智慧港口車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應用

鐘曉暉 唐道貴 虞富剛 陸 瑋 張夕寅

1 寧波北侖第三集裝箱碼頭有限公司 浙江 315813 2 寧波舟山港集團有限公司 浙江 315813 3 武漢理工大學交通與物流工程學院 湖北 430063

0 引言

集裝箱港口碼頭基礎(chǔ)建設(shè)完善，道路規(guī)范，適合推動車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，使港口流動機械在傳感器融合、遠程控制等多方面的數(shù)據(jù)信息傳輸要求得以實現(xiàn)[1]，能更好地推進智慧港口建設(shè)的進程，滿足港口發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迫切需求。港口流動機械通常具有復雜的硬件配置（包括傳感器、通信設(shè)備、定位裝置等），這些設(shè)備之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換需要有效的技術(shù)支持。港口流動機械的數(shù)據(jù)往往存在孤島現(xiàn)象，即數(shù)據(jù)分散存儲在各個設(shè)備或系統(tǒng)中，缺乏有效的整合，傳統(tǒng)的手工式管理容易出現(xiàn)人為失誤和延遲，無法滿足對港口流動機械的及時監(jiān)控和管理需求。

車聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)為智慧港口的發(fā)展帶來了新的機遇[2]。車聯(lián)網(wǎng)是指將車輛、道路、云平臺和其他交通基礎(chǔ)設(shè)施通過信息通信技術(shù)相互連接，構(gòu)建起一個智能化、高效率的交通系統(tǒng)的概念[3]。車聯(lián)網(wǎng)通過將車輛與車輛之間、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間、車輛與云平臺之間進行實時的雙向信息傳輸和交互，實現(xiàn)了車輛之間的協(xié)同與通信，提供了各種智能化的交通服務(wù)和應用[4]。姜竹勝等[5]著重介紹了車聯(lián)網(wǎng)在智能交通中的應用事例，并進行了具體分析；林坤鈺[6]基于車聯(lián)網(wǎng)的云端港口系統(tǒng)后臺對無人駕駛車隊進行了有效調(diào)度；郭曉晗等[7]提出了一種車聯(lián)網(wǎng)條件下的集裝箱卡車碰撞風險辨識方法，減小了目標機動過程中的觀測誤差；Yang Y S 等[8]提出了一種智能港口解決方案，并對其主要功能進行了詳細設(shè)計。上述研究主要涉及傳統(tǒng)道路交通領(lǐng)域，對于港口這一應用場景而言存在一定差異，且大多數(shù)研究側(cè)重于常規(guī)車輛路徑規(guī)劃和危險辨識等理論層面的探討。

作為流動機械信息化的核心內(nèi)容之一，車聯(lián)網(wǎng)將使流動機械具備與外界的交互能力，從而使港口交通體系的全局優(yōu)化和流動機械運行的最佳狀態(tài)成為可能?；谠圃軜?gòu)，本文提出了一種基于SaaS（Software as a Service）的云原生車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了多節(jié)點協(xié)同工作、高并發(fā)處理和資源彈性調(diào)配等功能。為了滿足高并發(fā)計算要求以及海量數(shù)據(jù)處理需求，開發(fā)出了各類基于B/S 架構(gòu)的云平臺。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對現(xiàn)場港口流動機械CAN 總線通信上報數(shù)據(jù)的精準管理，狀態(tài)顯示、實時定位和數(shù)據(jù)分析。通過將CAN 信號從車輛端經(jīng)清洗和解碼傳送到數(shù)據(jù)模塊，通過云網(wǎng)關(guān)無線通信方式，對車輛實時數(shù)據(jù)進行信息聚合并上報車聯(lián)網(wǎng)平臺。在此基礎(chǔ)上搭建的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)底座能力。應用結(jié)果表明，本系統(tǒng)對碼頭傳統(tǒng)港口流動機械精細化數(shù)據(jù)管理具有一定的實用價值。

1 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述及其架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在道路交通領(lǐng)域的具體實踐應用，極大減輕了駕駛?cè)藛T的工作量。車聯(lián)網(wǎng)借助以5G、人工智能等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)車與車、人、路、控制平臺之間的網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)在車聯(lián)網(wǎng)控制平臺上對所有車輛的靜、動態(tài)信息進行提取和利用，為駕駛?cè)颂峁┌踩?、高效的交通服?wù)，將人從繁重的駕駛工作中解放出來。

