【本期聚焦平安港口】洋山深水港集装箱堆场安全监管的智能化

[罗戈导读]以城市总体规划目标和港口发展布局为引领,经过多年建设,以洋山深水港区、外高桥港区为主体的国际航运枢纽港基本建成,集装箱吞吐量位居世界第一。

洋山深水港集装箱堆场安全监管的智能化

孙海龙,范荣

(上海深水港国际物流有限公司,上海201308)

摘要:为满足堆场安全监管的要求,结合信息化的技术手段,优化集装箱堆场安全监管模式,利用GPS差分定位技术结合联动监控分布算法优化堆场生产监管,实现洋山深水港集装箱堆场安全监管的智能化,从而在根本上保障企业员工的人身财产安全,保障企业生产运营的顺利进行,提高企业经济效益,提升企业在市场竞争中的优势。

关键词:港口;洋山深水港;GPS差分定位技术;联动监控分布算法;集装箱堆场;安全监管智能化

0 引 言

2017年,国务院批复同意《上海市城市总体规划(2017—2035年)》,该规划提出上海城市目标定位:长江三角洲世界级城市群的核心城市,国际经济、金融、贸易、航运、科技创新中心和文化大都市;建成卓越的全球城市,令人向往的创新之城、人文之城、生态之城,具有世界影响力的社会主义现代化国际大都市。在总体目标引领下,上海国际航运中心功能布局为:在北外滩、陆家嘴、洋山-临港、外高桥、吴淞地区形成高能级航运服务集聚区;上海港形成以洋山深水港区、外高桥港区为核心,杭州湾、崇明三岛等港区为补充的总体格局,洋山深水港区是集装箱深水枢纽港区、国际远洋集装箱班轮的主靠港。

以城市总体规划目标和港口发展布局为引领,经过多年建设,以洋山深水港区、外高桥港区为主体的国际航运枢纽港基本建成,集装箱吞吐量位居世界第一。快速发展的集装箱运输极大地推动港口建设。上海港业务量的增多推动港口作业效率提升,特别是集装箱方面的相关堆场作业效率,同时也给集装箱堆场生产安全监管带来新的挑战。2015年8月12日,天津港瑞海公司危险品仓库发生特别重大火灾爆炸事故,造成165人死亡、8人失踪。该事故引起社会各界高度关注,也反映出我国港口行业极为严峻的安全生产形势。由于多类货物集装箱堆放在同一堆场,火灾、爆炸、毒物泄漏扩散等事故风险并存,港区固有风险整体增大,发生事故后的影响范围进一步扩大,且事故造成的破坏是灾难性的。[1]在此背景下,运用高新安全监管技术,优化安全监管模式,实现集装箱堆场安全监管的智能化刻不容缓。

1 洋山深水港集装箱堆场传统安全监管模式分析

集装箱堆场的安全运作是保障港口有序运营的前提。通过加强集装箱堆场安全管理工作,可以从根本上保障企业员工的人身财产安全,进而保障企业生产运营的顺利进行,提高企业经济效益,提升企业在市场竞争中的优势。

洋山深水港生产堆场生产系统复杂。港区安监部门主要负责:港区日常安全生产的管理工作;做好现场困难作业安全措施的制定和落实;遇到明火、登高等检修作业时需要监管作业,及时发现现场各类人员的违章违纪行为;配合其他部门进行公司设备设施的检查和整改;此外还需要负责公司消防设备设施的检查管理、安保工作的协调管理、反恐等一系列工作。洋山深水港安监工作具有点多、面广的特点,而集装箱堆场的安全监管模式主要为人工监管,常配备2名安监人员乘坐安全巡逻车对厂区实行安全巡查,巡查频率为1次/h。在监管上缺乏相应的技术手段,人工为主的监管模式耗时又耗力,且很难做到对堆场的全面监管,因此监管工作在现场的巡检力度、广度显现出许多不足,主要体现在:

值班人员每天需对卡口、道口、门岗、口岸区、辅助区等各区域作全面巡检,耗时耗力,很难对存在问题的区域做到主动管理。

当厂区内进行大型机械维修等困难作业时,需配备安监人员监管现场,占用人力资源。

当区域内有施工作业时,由于施工人员大多是外包人员,安全意识比较淡薄,因此在其进入场内施工前,需配备安监人员对其进行安全教育;如有登高、动火等特别危险的作业,安监人员需要不停监视巡查,避免施工人员违章作业,加大安监人员的工作量。

