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(tuán)有限公司 浙江 315813 3 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)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(jī)械在傳感器融合、遠(yuǎn)程控制等多方面的數(shù)據(jù)信息傳輸要求得以實(shí)現(xiàn)[1]，能更好地推進(jìn)智慧港口建設(shè)的進(jìn)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(jī)械通常具有復(fù)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(jī)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(gè)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(jī)械的及時(shí)監(jiān)控和管理需求。

車聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(jī)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(gè)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(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向信息傳輸和交互，實(shí)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(yīng)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(yīng)用事例，并進(jìn)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(duì)進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)辨識方法，減小了目標(biāo)機(jī)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(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。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(yīng)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(xiǎn)辨識等理論層面的探討。

作為流動機(jī)械信息化的核心內(nèi)容之一，車聯(lián)網(wǎng)將使流動機(jī)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(jī)械運(yùn)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(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場港口流動機(jī)械CAN 總線通信上報(bào)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)管理，狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息聚合并上報(bào)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(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)對碼頭傳統(tǒng)港口流動機(jī)械精細(xì)化數(shù)據(jù)管理具有一定的實(shí)用價(jià)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(shí)踐應(yīng)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(shí)現(xiàn)車與車、人、路、控制平臺之間的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)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(jìn)行提取和利用，為駕駛?cè)颂峁┌踩⒏咝У慕煌ǚ?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(yīng)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(yīng)用層：車聯(lián)網(wǎng)的中間件以及應(yīng)用系統(tǒng)，包括云計(jì)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(jī)械概述

港口流動機(jī)械是指在港口進(jìn)行貨物裝卸、運(yùn)輸和堆放等作業(yè)過程中使用的各種移動式機(jī)械設(shè)備。常見的港口流動機(jī)械包括起重機(jī)、堆高機(jī)、裝卸機(jī)械等。堆高機(jī)主要用于貨物的堆放和搬運(yùn)，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(yùn)。

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

1.3.1 港區(qū)概況

寧波某港區(qū)現(xiàn)共有流動機(jī)械近500 臺，空箱堆高機(jī)設(shè)備42 臺，港區(qū)堆場面積大，流動機(jī)械設(shè)備類型和批次繁多，包括起重機(jī)、堆高機(jī)、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(yīng)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(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與分析、路徑優(yōu)化和維護(hù)管理等功能，提升港口流動機(jī)械的運(yùn)輸效率和管理水平。結(jié)合港口的實(shí)際生產(chǎn)和智慧港口建設(shè)的需要，要求平臺應(yīng)具有以下主要功能：

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

2）報(bào)警與異常處理 監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛的各項(xiàng)指標(biāo)，并根據(jù)設(shè)定的規(guī)則和閾值進(jìn)行報(bào)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(yùn)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(yùn)輸效率以及能源消耗等關(guān)鍵指標(biāo)。存儲、備份整個(gè)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(hù)的能力，確保港口車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)安全。

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

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

結(jié)合功能需求，主要從響應(yīng)速度、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性、可擴(kuò)展性和可操作性進(jìn)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(jī)械遠(yuǎn)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(jī)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(jī)械遠(yuǎn)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(yùn)營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）無線通訊方式將運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行軌跡及設(shè)備故障報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳送至平臺，平臺及時(shí)呈現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)間等）經(jīng)云計(jì)算自動建模分析后輸出大屏統(tǒng)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)。用戶通過連接到車聯(lián)網(wǎng)平臺，從而實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)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(jì)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(jì)

2.1 系統(tǒng)環(huán)境

與傳統(tǒng)上位機(jī)C/S 架構(gòu)相比，B/S 架構(gòu)可以更好地支持?jǐn)?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?jǐn)?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(shí)現(xiàn)對車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

2.2 基于大數(shù)據(jù)的運(yùn)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(jià)值。通過分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)評估車輛的運(yùn)行效率、健康狀況和能源消耗情況。目前，畫面已呈現(xiàn)指標(biāo)包括：

1）當(dāng)日實(shí)時(shí)燃油油耗 提示當(dāng)日實(shí)時(shí)刷新的各機(jī)燃油消耗；

2）累計(jì)油耗占比 以餅圖顯示各機(jī)的按日累計(jì)油耗的占比及累計(jì)消耗；

3）當(dāng)日機(jī)車實(shí)時(shí)移動距離（精確到米） 由北斗定位系統(tǒng)經(jīng)平臺實(shí)時(shí)軌跡計(jì)算得出；

4）當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)天氣（數(shù)據(jù)直連寧波氣象臺） 通過平臺API 接口實(shí)時(shí)調(diào)用氣象臺數(shù)據(jù)；