基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)統(tǒng)一性，車聯(lián)網(wǎng)也包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應用層。1）感知層：車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)來源，包括人、汽車、道路、環(huán)境等；2）網(wǎng)絡(luò)層：車聯(lián)網(wǎng)的通信基礎(chǔ)設(shè)施，參與上下層的協(xié)同工作；3）應用層：車聯(lián)網(wǎng)的中間件以及應用系統(tǒng)，包括云計算中心、車輛監(jiān)控系統(tǒng)、道路管理系統(tǒng)、交通信息系統(tǒng)等。車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 流動機械概述

港口流動機械是指在港口進行貨物裝卸、運輸和堆放等作業(yè)過程中使用的各種移動式機械設(shè)備。常見的港口流動機械包括起重機、堆高機、裝卸機械等。堆高機主要用于貨物的堆放和搬運，具有較高的起升高度和載重能力，適用于集裝箱、散裝貨物等的堆放和搬運。

1.3 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺的總體設(shè)計

1.3.1 港區(qū)概況

寧波某港區(qū)現(xiàn)共有流動機械近500 臺，空箱堆高機設(shè)備42 臺，港區(qū)堆場面積大，流動機械設(shè)備類型和批次繁多，包括起重機、堆高機、裝卸車等。統(tǒng)一管理和監(jiān)控這些設(shè)備較困難，需要針對不同設(shè)備制定相應的管理策略和監(jiān)控方案。

1.3.2 系統(tǒng)需求

智慧港口車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與分析、路徑優(yōu)化和維護管理等功能，提升港口流動機械的運輸效率和管理水平。結(jié)合港口的實際生產(chǎn)和智慧港口建設(shè)的需要，要求平臺應具有以下主要功能：

1）車輛定位和實時監(jiān)控 通過車載定位設(shè)備和通信技術(shù)，實現(xiàn)對港口車輛的實時位置跟蹤和監(jiān)控，可以準確獲取車輛的行駛軌跡、速度、狀態(tài)等信息，實時監(jiān)控車輛的運行情況。

2）報警與異常處理 監(jiān)控系統(tǒng)能實時監(jiān)測車輛的各項指標，并根據(jù)設(shè)定的規(guī)則和閾值進行報警和異常處理。

3）數(shù)據(jù)采集、分析及管理 監(jiān)控系統(tǒng)可以采集車輛的運行數(shù)據(jù)，包括行駛里程、油耗等信息。通過分析，可以獲取港口車輛的使用情況、運輸效率以及能源消耗等關(guān)鍵指標。存儲、備份整個系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)安全和隱私保護的能力，確保港口車輛的運行數(shù)據(jù)安全。

4）車輛管理和維護 監(jiān)控系統(tǒng)可以對港口車輛進行綜合管理，包括車輛檔案管理、行駛證等。同時，系統(tǒng)可以提供對車輛維護和保養(yǎng)的提醒和管理，確保車輛的正常運行和安全性。

5）數(shù)據(jù)可視化和報表生成 監(jiān)控系統(tǒng)可將采集到的車輛數(shù)據(jù)進行可視化展示，通過圖表等形式直觀呈現(xiàn)車輛的運行情況和相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。同時，系統(tǒng)可以生成各種報表和分析結(jié)果，幫助管理人員進行決策和評估。

結(jié)合功能需求，主要從響應速度、網(wǎng)絡(luò)負載能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性、可擴展性和可操作性進行系統(tǒng)性能評估。

1.3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

基于車聯(lián)網(wǎng)的流動機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)是可視化和網(wǎng)絡(luò)化的智能車聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)控系統(tǒng)，流動機械車輛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的框架如圖2 所示。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由CAN 網(wǎng)關(guān)、云網(wǎng)關(guān)、流動機械遠程監(jiān)控平臺（以下簡稱車聯(lián)網(wǎng)平臺）等組成。車輛數(shù)據(jù)通過運營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）無線通訊方式將運行狀態(tài)、運行軌跡及設(shè)備故障報警信息實時傳送至平臺，平臺及時呈現(xiàn)實時狀態(tài)，還將部分車輛上沒有的數(shù)據(jù)（如平均油耗，行駛里程，怠速工作時間等）經(jīng)云計算自動建模分析后輸出大屏統(tǒng)計指標數(shù)據(jù)。用戶通過連接到車聯(lián)網(wǎng)平臺，從而實現(xiàn)車輛運行數(shù)據(jù)等信息的獲取。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.3.4 系統(tǒng)安全