区域内大小事故的原因由安全员凭经验判断,存在一定的偏差。

设备设施被外集卡碰撞损坏后外集卡司机出现逃逸的现象较多,且很难追溯到责任人。

当堆场车辆意外起火或设备设施报警时,安监人员需第一时间赶赴现场,但由于无法准确掌握报警位置,在路线选择上有可能耽误时间。

厂区道路有时因集卡作业出现车辆拥堵现象,巡查人员在到达现场后才能进行疏导,反应滞后。

2 集装箱堆场安全监管模式的创新

2.1 机械安全监管的智慧化

堆场作业机械无法在传统堆场生产安全监管模式下实现实时监管,必须进行优化升级。通过在项目区域内建立差分GPS系统,采用移动网络模式进行数据间的传输和通信,同时采用国际最新的RTCM3.2数据格式作为差分数据传输格式,成功避免传统方式下电台模式频率的不一致性和数据格式的不兼容性,使堆场机械的定位达到厘米级的精准程度。借助智慧堆场系统可以及时获取监管对象在堆场环境的准确位置。GPS差分定位技术结合联动监控分布算法的系统导入,使堆场作业机械实现历史路线还原和3D可视化路线追踪。监管人员可以实时掌握堆场生产设备的准确位置与运行路线,在3D智慧堆场平台上直接调用离生产设备最近的视频监控或利用无限网络车载监控系统对生产设备进行详细追踪,从而推动堆场机械安全监管的智慧化。

2.2 车辆及人员监管的智慧化

在传统安监模式下,安监人员很难对堆场环境的外部车辆、内部车辆和堆场人员进行系统性监控。因此,该项目导入门禁出入管理信息系统,该系统能自动且准确地捕捉进出堆场的车辆和人员的精准信息,对获取的数据进行实时更新。安监人员通过门禁出入管理信息系统,可以对整个进出堆场的车辆和人员信息做到全局了解,对进出堆场的车辆和人员做到更高效、更精准的安全监管,成功实现车辆以及人员安全监管的智慧化。

2.3 生产场地的安全监管智慧化

在传统安监模式下,堆场安全监管的众多子系统独立分散地运作,各个子系统之间的信息难以做到互通,要全局了解生产场地的相关信息,必须同时进入多个子系统进行信息获取,导致监管效率不高。此次项目研究不仅对子系统进行优化升级,而且通过BIM进行平台建模,实现对堆场作业的可视化管理,同时在平台上把众多子系统进行一体化整合,多方面、全视角地对堆场生产场地进行监管,能够做到对可疑目标和异常事件的及时预警,第一时间对堆场生产中的异常事件作出反应,防止异常事件的扩大发展。通过对堆场生产设备运行轨迹的精确还原,监管员可以对作业中的违规行驶车辆发出修正指令,确保施工车辆合规运行,通过设备运行轨迹与联动监控分布算法,真实还原事故发生时的具体情况,准确判断事故发生的具体原因,实现生产场地的安全监管智慧化。

3 关键技术

3.1 基于差分GPS定位技术的生产设备精确定位

GPS绝对单点定位一般用最小二乘法和卡尔曼法预测来实现,但是GPS在定位精度和定位效率等方面仍有不足。一方面,GPS单点定位精度大致在20 m;另一方面,GPS卫星信号易受到建筑物的阻挡。因此,一般GPS定位技术无法满足洋山深水港的作业环境要求。在这种情况下,洋山深水港推行差分GPS定位技术。差分GPS定位技术的原理为:由基准站发送修正数据,由用户站接收并对其测量结果进行修正,以获得精确的定位结果。差分GPS定位精度可达到厘米级。[2]

3.2 不同坐标系下的坐标转换技术

地球是一个凸凹不平的椭球体,而日常使用的测绘地图是一个平面坐标,因此在实际使用GPS定位或差分GPS定位和测绘地图之间必须完成坐标系的转换。在项目实施过程中,洋山深水港采用了WGS-84大地坐标系。WGS-84大地坐标系是国际标准的大地坐标系,也是目前广泛应用于GPS全球卫星定位系统的坐标系,一般卫星导航和原始GPS设备中的数据同样采用此坐标系。为将定位结果与当地大地水准面精准符合,首先要把WGS-84大地坐标系转换为上海城市坐标系。

