基于5G港口門機遠程監控系統解決方案

◎ 彭文 福建省港航勘察設計院有限公司 福建省閩航飛騰科技有限公司

1.引言

隨著國際經濟貿易的迅速發展，港口在國民經濟發展中的地位越來越重要，在港口裝卸設備當中，港口門座式起重機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當中使用非常廣泛。港口門機裝卸作業條件艱苦、司機作業疲勞有安全隱患等痛點，隨著物聯網、5G、北斗等技術發展非常迅猛，其存在較大的可靠性、功能非常清楚、運行平穩以及存在低時延等特點，在港口裝卸設備領域當中使用非常廣泛，在未來智慧巷口當中，“5G＋港機”模式屬于發展的新模式。

2.5G技術的簡單介紹

當前情況下，第五代移動通信技術（5G）屬于移動通信技術發展當中的高峰，其可以使得人們的生活得到改變，并且也會促進社會的發展，屬于重要力量。5G是在4G發展的基礎之上，對移動通信的發展具備更高的要求，其需要在功耗、速度以及時延等方面進行全新的提升。這樣以來，業務也有了較大的提升，互聯網在發展的過程中也使移動互聯網逐漸的轉向智能互聯網時代進行發展。國際標準化組織3GPP完成了5G三大場景的定義，在這其中，mMTC指的是大規模的物聯網業務、eMBB指的是3D/超高清視頻等一些大流量的移動寬帶業務，URLLC指的是無人駕駛等業務。5G的六大基本特點：高速度、泛在網、低功耗、低時延、萬物互聯、重構安全。

圖1 門機遠程監控系統結構圖

3.系統總體設計

（1）系統架構。港口門座式起重機遠程監控系統主要包含這些部分：5G移動通信網絡、控制中心以及現場自動化監控系統設備。系統架構如圖1所示。

（2）通信網絡。通訊系統屬于信息傳送的主要通道，在后臺以及前臺溝通當中屬于橋梁作用。當前情況下，港口門座式起重機遠程監控系統通訊網絡使用的為無線公網通訊方式，在國內主要指的是由營運商經營以及管理的蜂窩無線通信網絡，它主要包含：交換網絡、中心控制機房、網間鏈路、用戶終端以及無線基站等。而低延時技術、5G大帶寬以及其通訊方式等屬于目前智慧港口當中使用非常廣泛的通訊方式。

4.系統方案設計

4.1 中控中心

中控中心主要包含：調度中心，數據服務器，通訊服務器、WEB服務器、監控主機、MIS服務器、瀏覽PC、路由器、交換機、防火墻、遠程控制臺手柄和人機交互平臺等構成。服務器分為數據庫服務器和應用服務器。數據庫服務器用于存儲基礎數據、歷史數據、故障數據。應用服務器用于接收實時設備數據、發布系統信息、提供調用接口、遠程控制門機等。

為了保證系統穩定性和安全性，特建立1+1冗余備份機制。本系統采用雙機熱備份機制，即備份屬于一種聯機狀態，目前主要利用高速通信線路完成數據的實時傳送，進而達到份系統，使得備份系統以及當前應用系統數據處于同步狀態；也可以在備份系統上定時的恢復應用系統的具體數據。一旦出現一些災難，系統將自動切換到備用服務器，無須等待、不影響系統正常運行。

上位機通過與應用服務器的通訊作為日常管理的人機接口。

4.2 現場自動化監控系統設備

現場自動化監控系統設備距離門機現場比較近，主要由門機電控箱、5G路由器、交換機、UPS電源、PLC、檢測傳感器以及攝像機組成。

檢測傳感器主要檢測內容包括：金屬結構件、鋼絲繩、齒輪箱、電動機等，同時將檢測結果換成數字信號傳到PLC 中，完成測量數據采集工作。

門機電控箱直接控制門機的起升、變幅、回轉、運行四大機構，有遠程和就地兩種控制模式。日常工作模式為遠程，當 PLC故障后可切換到就地工作模式，裝卸人員通過門機操作室進行門機的裝卸工作。

PLC通過交換機和路由器與控制中心的應用服務器進行通訊，將門機設備操作和反饋的信號傳輸至應用服務器，可根據應用服務器的指令直接控制門機電控箱(遠程模式)，也可以在遠程控制故障時，裝卸操作人員點擊觸摸屏上相關按鈕實現就地裝卸操作。

攝像機用于觀察門機裝卸過程中實時狀態，裝卸操作人員利用攝像機畫面當中的門機起升、回轉、變幅以及運行四大機構的具體啟閉情況與門機采集的變幅、起升以及旋轉三個機構分別實現貨物的升降、徑向移動、旋轉數據進行對比，一旦發現不符可在系統中進行校準。另外可通過攝像機畫面進行環境和人員的安防監控，一旦有可疑人員非法闖入，系統可自動發出警報。

4.3 人機交互平臺

人機交互平臺是安裝在應用服務器的一套應用軟件，提供多種界面和接口。PC 平臺有 C/S(客戶端訪問，支持Windows平臺)系統控制設計嚴格的管理權限，并設置軟硬件隔離，操作指令密碼、人臉識別等登錄權限方式。歷史數據中記錄所有用戶的所有操作內容、操作時間、操作者等信息，且無法刪除。充分保證門機裝卸操作的安全。

數據采集模塊可實時接收水位、氣候遙測站發來的水文、氣候數據包，自動檢查數據的幀格式，并進行合理性判斷，分類自動存貯;將最近來報的 N 條記錄按來報時間以表格的形式顯示在數據采集窗口，便于用戶分析查看。

門機遠程控制支持起升、變幅、回轉、運行四大機構電機點擊啟閉；支持查看電機電流、電壓等電氣數據；支持智能判斷電氣故障并聯鎖相關安全設備緊急停機。

統計報表包括起升、變幅、回轉、運行四大機構電機工作狀態、電流、電壓等，另外系統支持自定義報表格式、打印和導出功能。

實時監控圖像：可對裝卸作業現場進行可變鏡頭的聚焦、變焦、光圈，完成全方位云臺的整體控制以及操作，并且可以把全方位攝像機設置為自動掃描方式，進而詳細的掌握監控區域的運行情況。通過系統應用軟件自動把數字圖像存儲到硬盤上，可通過系統播放軟件將圖像播放出來。系統可將現場裝卸作業情況傳輸到中央控制中心的視頻信號進行壓縮處理，可通過5G傳輸到終端用戶。

系統提供歷史數據查詢、設備故障報警、光報警等功能；提供設備/檔案管理、維護功能；可與水位自動遙測、碼頭水工結構自動觀測等系統數據交換預留接口。

5.小結

網聯網、通信技術的發展給智慧港口發展帶來了巨大發展契機，解決安全問題，提升生產效率。在5G技術支持下，門機遠程監控作業的精準度、穩定性和工作效率得到了大幅度提高，在交通強國建設的大背景下，港口行業正迎來數字化轉型新契機。本系統在 5G+港機 無線網絡平臺的基礎上，實現了服務器與 港口門機PLC 的實時無線通訊，從而實現了遠程門機監控。該系統降低了網絡建設成本、網絡延遲，提高了操作實時性、網絡安全性、可靠性，可有效地減少誤操作的發生，為港口門機裝卸作業帶來了方便，可對智慧港口的建設起到積極促進作用。