港口智慧照明技術(shù)及改造方案

袁飚　劉履震　郭璟　張旭仁　王建

摘要 智慧港口是我國港口未來的主要發(fā)展方向，通過采用先進(jìn)的照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)港口照明亮化設(shè)備一體化管理與實(shí)施監(jiān)控，確保照明功能穩(wěn)定高效的同時(shí)，減少照明設(shè)備的電能消耗。文章首先對(duì)港口照明技術(shù)改造的必要性和意義進(jìn)行分析，詳細(xì)分析智慧照明技術(shù)，最后提出港口照明技術(shù)具體改造方案，以期為推動(dòng)港口照明系統(tǒng)的智慧化提升帶來可參考的建議。

關(guān)鍵詞 港口;改造;智慧照明;智能系統(tǒng);方案

中圖分類號(hào) U653.95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0019-03

引言

照明亮化設(shè)備作為港口建設(shè)數(shù)量最多的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是港口朝照明節(jié)能化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化的“智慧港口”建設(shè)的重要改造區(qū)域，進(jìn)一步帶動(dòng)港口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。該文以文獻(xiàn)綜合的方式深入探究現(xiàn)階段港口智慧照明技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，為港口照明系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)作給予重要的理論支持。

1 港口照明技術(shù)改造的必要性

盡管我國港口系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)獲得了長足的進(jìn)步，但是與建設(shè)節(jié)能化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化的“智慧港口”發(fā)展目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。港口有關(guān)部門必須對(duì)照明技術(shù)和設(shè)備采取有效改造措施，來滿足現(xiàn)代化港口智慧照明的要求。

1.1 提升港口經(jīng)營效率

值班人員依然沿用人工手動(dòng)開關(guān)照明亮化設(shè)備來控制港口照明功能。在面對(duì)天氣變化以及港口裝卸環(huán)境變化時(shí)，缺乏遠(yuǎn)程的操控和集中化管理，對(duì)于應(yīng)急突發(fā)事件的照明亮度需求無法滿足;在港口照明管控工作中，所使用的燈具以及管控范圍相對(duì)較多且寬廣，會(huì)消耗大量的能源，導(dǎo)致港口的經(jīng)營運(yùn)作效率降低[1]。

1.2 提升照明設(shè)備安全性

港口照明亮化設(shè)備中的電纜、照明燈、電閘、變電器等設(shè)備，依然借助值班人員人工巡查的方式來實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的檢測(cè)與管理。路燈設(shè)備出現(xiàn)損壞或被盜等情況時(shí)，有關(guān)部門無法及時(shí)派遣維修人員進(jìn)行照明設(shè)備的維修，對(duì)港口運(yùn)輸和正常工作運(yùn)行造成極大的影響，也給港口附近居民帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 提升運(yùn)維效率與品質(zhì)

人工巡查是港口照明功能的主要故障排查方式，值班人員需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力來對(duì)港口全部照明設(shè)備進(jìn)行巡查。同時(shí)，故障問題、隱藏風(fēng)險(xiǎn)、檢查盲區(qū)等問題僅靠人工巡查也難以得到解決。

我國許多港口仍采用250 W高壓鈉燈來作為照明工具，這類高壓鈉燈在港口使用多年后，用電量會(huì)增至400 W。港口照明設(shè)備所消耗的電力資源巨大，與建設(shè)節(jié)能化的“智慧港口”所追求的綠色環(huán)保目標(biāo)沖突。由于無法遠(yuǎn)程操控路燈，導(dǎo)致無法根據(jù)港口的實(shí)際照明需求來控制照明時(shí)間，易造成嚴(yán)重的電能消耗和設(shè)備磨損。

港口照明設(shè)備因使用時(shí)間過長，已經(jīng)出現(xiàn)設(shè)備脫落或是爆炸等導(dǎo)致的高空墜物事件。同時(shí)也存在港口許多路段照明設(shè)備集中故障的狀況，嚴(yán)重影響夜間工作人員的正常工作。因此，對(duì)港口照明技術(shù)改造管理工作需要充分關(guān)注。在當(dāng)今數(shù)字化、信息化時(shí)代，我國港口照明系統(tǒng)也需與時(shí)俱進(jìn)，不斷革新，將節(jié)能、數(shù)字、智慧等相關(guān)發(fā)展理念融入港口長遠(yuǎn)穩(wěn)定的發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃中，依托現(xiàn)有的人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)港口智能化照明的優(yōu)化改善[2]。

2 智慧照明技術(shù)

2.1 基本內(nèi)容

以新一代半導(dǎo)體照明光源及光具為照明核心，利用云平臺(tái)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化智能控制。

