摘要：該項目利用物聯網、互聯網技術以及系統優化理論，形成了港口作業機械能耗在線監測技術方法，構建了基于節能降耗角度的作業協調優化模型，實現了港口裝卸運輸設備能耗與運行狀態的實時同步采集、能耗動態分析、能效考核以及生產運行優化，有利于精細化分析港口能源消耗狀況，深入挖掘港口節能潛力，科學制定節能改造計劃。可對企業現有岸橋、場橋、流動機械、輔助用能等設備進行能源在線監測和管理，實現能源消耗準確化考核管理。該技術可應用于全部年能源消耗量5 000 tce以上的港口企業，預計可實現每年節能20萬噸，減少二氧化碳排放約50萬噸。

關鍵詞：交通運輸:低碳環保:港口設備:能耗監測:動態分析

.       技術概況

在國家發改委持續推進用能單位能耗在線監測體系建設的政策背景下，天津港太平洋國際集裝箱碼頭有限公司搭建能耗智能監控平臺。平臺依托物聯網、互聯網信息技術與系統優化理論，創新形成港口作業機械能耗在線監測技術體系，構建以節能降耗為核心的作業協同優化模型。

平臺可實現港口裝卸、運輸類設備能耗數據與運行狀態實時同步采集、能耗動態研判、能效量化考核及生產調度智能優化，既能精細化復盤港口能源消耗全貌、深度挖掘節能降碳潛力，也可為科學制定節能改造方案、準確落地降耗舉措提供數據支撐。

同時，該技術可覆蓋公司現有岸橋、場橋、流動機械及輔助用能設備，實現全品類用能設備在線監測、集中管控，推動企業能源消耗考核管理向標準化、準確化、智能化升級。

該項技術于 2019年被交通運輸部授予“交通運輸重大科技創新成果庫人庫成果證書科技成果推項目"。適用于港口生產裝卸設備各類能源消耗統計監測和優化。

.       技術原理

(1)港口用能設備能耗在線監測技術

基于港口用能設備特點，確定了構建港口作業機械能耗在線監測系統所需的各類參數要求，包括能耗監測采集設備選型要求、監測指標確定、數據采集及傳輸系統設計要求、數據質量控制要求等。規范港口能耗監測系統建設，有利于能耗數據相互之間的比較，有利于企業層面與上級能源管理系統的對接。

(2)能耗大數據分析技術

基于設備用能情況和生產信息構建了港口作業設備能耗在線監測及分析優化系統平臺，實現了港口各類設備運行狀態和能耗情況同步采集、關聯分析，實現了:①港口用能設備能耗、排放數據和運行狀態的動態、圖形化顯示與統計分析;②以能耗監測數據為基礎，采用遺傳算法、退火算法以及遺傳-蚊群算法等優化算法構建主要港作機械能耗模型，進行能耗及排放路徑分析，實現貨物搬運、轉場，大幅提高港口作業效率:③)建立港口碼頭各環節作業效率評價指標體系，利用基于物聯網技術獲取的各項評價指標體系的實時數據，對整個港口碼頭作業狀況進行監控和預警，建立港區三級預警機制，提高生產及能源管理水平。

(3)港口典型作業能源分析及協調優化技術

針對集裝箱碼頭裝卸、水平運輸環節開展能源利用分析，并構建了協調優化模型和能耗模型,主要包括港口碼頭作業環節能耗單元的構建、能耗與輸入決策變量關系模型構建、能耗評價方法等。針對整體作業效率優化的碼頭作業能耗評價，以港口碼頭整體作業效率優化為目標，在協調優化基礎上對能耗進行評價，提出基于效率目標的節能減排可行性建議。針對工藝能效優化的碼頭作業協調方法，以下藝能效優化為目標，以效率和其他設施、環境等條件為約束進行優化，提出工藝能效優化的碼頭作業協調方法，對集裝箱碼頭岸橋、場橋等設備的能源消耗數據進行分析，建立能源消耗的概率密度雨數，分析其統計特征。在此基礎上，建立整數規劃、隨機整數規劃或者兩階段隨機整數規劃模型。模型的目標雨數反映出小巧化系統的整體能耗(確定性條件下)或系統的整體期望能耗(隨機條件下)。利用智能算法框架并根據求解問題進行合理的調整。根據模型的特點，構造出混合啟發式算法的框架，結合禁忌搜索算法、模擬退火方法、遺傳算法、粒子群算法等算法的自身特點，提高算法獲得優解的質量和收斂速度。核心問題是建立合適的鄰域結構，對迭代過程中產生的大量解進行有效評價以及建立針對特定問題的解空間搜索策略等。

(4)港口作業過程能源消耗預警技術

通過對港口作業過程和運行能耗的監測，建立了港口作業效率評價指標體系，利用基于物聯網技術獲取的各項評價指標的實時數據，對港口作業狀況進行監控和預警，對設備操作人員和管理人員發出警報和處理建議。

