基于NB-IoT技術的港口柔性調度系統

摘 要：在我國，港口經濟貿易占有重要地位，約95%的進出口貨物通過海運完成，2023年前3季度，全國港口完成貨物吞吐量125.40億噸。由此可見，港口的調度系統尤為重要，可以直接影響物流成本和運輸安全。傳統的港口大多通過人工操作進行調度，但存在信息利用率低、人工成本高、誤差大等缺點。為了提升港口的智能化水平，提高港口的經濟效益，提出了一種基于NB-IoT技術的港口柔性調度系統，根據港口調度系統的通信特征和柔性調度最優點問題進行優化管理，綜合考慮港口的吞吐量、能耗、環境影響等因素，實現港口的高效運作和自適應管理，為港口的智能化和柔性化提供了一種新的思路方法。

關鍵詞：港口經濟；柔性調度；智能化管理；NB-IoT技術；系統優化；數據通信

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-04

0 引 言

目前，信息技術發展迅速，在港口調度上的應用也日益廣泛，如5G通信系統改進通信方式[1]、粒子群優化調度方法[2]等。這對于國內較大的青島港、大連港、天津港等是適用的。青島港一天的貨物吞吐量大約為64.9萬箱，承載了中國北方大量的貨物出口任務，目前已經實現了港口全智能化、機械化、自動化[3]。而對于中小型港口，這種方式成本較高，可能造成通信資源浪費的問題。對于不同的港口，要考慮通信的覆蓋范圍、信號質量、干擾程度、網絡容量、網絡成本等因素，此外，還要考慮調度系統的開發成本、實施成本等，因此設計一個適合港口業務需求的調度系統十分必要。

據《中華人民共和國交通運輸行業標準》公布的數據，現代大型港口的調度系統主要可以分為窄帶通信系統和寬帶通信系統，窄帶通信系統主要用于語音通信和數據傳輸，帶寬一般為12.5～25 kHz，頻率范圍為300～500 MHz或800～900 MHz；寬帶通信系統主要用于視頻監控和數據高速傳輸，帶寬一般為1.4 MHz或20 MHz，其頻率范圍為1.8～2.6 GHz或3.5～5.8 GHz。針對上述數據，可以使用NB-IoT技術中提供的一種低功耗廣域網（LPWAN），使其滿足部分帶寬、頻率條件，當遇到大數據傳輸時，利用多接口多通道的分流方式通信。而針對數據通信優先級問題，本文也設計了一種柔性調度策略，即將具體事物模型化，給出實際問題參數值，根據參數值判定事物的優先級，參數值由數據量以及集群的狀態和負載而定。

1 NB-IoT技術

1.1 NB-IoT技術概述

NB-IoT技術是一種LPWAN技術，專門用于連接使用無線蜂窩網絡的各種智能傳感器和設備。它是基于蜂窩技術的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things）技術[4-5]，是3GPP LTE Release 13的新增網絡協議，與現有LTE網絡兼容，也可以基于GSM網絡部署。NB-IoT技術框架眾多，如信息服務、開放接口、通信設施解析器、多語言解析器、大數據引擎、數據庫模擬備份，等等。當下，NB-IoT技術的數據傳輸速率雖不及5G技術，但是當把數據傳輸、設備移動定位、覆蓋面、成本效益都作為衡量技術的指標時，其價值尤為突出。NB-IoT網絡通信架構如圖1所示。

1.2 NB-IoT技術特點

NB-IoT技術主要有低功耗、低成本、大連接、覆蓋廣、架構優等特點[6-7]。也正是憑借著這些優勢，NB-IoT技術能夠在網絡信息傳輸領域得到廣泛應用。

（1）低功耗

NB-IoT技術的低功耗特點體現在多點上行速率僅為56 Kb/s，理想下行速率為21.25 Kb/s，遠低于傳統的移動通信技術，與此同時也滿足了物聯網設備的基本需求。這一特點可以降低數據傳輸的功耗，提高網絡系統的覆蓋面，減少對頻譜資源的占用，提高頻譜利用率，不僅如此，還可以簡化設備的硬件架構和協議棧，降低設備的復雜度和維度，提升系統穩定性。

（2）低成本

NB-IoT的硬件設備（通信模塊和芯片成本低），國際價格一般不超過5美元，其不需要單獨建網，也不需要對基站中樞進行升級，網絡系統覆蓋成本低。

（3）大連接

NB-IoT技術可以支持大量設備同時進行數據的上行下傳，其扇區眾多，每個扇區能夠支持約10萬個接口，對應的是，目前大多數無線傳輸技術只具備50～100倍的接口數。另一方面，在具有低功耗的同時，NB-IoT技術也可以提高頻譜利用率，支持對更多設備的連接。