WGS-84大地坐标系是其地面上一点的大地经度L为大地起始子午面与该点所在的子午面所构成的二面角,由起始子午面起算,向东为正、称为东经(0°~180°),向西为负、称为西经(0°~180°)[3];大地纬度B是经过该点作椭球面的法线与赤道面的夹角,由赤道面起算,向北为正,称为北纬(0°~90°),向南为负、称为南纬(0°~90°);大地高H是地面点沿椭球的法线到椭球面的距离,通常表示为(B,L,H)。转换过程借助我国之前的国家法定坐标系1980西安坐标系。

上海城市坐标系属于参心大地坐标系,有1个坐标原点,Z轴平行于地球质心指向地极原点方向,大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面,X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0°方向,Y轴与Z、X轴成右手坐标系。大地高乘以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准,一般情况默认为0,通常表示为(X,Y)。

第1步要把WGS-84大地坐标系(B1,L1,H1)转换为空间直角坐标系(X1,Y1,Z1),公式为

XYZ=(N+H)cos B cos L(N+H)cos B sin L[N(1-e2)+H]sin B

其中:a、b分别为WGS-84坐标系中椭球长、短轴。第2步是进行空间直角坐标系(X1,Y1,Z1)里七参数转换,得到空间直角坐标系(X2,Y2,Z2),公式为

其中:△X、△Y、△Z为坐标平移量,R(ω)为旋转矩阵,(1+m)为比例因子。第3步是空间直角坐标系(X2,Y2,Z2)转大地坐标系(B2,L2,H2),转后的大地坐标系为1980西安坐标系,公式为

其中:a、b分别为西安80坐标系中椭球长、短轴。第4步是进行高斯变换,将1980西安大地坐标(B2,L2,H2)转为上海城市坐标(X2,Y2):

其中:t=tanB,η=ecosB,ι是该点的经度到中央子午线的经度差。在完成坐标转换之后,使用横轴墨卡托投影计算公式完成洋山深水港GPS的WGS-84坐标转换至上海城市坐标的投影方案。3.3 定位设备运动方向技术车载定向技术是指车载导航系统在车辆行驶过程中精确确定其所在位置的北向方位,可以为车辆提供参考基准,引导车辆行驶,增强车辆设备机动性。基于双天线GPS的定位测姿方法是指在刚性载体上设置2个呈几何分布的GPS信号接收天线且对应设置2台接收机,使2个GPS信号接收天线构成二维基线向量。利用GPS主天线与第二天线之间的基线距离处理得到高精度的二维姿态量信息,它可以实时解算载体的俯仰、横滚、航向等数据,最大速度为10次/s。利用2个GPS信号接收天线的真实坐标值求得基线向量a;利用整周单差模糊度求得基线向量b;如果基线向量乘积的平方根值与基线向量真实长度差的绝对值小于阈值e1,则采用基线向量b的坐标计算出刚性载体的二维坐标航向角α与俯仰角β,即完成刚性载体的定位测姿。双天线测姿测向系统设备的精度与2个天线之间的距离成正比,基线之间的长度越长,姿态测量精度效果会越好。为使双天线测姿测向系统保证2台GPS接收机接收信号的同步以及2个接收天线测量位置的准确,引入陀螺仪测角系统。当2台接收机均可以获得准确的RTK差分信号时,解算出该设备的姿态和航向,并对陀螺仪的测角系统进行校准,减少陀螺仪测角系统长期运行造成的积累误差;当任意1台RTK GPS接收机无法解算出高精度的GPS位置时,采用陀螺仪进行航向和姿态的测量。3.4 工作区域预设关联摄像机当摄像机是固定枪机且摄像机和运动轨迹点的距离符合所选摄像机的最佳监控距离时,该摄像机才是运动轨迹点上最合适的监控摄像机。将重型机械设备全部工作区域划分成多个独立的小工作区域,每个小工作区域内选择1台合适的监控摄像机。当重型机械设备运动时,根据实时的轨迹点确定该点所属的小工作区域,进而选择最佳的监控摄像机。以其中1个主要工作区域选择的关联摄像机区域为例,关联摄像机区域图见图1。

