智能港机终端及智慧港口系统的制作方法

1.本发明涉及智慧码头设备通讯技术领域，特别涉及一种智能港机终端及智慧港口系统。


背景技术：

2.港口作为交通运输的枢纽，在促进国际贸易和地区发展中起着举足轻重的作用，全球贸易中约90％的贸易由海运业承载，作业效率对于港口至关重要。在“工业4.0”、“互联网+”大发展的时代背景下，港口也在进行数字化、全自动的转型升级。
[0003]“智慧港口”对通信连接有低时延、大带宽、高可靠性的严苛要求，自动化码头的大型特种作业设备的通讯系统要满足控制信息、多路视频信息等高效、可靠传输，尤其在远程控制、无人驾驶等方面对港机设备精准定位要求极为苛刻。目前港口自动化采用的光纤与wi－fi等通讯方式存在建设和运维成本高、稳定性与可靠性差等问题，传统定位技术信号漂移大，精度差，无法做到厘米级。
[0004]
因此，亟需一种智能港机终端及智慧港口系统来解决上述问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明解决的技术问题在于，提供了一种智能港机终端及智慧港口系统，通过视觉rtk+imu+gnss等技术主动采集并上报实时位置，定位精度高、节省了成本；采用卫星网络与地面5g网络融合通信方案，极大地扩展使用范围。
[0006]
本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的：
[0007]
一种智能港机终端，包括：定位模块、通信模块、中央控制模块、姿态采样模块、存储模块和电源管理模块；所述定位模块包括视觉rtk单元、imu惯性导航测量单元、gnss卫星定位导航单元和摄像头单元；所述视觉rtk单元、imu惯性导航测量单元和摄像头单元，用于获取第一定位信息；所述gnss卫星定位导航单元，用于获取第二定位信息；所述通信模块包括地面通信单元、卫星通信单元和wifi通信单元；所述地面通信单元，用于连接地面网络，使设备可通过地面网络收发数据；所述卫星通信单元，用于连接卫星网络，使设备可通过卫星网络收发数据；所述wifi通信单元，用于连接用户终端，以实现与所述用户终端的数据交互；所述姿态采样模块，用于实时采集所述设备当前姿态信息，并发送至所述中央控制模块；所述中央控制模块，用于接收所述定位模块发送的所述第一定位信息和所述第二定位信息，并对所述第一定位信息和所述第二定位信息进行分析和融合，得到所述设备的最佳位置信息；和/或，用于根据碰撞和行驶状态检测算法对所述姿态采样模块发送的所述姿态信息进行分析计算，并判断港机设备是否处于安全行驶状态；所述存储模块，用于存储各模块采集的数据信息；所述电源管理模块，用于获取所述港机设备的能源状态信息，并为所述设备的各模块进行供电。
[0008]
在本发明的较佳实施例中，上述智能港机终端还包括：防拆解单元；所述防拆解单元，用于实时对所述智能港机终端在所述港机设备上的安装触点进行检测，并向所述中央
控制模块发送检测结果。
[0009]
一种智慧港口系统，包括上述智能港机终端以及通信卫星、卫星地面站、地面通信基站和服务器；所述智能港机终端固定安装在港机设备上，并与所述港机设备的电源相连；所述智能港机终端实时获取所述港机设备的最佳位置信息，并将所述最佳位置信息发送至所述服务器，或在检测到所述港机设备不处于安全行驶状态时，发送报警信息至所述服务器；所述服务器，根据所述智能港机终端发送的所述最佳位置信息和/或所述报警信息，获取所述港机设备的精准位置并协助跟踪和远程操作。
[0010]
在本发明的较佳实施例中，上述智慧港口系统还包括：显示控制设备；所述显示控制设备，用于显示所述智能港机终端发送至所述服务器的最佳位置信息和/或所述报警信息，并接收针对所述港机设备的远程操作指令。
[0011]
在本发明的较佳实施例中，上述服务器中设置有身份识别模块；在所述服务器与所述智能港机终端连接时，所述服务器发送设备标识码查询指令至所述智能港机终端；所述智能港机终端根据所述设备标识码查询指令，查询自身内置标识码，并将所述内置标识码发送至所述服务器；所述服务器根据所述内置标识码，确认所述智能港机终端的身份信息。
[0012]
在本发明的较佳实施例中，上述智能港机终端根据实时场景判断是否需要与所述卫星地面站进行交互；若是，则通过所述卫星地面站获取的第二定位信息；根据自身采集的所述第一定位信息和所述第二定位信息，获取最佳位置信息，并进入等待发送位置信息状态；若否，则进入等待发送位置信息状态。