（4）覆蓋廣

NB-IoT具有廣泛的覆蓋范圍，其采用低頻段，信號穿透力強，可以穿透厚巖石層、混凝土建筑物等，實現遠距離的物聯網連接。此外，NB-IoT也可以部署更多的基站，滿足不同復雜情況下需求的同時實現更廣闊的覆蓋范圍。

（5）架構優

NB-IoT可以無縫接入現有的LTE網絡，高層協議-物理層也是基于此標準制定的，對多連接、低功耗和少數據的特性進行了部分修改，降低了設備的復雜度。

1.3 NB-IoT部署方式

NB-IoT物聯網技術有3種部署方式，它們分別是帶內部署、保護帶部署和獨立部署[8]。

（1）帶內部署

直接利用LTE載波中間的資源塊來部署NB-IoT，其占用200 kHz的帶寬（可與LTE的PCI相同，也可不同）。帶內部署方式最大程度上利用現有的LTE網絡，并且無需額外的頻譜資源。

（2）保護帶部署

利用LTE頻段邊緣的保護頻帶180 kHz來部署NB-IoT，可以避免NB-IoT與LTE相互干擾，既不占用LTE資源，也無需額外的頻譜資源。

（3）獨立部署

利用GSM的信道帶寬200 kHz來部署NB-IoT，可以重復利用GSM的網絡設備和頻譜資源，適合于GSM網絡的過渡和升級。獨立部署方式不依賴LTE，與LTE網絡完全解耦。

2 柔性調度

2.1 柔性調度概述

柔性調度是一種生產管理方式，常見的應用領域有柔性制造系統（FMS）、柔性作業車間（FJSP）、柔性流水線（FLP）等，柔性調度根據生產環境的不同靈活改變和安排生產任務，動態利用系統資源，提高系統的利用率和吞吐量。總的來說，柔性調度是指在面對多任務多工序時，系統如何選擇調度的問題[9-10]。

柔性調度有適應性、多樣性和協調性等特點，能夠根據市場需求、生產條件、設備狀態對過程進行動態優化，并能夠同時處理多種類型任務，協調生產系統中的各個環節，保證生產的順暢和高效。

2.2 柔性調度模型建立

在模型建立前，假設本文中模型所處環境恒定，不受其他因素影響，港口中的柔性調度保證每道工序在提出相應請求時都能夠盡量在第一時間被接受。

約束條件：

（1）每個程序中，工件按照順序依次進行加工：

（1）

式中：i表示工件序號，i=1， 2， 3， ...， Ni；j表示設備序號，j=1， 2， 3， ...， Nj；k表示程序編號，k=1， 2， 3， ...， Nk；f為測試函數；Xijk表示i工件的第k個程序在第j個設備上的加工時間；Yijk表示i工件的第k個程序在第j個設備上的結束時間；設定Q1ijk表示某工件在加工時優先級最高，Q0ijk為普通工件。

（2）每個設備上即將加工的工序按照先后順序依次加工：

（2）

式中：R1ijhgk表示某兩個工件在同一個設備中加工，并且工件i的第j個程序的優先級相比工件h的第g個程序的優先級更高；R0ijhgk表示兩個工件的優先級相同。

2.3 柔性調度流程

本文的柔性調度流程如下：

Step1：定義工序、工件、設備以及時間變量；

Step2：利用工件、程序以及設備參數得出相應測試函數值，判斷優先級數值；

Step3：得出每個工件每個程序的開始和結束時間；

Step4：加入約束條件，避免系統死鎖和程序沖撞；

Step5：判斷工序號、工件號以及設備號，若完成所有工件加工，則結束系統程序，否則進入下一次循環。

3 融入NB-IoT的柔性調度問題

在目前國內的大多數中小型港口的數據傳輸過程中，其窄帶通信需要的帶寬一般為12.5～25 kHz，頻率范圍為300～500 MHz，寬帶通信需要的帶寬一般為1.4 MHz或20 MHz，頻率范圍為1.8～2.6 GHz。NB-IoT的上行鏈路射頻帶寬與下行鏈路射頻帶寬均為180 kHz。NB-IoT采用窄帶寬頻分多址技術，其載波帶寬為180 kHz，相當于LTE中一個物理資源塊的頻寬，即12個子載波×15 kHz/子載波=180 kHz。NB-IoT的傳輸速率與上下行鏈路射頻帶寬有關，下行峰值速率為160～250 Kb/s，上行峰值速率為160～200 Kb/s。

據以上數據可知，在窄帶通信中，融入NB-IoT技術之后，港口的調度通信在沒有其他因素影響的條件下可以實現數據自由傳輸，保證網絡順暢。但是，在寬帶通信中，僅僅使用NB-IoT技術不足以支撐數據通路。這時本文引入柔性調度思想，將程序賦予優先級參數，避免系統數據通路堵塞，達到優化數據上行、下行流量的目的。

