港口与港口智能化装备发展及其研究.docx

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港口与港口智能化装备发展及其研究

港口与港口智能化装备的发展及其研究

信息科学技术学院

自动化1班

程思颖2220113942

指导教师于双和

摘要

通过对我国港口与港口智能化装备发展的历史回顾与趋势的分析，提出港口发展现代智能化技术的必要性，并对我国港口智能化现状及存在的问题进行了研究，加深了解我国港口智能化发展的重点和关键技术。

关键词

港口；智能化；发展；智能识别技术；起重机控制系统

Abstract

Thepaperputsforwardthenecessityforporttodevelopthemodernintelligenttechnologybyanalyzingthedevelopmenttrendoftheports．Byresearchingthestatusandtheproblemsintheportsintelligences，itdiscussesthekeytechnologiesinChinaportintelligentdevelopment．

Keywords

PortintelligentizingdevelopmentIntelligentrecognitiontechnologycranecontrolsystem

引言

世界港口的发展大体经历了三代。

第一代港口功能定位为纯粹的“运输中心”，主要提供船舶停靠、海运货物的装卸、转运和仓储等；第二代港口功能定位为“运输中心服务中心”，除了提供货物的装卸仓储等，还增加了工业和商业活动，使港口具有了货物的增值功能；第三代港口功能定位为“国际物流中心”，除了作为海运的必经通道在国际贸易中继续保持有形商品的强大集散功能并进一步提高有形商品的集散效率之外，还具有集有形商品、技术、资本、信息的集散于一体的物流功能。

目前，世界主要港口中第二代港口仍是发展的主流，但随着经济全球化、市场国际化和信息网络化，一些大型港口已经开始向第三代港口转型，正向国际化、规模化、系统化发展形成高度整合的“大物流”港，因此，进一步拓展服务功能的“增值物流”、打造技术密集型的“现代化智能港”是当前港口物流发展的潮流。

主要内容

一、历史回顾

早在新石器时代，先人已在天然河流上广泛使用独木舟和排筏。

从浙江河姆渡出土的木桨，证明在距今2 000多年前，中国东南沿海的渔民已使用桨出海渔猎。

春秋战国时期，水上运输已十分频繁，港口应运而生，当时已有渤海沿岸的碣石港（今秦皇岛港）。

汉代的广州港以及徐闻、合浦港，已与国外有频繁的海上通商活动。

长江沿岸的扬州港，兼有海港与河港的特征，到唐朝已是相当发达的国际贸易港。

广州、泉州、杭州、明州（今宁波）是宋代四大海港。

鸦片战争后，列强用炮舰强行打开中国国门，一系列不平等条约的签订，使沿海海关和港口完全被外国人所控制，内河航行权丧失殆尽。

港口长期受制于外来势力，成为帝国主义侵略掠夺我国资源财富的桥头堡。

新中国成立前，中国港口几乎处于瘫痪状态，全国（除台湾省）仅有万吨级泊位60个，码头岸线总长仅2万多m，年总吞吐量只有500多万吨，多数港口处于原始状态，装卸靠人抬肩扛。

新中国成立后，中国水运和港口开始获得新生，先后经历了五个不同的发展时期。

中国港口建设的第一个发展时期是建国初期的20世纪50～70年代初：

由于帝国主义的海上封锁，加上经济发展以内地为主，交通运输主要依靠铁路，海运事业发展缓慢。

这一阶段港口的发展主要是以技术改造、恢复利用为主。

在这一时期，沿海港口平均每年只增加一个多深水泊位，其中大多系小型泊位改造而成。

中国港口建设的第二个发展时期是20世纪70年代：

随着中国对外关系的发展，对外贸易迅速扩大，外贸海运量猛增，沿海港口货物通过能力不足，船舶压港、压货、压车情况日趋严重，周恩来总理于1973年初发出了“三年改变我国港口面貌”的号召，开始了第一次建港高潮。

