高金龍，周受欽，曹廣忠，呂潔印，張保祥，黃瑞雪

(1.深圳大學(xué) 深圳電磁控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；2.深圳中集智能科技有限公司，廣東 深圳 518067；3.深圳中集移動物聯(lián)國際運(yùn)營服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067)

解決實(shí)時調(diào)度的智能裝備及其物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

高金龍1,2,3，周受欽2,3，曹廣忠1，呂潔印2,3，張保祥2，黃瑞雪2,3

(1.深圳大學(xué) 深圳電磁控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；2.深圳中集智能科技有限公司，廣東 深圳 518067；3.深圳中集移動物聯(lián)國際運(yùn)營服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067)

針對解決集裝箱港口和堆場空箱閑置浪費(fèi)且集裝箱在調(diào)度過程中有效監(jiān)控參數(shù)不足等問題，基于物聯(lián)網(wǎng)的DCM-感知層、傳輸層、應(yīng)用層(Devices、Connect、Manage)架構(gòu)，提出了構(gòu)建集裝箱實(shí)時調(diào)度監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一整套設(shè)計方法和系統(tǒng)工作流程，實(shí)現(xiàn)了對集裝箱“堆放-運(yùn)輸-堆放”全生命周期監(jiān)控及實(shí)時調(diào)度管理，不僅提高了集裝箱港口和堆場空箱利用率并解決了實(shí)時調(diào)度問題，而且也保證了集裝箱在調(diào)度過程中箱和貨物的狀態(tài)安全可視。所設(shè)計實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)包括監(jiān)控終端和平臺兩大部分，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信，以監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)對集裝箱信息的采集并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺，以平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、遠(yuǎn)程控制終端以及共享空箱信息，加速空箱快速并合理流轉(zhuǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)；集裝箱調(diào)度；集裝箱安全；遠(yuǎn)程監(jiān)控；空重載檢測；大數(shù)據(jù)

0 引 言

集裝箱是全球物流運(yùn)輸?shù)妮d體。據(jù)預(yù)測，2016年全球集裝箱運(yùn)輸需求增速在4%左右，全球港口集裝箱吞吐量有望以3%以上速度平穩(wěn)增長，中國港口集裝箱吞吐量也將有近5%的增速，達(dá)到2.21億TEU左右，其中國際航線吞吐量可望實(shí)現(xiàn)4%的增長，在投資和內(nèi)需增長帶動以及水路集疏運(yùn)優(yōu)勢進(jìn)一步顯現(xiàn)的背景下，內(nèi)支線和內(nèi)貿(mào)集裝箱吞吐量增速預(yù)計為6%。爆炸式增長的集裝箱吞吐量加劇了港口擁塞[1]，另外又由于集裝箱停放到各港口或堆場后對空重箱缺乏科學(xué)有效的測定，提貨與否僅靠人來識記，常出現(xiàn)已經(jīng)交貨卻還存放在堆場閑置不能實(shí)時流轉(zhuǎn)的情況，也造成了部分地區(qū)阻塞且空箱嚴(yán)重積壓，而另一部分區(qū)域無箱可用[2]，造成空箱浪費(fèi)且空箱的調(diào)度與重派增加堆場運(yùn)維成本[3]；目前業(yè)界的調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)對集裝箱在調(diào)度運(yùn)輸過程中各種狀態(tài)的監(jiān)控力度不足，不能及時得知箱內(nèi)貨物狀況，同時也出現(xiàn)很多非法盜箱問題；船公司和租賃公司又不愿意共享集裝箱的位置和數(shù)量等相關(guān)信息，這也使得建立集裝箱空箱數(shù)據(jù)庫極為困難。通過對存在的問題進(jìn)行針對性研究，運(yùn)用超聲波、衛(wèi)星定位、3G通信、JavaScript、C++等技術(shù)及增加平臺互動性等方法，為了在集裝箱物流周期中實(shí)現(xiàn)定位、運(yùn)輸物品監(jiān)控、在線調(diào)度等功能，提出了集裝箱實(shí)時調(diào)度監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[4]。

