基于物联网技术的散货码头仓储管理系统设计

自第四代港口概念提出到发展至今, 现代港口逐步向港口联盟、资源整合和供应链中心方向发展, 并且具备了港口物流统一集成信息平台相关技术。而要成功实施第四代港口的转型, 进一步降低港口物流成本, 就需要借助信息化管理建立港口航运透明化供应链, 以物联网技术为支撑的信息化和智能化道路是实现途径之一。[1]散货不同于集装箱装卸与管理, 后者在信息识别、智能闸口管理、货运调度、统一物流信息平台等方面初步具备了物联网技术体系的雏形, 而由于散货物流的特点, 其在物联网技术的各个层次方面发展滞后。本文以物联网技术在散货码头仓储管理中的应用为研究对象, 对其进行了设计与实施。

散货仓储系统中包括两部分, 一是堆场散货储存, 如煤炭和矿石等;二是筒仓, 如不适合露天存放的粮食、水泥等。目前大部分堆场仓储管理基本实现了无纸化, 由堆场管理人员将堆场存货数据、出货数据、清理操作、洒水作业、堆温检测和可燃气体浓度检测等信息输入到信息平台, 供管理人员做数据分析、查询、图形化管理等工作, 然后发布物流信息、堆场安全管理信息和数据查询更新, 这种模式距物联网技术要求的智能化水平和物流效率标准有较大距离。在筒仓存储中, 由于筒仓的封闭特性及货物存放时间长而引起的温度升高和货物变质等问题都需要人工进行检测, 可燃气体浓度过高等危险信息也需要定期监测。同样由于智能化程度低, 和当下物流体系在信息数据传输和货物实时监控的物联网技术要求相距甚远。

该系统分为堆场管理和筒仓管理两大模块, 可以实现堆场作业可视化管理、地基沉降观测、堆体温度监测、可燃气体浓度监测、空气湿度监测等功能。各模块及实现功能如图1所示, 其功能具体情况如下。

(1) 堆场作业可视化管理。利用TPS (全站仪定位系统) 实时显示堆场作业和货堆状态, 不在仅仅显示图形而是进行数字百分比量化。

(2) 地基沉降观测。由于堆场大都靠近海河沿岸, 地质松散, 易沉降, 造成了堆场水泥地面等基础设施下沉损坏, 不具备设计排水条件。在堆场设置地基监测设备, 控制室可根据获取的实时数据设定相关地基的最大载荷, 自动提醒堆场计划的堆垛高度, 保证地基的载荷在一定的范围内, 防止地基沉降。

(3) 堆体温度监测 (堆场) 。利用红外温度探测仪检测堆场料堆表温度, 利用温感线圈检测料堆内部温度。

(4) 可燃气体浓度监测。利用可燃气体探测仪监测一氧化碳、甲烷和氢气的浓度, 并具备烟度检测功能。

(5) 堆体温度监测 (筒仓) 。利用红外温度探测仪和温感线圈监测筒仓表温和内部温度。

(6) 空气湿度监测。利用空气湿度传感器监测筒仓内湿度。

以上监测数据通过无线通信的方式与仓储管理系统进行数据交换, 仓储管理系统基于以上数据采集和数据处理分析, 由系统控制自动化作业设备进行洒水、空气惰化、调湿作业, 或发出人为清扫任务。

图1 仓储管理系统方案  下载原图
 

(1) 堆场作业可视化设计。TPS不仅具有测量功能、数据计算、变形动态监测, 还具有实时扫描和三维重建功能。利用TPS对料堆进行扫描和三维重建便可以在仓储管理系统中植入TPS上位机软件进行堆场可视化作业监控。图像视频数据线可以通过HDMI接口与电脑连接, 其三维重建百分比量化数据连接关系可以通过图2进行数据传输, 但由于电脑串口信号衰减问题而采用如图3所示的电路进行数据传输。

图3 利用Zig Bee协议实现的无线网络数据传输电路  下载原图
 

图2 三维重建行数字百分比量化数据传输TPS与PC连接关系  下载原图
 

(2) 地基沉降观测电路设计。地基沉降观测的方法很多, 大多是借助仪器设备和基准点进行监测, 如静载试桩、复合地基载荷、标尺目测、不动杆沉降观测等, 这里采用固定式沉降仪, 由于其输出信号类型和全站仪输出类型相同, 所以其传输线路设计方法类似。[2]

(3) 堆体温度检测。利用红外温度探测仪检测堆场料堆表温度。红外测温采用非接触方式工作, 易于自动控制。采用TN9红外温度传感器作为温度检测点, 在堆场周围布4点, 分布在堆场四周, 同时在电路设计过程中加入现场数据显示, 和温度值监测设定如图4所示。由于利用Zig Bee协议进行无线传输数据电路都同文中设计过程一致, 这里就没有给出无线传输电路图。利用接触温度传感器DS18B20监测料堆内部温度, 监测点的多少可以根据具体物料的性质和要求。

图4 堆体温度监测电路  下载原图
 

筒仓管理系统硬件电路结构如图5所示, 在具体电路设计中, 其温测电路和文中上述设计电路一致, 这里给出可燃气体浓度检测和湿度监测电路, 采用MQ-2气体传感器监测传感器。MQ-2气体传感器对甲烷、氢气、天然气和其它可燃蒸汽的检测比较理想。其输出信号为0-5V模拟量。采用SHT10温湿度传感器监测筒仓内部空气湿度, 电路如图6所示。

图5 筒仓管理电路设计框图  下载原图
 

图6 可燃气体与湿度监测电路  下载原图
 

上述电路是物联网技术在港口仓储管理中的应用, 可以实现通过多种信号的自动监测和处理反馈到物联网港口信息平台上, 这样不仅可以提高仓储管理系统的自动化程度, 也为物联网在港口技术中的应用拓展了思路, 丰富了物流信息, 达到了物联网实时监控技术指标。本文设计的系统不仅为港务公司提供了仓储管理数据, 也为下游物流环节提供了仓储信息。