从1973年至1982年全国共建成深水泊位51个，新增吞吐能力1.2亿吨。

首次自行设计建设了中国大连5万/10万吨级原油出口专用码头。

这一时期锻炼和造就了中国港口建设队伍，为以后港口发展奠定了较好的基础。

中国港口建设的第三个发展时期是20世纪70年代末～80年代：

中国经济发展进入一个新的历史时期，中国政府在“六五”（1981-1985）计划中将港口列为国民经济建设的战略重点。

港口进入第二次建设高潮。

港口建设步入了高速发展阶段。

“六五”期间共建成54个深水泊位，新增吞吐能力1亿吨。

经过五年建设，中国拥有万吨级泊位的港口由1980年11个增加到1985年的15个，1985年完成吞吐量3.17亿吨。

“七五”期间是沿海港口建设40年发展最快的五年，共建成泊位186个，新增吞吐能力1.5亿吨。

其中深水泊位96个，比建国后30年建成的总和还多，共建成煤炭泊位18个，集装箱码头3个以及矿石、化肥等具有当今世界水平的大型装卸泊位。

拥有深水泊位的港口已发展到20多个。

年吞吐量超过1 000万吨的港口有9个。

中国港口建设的第四个发展时期是20世纪80年代末～90年代：

随着改革开放政策的推行与实施以及国际航运市场的发展变化，中国开始注重泊位深水化、专业化建设。

特别是七届人大四次会议后，通过了中国十年发展纲要和“八五”计划纲要，明确了交通运输是基础产业。

为适应社会主义市场经济发展的进一步深化，出现了第三次建港高潮。

建设重点是处于中国海上主通道的枢纽港及煤炭、集装箱、客货滚装船等三大运输系统的码头。

至1997年底全国沿海港口共拥有中级以上泊位1 446个，其中深水泊位553个，吞吐能力9.58亿吨，是改革开放之初的4倍。

完成吞吐量由1980年的3.17亿吨增长到1997年9.68亿吨。

基本形成了以大连、秦皇岛、天津、青岛、上海、深圳等二十个主枢纽港为骨干，以地区性重要港口为补充，中小港的适当发展的分层次布局框架。

与此同时，与港、航相配套的各种设施、集疏运系统、修造船工业、航务工程、通信导航、船舶检验、救助打捞系统基本齐备，还建设了具有相当规模和水平的水运科研设计机构、水运院校和出版部门，初步形成了一个比较完整的水运营运、管理、建设和科研体系。

中国港口建设的第五个发展时期是20世纪90年代末～21世纪初：

贸易自由化和国际运输一体化的发展，现代信息技术及网络技术也伴随着经济的全球化高速发展，现代物流业已在全球范围内迅速成长为一个充满生机活力并具有无限潜力和发展空间的新兴产业。

现代化的港口将不再是一个简单的货物交换场所，而是国际物流链上的一个重要环节。

特别是进入21世纪以后，经济全球化进程加快，科技革命迅猛发展、产业结构不断优化升级、综合国力竞争日益加剧。

为适应国际形势变化和国民经济快速发展的需要，在激烈的竞争中立于不败之地，全国各大港口都在积极开展港口发展战略研究，开发建设港口信息系统，并投入大量资金进行大型深水化、专业化泊位建设，掀起了又一轮港口建设高潮。

截至2003年底，全国沿海港口共有生产性泊位4 274个，其中万吨级以上泊位约748个，综合通过能力16.7亿吨，共完成货物吞吐量20.64亿吨。

二、发展趋势

进入21世纪后，港口功能与20世纪80年代开始出现的第三代港口功能相比发生了巨大变化，随着经济全球化以及现代供应链管理思想的推行，全球正在进入第四代港口时代。

第四代港口在兼容第三代港口功能的基础上，作为供应链中的一个环节，强调港口之间互动以及港口与相关物流活动之间的互动，满足运输市场对港口差异化服务的需求，提供精细的作业和敏捷的服务，以形成柔性港口，促使与港口相关的供应链各环节之间的无缝连接。