車聯(lián)網(wǎng)平臺基于4 層安全設(shè)計和離線安全分析保障設(shè)備的安全性，即安全防御層、通道安全層、身份安全、數(shù)據(jù)安全和離線數(shù)據(jù)分析。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)環(huán)境

與傳統(tǒng)上位機C/S 架構(gòu)相比，B/S 架構(gòu)可以更好地支持數(shù)據(jù)訪問。通過使用B/S 架構(gòu)將數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器上，更好地支持數(shù)據(jù)訪問。由于存儲在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)通常經(jīng)常更新，可以使用B/S 架構(gòu)來實現(xiàn)對車輛實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

2.2 基于大數(shù)據(jù)的運行數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)指的是數(shù)據(jù)中包含了需要被分析的信息，基于云平臺彈性算力，本文將從車輛獲取到原始的數(shù)據(jù)源，經(jīng)清洗、比對、分析、數(shù)據(jù)建模后，充分挖掘聯(lián)網(wǎng)車輛數(shù)據(jù)的價值。通過分析運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)評估車輛的運行效率、健康狀況和能源消耗情況。目前，畫面已呈現(xiàn)指標包括：

1）當日實時燃油油耗 提示當日實時刷新的各機燃油消耗；

2）累計油耗占比 以餅圖顯示各機的按日累計油耗的占比及累計消耗；

3）當日機車實時移動距離（精確到米） 由北斗定位系統(tǒng)經(jīng)平臺實時軌跡計算得出；

4）當?shù)貙崟r天氣（數(shù)據(jù)直連寧波氣象臺） 通過平臺API 接口實時調(diào)用氣象臺數(shù)據(jù)；

5）當年累計工作小時及低速工作小時雙棒圖 由平臺建模計算；

6）發(fā)動機運轉(zhuǎn)小時 發(fā)動機運行累計計時，可間斷，由平臺按秒計算換算成小時，精確到1 位小數(shù)；

7）停車及怠速小時 轉(zhuǎn)速小于等于800 r/min 的時長，可間斷，由平臺按秒計算換算成小時。

8）平均油耗 根據(jù)平臺自動按日獲取單機油耗累加值/單機按日累計的發(fā)動機運轉(zhuǎn)小時，得出該值，時間越長計算越準；

9）CO2累計排放 由累計燃油消耗換算的CO2排放量，單位為噸；

10）車輛在線數(shù)量指示 區(qū)分DCT/DCU 機型，分別顯示在線與離線設(shè)備數(shù)量。

2.3 軌跡分析

通過軌跡回放查看車輛運行軌跡，包括精確軌跡點（設(shè)備移動的具體時間點）和平滑軌跡線（僅播放設(shè)備的移動軌跡）。時間顆粒度最小為秒，可以按播放鍵進行軌跡回放。

2.4 車輛實時數(shù)據(jù)及故障解析

車輛實時數(shù)據(jù)分析是指通過對車輛在港口內(nèi)的實時數(shù)據(jù)進行采集、處理和分析，以獲取有關(guān)車輛狀態(tài)和性能的實時信息，為車輛的實時監(jiān)測和預警、運行優(yōu)化和調(diào)度、故障診斷和維修管理、實時監(jiān)控等方面的支持。

車輛故障解析包括收集故障信息、故障診斷與分析、維修保養(yǎng)、故障預防等步驟，旨在確定故障原因并采取相應的解決措施，以恢復車輛的正常運行。需要注意的是，港口流動機械不同于家用車，車輛顯示屏僅可顯示數(shù)字式的故障代碼，對于一些復雜或嚴重的故障，需要專業(yè)的技術(shù)支持和維修人員進行解決。

