采用物聯網技術的港口信息化系統(tǒng)

唐雅璇，余金山

（華僑大學 計算機科學與技術學院，福建 廈門 361021）

采用物聯網技術的港口信息化系統(tǒng)

唐雅璇，余金山

（華僑大學 計算機科學與技術學院，福建 廈門 361021）

設計一個基于物聯網技術的港口信息化系統(tǒng)，研究其集裝箱自動堆放算法和拖車自動排載算法 .集裝箱的自動堆放運用射頻識別（RFID）及電子標簽技術感知，通過3G網絡進行堆場內控制信息的實時交互；拖車自動排載業(yè)務通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和3G網絡和多碼流視頻技術實現，使堆場管理調度中心可以隨時掌握拖車的具體位置信息，并通過第3方地理信息系統(tǒng)（GIS）技術進行計算與任務調度管理.

物聯網；港口；信息化；自動堆放算法；自動排載算法

港口信息化是面向半開放式的場所管理，存在著貨物種類繁雜、來源多樣、貨物倉儲區(qū)域范圍廣等一些特征，如果單純以數字邏輯模型進行管理，會發(fā)生很多管理不到位的問題 .港口業(yè)務往往需要關聯到堆場的各項業(yè)務中，如果和其他信息系統(tǒng)一樣依靠人／機交互的模式，信息將無法得到快速有效的采集和計算 .此外，堆場物理區(qū)域大、搭建內部局域網困難、區(qū)域安全監(jiān)控和報警需要投入相當多的資源、監(jiān)控數據無法得到有效的保存，以及主要的核心業(yè)務只能依靠人工方式進行處理都是傳統(tǒng)港口信息化存在的主要問題［1－2］.要解決以上問題，就必須徹底改變傳統(tǒng)的方式，將物聯網對物質、物資的狀態(tài)與屬性信息進行傳感和遙控的特性［3－4］結合到現有的港口信息化系統(tǒng)中，把系統(tǒng)所涵蓋的對象由人與事提升到整個作業(yè)范圍內的人、物、事，使得依賴人工方式進行輸入的信息通過物聯網實現信息自動傳達與控制.基于此，本文將物聯網引入到港口信息化中，實現了一個基于物聯網的港口信息化管理系統(tǒng).

1 系統(tǒng)結構

港口信息化系統(tǒng)的功能結構和邏輯架構，分別如圖1，2所示.主要由港口信息管理系統(tǒng)、智能設備管理終端［5］、視頻采集系統(tǒng)（CMS）、射頻識別采集系統(tǒng)（EPC）、環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)（ECS）和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集控制系統(tǒng)（GCS）等組成.

圖1 系統(tǒng)功能結構圖Fig.1 System function structure diagram

圖2 系統(tǒng)邏輯結構圖Fig.2 System logic structure diagram

系統(tǒng)中與物聯網相關的硬件環(huán)境：夜視監(jiān)控探頭，用于堆場各關鍵區(qū)域視頻監(jiān)控；3GPP網路視頻服務器，用于場內無法進行布線區(qū)域的視頻監(jiān)控；PDA，PPC，用于視頻監(jiān)控移動查看及手機客戶端在線堆場管理（部分功能）；有源和無源射頻識別（RFID）設備，分別用于閘口拖車和集裝箱的識別；EVDO手機卡，用于車載視頻與GPS傳送的網絡支持；專業(yè)手持終端，用于集裝箱電子鉛封信息采集；電子鉛封提供集裝箱的基本信息；車載智能終端，用于拖車視頻采集與GPS定位傳輸.

集裝箱入場堆放點的安排和拖車自動排載是港口信息化中急需解決的核心問題［1，4，6］.因此，系統(tǒng)的核心算法是集裝箱自動堆放算法和拖車自動排載算法.

2 集裝箱自動堆放算法

首先利用物聯網，將有源和無源的射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術［7］綜合應用在集裝箱信息承載與運輸監(jiān)控上，通過在集裝箱上粘貼帶有貨物及運載相關信息的電子標簽，隨時隨地采集集裝箱信息，為整個集裝箱的自動堆放算法提供數據基礎.然后，結合3G網絡進行堆場內的控制信息交互，實現集裝箱的自動堆放.

