智慧港口車聯網監控系統設計與應用

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建設完善，道路規范，適合推動車聯網技術發展，隨著通信技術的高速發展，使港口流動機械在傳感器融合、遠程控制等多方面的數據信息傳輸要求得以實現[1]，能更好地推進智慧港口建設的進程，滿足港口發展車聯網技術的迫切需求。港口流動機械通常具有復雜的硬件配置（包括傳感器、通信設備、定位裝置等），這些設備之間的互聯和數據交換需要有效的技術支持。港口流動機械的數據往往存在孤島現象，即數據分散存儲在各個設備或系統中，缺乏有效的整合，傳統的手工式管理容易出現人為失誤和延遲，無法滿足對港口流動機械的及時監控和管理需求。

車聯網、云計算等新一代信息技術為智慧港口的發展帶來了新的機遇[2]。車聯網是指將車輛、道路、云平臺和其他交通基礎設施通過信息通信技術相互連接，構建起一個智能化、高效率的交通系統的概念[3]。車聯網通過將車輛與車輛之間、車輛與基礎設施之間、車輛與云平臺之間進行實時的雙向信息傳輸和交互，實現了車輛之間的協同與通信，提供了各種智能化的交通服務和應用[4]。姜竹勝等[5]著重介紹了車聯網在智能交通中的應用事例，并進行了具體分析；林坤鈺[6]基于車聯網的云端港口系統后臺對無人駕駛車隊進行了有效調度；郭曉晗等[7]提出了一種車聯網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計。上述研究主要涉及傳統道路交通領域，對于港口這一應用場景而言存在一定差異，且大多數研究側重于常規車輛路徑規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容之一，車聯網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化和流動機械運行的最佳狀態成為可能?；谠圃軜?，本文提出了一種基于SaaS（Software as a Service）的云原生車聯網系統架構，實現了多節點協同工作、高并發處理和資源彈性調配等功能。為了滿足高并發計算要求以及海量數據處理需求，開發出了各類基于B/S 架構的云平臺。本系統可以實現對現場港口流動機械CAN 總線通信上報數據的精準管理，狀態顯示、實時定位和數據分析。通過將CAN 信號從車輛端經清洗和解碼傳送到數據模塊，通過云網關無線通信方式，對車輛實時數據進行信息聚合并上報車聯網平臺。在此基礎上搭建的車聯網監控系統及大數據分析的基礎底座能力。應用結果表明，本系統對碼頭傳統港口流動機械精細化數據管理具有一定的實用價值。

1 車聯網系統

1.1 車聯網技術概述及其架構

車聯網是物聯網在道路交通領域的具體實踐應用，極大減輕了駕駛人員的工作量。車聯網借助以5G、人工智能等新一代信息技術，實現車與車、人、路、控制平臺之間的網絡連接，實現在車聯網控制平臺上對所有車輛的靜、動態信息進行提取和利用，為駕駛人提供安全、高效的交通服務，將人從繁重的駕駛工作中解放出來。

基于物聯網的架構統一性，車聯網也包括感知層、網絡層、應用層。1）感知層：車聯網的數據來源，包括人、汽車、道路、環境等；2）網絡層：車聯網的通信基礎設施，參與上下層的協同工作；3）應用層：車聯網的中間件以及應用系統，包括云計算中心、車輛監控系統、道路管理系統、交通信息系統等。車聯網網絡架構如圖1 所示。

圖1 車聯網網絡架構

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、運輸和堆放等作業過程中使用的各種移動式機械設備。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 車聯網系統平臺的總體設計

1.3.1 港區概況

寧波某港區現共有流動機械近500 臺，空箱堆高機設備42 臺，港區堆場面積大，流動機械設備類型和批次繁多，包括起重機、堆高機、裝卸車等。統一管理和監控這些設備較困難，需要針對不同設備制定相應的管理策略和監控方案。

1.3.2 系統需求

智慧港口車聯網監控系統通過實時監控、數據采集與分析、路徑優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。結合港口的實際生產和智慧港口建設的需要，要求平臺應具有以下主要功能：

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

2）報警與異常處理 監控系統能實時監測車輛的各項指標，并根據設定的規則和閾值進行報警和異常處理。

3）數據采集、分析及管理 監控系統可以采集車輛的運行數據，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鍵指標。存儲、備份整個系統的關鍵數據，系統具備數據安全和隱私保護的能力，確保港口車輛的運行數據安全。

4）車輛管理和維護 監控系統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，系統可以提供對車輛維護和保養的提醒和管理，確保車輛的正常運行和安全性。

5）數據可視化和報表生成 監控系統可將采集到的車輛數據進行可視化展示，通過圖表等形式直觀呈現車輛的運行情況和相關統計數據。同時，系統可以生成各種報表和分析結果，幫助管理人員進行決策和評估。