為了便于客戶充分利用云生態(tài)進行個性化的車輛維護管理，系統(tǒng)還預留了釘釘報警自動實時推送和統(tǒng)計功能模塊。

2.5 系統(tǒng)特點

2.5.1 系統(tǒng)性能

1）高可靠，高安全 支持雙副本容災，故障時可秒級切換，SLA 達99.99%，通過了等保2.0 三級認證；

2）低成本 相比自建車聯(lián)網(wǎng)MQTT 集群，提供更豐富的管理運維能力；

3）多形態(tài)部署，靈活擴展 基于云原生架構(gòu)設(shè)計，支持多云部署；

4）多種策略保障鏈路安全 平臺提供多種安全保障策略，保障數(shù)據(jù)的絕對安全。

3 系統(tǒng)應用分析

港口流動機械的車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析（以堆高機為例）是通過對堆高機的運行數(shù)據(jù)進行采集、存儲、處理和分析，從中提取有效信息，以支持堆高機的智能化管理和優(yōu)化運營。通過采集和分析的運行、故障和安全等方面的數(shù)據(jù)，幫助港口實現(xiàn)對堆高機的智能化管理和優(yōu)化運營，提高效率、降低成本、提升安全性，流動機械遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖3 所示。通過遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測不同堆高機車型DCU、DCT 在線設(shè)備數(shù)量，當日堆高機實時燃油消耗情況、當日實時移動距離、累計油耗、平均油耗等，堆高機運行數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖3 流動機械遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)可視化大屏

圖4 堆高機運行數(shù)據(jù)

3.1 車機狀態(tài)分析

通過訪問智能監(jiān)控系統(tǒng)，可對堆高機實時狀態(tài)進行多維分析，如堆高機實時位置、行駛速度、燃油油位、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機水位水溫的數(shù)據(jù)等情況，單機實時狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 單機實時狀態(tài)

為了提供更全面的車輛監(jiān)測和數(shù)據(jù)展示，該車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)利用平臺圖表控件來充分呈現(xiàn)各項數(shù)據(jù)的趨勢。這些數(shù)據(jù)包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油壓、行駛速度等關(guān)鍵參數(shù)。通過使用圖表控件，可以直觀地展示這些數(shù)據(jù)的變化趨勢。由此駕駛員和維修人員可以更清楚地了解車輛的狀態(tài)和性能。此外，系統(tǒng)還可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息和需要，篩選各項數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，為車輛的保養(yǎng)和維修提供支持。

3.2 車機運動軌跡回放

通過對堆高機在港口內(nèi)的移動軌跡數(shù)據(jù)進行采集、存儲、處理和分析，以獲取有關(guān)堆高機移動軌跡信息，堆高機精確軌跡點、平滑軌跡線及軌跡回放如圖6 所示。即通過采集、分析堆高機的位置數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)，為堆高機運動行為分析等方面提供支持。

圖6 車輛軌跡分析

3.3 車輛故障解析

在堆高機的維修過程中，維修人員需根據(jù)車輛手冊來查找車輛顯示屏的數(shù)字代碼所對應的故障。經(jīng)反復跟蹤解碼，通過車聯(lián)網(wǎng)平臺算力將故障數(shù)字代碼轉(zhuǎn)譯為中文故障顯示，大幅提高了維修人員對車輛故障的可讀性，解析流程如圖7 所示。

圖7 車輛故障解析流程

4 結(jié)語

智慧港口車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是基于車聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的應用系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)對港口流動機械的實時監(jiān)控和管理、數(shù)據(jù)采集與分析和維護管理等功能，從而提高港口運輸效率和管理水平，確保港口生產(chǎn)的順利進行。

1）實時監(jiān)測和預警 通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實時監(jiān)測流動機械的位置、運行狀態(tài)等信息，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并進行預警，避免事故的發(fā)生。

2）運行優(yōu)化和調(diào)度 分析流動機械的運行數(shù)據(jù)，了解其運行效率和資源利用情況，優(yōu)化運行策略和調(diào)度計劃，提高運營效率和資源利用率。后期也可將車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與c-Tos 系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)等進行集成，實現(xiàn)信息的共享和協(xié)同。

3）故障診斷和維修管理 通過對流動機械的數(shù)據(jù)進行分析，可以診斷故障的原因和位置，提供準確的故障診斷和維修指導，減少停機時間。

4）實時監(jiān)控和追蹤 通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實時監(jiān)控流動機械的位置和行為，提供實時的安全管理和追蹤。