物联网技术在智能港口设备的应用

刘东辉　宋浩　王云鹏

【摘  要】论文介绍物联网的无线射频识别RFID技术、传感器技术、无线传感器网络技术在智能港口设备中的应用，为港口设备的智能方案提供参考。

【Abstract】This paper introduces the application of RFID technology， sensor technology and wireless sensor network technology of internet of things in intelligent port equipment. It provides reference for the intelligent scheme of port equipment.

【关键词】物联网;智能港口;关键技术

【Keywords】internet of things; intelligent port; key technology

【中图分类号】U651                               【文献标志码】A                                   【文章編号】1673-1069（2020）12-0164-02

1 引言

物联网（Internet of Things）意为“物物相连的互联网”，指通过无线射频识别（RFID）、红外传感器、激光扫描器等信息传感设备，实时采集需要监控、连接、互动的物品和过程信息，以此对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

基于物联网技术的智能港口由感知层、网络层和应用层组成。智能港口感知层包括港区内的作业设备及相应作业区域内的条码识读器、RFID读写器、摄像头和传感器等。感知层的主要作用是感知和识别物体以及采集和捕获信息。智能港口网络层以无线网络接入物联网管理中心和物联网信息中心，并对海量信息进行智能处理。

2 容错条码视觉绝对定位系统在智能港口设备中的应用

容错条码视觉绝对定位系统是一种新型的测量与定位系统，是由现代化大型自动化物流输送系统衍变而来。此系统主要包括视觉读码器、绝对位置编码带、定位系统PLC（可编程逻辑控制器）。

条码定位阅读器用支架安装在大车轨道靠箱区内侧和小车轨道的外侧，随大车或小车一起运动。针对大车定位，两驱动侧均设计安装同样的阅读器和绝对编码带，用于两侧相互冗余定位。针对小车定位，只采用单侧定位的方式，只在小车轨道的一侧布置阅读器和绝对编码带。

在大车或小车的运动过程中，由阅读器读取沿线粘贴的、预先按照整条轨道长度细分绝对位置编码的专用带状条码的信息，而后将读出的数据通过PROFINET网络传送至定位系统PLC，由PLC计算出大车或者小车的实时绝对位置;主机PLC从远控系统接收目标箱位指令后，由定位系统PLC通信读取，并从数据块中调取目标箱位的精确坐标信息，然后分别发出大车和小车控制命令（包含方向、速度给定、减速、停车指令），并通过网络将这一系列指令传送至机上主控PLC用于执行。

本系统专门为阅读器和编码带设计了防护罩和自动清洁装置，防护罩采用经处理过的耐化学、盐雾腐蚀的金属板折成。防护罩支架拼装和固定在与轨道标高齐平的基准面上。防护罩和支架安装必须经过纵向、横向与垂向水平校直，然后编码带在防护罩顶板内侧向下粘贴。加装防护罩后，大大降低了灰尘、污物、雨水、强光等环境因素对系统的影响，阅读器和编码带的使用寿命也会显著延长，一般至少使用10年以上。本系统采用了特殊编码方式的编码带，可以容许在整个编码带中存在多处不大于30mm宽度的错码、损坏、缺失或者接缝，依然保证测量精度。

3 传感器技术在智能港口设备中的应用

传感器负责物联网信息的采集，是实现对现实世界感知的基础，也是物联网服务和应用的基础。

由于远控岸桥的起升高度及前伸距的加大，吊具相对于小车系统的悬垂量增大，对司机对箱产生了非常不利的影响，严重的影响生产效率，所以必须采用船形扫描系统提高以确保作业路径的安全、作业效率的优化。

船形扫描系统SPSS（Ship Profile Scanning System），系统通过安装在岸边集装箱起重机小车平台海侧和司机室陆侧的激光测距仪实时扫描船上的集装箱高度，获得船形轮廓信息，与岸桥控制系统进行数据交互，进而实现岸桥起升和小车方向的吊具防撞保护与智能减速功能。

船形扫描系统包括控制器、激光扫描仪2个、电源适配器、交换机、显示器、吊具标识板。控制器安装在小车上，与激光扫描仪、显示器及小车上的PLC通讯模块连接。激光扫描仪将实时检测的船型轮廓信息发给控制器，控制器运算处理后，向PLC系统发送控制指令，通过控制小车的移动与吊具的升降操作，实现在小车和起升方向的吊具智能减速和防撞保护，避免吊具以及吊具吊着集装箱与船上的码放集装箱或者舱底、船舷发生碰撞事故。同时以图形方式记录船形及吊具运动轨迹，供岸桥司机参考，提高其操作效率。