[0013]
在本发明的较佳实施例中，上述智能港机终端检测是否与地面网络进行连接；若未连接，则通过所述卫星通信单元与所述服务器进行通信；若连接，则通过所述地面通信单元与所述服务器进行通信。
[0014]
在本发明的较佳实施例中，上述在所述智能港机终端检测到自身被损毁拆解时，发送警告信息至所述服务器，所述警告信息包括所述智能港机终端的实时位置信息和对应港机设备信息。
[0015]
在本发明的较佳实施例中，上述智能港机终端在与用户终端相连时，获取用户未读信息；在所述用户未读信息的目标用户与所述用户终端的当前用户为同一用户时，将所述用户未读信息发送至所述用户终端；所述智能港机终端在与用户终端断开连接时，进入休眠状态。
[0016]
在本发明的较佳实施例中，上述智能港机终端包括定时器；在所述港机设备超过预设时长未进行移动时，所述智能港机终端进入休眠状态。
[0017]
本发明采用上述技术方案达到的技术效果是：智能港机终端主动通过视觉rtk+imu+gnss等技术采集终端定位信息后，将定位信息发送给服务器，使得定位精度达到厘米级，比较传统的定位精度大幅度提高，同时做到信号浮点不漂移和不偏移，不需要安装地面读磁钉设备等wifi传输设备的问题，节省了投入成本、降低了建设难度；采用卫星网络与地面5g网络融合通信方案，相比于当前的wifi方案，极大地扩展使用范围；采用防拆解技术保证设备不会被恶意拆解损毁；而且智能港机终端具有港机设备安全监测功能，当遇到碰撞和港口误操作时，立即上报当前位置和状态，可以帮助进行后续事故处理。
[0018]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，
而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明。
附图说明
[0019]
图1为本发明实施例示出的一种智能港机终端的结构示意图；
[0020]
图2为本发明实施例示出的一种智能港机终端的详细结构示意图；
[0021]
图3为本发明实施例示出的一种智慧港口系统的结构框图；
[0022]
图4为本发明实施例示出的一种智能港机终端软件基本工作流程。
具体实施方式
[0023]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的实施例保护的范围。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，而且所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
[0024]
请参考图1至图2，图1为本发明实施例示出的一种智能港机终端的结构示意图，图2为本发明实施例示出的一种智能港机终端的详细结构示意图。
[0025]
如图1和图2所示，本发明一实施例的智能港机终端，包括：定位模块、通信模块、中央控制模块、姿态采样模块、存储模块和电源管理模块。
[0026]
可选地，定位模块包括：视觉rtk单元、imu惯性导航测量单元、gnss卫星定位导航单元和摄像头单元。
[0027]
其中，视觉rtk单元、imu惯性导航测量单元和摄像头单元，用于获取第一定位信息；所述gnss卫星定位导航单元，用于获取第二定位信息。
[0028]
根据使用场景的特点采用视觉rtk单元、imu惯性导航测量单元、gnss卫星定位导航单元、摄像头单元和姿态采样模块以及先进算法的方式获取终端的精准定位。
[0029]
具体地，定位模块用于实现港机设备位置的精确定位，工作步骤如下：1、支撑双频段卫星接收单元，通过卫星天线接收gps和北斗等的广播信息；2、通过射频单元进行解码获取卫星广播的时钟信息；3、通过基带单元将不同卫星的时钟信息进行一系列运算得到位置信息；4、通过与视觉rtk与周边的卫星地面站(即cors基准站)对接，获取最佳位置信息数据；5、通过与imu惯导设备并和视觉rtk协同，在获得最佳位置信息数据基础上，能够克服港口复杂的建筑环境和港口设施对卫星信号干扰。其中，智能港机终端通过内置的地面通信单元(如，5g、4g和3g网络单元)实现与cors基站通信，获取cors计算后的位置信息。
[0030]
具体地，通过摄像头和视觉rtk等单元获取视觉感应相机图像。视觉感应相机图像用于提取跨多个图像跟踪的重要点(视觉特征)。视觉特征的后续观察计算观察者如何在图像捕获之间移动。每当视觉特征移出视野时，就会选择新的候选对象并将其添加到跟踪的特征中。所有观察结果都可以合并到整体优化问题中，以便相对运动增强整体姿态估计。而且视觉传感尤其重要，因为它不依赖于任何地图或卫星通信，因此是增强定位和在具有挑