（1）窄帶通信

一般情況下，窄帶通信用于港口調度系統中的語音傳輸等小型數據傳輸模塊，其數據量小，當多個子系統同時產生響應時，利用NB-IoT多接口實現數據分流。

圖2為港口調度系統窄帶通信網絡，當請求數目過多時，NB-IoT網絡會憑借大量接口的優勢對請求進行分流，然后由集線器傳向各個子服務器。

（2）寬帶通信

寬帶通信一般用于港口調度系統中的視頻監控、大型機器命令等高速數據傳輸，由于其數據量龐大、密集，單獨利用NB-IoT多接口實現數據分流并不能滿足需求。本文融入了柔性調度策略，將大量的數據請求賦予優先級數值和約束條件，將終端服務器發出的數據命令分到各個程序道，按照優先級進行加工。

圖3為港口調度系統寬帶通信網絡，用于處理數據量龐大時產生的網絡擁堵、程序死鎖等問題。當數據命令過多時，負載均衡器首先會發出命令，使NB-IoT網絡將數據命令轉送至程序件處理器，經過處理函數f和優先級序列G賦值之后返還給NB-IoT網絡，并將數據命令分配給多個執行程序。

4 系統設計

4.1 系統概述

本文設計的基于NB-IoT技術的港口柔性調度系統結合了物聯網平臺、柔性調度算法以及Web前端用戶界面。根據前文分析的港口調度系統中存在的問題，這里可以將系統分為以下幾個管理模塊：港口人員信息管理、集裝箱調度管理、起重吊橋調度管理、船只停泊管理。

4.2 系統功能設計

本文所設計的系統按照模塊進行劃分，各模塊之間數據互通，避免出現信息孤島現象。系統角色只有管理員，此系統在終端服務器，處理界面在港口的超級計算機中，保證系統的安全。

（1）港口人員信息管理模塊：分為裝卸工作人員信息管理、地面貨物調度人員管理、外來人員信息管理。裝卸工作人員管理是對港口內所有裝卸工作人員以及塔吊執行工作人員的信息進行操作和維護；地面貨物調度人員管理是對負責地面貨物分配裝卸工作人員以及港口內管理人員的信息進行操作和維護；外來人員信息管理是對每天進出港口的人員的信息進行操作和維護。

（2）集裝箱調度管理模塊：分為集裝箱貨物信息管理、集裝箱柔性調度管理。集裝箱貨物信息管理是對每天進出港口的集裝箱貨物信息進行操作和維護；集裝箱柔性調度管理是根據NB-IoT網絡和柔性調度策略對貨物量和數據流量進行動態分析并實時顯示先后裝配順序的管理。

（3）起重吊橋調度管理模塊：分為起重機吊橋信息管理、起重器吊橋工作分配管理。起重機吊橋信息管理是對港口內所有起重機吊橋信息進行操作和維護；起重器吊橋工作分配管理是根據NB-IoT網絡和柔性調度策略對貨物量和起重機吊橋工作數據流量進行動態分析后調整工作順序。

（4）船只停泊管理模塊：此功能主要是對進出港口的船只進行信息操作和維護，以及動態分析停泊船只信息；港口的終端系統根據分析的數據指引船只停泊到具體位置。

港口調度系統功能架構如圖4所示。

5 結 語

隨著物聯網技術的發展和應用，港口作為國際貿易的重要節點，也面臨著提高效率、降低成本、增強競爭力的挑戰。為了適應港口運營的復雜性和不確定性，實現港口的智能化和柔性化管理，本文提出了一種基于NB-IoT技術的港口柔性調度系統。

NB-IoT是一種基于蜂窩的窄帶物聯網技術，具有低功耗、低成本、高集成度、深度覆蓋、大連接數等特點，適合于港口的各種場景，如集裝箱、車輛、船舶、設備、環境等的監測和控制。本文設計了基于NB-IoT的港口物聯網架構，實現了港口的貨物調度，以及數據傳輸、分析和優化。

本文以某港口為例，分析了港口的調度需求，設計了基于NB-IoT的港口柔性調度系統的功能模塊，包括港口人員信息管理、集裝箱調度管理、起重吊橋調度管理、船只停泊管理等，實現了港口的動態調度和智能決策。基于NB-IoT的港口柔性調度系統是物聯網技術在港口領域的一種創新應用，為實現港口的智能化和柔性化調度提供了一種新的思路和方法。該系統還有待進一步完善和優化，如提高NB-IoT的網絡性能和安全性、增加港口的數據來源和類型、擴展港口的應用場景和功能，以實現港口的全面智能化和柔性化調度。

注：本文通訊作者為馮鋒。

參考文獻

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作者簡介：任慶欣（1999—），男，研究方向為物聯網技術及應用。

馮 鋒（1971—），男，博士，教授，研究方向為信息系統工程、物聯網技術及應用。

收稿日期：2024-01-27 修回日期：2024-03-04

基金項目：寧夏自然科學基金重點項目（2024AAC02011）