1 系統(tǒng)方案

1.1 集裝箱實(shí)時調(diào)度監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概述

所提出的集裝箱實(shí)時調(diào)度監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由監(jiān)控終端和平臺兩大部分組成[5-6]，具備信息采集、現(xiàn)場監(jiān)控、信息傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能[7]。前者主要包含主板、天線、電池、各功能模塊(位置檢測、門狀態(tài)檢測、加速度檢測、空重載檢測、溫濕度檢測)；后者主要包含軟件服務(wù)器端、數(shù)據(jù)庫部分和Web端部分。

監(jiān)控終端通過傳感器檢測集裝箱空重載信息、門開關(guān)信息、溫濕度信息、加速度信息和位置信息并傳至CPU將數(shù)據(jù)打包后通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器端，后者將數(shù)據(jù)中間件解析后存入數(shù)據(jù)庫以供Web端調(diào)用，Web端將位置信息取出后再調(diào)用相關(guān)地圖接口將位置顯示在頁面地圖上，其他數(shù)據(jù)信息取出后經(jīng)過處理展示在平臺其他部分，由此可以在平臺的信息狀態(tài)欄上看到集裝箱的溫濕度、門狀態(tài)、運(yùn)動狀態(tài)、電池電量、空重載狀態(tài)等信息。經(jīng)過相關(guān)授權(quán)，平臺會共享出集裝箱空箱的位置和相關(guān)信息，相關(guān)租戶可以很直觀地瀏覽這些信息并自由聯(lián)系空箱箱主進(jìn)行平臺層面的租用對接。同時箱主可在平臺上輸入控制命令對集裝箱的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

所提出的監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案采用物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)：感知層、傳輸層和應(yīng)用層[8]。

感知層需要檢測集裝箱位置狀態(tài)、箱門狀態(tài)和空重載狀態(tài)等，鑒于集裝箱特殊的結(jié)構(gòu)特性，采用GPS/北斗雙模定位技術(shù)、門磁感應(yīng)技術(shù)、超聲波技術(shù)等進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

傳輸層需要將采集到的信息包傳送至平臺服務(wù)器，鑒于集裝箱的全球流通特性，采用成本低廉、地面基站豐富、陸地通信效率高的蜂窩通信技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)，其中協(xié)議層是基于TCP/IP協(xié)議[9]。

應(yīng)用層需要數(shù)據(jù)解析、平臺展示、分析大數(shù)據(jù)且下發(fā)控制指令，解析層采用C++技術(shù)，數(shù)據(jù)庫層采用MySQL技術(shù)，Web端采用ASP.NET技術(shù)并采用Hadoop+Hive技術(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

集裝箱實(shí)時調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 集裝箱實(shí)時調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2 監(jiān)控終端設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

硬件由控制器、3G模塊、GPS/北斗模塊、空重載狀態(tài)檢測傳感器模塊、門狀態(tài)檢測傳感器模塊、溫度傳感器模塊、加速度傳感器模塊和電源模塊組成。

主控制器采用STM32L1系列低功耗芯片，其具有超低泄漏制程、創(chuàng)新型自主動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能和5種低功耗模式；蜂窩通信采用3G通信模塊并配套采用國外某電信公司的移動通信服務(wù)，覆蓋全球99%以上國家移動通信聯(lián)網(wǎng)能力，也大大降低了對全球范圍內(nèi)集裝箱監(jiān)管的運(yùn)營成本；空重載狀態(tài)檢測采用的是波束角小，不易受集裝箱壁干擾，且易于區(qū)分不同量程從而有助于軟件編程優(yōu)化的超聲波傳感器；門狀態(tài)檢測選擇有線方式接入的門磁開關(guān)傳感器，其靈敏度一般在30 mm左右，基于集裝箱特殊的結(jié)構(gòu)，為了減少檢測出錯率，采用便于安裝在旋轉(zhuǎn)門把手處的型號。CPU硬件資源分配見圖2。