集裝箱自動堆放算法有如下6個主要步驟.

1）對集裝箱的存儲劃分區(qū)域，從用途（發(fā)貨區(qū)或到貨區(qū)）、堆放限高、目的地、堆放集裝箱尺寸、貨物特性（特殊物品對物理條件有要求）出發(fā)，將堆場的存儲空間進行邏輯意義上的分區(qū)，作為堆放的載體，并利用這部分數據建立正確的數字化模型.

2）考慮集裝箱與運載相關的屬性，如尺寸、承載貨物類型、發(fā)貨時間、出貨船號等由集裝箱所攜帶的標準電子標簽所提供，在貨物進入堆場時進行采集.

3）通過區(qū)域和集裝箱信息的輸入，使用輪詢篩選制的方式，排除掉高度超過區(qū)域限制的堆放點.

4）排除掉堆放的出貨時間比當前時間早的堆放點.

5）按照貨物信息的類型限制（如需冷藏或不能層疊），在剩余的有效堆放點里按照堆放點已堆放集裝箱數量、堆放點離此集裝箱運載的泊位距離、堆放點最上層集裝箱的出貨時間、集裝箱當前質量等特征進行加權.

6）加權后，對所有的有效堆放點按權重值進行排序，可得到集裝箱從優(yōu)到劣的可用堆放點列表.

通過RFID等物聯網技術的信息采集自動建立的支持算法的數據模型，如表1所示.表1中的信息只給出算法的核心字段，其余業(yè)務及輔助字段未列出.

表1 集裝箱自動堆放算法的數據模型Tab.1 Data model of containers automatic piled up algorithm

3 拖車自動排載算法

首先，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和多碼流視頻技術，通過計算機動態(tài)獲取正在執(zhí)行運載任務拖車的執(zhí)行情況與預計返場時間，并結合3G網絡實現與堆場管理調度中心的雙向互動，使得堆場管理調度中心可以隨時掌握拖車的具體位置信息；然后，通過第3方的地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）技術將任務執(zhí)行提醒、任務下達等信息及時與司機進行溝通并執(zhí)行任務調度管理，從而實現了拖車的自動排載.

拖車自動排載算法有如下3個主要步驟.

1）算法的輸入數據是近期已定單的運輸任務，包含貨主信息（以此確認此客戶的物理位置）、貨物信息（貨物的類型，對應集裝箱的尺寸與數量，是否需要特殊車輛執(zhí)行，運載的時間，出貨的時間，預計裝載時間）等.

2）根據各車輛所在的物理位置與當前所執(zhí)行的任務，以距離為限定條件安排未執(zhí)行任務的拖車并下達此任務執(zhí)行.

3）拖車一旦進入執(zhí)行狀態(tài)，系統(tǒng)可以通過GPS計算出其當前的運動速度并通過GIS系統(tǒng)得出預計的到達時間 .當拖車的運載時間比預計時間有較大偏差時，系統(tǒng)將提示管理員及時聯絡司機，了解拖車的狀況；而當車輛出現特殊狀況無法完成任務時，系統(tǒng)將會自動將任務進行調整.

相應的調整算法：a）若要調整的任務有空閑車輛可以承載，則直接調度此任務給該車輛；b）若此任務需要等待車輛，則優(yōu)先計算所有任務中在最短時間有送貨的車輛（返程為空車的車輛）中距離與此任務所在地最近的車輛，調度此任務給該車輛；c）若此任務無順路空車，則按每輛有任務車輛里插入此調度任務所造成時間影響最小的車輛調度給該任務.

通過RFID等物聯網技術的信息采集自動建立的支持算法的數據模型，如表2所示.由于道路交通狀況存在著較大的不可預測性，自動排載任務未能達到很好的效果.因此，在系統(tǒng)中加入了人工調整的機制，允許在任務執(zhí)行開始之前，由管理員手工調整排載計劃.