两个激光扫描仪安装在小车（Trolley）前方，在前大臂（Boom）和吊具上架安装标识板。主激光扫描仪使用户外长距离激光扫描仪设备，扫描截面平行于小车行走方向，辅助激光扫描仪使用户外中距激光扫描仪，扫描截面平行于大车行走方向。激光扫描仪对其正下方进行连续扫描，可以获取集装箱的堆码轮廓和船型轮廓。扫描数据经过软件处理后，形成可靠的船型轮廓信息。由于轮船位置和轮廓不会突变，故可以利用历史信息对激光盲区进行补全，并检测轮船晃动。当吊具以双箱吊方式装卸船时，利用小车前方两个激光扫描到两排20尺箱型，系统自动计算取相对高箱作为防碰撞控制边界进行小车和吊具控制。岸桥吊具在船舱中作业时，司机往往看不到舱底，导致放箱时着箱过快，损坏设备或者集装箱。船型扫描系统可以识别、记忆当前作业排的高度，当吊具底部接近舱底时，自动减速，保护设备和集装箱。

本系统采用双激光测距融合技术，双激光进行无死角扫描，冗余校验，提升轮廓信息的准确性;在更换场地作业贝位过程中，即时更新堆码轮廓信息，提高系统时效性。

4 无线传感器网络技术在智能港口设备中的应用

物联网中，物品与人的无障碍交流必然离不开可进行大批量数据传输的无线网络。传感器的网络通信技术可分为两类：近距离通信和广域网络通信。近距离通信以IEEE802.15.4和2.4GHz为代表。

岸边集装箱起重机采用了无线温度实时检测系统，对关键的设备，如电机，减速机出轴部位进行实时在线温度监测，通过对温度值的分析来判断这些设备是否正常工作，及时发现可能存在的机械故障，提示工程人员进行检修，一方面防止事故的进一步扩大，造成更严重的后果;另一方面，减少日常检修工作的难度和时间，为设备可靠作业提供保障。

该智能在线温度监测系统主要由三部分组成，即无线发送模块、无线传输路由模块和无线接收模块。无线发送模块采集现场数据，通过ZigBee网络将数据发送至无线接收模块，无线传输路由模块则在信号较弱的情况下起到无线数据的中转和传递功能。系统示意图如图2所示。

无线传输路由模块，采用最新的微功率无线通信技术和先进的节电免维护技术，是一款超低功耗（自动休眠及快速唤醒设计）、支持路由及自组网络（点对点、点对多点、多点中继）的无线通信模块，该无线路由模块能保证数据稳定传输，可实现系统的冗余跳转，使无线发送模块在最佳的状态下工作。无线路由模块采用ZigBee无线通信协议，符合IEEE802.15.4无线通信标准，工作在2.4G ISM（工业、科研、医疗）免申请频段，可选择16个无线信道。采用直接序列扩频（GSSS）技术，抗干扰能力强。设备内部采用全向天线，传输距离可达300m。设备采用外部DC24V供电。高达255个设备编址。

无线测温网络中，每个数字传感器探头配置一个无线发送模块，用来采集数据及发送数据;整个网络中配备2～3个无线路由模块，对无线发送模块的数据起到转发和中继的作用;在无线测温网络中配备1台无线接收模块，所有节点的温度数据最终将汇总到无线接收模块。现场数据汇总到无线接收模块，无线接收模块通过光纤转换器接入港口的光纤网络中，在中控室再由光纤转换器转换为以太网接入上位机服务器内。上位机服务器中的系统监测软件进行实时数据采集;实时数据显示;定温报警，并可对被监控区域分段设置不同分区，每个分区可以任意设置报警值，对不同的部位进行不同标准的监控;温升速率报警等显示。

5 结语

随着物流的数字化和国际化，物流集装箱化成为物流运输的主要发展方向，使得港口间的竞争越加激烈，提供港口设备的智能化是各个港口码头关注的重要领域。与此同时物联网技术的发展，使之更广泛的物联网核心技术应用到自动化码头的生产作业中成为了现实。

【参考文献】

【1】孙洪雁.物联网技術在港口智能化建设中的应用分析[J].物流工程与管理，2014（5）：97-98.

【2】王宇，李继春.物联网技术在智能港口中的应用前景[J].集装箱化，2010，21（12）：28-30.

【作者简介】刘东辉（1986-），男，山东烟台人，工程师，从事港口设备自动化、机电系统自动化研究。