【摘要】随着港口业务规模的不断扩大，企业对港口作业效率的要求也不断提升，港口设备朝着大型化、自动化、连续化的方向发展，港口设备的安全和稳定运行也越来越重要。基于物联网技术的港口设备安全保障系统，实现了港口设备状态监控及故障预测，有助于港口企业科学合理地对港口设备进行维修保养，降低了设备维保成本。
【关键词】物联网技术,港口设备安全,故障预测系统
随着我国对外贸易量的不断增加，海上运输日益繁忙，港口业务规模不断扩大，企业对港口作业效率的要求也不断提升，港口设备朝着大型化、自动化、连续化的方向发展，港口设备的安全和稳定运行也越来越重要。然而，港口机械设备因自重、外载荷以及运转引起的整机振动经常出现设备故障，带来极大的安全隐患问题。据统计，近三年来我国港口作业领域生产安全事故共发生22起，造成21人死亡，如图1所示。
目前，多数港口企业采取的预防性维修和故障后维修为主的设备管理模式存在着设备维修成本高、港口监测不完善、信息数据不全面、安全隐患大、及时性通用性实时性差、设备使用效率低等问题，已无法满足当代智能化港口设备管理方法的需求；且干散货码头与多用途码头存在着码头设备粗放式管理，设备能效缺乏监控、人工管理设备费时费力、利用率较低、人机协同性差等问题突出。因此，越来越多的港口企业希望能开发出一套智能监控系统，为港口设备的安全监控预测提供真实可靠的高效率信息化智能化设备故障监控预测服务，进而提升设备监控水平、港口效率和安全性，降低设备管理维修成本，实现经济效益最大化。
综合两者，智能港口设备监测系统在现代港口发展中的地位日益重要，港口安全监测需求大幅增加，但是市场相关产品供给极少且无法满足港口发展需求和保证相关人员基本安全。近些年，随着互联网、物联网、人工智能AI、大数据、云计算、智能传感、高速宽带通信5G等新技术的不断发展，以港口设备在线检测实时监控与故障自动诊断技术预测维修为主的设备故障处理模式正逐步成为港口企业集团的首选方案。针对干散货码头与多用途码头设备管理存在的问题，通过综合运用物流与物联网技术，研发了基于物联网技术的港口设备安全保障系统，以期解决港口设备运维目前存在的不足，在降低码头设备突发故障风险、提高码头运行效率和降低码头设备维保成本方面具有广泛的应用前景，助力智慧港口建设，努力打造世界一流的“智慧港口、绿色港口、平安港口、品质港口”，真正做到港口设备预测性维修和设备全生命周期信息化管理，提高作业效率和经济效益。
1港口设备维护现存问题
1.1港口设备监测不完善，健康状态不明确
传统的港口检测方式即日常检测，待发现问题时进行设备故障检测再维修，这种方式最大的缺陷就是无法立即检测到设备运行时出现的故障以及无法时刻关注设备的运行状态，实时性较差，设备使用效率低下。由于缺乏对港口设备的监管监控、对于故障设备不能及时进行警报、对于设备盲区无法进行预警，系统事故追查能力和及时性比较差，不能准确及时地对运行设备进行监测和诊断，也就无法实时监测港口码头设备健康状态。
1.2设备信息化水平低，港口设备利用率低
港口安全监控的功能不完善，大多将重点放在对设备的状态监视上，而对监控系统采集的数据利用不充分，没有对收集的数据进行进一步的数据挖掘。现场的通讯设备未完善，信息化程度低，数据传输和存储的处理效率低下，设备运行期间因传输和存储处理等问题导致了大量故障设备的数据信息流失，无法找到相应故障具体分析处理点，对于设备故障的监测和预防有着极大影响。由于现港口的运营采用传统的运作模式，干散货码头与多用途码头存在着码头设备粗放式管理问题，对于港口设备的检修时间较长、检修方式较为复杂设备发生故障后才会组织人工进行维修处理，不能做到提前预知设备使用情况，致使港口设备利用率低。
1.3设备维护成本高，港口安全隐患大
