基于5G港口門(mén)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

◎ 彭文 福建省港航勘察設(shè)計(jì)院有限公司 福建省閩航飛騰科技有限公司

1.引言

隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的迅速發(fā)展，港口在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來(lái)越重要，在港口裝卸設(shè)備當(dāng)中，港口門(mén)座式起重機(jī)屬于非常重要的組成部分，在集裝箱以及散雜貨等碼頭裝卸生產(chǎn)當(dāng)中使用非常廣泛。港口門(mén)機(jī)裝卸作業(yè)條件艱苦、司機(jī)作業(yè)疲勞有安全隱患等痛點(diǎn)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、北斗等技術(shù)發(fā)展非常迅猛，其存在較大的可靠性、功能非常清楚、運(yùn)行平穩(wěn)以及存在低時(shí)延等特點(diǎn)，在港口裝卸設(shè)備領(lǐng)域當(dāng)中使用非常廣泛，在未來(lái)智慧巷口當(dāng)中，“5G＋港機(jī)”模式屬于發(fā)展的新模式。

2.5G技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹

當(dāng)前情況下，第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）屬于移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展當(dāng)中的高峰，其可以使得人們的生活得到改變，并且也會(huì)促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展，屬于重要力量。5G是在4G發(fā)展的基礎(chǔ)之上，對(duì)移動(dòng)通信的發(fā)展具備更高的要求，其需要在功耗、速度以及時(shí)延等方面進(jìn)行全新的提升。這樣以來(lái)，業(yè)務(wù)也有了較大的提升，互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展的過(guò)程中也使移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)逐漸的轉(zhuǎn)向智能互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代進(jìn)行發(fā)展。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP完成了5G三大場(chǎng)景的定義，在這其中，mMTC指的是大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、eMBB指的是3D/超高清視頻等一些大流量的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，URLLC指的是無(wú)人駕駛等業(yè)務(wù)。5G的六大基本特點(diǎn)：高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時(shí)延、萬(wàn)物互聯(lián)、重構(gòu)安全。

圖1 門(mén)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)架構(gòu)。港口門(mén)座式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要包含這些部分：5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、控制中心以及現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)。通訊系統(tǒng)屬于信息傳送的主要通道，在后臺(tái)以及前臺(tái)溝通當(dāng)中屬于橋梁作用。當(dāng)前情況下，港口門(mén)座式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)使用的為無(wú)線公網(wǎng)通訊方式，在國(guó)內(nèi)主要指的是由營(yíng)運(yùn)商經(jīng)營(yíng)以及管理的蜂窩無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，它主要包含：交換網(wǎng)絡(luò)、中心控制機(jī)房、網(wǎng)間鏈路、用戶終端以及無(wú)線基站等。而低延時(shí)技術(shù)、5G大帶寬以及其通訊方式等屬于目前智慧港口當(dāng)中使用非常廣泛的通訊方式。

4.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 中控中心

中控中心主要包含：調(diào)度中心，數(shù)據(jù)服務(wù)器，通訊服務(wù)器、WEB服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)、MIS服務(wù)器、瀏覽PC、路由器、交換機(jī)、防火墻、遠(yuǎn)程控制臺(tái)手柄和人機(jī)交互平臺(tái)等構(gòu)成。服務(wù)器分為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)器用于接收實(shí)時(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)、發(fā)布系統(tǒng)信息、提供調(diào)用接口、遠(yuǎn)程控制門(mén)機(jī)等。

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，特建立1+1冗余備份機(jī)制。本系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備份機(jī)制，即備份屬于一種聯(lián)機(jī)狀態(tài)，目前主要利用高速通信線路完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，進(jìn)而達(dá)到份系統(tǒng)，使得備份系統(tǒng)以及當(dāng)前應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)處于同步狀態(tài)；也可以在備份系統(tǒng)上定時(shí)的恢復(fù)應(yīng)用系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)。一旦出現(xiàn)一些災(zāi)難，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到備用服務(wù)器，無(wú)須等待、不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

上位機(jī)通過(guò)與應(yīng)用服務(wù)器的通訊作為日常管理的人機(jī)接口。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備距離門(mén)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)比較近，主要由門(mén)機(jī)電控箱、5G路由器、交換機(jī)、UPS電源、PLC、檢測(cè)傳感器以及攝像機(jī)組成。

檢測(cè)傳感器主要檢測(cè)內(nèi)容包括：金屬結(jié)構(gòu)件、鋼絲繩、齒輪箱、電動(dòng)機(jī)等，同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果換成數(shù)字信號(hào)傳到PLC 中，完成測(cè)量數(shù)據(jù)采集工作。

門(mén)機(jī)電控箱直接控制門(mén)機(jī)的起升、變幅、回轉(zhuǎn)、運(yùn)行四大機(jī)構(gòu)，有遠(yuǎn)程和就地兩種控制模式。日常工作模式為遠(yuǎn)程，當(dāng) PLC故障后可切換到就地工作模式，裝卸人員通過(guò)門(mén)機(jī)操作室進(jìn)行門(mén)機(jī)的裝卸工作。