战性的情况下引导机器人或者港机设备无人驾驶的完美技术。
[0031]
可选地，智能港机终端在实时采集港机设备行驶方向、速度等信息后，立即将获取的终端定位信息上传至服务器，实现港机设备速度、方向等信息监控。
[0032]
可选地，通信模块包括地面通信单元、卫星通信单元和wifi通信单元。
[0033]
地面通信单元，用于连接地面网络，使设备可通过地面网络收发数据；所述卫星通信单元，用于连接卫星网络，使设备可通过卫星网络收发数据；所述wifi通信单元，用于连接用户终端，以实现与所述用户终端的数据交互。
[0034]
其中，卫星通信单元与卫星通信网络连接，必要时通过卫星来传输精准位置信息。
[0035]
其中，wifi通信单元负责连接用户手机及手持pda，设备通过wifi通信单元实现与用户手机和手持pda的数据交互。
[0036]
基于5g网络高性能的港机终端设备，采用国产芯片，利用业界领先的5g技术，可以将5g信号转换成wlan信号和网线接入，为港口工业用户提供无线宽带接入服务。同时为港口行业客户提供高防护、高可靠性能力，为工业设备、港机车辆提供无线宽带服务，用户可以使用手机进行连接。
[0037]
具体地，用户可用手机连接港口港机设备，并通过相应app收发卫星短信和报警。
[0038]
具体地，针对港口复杂环境以及港区地面网络信号较差的问题，通过使用卫星网络与地面5g网络融合的方案，能够增加数据传输的可靠性。
[0039]
可选地，姿态采样模块，用于实时采集所述设备当前姿态信息，并发送至所述中央控制模块。
[0040]
具体地，姿态采样模块采集设备姿态数据并传入中央控制单元，为其提供港机车辆设备安全判断依据。
[0041]
示例性地，智能港机终端具有碰撞监测及轨迹偏离监测，当智能港机终端判断港机设备发生碰撞或者行驶中遇到危险时，会主动发送报警信息至服务器，为后续事故处理等行动提供数据支撑。
[0042]
可选地，中央控制模块，用于接收所述定位模块发送的所述第一定位信息和所述第二定位信息，并对所述第一定位信息和所述第二定位信息进行分析和融合，得到所述设备的最佳位置信息；和/或，用于根据碰撞和行驶状态检测算法对所述姿态采样模块发送的所述姿态信息进行分析计算，并判断港机设备是否处于安全行驶状态。
[0043]
具体地，中央控制模块为智能港机终端的核心控制器，负责整体流程控制、其他子模块管理、人机交互等工作。具体功能如下：1、调动视觉rtk单元、imu惯性导航测量单元实时采集位置坐标(该位置精度为厘米级)，在不需要定位时控制其休眠；2、通过gnss卫星定位导航单元，获取gnss定位导航数据信息，并调动卫星通信/地面5g通信单元收发数据，在不需要通信时控制其休眠；3、通过电源管理模块获得港机设备的能源状态；4、通过姿态采样模块监测设备姿态，判断港机设备是否处于安全行驶状态。
[0044]
可选地，存储模块，用于存储各模块采集的数据信息。
[0045]
可选地，电源管理模块，用于获取所述港机设备的能源状态信息，并为所述设备的各模块进行供电。
[0046]
可选地，智能港机终端还包括：防拆解单元。
[0047]
若智能港机设备遭遇暴力拆解损毁，会立即发送当前港机状态及拆解警报至服务
器，为港口管理人员后续行动提供数据支撑。
[0048]
具体地，智能港机终端在港机设备上完成物理固定后，即可通过上电联网激活，之后不允许用户自行移机再安装、拆卸机器等操作。防拆解单元通过专用的信号检测手段，对港机设备结构件上安装触点进行检测，一旦发生信号断连，即认为发生了异常拆机事件，智能港机终端将对此事件进行记录，并立即将信息上报给服务器。
[0049]
可选地，本实施方式的智能港机终端主要应用场景为：远程操作和控制中心相关操作港机设备部门的港机监管和操作；港机发生碰撞和轨道偏移遇险报警；港口工作人员用户收发卫星短信与紧急应急通讯；港机运动或者行驶位置和轨迹精准位置信息；适用于散装货物码头的堆取料机、堆料机、取料机以及论坛吊、轨道吊的远程控制和操作。
[0050]
本实施方式的智能港机终端，通过采用卫星通讯、地面通讯、wifi通信、视觉rtk单元、imu惯性导航测量单元、卫星定位等技术，实现对港口港机设备全天候、无死角的实时位置监控，并支持无人驾驶、远程控制、实时视频回传等功能。为港口运营部门提供港机运行的实时位置数据，帮助其进行管理和远程操作，以及为下一步实现无人驾驶提供技术储备，大大降低了其远程操作和控制的难度。