由于缺少对港口设备维修保养过程的管控，对于相关产品的采购无合理计划，导致港口机器设备的维修、保养存在库存积压或者库存不足，造成巨大的资金浪费，大幅提高维护成本。港口设备于故障后进行维修的时间成本、人工成本、流通成本、营运成本均较高，设备故障必然导致货物流转停滞，致使成本上升。港口安全监测系统实时性和系统事故追查能力比较差，不能准确及时地对运行设备进行监测和诊断，导致伤亡事件和财产损失的发生，使得港口运作时的安全难以得到保障。现如今的大部分港口码头维护技术，无法实时监测港口码头设备健康状态，随时可能造成停产误工，甚至存在相当大的安全隐患。
结合港口设备维护的现存问题，研发出一种基于物联网技术的港口设备安全保障体系。该系统不同于以往的港口设备维护系统，它将传统的设备发生故障后再进行维修转变为更具优势的预测性维修，以实现在港口设备可能发生故障前，先一步对港口设备进行维护与保养，以避免港口设备发生故障导致港口工作无法展开的情况，从而有效地减少了港口设备故障造成的损失，避免了因港口设备发生故障造成的港口作业事故，进而在极大程度上保障了港口工作人员的生命安全。
2系统功能
为实现将港口设备管理转向数字化，设备维保转向预测性，该系统具备设备健康数据采集、设备维保信息统计、设备故障预警等功能，通过软硬件结合，实现物联网感知层到应用层的智能化，同时推动智慧港口的建设。
2.1设备状态数据采集
基于安装在设备上的传感器探头，实时获取设备运行状态及反馈数据，根据采集到的信息对设备的健康状况做出评价，预测分析设备健康状况，并通过创建的设备身心健康分析方法，将采集过的数据和设备的出厂指标值进行比较，开展预测性检修，及时做出设备故障预警，可以很大程度上避免因设备故障而造成的停产损失。通过添加中间服务器用以接收储存采集的统计数据，进而处理数据存储问题，避免出现因数据汇总而导致设备过负荷的问题。
2.2设备维保数字化
采用覆盖面积广的无线网络通讯传送数据，建立专属的港口码头装备监测一体化平台，将设备信息、维保数据通过互联网上传至系统云平台。通过覆盖无线网络通信，定位港口每台设备，实时掌握码头主要设备在实际作业过程中的动作状态并将数据上传至智能云平台系统，辅助设备管理实现实时性、准确性、可视性。通过掌握码头主要设备在实际作业过程中的运行状态，创建有效的端到端管理系统，以物联网为基础，利用无线网络通信覆盖定位设备的同时获取并存储设备相关维保数据，对设备的维修保养过程进行记录，包括维保计划、派单、作业、验收的全过程。通过统计设备维保时间、频次、时长、效果，测算设备维保成本，从而及时做出预算，节约维保成本。制定定期维保计划和安排，以及数字化码头的预测性维护方案，并在监测系统中进行数字化管理。
2.3设备故障预警
对于码头设备的故障预警，在一般预防性维修的基础上加入预测性维修功能，其包含两个子模块：①预防性维保提醒。延用现在码头对设备的维保方案，根据设备的工作环境、排班表空窗期、上一次维保时长、维保次数、维保效率，创建保护性维保方案，在设备可维修和维保时间段即状况下传出可维保提示。②预测性维保预警。预测维修时间，确定安全库存、经济订货批量，归属于事前对设备开展监管并做出事前维护保养，根据安装于设备里的传感器探头即时收集的设备健康数据，创建设备故障预测实体模型。根据收集到的信息对设备的健康状况做出评价，预测分析设备健康状况，自动触发维修预警。根据对设备健康的实时监控系统，预测性检修，立即做出设备故障预警，并及时更改设备排班安排检修，很大程度上可以避免因设备故障造成的停产损失。
3技术方案
3.1软件设计
3.1.1系统分层架构设计
