港口机械远程虚拟监控系统研究

港口机械远程虚拟监控系统研究

纪秀娟

纪秀娟

烟台港股份有限公司矿石码头分公司山东烟台264000

摘要：作为港口现代化水平标志和装卸现场主体的港口机械也朝着大型化、连续化、高速化、强载化和自动化方向发展，设备组成与结构越来越复杂。港口机械的监控和维护问题也日益突出。如何能够高效直观地监控港口中大量机械设备的运行姿态和运行状况，提高装卸效率和安全可靠度一直是航运界所关注的对象。本文通过对港口机械群远程监控系统的功能需求及现有的监控功能模块进行分析，模拟搭建了一个基于虚拟现实的港口机械群远程监控系统。

关键词：港口机械；远程；监控系统

随着现代港口规模的日益扩大,港口机械大型化、高速化和自动化程度也不断提高，不断出现的无人化港口成为当前大型港口发展的新趋势,现代化监控系统是实现港口自动化的重要保障。港口机械远程监控系统需要一个具有高度沉浸感和交互性的三维实时仿真环境,需要包含较多图像及视频信息。现有的港口机械远程监控系统大多采用基于网络的实时监控模式实时显示现场数据。

一、港口机械群远程监控系统的功能需求

从港口机械管理的角度出发，远程监控系统应具备面向实时化的管理和面向生产要素的管理两方面的功能。所谓面向实时化的管理，即对港口机械进行状态的管理，通过实时监控各种状态、主要运行参数以及实时运行姿态画面，全面呈现现场运转情况，便于管理部门实时管理。同时具备故障提示功能，能显示故障发生的部位、类型及故障发生前后的相关数据，并提供一般的解决方案，使故障能及时排除。而面向生产要素的管理，即对生产设备要素的管理，主要内容包括港口机械的维护及保养、固定资产更新改造、设备技术状态管理、特种设备的管理及固定资产的台帐管理。能根据预先设定，在设备使用到相应期限时自动生成设备的维护保养更换计划，提示管理人员对设备进行相应的处理，该预设值可根据相关的统计数据手动设置或自动调整。

二、现有监控系统的功能模块

现有的软件系统都采用模块化设计开发，典型的港口机械群远程监控系统的

功能模块如图所示：

1、实时状态监视：监控内容主要包括：设备工况全貌：动态模拟显示各部件的运行姿态，实时显示主要电气参数；各部件监控详细信息：实时显示各部件的作业状态，主要电气元件、限位、紧停、制动器、液压泵、阀等的通断状态；设备电控系统状态：显示供电线路上空气开关、接触器、热继电器等电气元件的工作状态；PLC的I/O监视：以梯形图或图形模拟方式实时监视PLC模块的I/O状态，这些模块的I/O状态反应了现场设备的工作状态；系统网络配置：以网络结构图的形式实时显示整个通讯网络系统的状态。

2、故障管理：现有的监控系统故障管理部分一般包括以下功能模块：故障监测、故障报警、故障信息过滤和关联分析、故障报表查询、故障管理配置等。

3、故障追忆：当有故障发生时，为了分析事故发生的原因，需要将相关各参数在事故前后一段时间内的数据提取出来，进行综合分析判断。这就要求跟踪和事故有关的一系列参数，并在事故发生时把该段时间内的历史数据保存下来，即事故追忆。

4、故障统计模块：根据已发生的故障生成记录，在故障统计数据库中，利用故障代码、故障内容、维修人员、维修时间和更换的元件等字段可分析故障原因、维修人员的水平以及元器件的选型更换情况。同时可定期统计分析故障的类型、次数及原因并生成维修方法。

5、生产信息管理：实时记录设备工作过程中的各种数据，包括集装箱尺寸、箱量、重、设备运行时间、空转时间、待机时间，吊具的开闭锁次数等，能够对作业箱状态进行统计、查询；生产信息存储在数据库内，并按每艘船、每班次、每日、每星期、每月、每年的数据进行分类管理，并生成报表数据。