結合功能需求，主要從響應速度、網絡負載能力、網絡傳輸可靠性、可擴展性和可操作性進行系統性能評估。

1.3.3 系統架構

基于車聯網的流動機械遠程監控系統是可視化和網絡化的智能車聯網在線監控系統，流動機械車輛聯網系統的框架如圖2 所示。車聯網系統由CAN 網關、云網關、流動機械遠程監控平臺（以下簡稱車聯網平臺）等組成。車輛數據通過運營商蜂窩網絡（4G/5G）無線通訊方式將運行狀態、運行軌跡及設備故障報警信息實時傳送至平臺，平臺及時呈現實時狀態，還將部分車輛上沒有的數據（如平均油耗，行駛里程，怠速工作時間等）經云計算自動建模分析后輸出大屏統計指標數據。用戶通過連接到車聯網平臺，從而實現車輛運行數據等信息的獲取。

圖2 車聯網網絡架構

1.3.4 系統安全

車聯網平臺基于4 層安全設計和離線安全分析保障設備的安全性，即安全防御層、通道安全層、身份安全、數據安全和離線數據分析。

2 系統功能設計

2.1 系統環境

與傳統上位機C/S 架構相比，B/S 架構可以更好地支持數據訪問。通過使用B/S 架構將數據存放在服務器上，更好地支持數據訪問。由于存儲在服務器上的數據通常經常更新，可以使用B/S 架構來實現對車輛實時數據的監控。

2.2 基于大數據的運行數據分析

大數據指的是數據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據源，經清洗、比對、分析、數據建模后，充分挖掘聯網車輛數據的價值。通過分析運行數據，系統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） 由北斗定位系統經平臺實時軌跡計算得出；

4）當地實時天氣（數據直連寧波氣象臺） 通過平臺API 接口實時調用氣象臺數據；

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）發動機運轉小時 發動機運行累計計時，可間斷，由平臺按秒計算換算成小時，精確到1 位小數；

7）停車及怠速小時 轉速小于等于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 根據平臺自動按日獲取單機油耗累加值/單機按日累計的發動機運轉小時，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）車輛在線數量指示 區分DCT/DCU 機型，分別顯示在線與離線設備數量。

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（設備移動的具體時間點）和平滑軌跡線（僅播放設備的移動軌跡）。時間顆粒度最小為秒，可以按播放鍵進行軌跡回放。

2.4 車輛實時數據及故障解析

車輛實時數據分析是指通過對車輛在港口內的實時數據進行采集、處理和分析，以獲取有關車輛狀態和性能的實時信息，為車輛的實時監測和預警、運行優化和調度、故障診斷和維修管理、實時監控等方面的支持。

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、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字式的故障代碼，對于一些復雜或嚴重的故障，需要專業的技術支持和維修人員進行解決。

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

2.5 系統特點

2.5.1 系統性能

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 相比自建車聯網MQTT 集群，提供更豐富的管理運維能力；

3）多形態部署，靈活擴展 基于云原生架構設計，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，保障數據的絕對安全。

3 系統應用分析

港口流動機械的車聯網大數據分析（以堆高機為例）是通過對堆高機的運行數據進行采集、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化運營。通過采集和分析的運行、故障和安全等方面的數據，幫助港口實現對堆高機的智能化管理和優化運營，提高效率、降低成本、提升安全性，流動機械遠程智能監控系統界面如圖3 所示。通過遠程智能監控系統可以實時監測不同堆高機車型DCU、DCT 在線設備數量，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，堆高機運行數據如圖4 所示。

圖3 流動機械遠程智能監控系統可視化大屏

圖4 堆高機運行數據

3.1 車機狀態分析

通過訪問智能監控系統，可對堆高機實時狀態進行多維分析，如堆高機實時位置、行駛速度、燃油油位、發動機轉速、發動機水位水溫的數據等情況，單機實時狀態如圖5 所示。

圖5 單機實時狀態

為了提供更全面的車輛監測和數據展示，該車聯網系統利用平臺圖表控件來充分呈現各項數據的趨勢。這些數據包括發動機轉速、油壓、行駛速度等關鍵參數。通過使用圖表控件，可以直觀地展示這些數據的變化趨勢。由此駕駛員和維修人員可以更清楚地了解車輛的狀態和性能。此外，系統還可根據設備狀態信息和需要，篩選各項數據進行系統分析，為車輛的保養和維修提供支持。

3.2 車機運動軌跡回放

通過對堆高機在港口內的移動軌跡數據進行采集、存儲、處理和分析，以獲取有關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據、時間數據和軌跡數據，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，維修人員需根據車輛手冊來查找車輛顯示屏的數字代碼所對應的故障。經反復跟蹤解碼，通過車聯網平臺算力將故障數字代碼轉譯為中文故障顯示，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 結語

智慧港口車聯網監控系統是基于車聯網和信息技術的應用系統，旨在實現對港口流動機械的實時監控和管理、數據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，確保港口生產的順利進行。

1）實時監測和預警 通過車聯網技術，可以實時監測流動機械的位置、運行狀態等信息，及時發現異常情況并進行預警，避免事故的發生。

2）運行優化和調度 分析流動機械的運行數據，了解其運行效率和資源利用情況，優化運行策略和調度計劃，提高運營效率和資源利用率。后期也可將車聯網監控系統與c-Tos 系統、設備管理系統等進行集成，實現信息的共享和協同。

3）故障診斷和維修管理 通過對流動機械的數據進行分析，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）實時監控和追蹤 通過車聯網技術，可以實時監控流動機械的位置和行為，提供實時的安全管理和追蹤。