在基本的智能控制中融入創(chuàng)新技術(shù)（光傳感器、調(diào)光調(diào)色模塊、光通信Li-Fi等）和物聯(lián)網(wǎng)功能（人員定位、信息采集、氣象監(jiān)測(cè)、交通控制、公共安全等），來形成一套由感知層、應(yīng)用層、傳輸層自下而上的系統(tǒng)模型[3]。

2.2 主要通信方式

Plc、Zigbee、Lora、Nb-Iot是組成智慧路燈主要的通信方式。

Plc通信方式主要是利用現(xiàn)有的電力線，模擬或是數(shù)字信號(hào)以載波方式耦合到電力線，最后完成模擬或數(shù)字信號(hào)的傳輸。該通信方式的最大特點(diǎn)是在有電線的情況下，不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。但是存在數(shù)據(jù)傳輸速率慢、誤報(bào)率高、受路況影響較大等技術(shù)缺點(diǎn)，所以在面對(duì)電力抄表市場(chǎng)飽和的情況下，技術(shù)發(fā)展推動(dòng)力較差。該通信方式推廣主力和推廣優(yōu)勢(shì)為控制設(shè)備生產(chǎn)商。

Zigbee通信方式是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)通信協(xié)議（紫蜂協(xié)議）。該通信方式協(xié)議自下而上的流程為：物理層→媒體訪問控制層→傳輸層→網(wǎng)絡(luò)層→應(yīng)用層。其中IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是物理層與媒體訪問控制層必須遵守的規(guī)定，物理層和媒體訪問控制層主要用于傳感控制應(yīng)用。該通信方式主要的特點(diǎn)：近距離、低功耗、自配置、自管理、自修復(fù)、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率。但也存在穩(wěn)定性能易受到外界環(huán)境影響等技術(shù)缺點(diǎn)，導(dǎo)致在市場(chǎng)的應(yīng)用受到影響。推廣主力、推廣優(yōu)勢(shì)分別為控制設(shè)備生產(chǎn)商、成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)且開放性好。

Lora通信方式主要是使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，在保持低功耗特性的基礎(chǔ)上，增加了新的特性（通信距離增加、消除干擾、提高網(wǎng)絡(luò)效率）。該通信方式最大的技術(shù)缺點(diǎn)在于經(jīng)常會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響。

Nb-Iot通信方式因待機(jī)時(shí)間長、低功耗、覆蓋面廣、海量連接、較高的設(shè)備要求等特點(diǎn)，也被稱作為低功耗廣域網(wǎng)。但是存在過分依賴運(yùn)營商基站布局、模塊費(fèi)用高等技術(shù)缺點(diǎn)。推廣主力、優(yōu)勢(shì)分別為華為公司、通信運(yùn)營商和適合智慧城市。

2.3 智能管理系統(tǒng)

整個(gè)智慧系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有大數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、人工智能分析系統(tǒng)，其充分借用外部的傳感器元件，參考港口碼頭的實(shí)際經(jīng)營狀況，通過光感元件以及港口碼頭的市場(chǎng)生產(chǎn)管理計(jì)劃實(shí)施對(duì)相關(guān)區(qū)域局部以及整體精確的照明布局管控，以更好實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)港口區(qū)域粗放式管理的優(yōu)化改善[4]。

在當(dāng)今智能化技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，港口智慧節(jié)能技術(shù)的使用也需要得到相應(yīng)的重視，智能化技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備需要具備自動(dòng)化運(yùn)行的特征，結(jié)合專家數(shù)據(jù)系統(tǒng)，借助大數(shù)據(jù)資源庫，實(shí)現(xiàn)模糊分析、模糊管理，而通過貿(mào)易量以及日常的工作數(shù)據(jù)信息，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)港口照明燈具的宏觀調(diào)控和管理。整個(gè)智慧照明系統(tǒng)需要以傳感器、大數(shù)據(jù)以及人工智能系統(tǒng)作為基礎(chǔ)的管理層級(jí)，采取層次化的管控策略，并且為了提高相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，在設(shè)置相關(guān)系統(tǒng)時(shí)工作人員也需要結(jié)合人工操作的元素，此外也可以結(jié)合終端智能App，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能燈具的集約化控制，滿足現(xiàn)場(chǎng)工作開展的實(shí)際需求。3F4D561E-6830-4FCC-94F8-7D62C8F0591F

3 具體改造方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過使用照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)、“后臺(tái)+PLC”控制模式，取代港口傳統(tǒng)人工照明控制系統(tǒng)和就地時(shí)控器控制模式。