第四代港口作为国际运输的枢纽接口和国际经贸的支撑平台，其参与经济腹域的资源要素配置，综合物流配送的作用正在凸现出来。

具有海陆两大辐射面的港口，不仅已成为链接世界性和区域性生产贸易和消费的中心纽带，而且开始成为主动策划和积极参与上述经济活动的操作基地。

第四代港口主要发展趋势是：

1．在港口与所在城市的关系上，呈现出规划、建设与布局一体化的发展趋势；

2．在港口与经济腹地的关系上，呈现出围绕港口这一物流基础平台而协调化的发展趋势；

3．在港口与港口之间的关系上，呈现出既有合作又有竞争，并且以竞争为主导的发展趋势；

4．在港口的自身建设上，呈现出进一步走向深水化、大型化和专门化的发展趋势；

5．在港口的地理布局上，呈现出主辅相配、纲举目张的网络化发展趋势；

6．在港口的技术结构上，呈现出管理技术信息化、控制技术智能化、位移技术高效化和环保技术绿色化的发展趋势；

7．在港口的功能定位上，呈现出从“多元化”向“基地化”的发展趋势。

第四代港口正趋向于形成高度整合的“大物流”港，规模庞大，系统复杂，因此，采用现代智能化技术是当前港口发展的必然趋势。

三.发展港口智能化的技术装备

（1）智能识别技术

基于智能标签的自动识别技术，研究以高频和超高频智能标签为核心的RFID射频识别技术、设备、标准及应用，促进港口货物信息、装卸作业信息、港区通道安全等智能化。

（2）实时监控与可视化技术通过全程信息跟踪技术、物联网、图像识别、机器视觉、自动控制等现代

高新技术的综合应用，获取现代化港区船舶、货物、设备、库场、人员等的实时信息和状态，实现对港区内船舶、货物、设备、库场、人员等的实时监控。

通过对港口目标两侧海陆纹理的研究，可以发现，海洋除受反光和个别船只的影响外，整体灰度比较均匀，即灰度梯度幅值较小；而陆地灰度由于受城市交通网、建筑物以及植被的影响，灰度不均匀，即灰度梯度幅值较大。

因此，本文采用基于梯度分析的方法[7]进行海陆分割，算法实现过程可描述利用差分近似代替微分可得

由于海洋灰度比较均匀，灰度梯度幅值较小，为了方便比较海洋与陆地的纹理特征变化且不影响海陆分割的结果，在各点灰度拉普拉斯变换幅值上统一加0．5，得到

A[-f（i，j）]=√（△f（i，j））。

+（△f（i，j）^2）。

+0．5

（3）

利用式（3）计算整幅图像的灰度拉普拉斯变换幅值，累加所有满足条件A[-f（i，j）2≤T的像素点（即处于海洋区域的像素点）灰度值，这里丁代表阈值。

关于阈值丁的选取，国内外学者已经进行了大量的研究，并提出了许多自动选取阈值的方法。

。

由此可求得海洋像素的平均值，即

式中：

moceangray为海洋区域平均灰度，0一ceangray为处于海洋区域的像素点的灰度值，N。

同理，可求出其余的，也就是陆地像素的灰度平均值

式中：

mlandgray为陆地区域平均灰度，landgray为处于陆地区域的像素点的灰度值，Ⅳ。

为陆地像素的总数。

将所有处于海洋区域的像素点的灰度值用moceangray代替，所有处于陆地区域的像素点的灰度值用mlandgray代替，便可得到整幅图像的二值海陆分割结果。

由于陆地上某些灰度比较均匀的区域，如平地、坡地等，可能被误判为海洋并被赋以灰度值

moceangray，因此可对这些区域的面积进行二次判定，若其面积小于某一阈值，则该区域被认为是处于陆地的区域，并将其像素点的灰度值赋以mlandgray。

第1节获得了二值海陆图像，为得到港口目标的形状特征，需在此二值图像的基础上，提取其边缘信息[】¨，以得到海洋与陆地的边界，即港口轮

廓。

设f（i，-『一1），f（i，+1），f（i+1，-j，／（一1，）分别为二值图像上某像素点f（i，j）的4个邻域点，若（i，一1）一f（i．+1）=f（一1，j）一f（+