[0051]
请参考图3，图3为本发明实施例示出的一种智慧港口系统的结构框图。
[0052]
如图3所示，本发明一实施例示出的一种智慧港口系统，包括：智能港机终端以及通信卫星、卫星地面站、地面通信基站和服务器。
[0053]
可选地，所述智能港机终端固定安装在港机设备上，并与所述港机设备的电源相连。
[0054]
具体地，智能港机终端的具体结果和功能等如上述实施方式，请参阅上述实施方式内容，故在此不进行过多叙述。
[0055]
可选地，所述智能港机终端实时获取所述港机设备的最佳位置信息，并将所述最佳位置信息发送至所述服务器，或在检测到所述港机设备不处于安全行驶状态时，发送报警信息至所述服务器。
[0056]
可选地，所述服务器，根据所述智能港机终端发送的所述最佳位置信息和/或所述报警信息，获取所述港机设备的精准位置并协助跟踪和远程操作。
[0057]
可选地，智慧港口系统还包括：显示控制设备；显示控制设备，用于显示所述智能港机终端发送至所述服务器的最佳位置信息和/或所述报警信息，并接收针对所述港机设备的远程操作指令。
[0058]
具体地，智慧港口系统中智能港机终端获取港机设备的位置信息并发送给服务器的流程描述如下，流程图请见图4：
[0059]
步骤一：智能港机终端进行软硬件初始化；
[0060]
步骤二：设置定时器时间；
[0061]
步骤三：进入休眠状态；
[0062]
步骤四：定时器唤醒智能港机终端；
[0063]
步骤五：启动视觉rtk+imu；
[0064]
步骤六：采集位置坐标、港机设备行驶方向、速度信息；
[0065]
步骤七：判断是否需要连接地面cors站信息；
[0066]
步骤八：获取精准位置信息，准备发送给服务器；
[0067]
步骤九：发送ping包判断设备是否连接地面5g网络发送给服务器；
[0068]
步骤十：如果判断未连接返回步骤九，连续三次判断未连接则跳至步骤十二，判断已连接则跳至步骤十一；
[0069]
步骤十一：使用地面5g网络发送位置坐标、港机设备行驶方向、速度信息至监控平台，并返回步骤二；
[0070]
步骤十二：使用卫星网络发送位置坐标、港机设备行驶方向、速度信息至监控平台，并返回步骤二。
[0071]
具体地，上述工作流程采用主动式上报的工作模式，通过智能港机终端采集港机设备位置并主动上传至服务器，解决当前定位方案方案中需要地面读磁钉设备的问题，省去了系统基础设施建设的投入成本和建设难度；采用视觉rtk+imu+gnss等技术定位方案，使得定位精度达到厘米级，比较传统的定位精度大幅提高，同时做到信号浮点不漂移和不偏移，能够为远程控制驾驶以及无人驾驶提供精准的位置信息；而且相比于当前的wifi通信方案，本实施方式采用卫星网络与地面网络融合通信方案，极大地扩展使用范围，可以在全国、乃至全球范围内无缝跟踪，港口设备的作业和行驶状态和行动轨迹。
[0072]
可选地，智慧港口系统具有身份识别和编号功能，其身份识别工作流程描述如下：
[0073]
服务器/远程控制中心通过5g连接并访问智能港机终端设备；若设备处于休眠状态，5g网络连接成功后唤醒设备；服务器/远程控制中心发送智能港机终端标识码查询指令至设备；设备查询固件中内置标识码并返回至服务器/远程控制中心；设备进入休眠状态。
[0074]
示例性地，服务器通过5g网络与智能港机终端连接后，向其发送标识码查询指令，以获取智能港机终端中的标识码。然后将其标识码与数据库中存储的标识码即对应设备身份和编号等来确认智能港机终端的身份。最后自能终端在超过预设时长未收到服务器再次发送的指令后，自动进入休眠状态，以节约电量。
[0075]
可选地，智慧港口系统还具有卫星短信网关工作流程。
[0076]
基于5g网络高性能的港机终端，采用国产芯片，利用业界领先的5g技术，将5g信号转换成wlan信号和网线接入，为港口工业用户提供无线宽带接入服务。同时为港口行业客户提供高防护、高可靠性能力，为工业设备、港机车辆提供无线宽带服务，用户可以手机进行连接，同时把港机终端的相关数据信息包括精准位置信息反馈给服务器/远程控制中心。
[0077]
该功能可以使用户通过手机连接智能港机终端，通过相应app收发卫星短信和报警。
[0078]
下面以电子船舶牌照设备进行说明，卫星短信网关工作流程描述如下：
[0079]