照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)按功能分為現(xiàn)場(chǎng)采集控制層、后臺(tái)軟件控管層、網(wǎng)絡(luò)通信層。照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)配備有高性能、高可靠性的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)港口全部照明亮化設(shè)備進(jìn)行快速、高頻率地運(yùn)行狀態(tài)收集與處理。值班人員可通過網(wǎng)絡(luò)通信層及時(shí)地獲取各區(qū)域照明亮化設(shè)備的實(shí)時(shí)信號(hào)，而由值班人員向現(xiàn)場(chǎng)采集層下達(dá)遠(yuǎn)程操作指令，也可實(shí)現(xiàn)后臺(tái)軟件控制層遠(yuǎn)程控制照明設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)刷新≤5 s，值班員操作指令執(zhí)行≤2 s，設(shè)備重要報(bào)警響應(yīng)≤1 s。

現(xiàn)場(chǎng)采集控制層，主要包括安裝在變電所和箱式變壓器內(nèi)的監(jiān)控儀表、中間繼電器等電氣設(shè)備。所有電氣設(shè)備具備功能獨(dú)立、可靠性強(qiáng)、精密度高等特點(diǎn)，適用于各種類型港口的工作環(huán)境。現(xiàn)場(chǎng)采集控制層主要是對(duì)港口各照明亮化設(shè)備的電壓、電流數(shù)據(jù)和設(shè)備開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行采集與整理。

作為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的系統(tǒng)核心，網(wǎng)絡(luò)通信層借助配置觸摸式顯示屏、交換器、光纖收發(fā)器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的開與關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)收集、照明設(shè)備通信協(xié)議的接收與傳輸?shù)裙δ堋＞W(wǎng)絡(luò)通信層還作為現(xiàn)場(chǎng)采集層與后臺(tái)軟件控制層信息傳遞的中樞，將現(xiàn)場(chǎng)采集層收集照明設(shè)備監(jiān)控儀器表的各類數(shù)據(jù)信息，借助內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸至后臺(tái)軟件控制層。后臺(tái)軟件控制層接收監(jiān)控儀器表各類數(shù)據(jù)信息后，由值班人員向現(xiàn)場(chǎng)采集層下達(dá)遠(yuǎn)程操控指令，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)軟件控制層遠(yuǎn)程控制照明設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

后臺(tái)軟件控制層，主要借用pc上的監(jiān)控軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能總貌、港區(qū)照明位置圖查看、照明控制、報(bào)警信息等功能。后臺(tái)軟件控制層收集關(guān)于照明亮化設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)資料，可供值班人員從儲(chǔ)存的服務(wù)器中進(jìn)行直接檢索和打印。值班室專用pc上的監(jiān)控軟件與港口辦公網(wǎng)絡(luò)處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，即使辦公網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)軟件發(fā)生故障，也不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)采集層根據(jù)后臺(tái)軟件控制層下達(dá)的指令，對(duì)照明亮化設(shè)備進(jìn)行的各項(xiàng)操作。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 兩種管控方式

自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要具備后臺(tái)遠(yuǎn)程和就地控制兩種控制方式。值班員可通過下發(fā)指令或是變電所和箱式變壓器內(nèi)的Plc，來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或就地控制。值班員采用后臺(tái)軟件控制時(shí)，通過在后臺(tái)軟件遠(yuǎn)程控制設(shè)置界面上，選擇多回路批量操作或是單一線路操作控制照明回路，來實(shí)現(xiàn)照明亮化設(shè)備定時(shí)控制功能。值班人員也可根據(jù)港口實(shí)際的生產(chǎn)和運(yùn)輸需求，來遠(yuǎn)程強(qiáng)制控制照明亮化設(shè)備的開關(guān)燈。

值班人員在照明亮化設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，通過對(duì)變電所或箱式變壓器內(nèi)觸摸式顯示屏，來實(shí)現(xiàn)Plc就地控制模式。Plc觸摸屏控制界面也能為值班人員提供照明回路實(shí)施信息。

3.2.2 亮燈率的顯示

后臺(tái)遠(yuǎn)程控制設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)照明亮化設(shè)備實(shí)時(shí)采集回路電流大小。后臺(tái)軟件根據(jù)照明亮化設(shè)備實(shí)時(shí)電流大小與額定工作電流的比值，用條狀圖來直觀顯示亮燈率。并根據(jù)港口實(shí)際需求來設(shè)置亮燈率報(bào)警值，當(dāng)實(shí)時(shí)亮燈率<報(bào)警值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，值班人員能第一時(shí)間掌握亮燈情況和故障區(qū)域。后臺(tái)軟件計(jì)算亮燈率與傳統(tǒng)人工巡查亮燈率相比，不僅極大地降低了值班人員的工作壓力與工作強(qiáng)度，也可更精準(zhǔn)快速的定位故障區(qū)域。