6、设备维修维护管理：该模块提供了设备维修、保养、润滑工作的计划制定、审批、执行、验收等工作的管理功能，并在各个现场工作站对设备任务进行及时的提示和检索查询。

三、虚拟港口平台与现有监控功能模块的集成及软件实现

基于虚拟现实的港口机械群远程监控系统相对现有的监控系统来讲，本质上只是监控信息呈现、人机交互方式的改变，不会改变现有监控系统中各功能模块的内部逻辑和算法实现。对于基于虚拟现实的港口机械群监控系统来讲，它将现有监控系统同一时刻只能对单个港口机械进行监控信息的可视化呈现方式该变为可以同时对整个虚拟港口中的所有港机进行同时监控呈现的方式。但由于港口机械本身的复杂性，单个港口机械需要监控的信息量非常大，同时呈现虚拟港口中所有港口机械的所有监控信息本身也是不可能实现的而且也是不合理的。因此我们将基于虚拟现实的港口机械群远程监控系统分为虚拟港口监控交互界面和单个港口机械监控界面两大部分：

1、虚拟港口监控交互界面：

（1）虚拟港口监控交互界面中动态实时呈现视点中的所有港口机械的各部件的运行姿态，并实现场景的漫游和交互。也就是说，这里模拟呈现我们在港口现场能够“看到或听到”的港口机械运行和港口环境的信息。同时，提供港口机械管理器窗口，以图表的方式按类别和名称列出所有需监控的港口机械，便于用户快速定位特定的港口机械。

（2）港口中存在故障港口机械或需要进行维护保养的港口机械时，提供指示标志。用户只需单击此指示标志，就可以通过港口机械管理器提供所有故障港口机械的列表，并快速定位。同时，在场景中采用透明闪烁的方式呈现问题港口机械，更加直观且便于交互。

2、单机监控界面。单机监控界面实时呈现单个港口机械的所有监控信息。在实时呈现各部件的运行姿态的同时，利用ManagedDirectX设计的UI系统，以具体数值的方式直观地显示详细的数据信息和运行状况信息。

四、虚拟港口可视化快速构建系统

不同的港口有不同的地理信息和不同的港机布局。随着港口的发展，同一港口内有可能增加、淘汰或更新港口机械对象甚至改变港口布局。为了能够让用户通过直观、简单的操作实现上述功能，我们开发了可视化虚拟港口快速构建程序，使用户快速直观地进行虚拟港口场景的构建和编辑（图）。

利用可扩展标识语言XML存储港口场景的所有信息，监控系统通过读入这些文件进行虚拟港口场景的构建。这样，我们就能利用统一的创建和编辑面板从零开始参数化地快速构建一个虚拟港口，或打开现有的虚拟港口直观地修改、添加和删除港口机械和其他场景对象。具体功能简介如下：

统一的对象创建面板和对象编辑面板，保持了创建/编辑港口机械对象和虚拟场景对象的一致性。完全参数化的对象构建，即时呈现参数改变后的效果。更直观形象。可以通过复制现有对象，再利用编辑面板进行局部修改实现新对象的构建。简化了复杂对象的创建过程。

根据场景中选择的对象在编辑面板中显示对象所有可修改的参数。方便用户编辑。统一的旋转和移动变换对话框。不论是完整的港口机械对象、虚拟场景对象还是某个运动组件，都采用统一的旋转和移动对话框。提供选择面板可方便地根据名称或类型选择场景对象和港口机械对象。以便在大型场景中快速定位需要操作的对象。提供各种显示和隐藏命令方便场景观察。提供了隐藏选中港机、隐藏未选中港机和全部取消隐藏等命令方便用户观察单个港机的构建效果。

研究虚拟港口平台与港口机械监控、港口管理、布局调度等系统相互集成的技术，向着真正意义上的一体化虚拟港口目标而努力。

参考文献：

[1]林叶春,鲍敏中.基于InTouch平台集装箱装卸桥监控系统的开发[J].工业控制计算机,2014.17(3):33

[2]嘉红霞.浅谈港口设备远程监控系统中的若干技术问题[J].港口装卸,2013.1(1):27-29

[3]黄有方,赵婉莹.大型港口设备的现代电控系统的远程诊断技术[J].上海海运学院学报,2012.21(4):44-49

[4]张明江,杜明,董明望.港口设备远程监控系统构建研究[J].港口装卸,2013.(4):19-21