.       技術創新點

(1)基于項目研究成果，該項目提出了《港口能源消耗在線監測系統建設規范》，對港口能耗在線監測系統建設進行指導。

(2)對傳統燃油計量設備進行改進，經計量監督部門鑒定，誤差小于0.5%。

(3)基于港口機械能耗和運動狀態同步監測，構建了港口作業機械能效優化模型和能耗三級預警機制。

.       技術創新應用情況

目前，該項目成果已在天津港（集團）有限公司規模化推廣應用，企業已建成并接入能耗在線監測系統，應用成效顯著，有效提升了港口整體生產運營效率。以依托示范工程測算，企業全年裝卸生產綜合能耗為 3216 噸標準煤，按節能 5% 測算，年可節約標準煤160.8 噸。同時，依托能耗在線監測能力，可準確鎖定企業重點耗能環節與關鍵用能點位，結合異常能耗智能預警等管控功能，進一步提升港口生產效率與能源綜合利用水平。

項目成果同步在唐山港國際集裝箱碼頭有限公司落地應用，部署港口用能設備在線監測裝置，主要用于港口流動機械燃油準確計量。該設備計量精度高、誤差小，適配港口機械作業工況特點，且運行穩定可靠。

針對港口現場設備布局分散、單點位數據傳輸量小、實時性要求適中的特點，采用無線傳輸方式，無需現場布線，大幅降低施工與運維成本，是港口能效數據采集的優選方案。對于現有成熟生產系統，則通過有線網絡進行數據采集，借助網絡映射端口實現與能效分析平臺的數據互聯互通。

現場采集設備通過無線公網將數據上傳至服務端數據庫，與平臺服務器完成數據交互，支持能耗數據查詢、實時監視、報表下載及統一管控等業務功能。港口能耗監測與分析系統整體網絡拓撲結構詳見圖 1。

圖 1 港口能耗監測與分析系統拓撲結構

系統的軟硬件結構如圖 2 所示。

圖 2 系統軟硬件結構

系統的主要功能模塊有:能耗趨勢界面(按日計算);能耗趨勢界面(按分鐘計算);信息查詢;單臺設備查詢;統計分析;報警管理等。

.       節能降碳效益測算評價

5.1 節能降碳效益

據行業數據表明，能源智能化管理系統可幫助企業實現5%～10% 的能源節約。當前我國港口行業年綜合能耗約 400 萬噸標準煤，按 5% 節能水平測算，推廣港口機械能耗在線監測與動態分析網絡后，每年可節約標準煤20 萬噸，相應減少二氧化碳排放約50 萬噸，同時節省能耗費用約 1 億元，整體節能降碳成效突出。

從示范工程運行成效來看，項目實施前港口生產單耗為 1.153 噸標煤 / 標準箱，實施后降至 1.069 噸標煤 / 標準箱。單位能耗明顯下降，既有效壓降企業能源成本，又顯著削減溫室氣體及污染物排放，為國家碳減排、生態環境保護工作提供有力支撐。

5.2 經濟效益

依托能耗在線監測與優化分析平臺，港口企業可實現能源管理模式現代化升級，持續提升能源利用效率、壓縮用能成本、降低生產運營開支。通過能耗數據與生產數據聯動分析，準確研判用能合理性與有效性，為定向開展節能改造提供數據依據。同時，基于實時監測數據可科學制定可落地的能耗考核指標與節能目標，實現對各部門、各崗位的精細化能耗績效考核管理。

5.3 社會效益

開展港口能耗在線監測與動態智能分析，能夠同步提升港口生產運營效率與能源綜合利用效率，拉高港口能源管理信息化、智能化水平，助力綠色低碳港口建設提質增效。

該項技術的研發與示范應用，可有效增強港口行業節能減排統計監測能力，提升行業能耗數據準確度與信息化管控水平；同時從能源優化角度指導港口生產作業調度，進一步提升裝卸作業效率、降低港口單耗、減少碳排放，為行業綠色低碳轉型及生態港口建設起到良好示范與推廣作用。

6、安科瑞企業能源管控系統概述

安科瑞企業能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

7、應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。

8、系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

9、系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

9.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

9.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。

9.3首頁

首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業級統計數據。

9.4數據監控

對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

·       能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。

·       能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗報警提示等；

·       配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數、門禁水浸狀態及能耗數據。

·       實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

·       數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；

·       檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗等報警提示；

9.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

9.6變壓器監控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

9.7儀表實時監控

展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。

9.8能源中控

將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

9.9用能統計

從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

9.11成本分析

統計各個監測節點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

9.11產品單耗統計

與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

9.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、指定時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

9.13運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

9.14自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

9.15同比、環比

提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環比

9.16分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

9.17能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

9.18線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。

9.19碳排放管理

按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

9.20電能質量監測

實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。

9.21運維管理

系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

9.22報警管理

針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。

9.23能耗抄表

可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

9.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

9.25容需量報表

提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

9.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

9.27文檔管理

對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。

9.28 3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。

9.29 3D子系統

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

9.30工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

9.31自定義駕駛艙

可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

9.32基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

9.33手機APP

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

9.34知識產權證書

10、系統硬件配置

參考文獻

[1]交通運輸部天津水運工程科學研究所.港口能耗在線監測及動態分析優化技術研究[J].交通節能與環保，2022(S01):14-16.

[2]安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2022.05版.

[3]安科瑞企業能源管控平臺.2023.06版.