用户手机通过蓝牙连接设备；若设备处于休眠状态，蓝牙连接成功后唤醒设备；手机通过电子船牌app将用户名发给设备；设备检查是否有用户历史未读消息存储在设备中，若有，则发送至用户手机；设备进入等待短信收发状态；用户通过电子船牌app指定收件人电话号码发送卫星短信；设备接到用户短信发送请求后，通过卫星网络将用户短信发出；设备检查是否收到卫星短信，若收到，判断目的用户是否为当前连接用户。若是，则将短信发往用户手机，若不是，则将短信存入本地；若设备与用户手机保持连接，跳回设备进入等待短信收发状态的步骤，否则设备进入休眠状态。
[0080]
可选地，智慧港口系统中的智能港机终端能够自动识别确认何时启动视觉+rtk+imu的特性功能，该功能通过软件基本工作流程可满足，流程描述如下：
[0081]
设备进行软硬件初始化；设置定时器时间；进入休眠状态；定时器唤醒设备；采集位置坐标、港机设备行驶方向、速度信息；是否启动视觉+rtk+imu；若是，则启动视觉+rtk+imu采集信息后，再进入等待发送位置信息的状态，若否，则直接进入等待发送位置信息的状态；发送完成返回设备进行软硬件初始化的步骤。
[0082]
可选地，智慧港口系统中的智能港机终端能够对港机设备的安全进行监控。
[0083]
智慧港口系统能够对港机设备如轮胎吊、轨道吊、岸桥吊、堆取料机等行驶方向、速度信息监控。例如，智能港机终端实时采集港口设备行驶方向、速度等信息，并上传至服务器，以实现港机设备速度、方向等信息监控。
[0084]
港机设备行驶安全监控工作流程描述如下：
[0085]
姿态采集单元不断采集设备当前姿态数据并传入中央控制单元；中央控制单元根据碰撞和行驶状态检测算法对姿态数据进行计算；若检测结果判定当前港机、轮胎吊、轨道吊等处于危险行驶状态，立即唤醒设备或者把相关信息传递到远程监控中心；设备同时通过卫星网络及地面5g网络发送当前港口港机设备相关信息和行驶危险警告至监控平台；发送完成返回姿态采集单元不断采集设备当前姿态数据并传入中央控制单元的步骤。
[0086]
具体地，当智能港机终端判断港机设备发生碰撞或者行驶中遇到危险时，会主动发送报警信息至服务器，为后续事故处理等行动提供有效数据支撑。
[0087]
可选地，智慧港口系统具有智能港机终端防暴力拆解损毁功能。
[0088]
具体工作流程描述如下：中央控制模块通过防拆解单元不断监测，若判断港机设备上的智能港机终端已被拆解立即唤醒智能港机终端；智能港机终端不断同时通过卫星网络及地面5g网络发送当前智能港机终端的相关信息和拆解警报至服务器/监控平台，直到智能港机终端断电或者被损毁为止。
[0089]
本实施方式提供的智慧港口系统，通过上述方式解决了以下问题：1、适用场景存在限制，在复杂的港口环境下作业，造成很多问题，反而不及人工来解决；2、港口环境复杂比如散杂货码头货物凌乱、设施复杂、港机如取料机、堆料机等设备高大对无线通信信号干扰大，对卫星信号造成折射和衍射，产生信号漂移，定位不准，不能很好的进行远程控制和操作；3、在复杂狭小的环境下，对5g网络信号较差，造成了极大的挑战，包括带宽、时延以及定位；4、港口设备以及型号及样式过多，无统一标准，无通用供电系统，设备安装难度较大；5、面向大海，对设备的防盐度、防潮、要求高，另外防拆卸如被人为拆除或者恶意损毁，并无法监控；6、目前的设备功能单一，只能用于车辆身份识别、视频回传或者定位信息。
[0090]
应该理解的是，虽然附图中的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0091]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd－rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计
算机设备(可以是个人计算机，服务器，或网络设备等)执行本发明实施例各个实施场景所述的方法。
[0092]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，上述实施例及附图是示例性的，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明实施例所必须的，不能理解为对本发明的限制，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型和组合，这些简单变型和组合均属于本发明的保护范围。