3.5 运动轨迹关联摄像机的快速切换随着重型机械设备的运动,最佳的关联摄像机也在不断发生变化。在2台摄像机切换时,监控视频的建立需要一定时间,时长取决于选择摄像机的速度、网络带宽、视频码流大小、视频编码时IBP帧的分布等因素。建立视频产生的延时问题将直接导致系统呈现效果的变差。在实施过程中,根据重型机械设备当前的轨迹点,预估3 s和5 s后该重型机械设备的位置,进而根据这些预估位置选出1组符合要求的摄像机。在重型设备尚未到达这些摄像机的监控区域时,预先完成监控视频的准备;一旦设备到达该监控区域,直接将已经准备完成的监控视频展现给用户,从而提高系统的展示效果。

3.6 海量定位数据快速查询和位置修正技术为了加速获取指定车辆的轨迹点,在项目实施时,对车辆轨迹时间跨度做出限制,每次获取1 h的轨迹点。同时,针对海量数据的分拣处理,在数据库的处理上采用基础索引表上结合高速索引表的方式,根据高速索引表的定位缩小检索数据的范围,从而缩短获取轨迹数据的时间。对堆场内作业车辆和作业机械定位的精准采集配合高精准度的地图位置信息,可精准定位、显示作业车辆和机械在堆场内的实时位置。对海量定位数据进行管理和算法应用输出,解决作业车辆和作业机械定位漂移问题,修正作业车辆和作业机械即时位置信息,确保作业车辆和作业机械在“可行驶路线(道路)”的范围内移动。

3.7 关联视频的回放检索和下载拼接根据车辆行驶轨迹,系统自动计算最佳的跟踪摄像机,并从系统原有的监控云存储系统获取其录像资源,并对不同摄像机的相关资源进行打包保存,从而生成车辆关联视频包。在回放视频时,根据车辆行驶轨迹,预先计算整个轨迹上涉及的全部摄像机,并由系统预先利用云存储系统准备好相关回放视频,根据用户的操作,将这些视频逐段展示给用户。在展示过程中,摄像机能够跟随追踪车辆或机械进行画面快速切换,同时可将整个追踪录像按照形式轨迹的路径进行逐段关联导出,对导出监控视频进行合并拼接处理,实现追踪与视频的无缝管理。系统流程见图2。

4 集装箱堆场安全监管智能化的效果分析

4.1 大幅提升监管效率在智慧堆场平台上实现堆场设备的等比例3D模拟展示,对堆场现场实现真实还原,对堆场现场施工的可移动机械实现厘米级的精准定位和定向追踪。通过智慧堆场系统,监管员能准确追踪到该设备的具体位置并实时观察到堆场设备的运作状态,不用亲赴现场收集堆场信息,在提高堆场生产监管效率的同时,节省大量人力成本。智慧堆场平台基于GPS差分定位技术和坐标转换算法实现堆场生产设备定位定向的可视化,结合生产信息的导入,实现施工质量监管各阶段的信息交换和共享,有助于改善传统施工质量监管体系不够健全、效率较低等问题,为施工质量检查人员工作的交接、规范的查询等提供便利。

4.2 有效防范安全风险智慧堆场平台可以有效实现各种传统安防监控系统和突发事件处理业务的高度融合,使管理人员对堆场各方位的事态进行实时掌控,远程了解当前堆场的状态和正在发生的事态,更好地提升堆场自身的综合管理能力,提高对突发事件的协调、处置能力。2017年,洋山深水港在堆场生产的安全监管中共查处违章28起、事故10起,隐患整改486起。在对集装箱堆场安全监管进行智能化升级优化后,洋山深水港2018年查处违章26起、事故3起,隐患整改240起,事故发生率同比下降70%,安全隐患同比下降50.62%,有效排查安全隐患,降低事故发生率。参考文献

  1. 陈武争,陈天词,蔡相芸.基于BIM的港口危险品集装箱堆场危害可视化系统构想[J].港口科技,2018(5):46-49.

  2. 张治华.高精度GPS在港口机械定位中的应用[J].科技传播,2016,8(19):148-149.

  3. 杨杰,张凡.高精度GPS差分定位技术比较研究[J].移动通信,2014(2):54-58


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