監(jiān)控終端硬件設(shè)計中共占用CPU的4路串口資源，其中UART1用于與超聲波傳感器的數(shù)據(jù)通信，又復(fù)用作為調(diào)試打印串口，UART2用于與GPS/北斗定位模塊的數(shù)據(jù)通信，UART3用于與3G模塊的數(shù)據(jù)通信；加速度傳感器模塊使用CPU的IIC資源來發(fā)送檢測到的集裝箱運(yùn)動的狀態(tài)信息和接收CPU指令；同時使用兩路GPIO口與門磁開關(guān)傳感器和溫度傳感器通信，另外兩路GPIO口控制LED指示燈，用來指示硬件系統(tǒng)的通電狀態(tài)和工作狀態(tài)。

圖2 CPU硬件資源分配框圖

2.2 軟件設(shè)計

集裝箱的使用場合要求監(jiān)控終端能夠高效快速地得到各種狀態(tài)信息并及時上報處理以便實(shí)時調(diào)度，所以軟件設(shè)計中使用了RTX系統(tǒng)來管理內(nèi)存并實(shí)時處理多任務(wù)，由于任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行，提高了程序的運(yùn)行效率。系統(tǒng)主程序流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)主流程圖

工程上升級程序一般通過遠(yuǎn)程升級或者串口升級，前提是必須有IAP引導(dǎo)程序，軟件設(shè)計中首先設(shè)置IAP引導(dǎo)程序，然后初始化硬件和各外設(shè)，接著創(chuàng)建三個操作系統(tǒng)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，最后循環(huán)每隔一定時間喚醒讀取串口數(shù)據(jù)的變動。

具體實(shí)現(xiàn)是：先初始化各硬件，后啟動操作系統(tǒng)進(jìn)程，每隔一定時間喚醒一次CPU采集集裝箱的門開關(guān)信息、運(yùn)動狀態(tài)信息、溫度信息、空重載信息和終端的電池電壓信息等，定位模塊在設(shè)定的超時時間內(nèi)會進(jìn)行多次定位，時間到則不管有無定位都將定位狀態(tài)連同其他采集到的數(shù)據(jù)一起發(fā)送給協(xié)議棧進(jìn)行打包處理，利用建立的Socket通道基于TCP/IP協(xié)議[10-12]將打包后的數(shù)據(jù)包發(fā)送至平臺服務(wù)器，若終端下位機(jī)收到回復(fù)且正確，表示發(fā)送數(shù)據(jù)成功，并繼續(xù)將之前保存的歷史數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺服務(wù)器，否則保存等待下次喚醒的時候發(fā)送；若無回復(fù)，則重發(fā)幾次后同樣保存數(shù)據(jù)等待下次發(fā)送，然后關(guān)閉CPU進(jìn)入休眠。報警信息優(yōu)先級最高，如果有門被異常開啟，便會立即觸發(fā)CPU喚醒并發(fā)送報警信息至平臺服務(wù)器。為了接收下行數(shù)據(jù)，通信模塊一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，一旦監(jiān)聽到數(shù)據(jù)便將其接收發(fā)送到協(xié)議棧進(jìn)行解析后通過CPU進(jìn)行相關(guān)的控制。

由于集裝箱監(jiān)控終端的工作環(huán)境使其不便于維護(hù)，終端需要使用時間盡量長，維護(hù)率盡量低，所以低功耗尤其重要。在軟件上對其進(jìn)行了低功耗優(yōu)化處理，低功耗優(yōu)化設(shè)計流程見圖4。

圖4 低功耗處理流程圖

軟件上除對CPU進(jìn)行休眠優(yōu)化外，也對定位模塊開啟與否進(jìn)行邏輯優(yōu)化，從而免去頻繁開啟定位模塊帶來的接近70 mA的功耗。一方面若有異常報警便立即喚醒CPU，此時判斷是否有運(yùn)動，若無便不開啟定位模塊，只上傳報警信息；另一方面若指定時間間隔到，同樣判斷是否有運(yùn)動，若無便不開啟GPS定位，只上傳溫度、運(yùn)動、門開關(guān)、超聲波和電池電壓等信息。

3 平臺設(shè)計

平臺運(yùn)用HTML、CSS、JavaScript等技術(shù)語言開發(fā)Web端進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和交互，運(yùn)用C++技術(shù)語言開發(fā)軟件服務(wù)器來查詢或入庫數(shù)據(jù)，其中數(shù)據(jù)傳輸媒介的數(shù)據(jù)庫部分采用MySQL技術(shù)完成[13-14]。平臺設(shè)計架構(gòu)見圖5。

