基于5G港口门机远程监控系统解决方案

◎ 彭文 福建省港航勘察设计院有限公司 福建省闽航飞腾科技有限公司

1.引言

随着国际经济贸易的迅速发展，港口在国民经济发展中的地位越来越重要，在港口装卸设备当中，港口门座式起重机属于非常重要的组成部分，在集装箱以及散杂货等码头装卸生产当中使用非常广泛。港口门机装卸作业条件艰苦、司机作业疲劳有安全隐患等痛点，随着物联网、5G、北斗等技术发展非常迅猛，其存在较大的可靠性、功能非常清楚、运行平稳以及存在低时延等特点，在港口装卸设备领域当中使用非常广泛，在未来智慧巷口当中，“5G＋港机”模式属于发展的新模式。

2.5G技术的简单介绍

当前情况下，第五代移动通信技术（5G）属于移动通信技术发展当中的高峰，其可以使得人们的生活得到改变，并且也会促进社会的发展，属于重要力量。5G是在4G发展的基础之上，对移动通信的发展具备更高的要求，其需要在功耗、速度以及时延等方面进行全新的提升。这样以来，业务也有了较大的提升，互联网在发展的过程中也使移动互联网逐渐的转向智能互联网时代进行发展。国际标准化组织3GPP完成了5G三大场景的定义，在这其中，mMTC指的是大规模的物联网业务、eMBB指的是3D/超高清视频等一些大流量的移动宽带业务，URLLC指的是无人驾驶等业务。5G的六大基本特点：高速度、泛在网、低功耗、低时延、万物互联、重构安全。

图1 门机远程监控系统结构图

3.系统总体设计

（1）系统架构。港口门座式起重机远程监控系统主要包含这些部分：5G移动通信网络、控制中心以及现场自动化监控系统设备。系统架构如图1所示。

（2）通信网络。通讯系统属于信息传送的主要通道，在后台以及前台沟通当中属于桥梁作用。当前情况下，港口门座式起重机远程监控系统通讯网络使用的为无线公网通讯方式，在国内主要指的是由营运商经营以及管理的蜂窝无线通信网络，它主要包含：交换网络、中心控制机房、网间链路、用户终端以及无线基站等。而低延时技术、5G大带宽以及其通讯方式等属于目前智慧港口当中使用非常广泛的通讯方式。

4.系统方案设计

4.1 中控中心

中控中心主要包含：调度中心，数据服务器，通讯服务器、WEB服务器、监控主机、MIS服务器、浏览PC、路由器、交换机、防火墙、远程控制台手柄和人机交互平台等构成。服务器分为数据库服务器和应用服务器。数据库服务器用于存储基础数据、历史数据、故障数据。应用服务器用于接收实时设备数据、发布系统信息、提供调用接口、远程控制门机等。

为了保证系统稳定性和安全性，特建立1+1冗余备份机制。本系统采用双机热备份机制，即备份属于一种联机状态，目前主要利用高速通信线路完成数据的实时传送，进而达到份系统，使得备份系统以及当前应用系统数据处于同步状态；也可以在备份系统上定时的恢复应用系统的具体数据。一旦出现一些灾难，系统将自动切换到备用服务器，无须等待、不影响系统正常运行。

上位机通过与应用服务器的通讯作为日常管理的人机接口。

4.2 现场自动化监控系统设备

现场自动化监控系统设备距离门机现场比较近，主要由门机电控箱、5G路由器、交换机、UPS电源、PLC、检测传感器以及摄像机组成。

检测传感器主要检测内容包括：金属结构件、钢丝绳、齿轮箱、电动机等，同时将检测结果换成数字信号传到PLC 中，完成测量数据采集工作。

门机电控箱直接控制门机的起升、变幅、回转、运行四大机构，有远程和就地两种控制模式。日常工作模式为远程，当 PLC故障后可切换到就地工作模式，装卸人员通过门机操作室进行门机的装卸工作。

PLC通过交换机和路由器与控制中心的应用服务器进行通讯，将门机设备操作和反馈的信号传输至应用服务器，可根据应用服务器的指令直接控制门机电控箱(远程模式)，也可以在远程控制故障时，装卸操作人员点击触摸屏上相关按钮实现就地装卸操作。

摄像机用于观察门机装卸过程中实时状态，装卸操作人员利用摄像机画面当中的门机起升、回转、变幅以及运行四大机构的具体启闭情况与门机采集的变幅、起升以及旋转三个机构分别实现货物的升降、径向移动、旋转数据进行对比，一旦发现不符可在系统中进行校准。另外可通过摄像机画面进行环境和人员的安防监控，一旦有可疑人员非法闯入，系统可自动发出警报。

4.3 人机交互平台

人机交互平台是安装在应用服务器的一套应用软件，提供多种界面和接口。PC 平台有 C/S(客户端访问，支持Windows平台)系统控制设计严格的管理权限，并设置软硬件隔离，操作指令密码、人脸识别等登录权限方式。历史数据中记录所有用户的所有操作内容、操作时间、操作者等信息，且无法删除。充分保证门机装卸操作的安全。

数据采集模块可实时接收水位、气候遥测站发来的水文、气候数据包，自动检查数据的帧格式，并进行合理性判断，分类自动存贮;将最近来报的 N 条记录按来报时间以表格的形式显示在数据采集窗口，便于用户分析查看。

门机远程控制支持起升、变幅、回转、运行四大机构电机点击启闭；支持查看电机电流、电压等电气数据；支持智能判断电气故障并联锁相关安全设备紧急停机。

统计报表包括起升、变幅、回转、运行四大机构电机工作状态、电流、电压等，另外系统支持自定义报表格式、打印和导出功能。

实时监控图像：可对装卸作业现场进行可变镜头的聚焦、变焦、光圈，完成全方位云台的整体控制以及操作，并且可以把全方位摄像机设置为自动扫描方式，进而详细的掌握监控区域的运行情况。通过系统应用软件自动把数字图像存储到硬盘上，可通过系统播放软件将图像播放出来。系统可将现场装卸作业情况传输到中央控制中心的视频信号进行压缩处理，可通过5G传输到终端用户。

系统提供历史数据查询、设备故障报警、光报警等功能；提供设备/档案管理、维护功能；可与水位自动遥测、码头水工结构自动观测等系统数据交换预留接口。

5.小结

网联网、通信技术的发展给智慧港口发展带来了巨大发展契机，解决安全问题，提升生产效率。在5G技术支持下，门机远程监控作业的精准度、稳定性和工作效率得到了大幅度提高，在交通强国建设的大背景下，港口行业正迎来数字化转型新契机。本系统在 5G+港机 无线网络平台的基础上，实现了服务器与 港口门机PLC 的实时无线通讯，从而实现了远程门机监控。该系统降低了网络建设成本、网络延迟，提高了操作实时性、网络安全性、可靠性，可有效地减少误操作的发生，为港口门机装卸作业带来了方便，可对智慧港口的建设起到积极促进作用。