1，j）=mlandgray则说明f（i，-『）位于内陆区域，将其像素灰度值置为mlandgray。

否则，说明f（i，）为图像边界点，保持其像素值不变。

至此，便可提取出单像素港口轮廓线。

通过对提取的港口轮廓分析可知，港口轮廓在与海洋的交界处由直线及其拐点（直线的交点）构成若干锯齿形结构，但由于港口的大小、图像的分辨率等可变参数的影响，锯齿形的尺寸并不能作为识别港口目标的特征，能够作为特征的是与拐点的角度有关的量。

本文采用链码[IZ[I对轮廓线的走向和各个特征量进行标记与处理。

为方便港口基元的识别，本文所采用的编码规则有别于传统的freeman编码，但它符合旋转角度不大于180。

，曲线方向顺时针旋转时编码增大，逆时针旋转时编码减小的原则，其标记方法如图1所示。

仅仅依据原始链码，是无法利用符号的跳变表征轮廓拐点的，于是，对链码进行差分运算口引，以得到具有旋转不变性的差分链码d，即

其中a。

为原始链码。

显然，差分链码d可以检测出拐点处的不同跳变，即正跳变用正数表示，负跳变用负数表示。

例如图2所示的曲线链码为006600，则它的差分链码便是O～2020，因为从0到6是一个逆时针的变化而6No是一个顺时针的变化，因此符合逆时针（负跳变）用负数表示，而顺时针（正跳变）用正数表示的规则。

由图3可知，一方面，实际的港口轮廓在4个拐点处的角度变化量并不一定，因此各拐点的角度不能作为识别港口基元的特征。

另一方面，每个拐点在轮廓对应位置上所表现出的顺（逆）时针变化特性与拐点的角度变化量、港口大小、图像分辨率等因素无关，可以作为识别港口基元的特征。

因此本文选择以下3个量为识别港口轮廓基元的特征

其中，ign（z）一{I，z：

，当存在比例、旋转变化时，f1，f2，f3保持不变，且只与拐点的角度正负有关。

当sign（di）等于1时，说明轮廓在该拐点处按顺时针走向变化，等于一1时，说明是逆时针走向变化。

以凹形的港口基元为例，港口轮廓在拐点i处按逆时针变化，则d

由此得到特征量一0，同理，厂3均为0。

由此得到港口基元的识别方法，即以当前拐点作为第i点，令g（i）=f1^2+f2^2+f3^2，若g（i）=0，则说明由i，i+1，i+2，i+3等4个拐点所构成的一段曲线为港口基元。

由于对港口轮廓采用逐点识别的方法，且所采用的3个特征的计算及判断条件与图像的分辨率和港口目标的尺寸无关，所以本算法可以对任意方向及凹凸的港口基元进行识别。

（3）大型装卸设备的智能化运行技术码头大型装卸设备如岸边集装箱起重机、桥式抓斗卸船机等是港口码头的主要设备，一直是港口自动化运行的难点和重点，也是港口智能化运行的难点和重点。

通过智能识别技术、自动定位技术、设备状态监测技术、机器视觉、自动控制等现代高新技术的综合应用，实现码头大型装卸设备的智能化运行。

图1 系统总框图

（4）自动导引车辆的智能化运行技术自动导引车辆（AGV）是现代化港区自动化运行主要的港区内流动设备，通过现代信息技术和自动化控制技术的应用，实现自动导引车辆的智能化运行。

图2 系统软件流程图

（5）港口工艺流程智能控制技术

运用基于物联网技术的港口作业工艺流程优化、港区交通组织优化、港区设备资源优化配置等，实现港口作业工艺流程的智能化控制。

（6）港口通用设备智能化运行改造技术港口智能化发展过程中，大量的港口常规通用设备需要进行智能化技术改造。

运用现代信息技术和自动化控制技术，实现港口通用设备智能化运行改造技术