基于物联网技术的设备监控模式的网络体系包括感知层（传感器）、网络层（互联网路由器和WiFi)、应用层（数据库服务器和工作人员），实现设备监控信息的感知、交互和应用（见图2)。第一层是感知层，它是设备监控信息来源的基础，主要包括各类传感器。第二层是网络层，通过互联网路由器进行终端移动智能设备的网络信息交互，互联网路由器产生WiFi网络以光纤为载体输送信号到WiFi发射终端，由感知层智能终端设备接收和传输WiFi信号，然后传回互联网路由器进行信息处理，转换为普通的网络信号。第三层是应用层，主要面向工作人员，由网络层返回的信息经处理存储在数据库服务器中，工作人员通过智能管理中心进行处理与应用。
3.1.2数据收集网络安全通道架构设计
选择4G APN专用安全通道进行数据上传，利用运营商提供的专网卡将终端设备连接到专用网络，实现设备间互相访问，并节约网络连接成本。在4G网络覆盖广、通信速度快的情况下，无需配备不同设备和进行维护保养工作量，同时便于将设备兼容转换为5G网络。
3.1.3电能采集系统设计
为了采集各设备的总有功电能，需要在每个设备动力柜上安装一个串口，并将串口服务器与工业路由器进行连接。电度表与串口服务器通过485通信线连接，串口服务器与工业路由器通过网线连接。总有功电能的主要参数采集步骤如下：
①电能表采集设备的总有功电能。
②中间网络服务器虚拟一个串口通信软件，通过专用的4G工业路由器连接，建立一个安全的4G数据传输通道。根据DL/645-1997/2007通信协议，将电度表的电能主要参数加载到数据库系统表中。
③使用计算机和PLC进行设备的电能数据采集和显示，通过设备电能在该状态下是否发生变化来判断设备是否正在运作。
3.2硬件设计
传感器检测和单片机嵌入式科技的检测盒由感应器，控制CPU,通讯模块，A/D、D/A变换模块，红外线热释电报警模块，供电系统模块，设备精准定位，传送数据等模块构成。
通过设备传感器探头获取设备的实时工作状态，并根据收集的信息对设备的健康状况进行评价，实现设备维护从预防性维护转为预测性维修。通过集成的传感系统对设备的各部件进行检测，如减速箱、滚动轴承、电动机、泵、离心风机、汽轮发电机等，使用无线网络环境温度测力传感器进行振动指数检测，进行健康评估，实现预测性故障检修。对于海港的皮带机和堆取料机，添加噪声传感器和张力传感器进行环境噪音和传动皮带的张力检测，依据设备部件指标参数模板进行健康评估，实现预测性故障检修。利用ZigBee（基于ZigBee的无线传感网络系统）通常具有的成本低、功耗低、低速率、网络容量大、延迟短、可靠性高、安全性高、自组织网络灵活等特点，完成设备检验无线网络数据的提交。
3.3数据接收处理优化算法
系统软件接收到无线网络ZigBee传出的数据后，根据处理函数将字符串数组转化成数据信息并标志，再上传到云端物联网云平台并存进数据库系统，最终根据预警信息优化算法建立模型，将“预防性维保提醒”或“预测性维保预警”显示在用户的仓储管理平台中。
4结语
本系统融合硬件配置、软件、互联网等因素，综合利用智慧终端、物联网、云计算、大数据、物流等新技术，针对干散货码头与多用途码头的设备管理存在的问题，运用物流管理与物联网技术，设计了一种基于物联网技术的港口设备安全保障系统，在降低码头设备突发故障风险、提高码头运行效率和降低码头设备维保成本方面具有广泛的应用前景。
随着物联网技术在港口应用的不断成熟，针对港口设备故障的预测性系统越发准确、高效。目前，本系统可实现设备健康数据采集、设备维保数字化、设备故障预警等功能。基于物联网技术，实现了港口设备故障的准确预测，能够真正帮助企业对设备进行及时维保，推动实现港口的无人化、智慧化、绿色化。
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