散货码头3D数字堆场管理系统
杨多兵;宗琦;罗威强
【摘 要】To solve the problem of large bulk terminal yard management,this paper analyzes the yard management business needs,and proposes a 3D digital yard management scheme based on the terminal internet of things and three-dimensional geographic information system,discusses goals and main functions of the system construction,and introduces two key technologies including the yard stockpile dynamic management and yard use planning.The application of the system improves the management level of intelligent digital terminal yard.%为解决目前大型散货码头堆场管理的难题,根据堆场管理业务的需求,提出一种基于码头物联网技术和三维地理信息系统(3D GIS)技术的3D数字堆场管理方案.论述系统建设目标和主要功能,介绍堆场料堆动态化管理和堆场利用规划两项关键技术.该系统的应用,可提高散货码头数字化堆场的智能管理水平.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2018(000)006
【总页数】4页(P208-211)
【关键词】物联网;数字堆场;3DGIS;可视化管理;堆场利用规划
【作 者】杨多兵;宗琦;罗威强
【作者单位】中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海200032;中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海200032;中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海200032
【正文语种】中 文tcpip协议分别是tcp ip体系结构中的什么协议
【中图分类】U656.1+39
堆场在干散货码头物流中转中起着承上启下的作用，各种机械设备、各个参与部门及巡检人员、货物进出等都汇集于此[1]。在堆场上，码头管理方始终面临着货物的位置与数量管理、流机及人员的位置与调度管理、堆(取)料机的作业位置管理与状态监控等难题，码头管理者要实时了解堆场的堆存现状、料堆属性数据、设备分布状况等，从而制定科学有效的物料堆存计划和作业安排，进而提高堆场利用率和物流中转效率，达到提高港口智能化水平以及效益营收的目的[2-3]。
本文依托采用斗轮机堆取料的煤炭矿石码头堆场，提出基于物联网技术和3D GIS技术下，集成皮带机控制系统、堆(取)料机控制系统的生产状态数据和生产绩效数据[4]，共享生产管理系统的业务数据，实现散货码头3D数字堆场管理的功能，建设具有作业现场可视化、信息采集自动化、货运管理动态化等多项功能的智能化3D数字堆场管理系统，增强各类数据和信息采集的准确性和可靠性，提高港口堆场大宗散货的整体集疏港作业效率[5-6]。
1 3D数字堆场管理的建设目标
1.1 堆场管理的业务需求
根据对堆场管理的业务梳理，可将堆场管理的总体需求归纳为以下几个方面：货物位置的准确性；堆场利用规划性与堆场管理的高效性、时效性、安全性和低碳环保性。
货物位置的准确性是指煤炭矿石等货物的堆与取要有明确的位置，使码头管理方和货主方能够准确地定位，并具备货种识别属性信息，如货主、种类、数量等；堆场利用规划性是指堆场利用规划具有一定的合理计划性，从堆场货物分布状况、堆垛形状、堆存量现状的了解，实现空垛、大垛、连垛和拆垛等规划利用；堆场管理的高效性是指堆场管理过程中，所需要
的数据能够按照设计的模型从现有各生产系统中共享与自动快速生成，减少人工参与环节，提高管理效率；堆场管理的时效性是指堆场管理过程中大机、货物所呈现出来的各种数据具有现状性与历史可回溯性；堆场管理的安全性，是指设备安全、货物安全和安保3个方面，要对堆场上的动态变化信息具有实时在线监控功能；堆场管理的低碳环保性是指通过合理调配好堆场资源，达到节能降耗的目标，并且实现照明、洒水等控制的节能降耗。