PLC通過(guò)交換機(jī)和路由器與控制中心的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通訊，將門(mén)機(jī)設(shè)備操作和反饋的信號(hào)傳輸至應(yīng)用服務(wù)器，可根據(jù)應(yīng)用服務(wù)器的指令直接控制門(mén)機(jī)電控箱(遠(yuǎn)程模式)，也可以在遠(yuǎn)程控制故障時(shí)，裝卸操作人員點(diǎn)擊觸摸屏上相關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)就地裝卸操作。

攝像機(jī)用于觀察門(mén)機(jī)裝卸過(guò)程中實(shí)時(shí)狀態(tài)，裝卸操作人員利用攝像機(jī)畫(huà)面當(dāng)中的門(mén)機(jī)起升、回轉(zhuǎn)、變幅以及運(yùn)行四大機(jī)構(gòu)的具體啟閉情況與門(mén)機(jī)采集的變幅、起升以及旋轉(zhuǎn)三個(gè)機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)貨物的升降、徑向移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，一旦發(fā)現(xiàn)不符可在系統(tǒng)中進(jìn)行校準(zhǔn)。另外可通過(guò)攝像機(jī)畫(huà)面進(jìn)行環(huán)境和人員的安防監(jiān)控，一旦有可疑人員非法闖入，系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

4.3 人機(jī)交互平臺(tái)

人機(jī)交互平臺(tái)是安裝在應(yīng)用服務(wù)器的一套應(yīng)用軟件，提供多種界面和接口。PC 平臺(tái)有 C/S(客戶端訪問(wèn)，支持Windows平臺(tái))系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)嚴(yán)格的管理權(quán)限，并設(shè)置軟硬件隔離，操作指令密碼、人臉識(shí)別等登錄權(quán)限方式。歷史數(shù)據(jù)中記錄所有用戶的所有操作內(nèi)容、操作時(shí)間、操作者等信息，且無(wú)法刪除。充分保證門(mén)機(jī)裝卸操作的安全。

數(shù)據(jù)采集模塊可實(shí)時(shí)接收水位、氣候遙測(cè)站發(fā)來(lái)的水文、氣候數(shù)據(jù)包，自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)的幀格式，并進(jìn)行合理性判斷，分類自動(dòng)存貯;將最近來(lái)報(bào)的 N 條記錄按來(lái)報(bào)時(shí)間以表格的形式顯示在數(shù)據(jù)采集窗口，便于用戶分析查看。

門(mén)機(jī)遠(yuǎn)程控制支持起升、變幅、回轉(zhuǎn)、運(yùn)行四大機(jī)構(gòu)電機(jī)點(diǎn)擊啟閉；支持查看電機(jī)電流、電壓等電氣數(shù)據(jù)；支持智能判斷電氣故障并聯(lián)鎖相關(guān)安全設(shè)備緊急停機(jī)。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表包括起升、變幅、回轉(zhuǎn)、運(yùn)行四大機(jī)構(gòu)電機(jī)工作狀態(tài)、電流、電壓等，另外系統(tǒng)支持自定義報(bào)表格式、打印和導(dǎo)出功能。

實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像：可對(duì)裝卸作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行可變鏡頭的聚焦、變焦、光圈，完成全方位云臺(tái)的整體控制以及操作，并且可以把全方位攝像機(jī)設(shè)置為自動(dòng)掃描方式，進(jìn)而詳細(xì)的掌握監(jiān)控區(qū)域的運(yùn)行情況。通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件自動(dòng)把數(shù)字圖像存儲(chǔ)到硬盤(pán)上，可通過(guò)系統(tǒng)播放軟件將圖像播放出來(lái)。系統(tǒng)可將現(xiàn)場(chǎng)裝卸作業(yè)情況傳輸?shù)街醒肟刂浦行牡囊曨l信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，可通過(guò)5G傳輸?shù)浇K端用戶。

系統(tǒng)提供歷史數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備故障報(bào)警、光報(bào)警等功能；提供設(shè)備/檔案管理、維護(hù)功能；可與水位自動(dòng)遙測(cè)、碼頭水工結(jié)構(gòu)自動(dòng)觀測(cè)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換預(yù)留接口。

5.小結(jié)

網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)的發(fā)展給智慧港口發(fā)展帶來(lái)了巨大發(fā)展契機(jī)，解決安全問(wèn)題，提升生產(chǎn)效率。在5G技術(shù)支持下，門(mén)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控作業(yè)的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性和工作效率得到了大幅度提高，在交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的大背景下，港口行業(yè)正迎來(lái)數(shù)字化轉(zhuǎn)型新契機(jī)。本系統(tǒng)在 5G+港機(jī) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與 港口門(mén)機(jī)PLC 的實(shí)時(shí)無(wú)線通訊，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程門(mén)機(jī)監(jiān)控。該系統(tǒng)降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、網(wǎng)絡(luò)延遲，提高了操作實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性，可有效地減少誤操作的發(fā)生，為港口門(mén)機(jī)裝卸作業(yè)帶來(lái)了方便，可對(duì)智慧港口的建設(shè)起到積極促進(jìn)作用。