表2 拖車自動排載算法的數據模型Tab.2 Data model of trailer automatic vent load algorithm

4 堆場安全監(jiān)控管理

在堆場安全監(jiān)控管理中，使用3G網絡技術和多碼流流媒體安防技術.3G網絡技術支持數據高速傳輸的蜂窩移動通訊，同時能夠傳送聲音及數據信息；而多碼流流媒體，即在視頻采集終端嵌入多碼流格式的視頻壓縮芯片.

集成兩種技術的視頻服務器可以做到在接入電源的情況下，向遠程的監(jiān)控終端根據網絡及終端類型傳輸不同格式的視頻信息，不僅可以在港口堆場較大物理范圍內以較低的施工難度和成本實現堆場監(jiān)控報警，同時也實現了除電腦以外的智能聯網終端（手機、平板電腦、iPad等）對監(jiān)控視頻的訪問，使得對堆場的報警監(jiān)控不再局限于固定的物理地點與單一的監(jiān)控設備，使監(jiān)控作業(yè)更靈活更人性化.

5 結論

將物聯網技術與港口信息系統(tǒng)進行有機的結合，成功地解決了港口信息化中存在的幾個難予解決的核心問題，如堆場環(huán)境集中監(jiān)控、堆場環(huán)境信息監(jiān)控及報警、堆場集裝箱自動排載作業(yè)、拖車任務自動管理作業(yè)等.該系統(tǒng)已在某港口應用，系統(tǒng)的運行減少20%的堆場管理人員，集裝箱堆放作業(yè)時間周期縮短17%，堆場集裝箱日吞吐能力提高12%，拖車平均油耗節(jié)省8%，運輸按時達成率提高8%.

物聯網技術給港口信息化帶來的不只是一種功能上的疊加，完全可以利用這些新技術實現之前未能實現的信息化功能.下一步，將考慮夜視監(jiān)控及報警聯動、環(huán)境信息的報警聯動、RFID的可透傳自行組網算法，以及系統(tǒng)的大容量災難恢復與集群化運行等的實現.

［1］張永明，劉艷琴.中國港口信息化30年輝煌建設及其展望［J］.港口科技，2009，31（1）：1－7.

［2］楊元飛，陳樹輝，張嘉.基于GIS的保稅港區(qū)信息管理系統(tǒng)設計與實現［J］.微計算機信息，2011，27（1）：147－149.

［3］ZOUGANELI E，SVINNSET I.E.Connected objects and the internet of things：A paradigm shift［C］.International Conference on Photonics in Switching.Pisa：IEEE Computer Society，2009：1－4.

［4］劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用［J］.計算機科學，2010，37（6）：1－10.

［5］KORTUEM G，KAWSAR F，FITTON D，SUNDRAMOORTHY V.Smart objects as building blocks for the internet of things［J］.IEEE Internet Computing，2010，14（1）：44－51.

［6］張宏宇，柴逸飛，涂時亮.基于傳感器網絡和有源 RFID的集裝箱管理系統(tǒng)［J］.計算機工程，2009，35（1）：245－252.

［7］孔寧，李曉東，羅萬明，等.物聯網資源尋址模型［J］.軟件學報，2010，21（7）：1657－1666.

Design of Port Informationization System Based on the Internet of Things Technology

TANG Ya－xuan YU Jin－shan

（College of Computer Science and Technology，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Using the containers automatic piled up algorithm and trailer automatic vent load algorithm to design a port informationization system that based on the Internet of things.The automatic stack of containers is used radio frequency identification（RFID）and electronic tag technology for perception information.The real－time interaction of control information in storage yard is realized by 3Gnetwork.The business of trailer automatic vent load is implement by several technology：global position system（GPS），3Gnetwork and multiple streaming video technology.With this business the management dispatching center of storage yard becomes better informed.They are able to get the accurate and timely information about the position of vent.Moreover they can calculate and manage tasks by third part geographic information system（GIS）.

internet of things；port；informationization；automatic piled up algorithm；trailer automatic vent load algorithm

TP 393；TP 301.6

A

1000－5013（2012）03－0275－05

2011－09－19

余金山（1952－），男，教授，主要從事軟件工程與網絡計算和人工智能的研究.E－mail：yjs＠hqu.edu.cn.

福建省自然科學基金資助項目（A0810013）

（責任編輯：黃曉楠 英文審校：吳逢鐵）