圖5 平臺設(shè)計架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)解析層由C++搭建的軟件服務(wù)器端完成，該服務(wù)器運(yùn)行在具有公網(wǎng)IP的公司主機(jī)上，它為所有待接入的Client端分配所需的IP地址和不同的端口并等待Client端的套接字提出連接申請，當(dāng)Server端套接字響應(yīng)申請后便注冊一個事件集交由事件管理器托管，完成通信的準(zhǔn)備工作。TCP/IP通信建立的是長連接，Server端一直監(jiān)聽Client端，一旦有數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)交由主程序處理，Server端為不同類型的Client端開發(fā)了不同的中間件，對傳來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行一級解析或二級解析，直到解析出其中的有效數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，以便Web服務(wù)器端的調(diào)用。

數(shù)據(jù)庫層使用的是MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，一些簡單的數(shù)據(jù)可以供Web服務(wù)器直接調(diào)用，當(dāng)需要一些分析數(shù)據(jù)時，就需要使用Hadoop和Hive進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析和處理。使用SQL語句查詢大數(shù)據(jù)時，Hive將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)文件映射為一張數(shù)據(jù)庫表存入HDFS，再將SQL語句翻譯成MapReduce程序?qū)Υ髷?shù)據(jù)進(jìn)行計算，待計算結(jié)束將處理結(jié)果轉(zhuǎn)移到MySQL數(shù)據(jù)庫中供Web端調(diào)用。其中MySQL與Hive之間的導(dǎo)入導(dǎo)出通過Sqoop來實(shí)現(xiàn)。

Web端采用MVC-模型、視圖、控制器(Model、View、Controller)架構(gòu)。模型層對解析入庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，其中模型層又可以分為兩層：底層數(shù)據(jù)庫操作和業(yè)務(wù)邏輯。前者主要處理對數(shù)據(jù)庫的CURD(增刪改查)操作，后者主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算。初步處理的數(shù)據(jù)由控制器層傳給視圖層，后者通過DOM將不同的數(shù)據(jù)段插入頁面中不同位置呈現(xiàn)給用戶。控制器層與視圖層進(jìn)行交互，接收用戶下發(fā)的指令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算后交給模型層進(jìn)行入庫。

4 設(shè)計結(jié)果與測試數(shù)據(jù)

監(jiān)控終端是一個防水的整體：內(nèi)置主板(包含溫度傳感器、加速度傳感器)、超聲波傳感器和電池，外置門磁開關(guān)傳感器防水接口、3G天線、GPS天線接口。設(shè)備安裝于集裝箱內(nèi)壁，將門磁開關(guān)傳感器、3G和GPS天線置于集裝箱外，門磁開關(guān)感應(yīng)部分固定于集裝箱外壁，磁鐵部分通過螺釘或者卡環(huán)固定在集裝箱門桿上，隨著開關(guān)門動作所帶動的門桿旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。開門時，轉(zhuǎn)動門桿，磁鐵遠(yuǎn)離設(shè)備感應(yīng)區(qū)域，設(shè)備檢測到門開。關(guān)門后，磁鐵進(jìn)入設(shè)備的感應(yīng)區(qū)域，設(shè)備檢測到門關(guān)。防水型超聲波傳感器從設(shè)備前面露出2 mm的高度探進(jìn)集裝箱內(nèi)部檢測箱內(nèi)貨物情況。

對監(jiān)控終端進(jìn)行功耗測試，測試時間大概是3 h，樣本采集的時間間隔是8 min，打開GPS等模塊后的功耗為59 mA左右，采集數(shù)據(jù)后打開3G模塊聯(lián)網(wǎng)并發(fā)送數(shù)據(jù)，功耗迅速增加，達(dá)到了200 mA左右，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后關(guān)閉3G模塊，設(shè)備進(jìn)入休眠，此時功耗僅為70 μA左右。功耗測試結(jié)果見圖6。

