

危險貨物集裝箱定位終端由北斗定位芯片（UB4B0M）、NB-IoT數(shù)傳模塊（BC28）、攝像頭、照明燈構成。在正面吊具抓舉危險貨物集裝箱時，攝像頭拍攝集裝箱頂部，獲取其頂部照片；高精度北斗定位芯片利用差分定位獲得該集裝箱的厘米級位置信息；將其頂部照片同位置信息通過數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)并存入數(shù)據(jù)庫。硬件實物如圖3所示。

2.2.2 頭戴式顯示終端

傳統(tǒng)增強現(xiàn)實技術存在著疊加圖像偏移、環(huán)境識別效率低、可視范圍狹窄等不足。本文自主設計的頭戴式顯示終端基于擴展現(xiàn)實技術，由定向聲音采集麥克風、北斗定位芯片、姿態(tài)傳感器、雙目攝像頭、頭戴式顯示器、MCU、數(shù)傳模塊構成，硬件實物如圖4所示。頭戴式顯示終端通過麥克風和語音識別模塊搜集和識別語音指令，再通過NB-IoT數(shù)傳模塊上傳到云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，云端返回設備請求的集裝箱信息。利用北斗定位芯片可得到自身經緯度，并利用霍爾加速度傳感器及陀螺儀傳感器測量得到自身姿態(tài)及偏轉角。采用與人眼視角相仿的36 mm焦距雙目攝像頭采集左右眼畫面，分別投映在兩塊顯示器上，畫面前方疊加顯示云端所返回的集裝箱信息，并在畫面內高亮顯示該集裝箱。

3 軟件設計與開發(fā)

3.1 軟件開發(fā)

基于本文自主開發(fā)的云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，根據(jù)港口提供的BIM數(shù)據(jù)將港口危險貨物集裝箱堆場進行數(shù)字化還原，如消防設施位置和基礎堆場定位畫線等。在建立的模型基礎上進行參數(shù)化設計、交互設計、過程模擬等，確保數(shù)字化模型在港口危險貨物集裝箱作業(yè)全過程的信息數(shù)據(jù)交換和反饋。基于GeoSOT全球剖分網格與港口BIM模型對危險貨物集裝箱堆場場景進行三維網格化建模；形成堆場的三維網格圖后，基于三維網格圖及網格編碼，建立危險貨物集裝箱堆場基礎設施網格編碼，并創(chuàng)建網格索引大表，提供設備的網格查詢功能，實現(xiàn)堆場時空數(shù)據(jù)統(tǒng)一快速檢索。

3.2 軟件成品

構建完成的系統(tǒng)具有智能信息整理、基于北斗網格碼的數(shù)據(jù)查詢、危險貨物集裝箱堆場作業(yè)指引（如圖5所示）、堆場可視化消防指揮（如圖6所示）等功能。

4 創(chuàng)新點總結

目前本系統(tǒng)已在福建省內河港口投入試用，對比市場上的類似商用系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有如下創(chuàng)新點：

（1）結合BIM與EDI技術，構建港口集裝箱堆場的數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過對危險貨物集裝箱實物定位，實時更新數(shù)字孿生系統(tǒng)中的位置信息，保障了云端風險計算的實時性。

（2）利用北斗網格碼三維網格化儲存堆場三維數(shù)據(jù)，創(chuàng)建網格索引大表，提供設備網格查詢功能，實現(xiàn)危險貨物集裝箱堆場時空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一快速檢索。

（3）運用擴展現(xiàn)實技術實現(xiàn)危險貨物集裝箱作業(yè)可視化引導，使作業(yè)人員快速、安全、高效地完成作業(yè)任務，提高作業(yè)效率，減少紙質單證的使用，符合國家低碳發(fā)展的要求。

（4）所設計的消防安全智能預案系統(tǒng)，能夠在消防員面對險情時提供最合理的救援方案與撤退路線，實現(xiàn)對險情的有效控制，使災情防控更具針對性，滅火救援更具專業(yè)性。

5 結 語

為了提高港口的安全性和競爭力[14]，現(xiàn)代港口需要加快港口危險品管理的信息化和智能化進程。本文所研究的基于物聯(lián)網的港口危險貨物集裝箱作業(yè)與安防系統(tǒng)，采用北斗網格碼技術將海量危險貨物集裝箱堆場數(shù)據(jù)進行歸納整理，并與云端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行鏈接，云端服務器可運用算法編排集裝箱堆場管理計劃、制定危險品消防預案。針對不同的使用對象，頭戴式顯示終端可實現(xiàn)不同的功能指引，最終實現(xiàn)北斗網格碼的數(shù)據(jù)查詢、危險貨物集裝箱作業(yè)指引、可視化消防安全輔助等功能，推動實現(xiàn)港口危險貨物集裝箱管理的精細化、智能化、安全化。這一方案可被廣泛應用于國內外危險貨物集裝箱堆場管理領域。它有望在確保外貿貨物安全、堆場作業(yè)安全以及消防作業(yè)可靠性等方面取得良好的進展，為港口危險貨物集裝箱的作業(yè)與安全防范提供重要的參考價值。

注：本文通訊作者為林宇洪。

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收稿日期：2024-04-21 修回日期：2024-05-24

作者簡介：葉芷藝（2000—），女，在讀碩士研究生，研究方向為物聯(lián)網工程。

湯建民（2001—），男，在讀碩士研究生，研究方向為森林工程。

朱文軍（2002—），男，在讀碩士研究生，研究方向為交通運輸工程。

林宇洪（1976—），男，碩士，高級實驗師，研究方向為物聯(lián)網工程。