3.2.3 根據(jù)季節(jié)自動(dòng)調(diào)整

通過收集港口過去四季季節(jié)變化、節(jié)假日等港口生產(chǎn)與運(yùn)輸信息，后臺(tái)軟件根據(jù)收集的數(shù)據(jù)信息控制照明亮化設(shè)備開關(guān)時(shí)間。后臺(tái)軟件能夠同時(shí)預(yù)設(shè)100條以上的定制策略，每條定制策略能夠?qū)崿F(xiàn)分組、分群的控制多臺(tái)或單臺(tái)照明亮化設(shè)備。例如，后臺(tái)軟件設(shè)置去年照明亮化設(shè)備的開關(guān)燈時(shí)間、頻次等內(nèi)容，通過打開年度自動(dòng)設(shè)置模式按鈕，就會(huì)自動(dòng)按去年照亮化設(shè)備的開關(guān)燈時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)修改。

3.2.4 歷史數(shù)據(jù)的收集

后臺(tái)軟件會(huì)根據(jù)照明回路動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的重要性進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類與整理。短期歷史數(shù)據(jù)庫主要將照明設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)資料存儲(chǔ)一周。長期歷史數(shù)據(jù)庫主要將照明回路的報(bào)警信息、故障信息、值班人員下達(dá)的指令進(jìn)行為期2年的儲(chǔ)存時(shí)間。

3.3 改造計(jì)劃

3.3.1 燈具更換模式

在原有港口碼頭的照明模式中包含垂直布局模式，而現(xiàn)有的平行式更換模式更加具備高效性、完整性，碼頭岸線平行方向的燈具在經(jīng)過改造之后滿足低成本的運(yùn)維管理需求，從而使后續(xù)針對(duì)備件的更換管理工作更加高效、穩(wěn)定地進(jìn)行。

3.3.2 維護(hù)時(shí)間間隔

實(shí)現(xiàn)碼頭照明管理節(jié)能環(huán)保還需要有效管控對(duì)設(shè)備的維護(hù)周期，燈具產(chǎn)生故障的核心因素便是來自內(nèi)部元器件的損壞，從改造周期層面上進(jìn)行分析考量，將相應(yīng)的燈具維護(hù)時(shí)間間隔設(shè)置為一年較為合理;而在對(duì)燈具電容的改造管理方面，則應(yīng)當(dāng)將相應(yīng)的周期設(shè)置為2～3年較為合理。在維護(hù)管理工作中應(yīng)當(dāng)制定短期、中期、長期的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，減少維護(hù)管理工作中所投入的各項(xiàng)成本。

3.3.3 改造順序

整個(gè)改造批次分為三次較為合理，實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助區(qū)域、堆場(chǎng)后半部分以及堆場(chǎng)前半部分進(jìn)行定向化的改造管控，在平行式更換管理模式下，相關(guān)工作需要結(jié)合兩年的時(shí)間來完成，參考對(duì)后輔區(qū)向前沿推進(jìn)的管控三批次改造管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)高桿燈具的節(jié)能改造建設(shè);而需要利用約三年的時(shí)間將設(shè)備到岸的批次和順序作為參照依據(jù)，分三次完成對(duì)相關(guān)設(shè)備的照明改造[5]。

4 結(jié)束語

智慧照明技術(shù)將燈具生產(chǎn)制造技術(shù)與傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及智能技術(shù)進(jìn)行了有效融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各項(xiàng)信息的集中管控，如采集、傳遞、智能決策、分析以及信息化管理，整個(gè)經(jīng)營管理模式具備較高的自主性、智慧性，能夠進(jìn)一步提高港口的智能化運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)港口經(jīng)濟(jì)長遠(yuǎn)穩(wěn)定的發(fā)展。通過對(duì)港口照明亮化設(shè)備進(jìn)行改造，通過利用智能路燈精細(xì)化監(jiān)控管理設(shè)備和遠(yuǎn)程操縱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)提高港口照明設(shè)備利用效率、減少港口值班人員工作巡查壓力、提高港口綜合管理和服務(wù)水平等目標(biāo)。

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收稿日期：2022-02-28

作者簡介：袁飚（1968—），男，本科，學(xué)士， 副高級(jí)工程師，研究方向：港口設(shè)備設(shè)施管理。3F4D561E-6830-4FCC-94F8-7D62C8F0591F