從集裝箱監(jiān)控平臺上可以直觀看到集裝箱運(yùn)輸過程中的溫濕度、位置、速度、空重載、門開關(guān)信息，可以為集裝箱的實(shí)時調(diào)度決策提供依據(jù)，貨物的運(yùn)輸過程也變得透明安全。當(dāng)貨物到達(dá)堆場后，會及時監(jiān)控集裝箱的空重載情況，一旦貨物完成交接，便在平臺上顯示出來并提示調(diào)度需求，箱主可以很容易得知。另外在得到箱主授權(quán)下，空箱的部分信息將公布到公共平臺，附近的空箱需求客戶能夠及時獲得最近的空箱位置和信息，聯(lián)系箱主，減少了空箱的不必要運(yùn)輸成本和調(diào)度時間，提高了空箱的利用率。

圖6 監(jiān)控終端功耗測試效果圖

5 結(jié)束語

集裝箱的實(shí)時調(diào)度不僅可以提升工作效率并且大大降低了管理運(yùn)營成本，實(shí)時性關(guān)鍵在于對集裝箱的實(shí)時監(jiān)測并及時處理。實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)中的關(guān)鍵點(diǎn)是集裝箱空箱的高效利用，其作為促進(jìn)集裝箱貨物運(yùn)輸?shù)母矗瑖鴥?nèi)外都在研究相關(guān)的空箱調(diào)度的有效解決方案，但大多是以調(diào)度的管理模式和優(yōu)化方案為主，很少涉及監(jiān)測技術(shù)。為了彌補(bǔ)相關(guān)的技術(shù)空缺，將具體問題量化成為各種待監(jiān)控參數(shù)，研發(fā)監(jiān)控終端和可視化平臺，運(yùn)用DCM技術(shù)架構(gòu)將具體問題用物聯(lián)網(wǎng)的手段解決并將結(jié)果通過平臺呈現(xiàn)出來，從而從技術(shù)層面克服了空箱閑置鮮為人知的缺陷和箱體運(yùn)輸過程狀態(tài)未知的問題。

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Design of Intelligent Equipment and IOT System Solving Real-timeContainer Allocation

GAO Jin-long1,2,3，ZHOU Shou-qin2,3，CAO Guang-zhong1，LYU Jie-yin2,3，ZHANG Bao-xiang2，HUANG Rui-xue2,3

(1.Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.CIMC Intelligent Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518067,China;3.CIMC International MIOT Operation Service Company Limited,Shenzhen 518067,China)

In order to solve the problems of the empty containers sitting idle in port and yard and the lack of effective monitoring parameters during the container allocation process,based on the IOT’s DCM architecture-perception layer,transmission layer and application layer and relevant technology,a set of design methods and system work flows have been proposed to construct a container real-time allocation monitoring system,in which the container’s “stacking-transportation-stacking” full-life-cycle monitor management and real-time allocation has been achieved.These proposed methods not only improve the utilization of empty containers in container ports and yards,but also solve the empty container’s real-time allocation problems.Furthermore this established system has made the status of cargoes and assets visible during the container’s allocation process.By using the cellular networks communication mode,this established system is composed of two parts,monitor terminal and platform,among which the monitor terminal is used to collect information from the containers and to send the data to the platform through internet;the platform is employed to display the data for remote controlling and empty container’s information sharing which is convenient to fast and efficient container allocation.

Internet of Things;container allocation;container security;remote monitoring;empty container detection；big data

2016-05-29

2016-09-06 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-03-13

廣東省科技計劃項(xiàng)目(2014B010117005)；深圳市重大技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目(JSGG20150601144258573)；深圳市創(chuàng)新環(huán)境建設(shè)計劃(GCZX20140509165654491)；深圳星基裝備物聯(lián)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室(深發(fā)改[2016]724號)；深圳市未來產(chǎn)業(yè)資金(JSGG20160229 173734086)

高金龍(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)；周受欽，博士，教授級高工，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾盘柼幚砼c智能儀器、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)；曹廣忠，博士，教授，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制理論及其應(yīng)用、磁懸浮技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170313.1546.064.html

TP302

A

1673-629X(2017)05-0149-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.05.031