1.2 建设目标
从堆场管理的需求中可以看出，3D数字堆场管理目标为：及时准确地获取堆场实时数据，科学合理地发挥现有场地的堆存和周转能力，实时掌握堆场作业情况。系统具有作业现场可视化、信息采集自动化、货运管理动态化等特征，以此提高堆场整体作业效率。
建立3D数字堆场管理系统的目的是实现码头堆场的智能化管理，提高港口生产作业效率，因此本文提出的建设目标包括以下2个方面：
1)构建3D数字堆场的系统架构模型，基于物联网技术的特征，整合码头各分散的生产信息系统，实现数据的互联互通。
2)提出3D数字化堆场管理应具备的主要功能：实现料堆数据、空间状态等信息的可视化管理；实现对码头堆场设备与物流过程的实时监控；实现堆场智能规划利用等；满足码头堆场管理的业务需求。
2 系统架构
本系统基于港口物联网建设框架和3D GIS设计，实现各生产自动控制与管理系统的数据共享，系统技术体系架构的设计具有可扩展性，在系统功能的实现上可根据业务需要进行扩展。在逻辑上采用模块化分层结构，主要包括数据传感层、网络传输层、信息监控平台和终端应用层，实时数据库与港口管控系统保持数据及通讯的一致性，以便未来进一步扩展和优化(图1)。
图1 散货码头3D数字堆场管理系统体系架构
1)数据传感层负责采集大机设备、流程控制、工业视频等生产系统数据信息；
2)网络传输层通过TCPIP、OPC、Can等多种网络协议，将采集到的数据信息传输至实时数据库，再传至中心服务器集，实时数据库满足多种数据源通讯的要求，同时能够对大量数
据进行快速处理；
3)信息监控平台负责将前端数据集中在3D数字平台上展示，显示区域以码头堆场为中心，主要包括堆场堆存现状、设备作业、物料转运等信息；
4)终端应用层基于3D GIS平台，结合码头业务需求，综合集成远程实时监控、料堆可视化管理、堆场物流管理、堆场智能规划利用等应用模块。
3 主要功能
采用3D GIS基础软件平台，依据码头基础地形进行三维建模，按照堆场管理的业务需求进行功能开发，从而建立3D数字堆场管理系统。数据建模信息主要包括3类：1)固定不动的设施设备，如：建筑物、道路、绿化、照明灯、堆场位置等基础地形；2)具有可移动属性或运转转动特征的设备，如：堆料机、取料机、皮带机、流动机械、车辆、人员等3D对象模型；3)具有形状可变大小属性的料堆。
3D GIS平台具有GIS和虚拟现实的一些基本功能，可进行基础地形的三维漫游，用于观察堆场全景或局部画面，以及从不同角度、距离缩放模型浏览细节特征，同时满足在电气房、设
备室等室内漫游的要求，并提供多种场景漫游方式。GIS相对于AutoCAD来说，图形元素最大的特点就是不仅具有地理位置坐标信息，而且附加了相应对象的属性信息，图形与属性的有机结合，更能描述一个对象的特征。比如一个货堆，用带有地理坐标的几何三维图形代表它在地图中的实际位置和高度等外形特征，用货主、货种、进场时间等属性信息表示其归属特征，两种信息的有机融合，可以使物体表述更准确完整。
3D数字堆场管理系统，对堆场堆存现状及垛型变化、堆场设备作业动作和物料物流转运过程进行实时监测，以三维动画方式形象地展现码头堆场的物流进出过程(图2)。
图2 散货码头3D数字堆场平台的业务功能
4 关键技术
4.1 料堆可视化动态管理
堆场上料堆最显著的特征是随着物料的进场和出场而动态变化，这意味着料堆可视化管理需要多种形式的动态管理：1)在进行堆场利用规划时，利用物料的料堆水平起始和终止地址、垂直高度和安息角等属性进行垛形的模拟；2)利用激光扫描仪进行垛形扫描，获取堆场垛形
的现状。方式1主要用于进行堆场利用规划，计算模拟垛形的布置、储量等，其缺点是形状不能和现场完全一致，优点是模型生成快速、模拟效果好；方式2主要用于反应堆场中垛形现状，是垛形动态管理的关键技术，优点是垛形形状和现场完全一致，不足是扫描仪“点云”数据量大，对计算机系统资源耗费多，同时实现此功能的成本较高。但是，随着干散货自动化码头的堆取料机无人化控制系统的实现，可以采用数据共享方式获取大机激光扫描数据。在斗轮机大臂上安装激光扫描仪，对垛形进行扫描以获取垛形坐标信息。激光扫描仪可以选择二维扫描仪进行线性扫描加上大机移动走形的方式，后期进行数据处理以获取三维垛形信息，也可以采用三维激光扫描仪直接获取三维数据(图3、4)。二维激光扫描仪成本相对较低。

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