5）當(dāng)年累計(jì)工作小時(shí)及低速工作小時(shí)雙棒圖 由平臺建模計(jì)算；

6）發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí) 發(fā)動機(jī)運(yùn)行累計(jì)計(jì)時(shí)，可間斷，由平臺按秒計(jì)算換算成小時(shí)，精確到1 位小數(shù)；

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

8）平均油耗 根據(jù)平臺自動按日獲取單機(jī)油耗累加值/單機(jī)按日累計(jì)的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)，得出該值，時(shí)間越長計(jì)算越準(zhǔn)；

9）CO2累計(jì)排放 由累計(jì)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(jī)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(yùn)行軌跡，包括精確軌跡點(diǎn)（設(shè)備移動的具體時(shí)間點(diǎn)）和平滑軌跡線（僅播放設(shè)備的移動軌跡）。時(shí)間顆粒度最小為秒，可以按播放鍵進(jìn)行軌跡回放。

2.4 車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及故障解析

車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析是指通過對車輛在港口內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析，以獲取有關(guān)車輛狀態(tài)和性能的實(shí)時(shí)信息，為車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警、運(yùn)行優(yōu)化和調(diào)度、故障診斷和維修管理、實(shí)時(shí)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(yù)防等步驟，旨在確定故障原因并采取相應(yīng)的解決措施，以恢復(fù)車輛的正常運(yùn)行。需要注意的是，港口流動機(jī)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(fù)雜或嚴(yán)重的故障，需要專業(yè)的技術(shù)支持和維修人員進(jìn)行解決。

為了便于客戶充分利用云生態(tài)進(jìn)行個(gè)性化的車輛維護(hù)管理，系統(tǒng)還預(yù)留了釘釘報(bào)警自動實(shí)時(shí)推送和統(tǒng)計(jì)功能模塊。

2.5 系統(tǒng)特點(diǎn)

2.5.1 系統(tǒng)性能

1）高可靠，高安全 支持雙副本容災(zāi)，故障時(shí)可秒級切換，SLA 達(dá)99.99%，通過了等保2.0 三級認(rèn)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(yùn)維能力；

3）多形態(tài)部署，靈活擴(kuò)展 基于云原生架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yīng)用分析

港口流動機(jī)械的車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析（以堆高機(jī)為例）是通過對堆高機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理和分析，從中提取有效信息，以支持堆高機(jī)的智能化管理和優(yōu)化運(yùn)營。通過采集和分析的運(yùn)行、故障和安全等方面的數(shù)據(jù)，幫助港口實(shí)現(xiàn)對堆高機(jī)的智能化管理和優(yōu)化運(yùn)營，提高效率、降低成本、提升安全性，流動機(jī)械遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖3 所示。通過遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測不同堆高機(jī)車型DCU、DCT 在線設(shè)備數(shù)量，當(dāng)日堆高機(jī)實(shí)時(shí)燃油消耗情況、當(dāng)日實(shí)時(shí)移動距離、累計(jì)油耗、平均油耗等，堆高機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖3 流動機(jī)械遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)可視化大屏

圖4 堆高機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.1 車機(jī)狀態(tài)分析

通過訪問智能監(jiān)控系統(tǒng)，可對堆高機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行多維分析，如堆高機(jī)實(shí)時(shí)位置、行駛速度、燃油油位、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)水位水溫的數(shù)據(jù)等情況，單機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)如圖5 所示。

圖5 單機(jī)實(shí)時(shí)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(xiàng)數(shù)據(jù)的趨勢。這些數(shù)據(jù)包括發(fā)動機(jī)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(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，為車輛的保養(yǎng)和維修提供支持。

3.2 車機(jī)運(yùn)動軌跡回放

通過對堆高機(jī)在港口內(nèi)的移動軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理和分析，以獲取有關(guān)堆高機(jī)移動軌跡信息，堆高機(jī)精確軌跡點(diǎn)、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(jī)的位置數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)，為堆高機(jī)運(yùn)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(jī)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(yīng)的故障。經(jīng)反復(fù)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(yīng)用系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)對港口流動機(jī)械的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理、數(shù)據(jù)采集與分析和維護(hù)管理等功能，從而提高港口運(yùn)輸效率和管理水平，確保港口生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警 通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測流動機(jī)械的位置、運(yùn)行狀態(tài)等信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行預(yù)警，避免事故的發(fā)生。

2）運(yùn)行優(yōu)化和調(diào)度 分析流動機(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù)，了解其運(yùn)行效率和資源利用情況，優(yōu)化運(yùn)行策略和調(diào)度計(jì)劃，提高運(yùn)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(jìn)行集成，實(shí)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(jī)械的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以診斷故障的原因和位置，提供準(zhǔn)確的故障診斷和維修指導(dǎo)，減少停機(jī)時(shí)間。

4）實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤 通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控流動機(jī)械的位置和行為，提供實(shí)時(shí)的安全管理和追蹤。