智慧港口车联网监控系统设计与应用

钟晓晖 唐道贵 虞富刚 陆 玮 张夕寅

1 宁波北仑第三集装箱码头有限公司 浙江 315813 2 宁波舟山港集团有限公司 浙江 315813 3 武汉理工大学交通与物流工程学院 湖北 430063

0 引言

集装箱港口码头基础建设完善，道路规范，适合推动车联网技术发展，随着通信技术的高速发展，使港口流动机械在传感器融合、远程控制等多方面的数据信息传输要求得以实现[1]，能更好地推进智慧港口建设的进程，满足港口发展车联网技术的迫切需求。港口流动机械通常具有复杂的硬件配置（包括传感器、通信设备、定位装置等），这些设备之间的互联和数据交换需要有效的技术支持。港口流动机械的数据往往存在孤岛现象，即数据分散存储在各个设备或系统中，缺乏有效的整合，传统的手工式管理容易出现人为失误和延迟，无法满足对港口流动机械的及时监控和管理需求。

车联网、云计算等新一代信息技术为智慧港口的发展带来了新的机遇[2]。车联网是指将车辆、道路、云平台和其他交通基础设施通过信息通信技术相互连接，构建起一个智能化、高效率的交通系统的概念[3]。车联网通过将车辆与车辆之间、车辆与基础设施之间、车辆与云平台之间进行实时的双向信息传输和交互，实现了车辆之间的协同与通信，提供了各种智能化的交通服务和应用[4]。姜竹胜等[5]着重介绍了车联网在智能交通中的应用事例，并进行了具体分析；林坤钰[6]基于车联网的云端港口系统后台对无人驾驶车队进行了有效调度；郭晓晗等[7]提出了一种车联网条件下的集装箱卡车碰撞风险辨识方法，减小了目标机动过程中的观测误差；Yang Y S 等[8]提出了一种智能港口解决方案，并对其主要功能进行了详细设计。上述研究主要涉及传统道路交通领域，对于港口这一应用场景而言存在一定差异，且大多数研究侧重于常规车辆路径规划和危险辨识等理论层面的探讨。

作为流动机械信息化的核心内容之一，车联网将使流动机械具备与外界的交互能力，从而使港口交通体系的全局优化和流动机械运行的最佳状态成为可能。基于云原生架构，本文提出了一种基于SaaS（Software as a Service）的云原生车联网系统架构，实现了多节点协同工作、高并发处理和资源弹性调配等功能。为了满足高并发计算要求以及海量数据处理需求，开发出了各类基于B/S 架构的云平台。本系统可以实现对现场港口流动机械CAN 总线通信上报数据的精准管理，状态显示、实时定位和数据分析。通过将CAN 信号从车辆端经清洗和解码传送到数据模块，通过云网关无线通信方式，对车辆实时数据进行信息聚合并上报车联网平台。在此基础上搭建的车联网监控系统及大数据分析的基础底座能力。应用结果表明，本系统对码头传统港口流动机械精细化数据管理具有一定的实用价值。

1 车联网系统

1.1 车联网技术概述及其架构

车联网是物联网在道路交通领域的具体实践应用，极大减轻了驾驶人员的工作量。车联网借助以5G、人工智能等新一代信息技术，实现车与车、人、路、控制平台之间的网络连接，实现在车联网控制平台上对所有车辆的静、动态信息进行提取和利用，为驾驶人提供安全、高效的交通服务，将人从繁重的驾驶工作中解放出来。

基于物联网的架构统一性，车联网也包括感知层、网络层、应用层。1）感知层：车联网的数据来源，包括人、汽车、道路、环境等；2）网络层：车联网的通信基础设施，参与上下层的协同工作；3）应用层：车联网的中间件以及应用系统，包括云计算中心、车辆监控系统、道路管理系统、交通信息系统等。车联网网络架构如图1 所示。

图1 车联网网络架构

1.2 流动机械概述

港口流动机械是指在港口进行货物装卸、运输和堆放等作业过程中使用的各种移动式机械设备。常见的港口流动机械包括起重机、堆高机、装卸机械等。堆高机主要用于货物的堆放和搬运，具有较高的起升高度和载重能力，适用于集装箱、散装货物等的堆放和搬运。

1.3 车联网系统平台的总体设计

1.3.1 港区概况

宁波某港区现共有流动机械近500 台，空箱堆高机设备42 台，港区堆场面积大，流动机械设备类型和批次繁多，包括起重机、堆高机、装卸车等。统一管理和监控这些设备较困难，需要针对不同设备制定相应的管理策略和监控方案。

1.3.2 系统需求

智慧港口车联网监控系统通过实时监控、数据采集与分析、路径优化和维护管理等功能，提升港口流动机械的运输效率和管理水平。结合港口的实际生产和智慧港口建设的需要，要求平台应具有以下主要功能：

1）车辆定位和实时监控 通过车载定位设备和通信技术，实现对港口车辆的实时位置跟踪和监控，可以准确获取车辆的行驶轨迹、速度、状态等信息，实时监控车辆的运行情况。

2）报警与异常处理 监控系统能实时监测车辆的各项指标，并根据设定的规则和阈值进行报警和异常处理。

3）数据采集、分析及管理 监控系统可以采集车辆的运行数据，包括行驶里程、油耗等信息。通过分析，可以获取港口车辆的使用情况、运输效率以及能源消耗等关键指标。存储、备份整个系统的关键数据，系统具备数据安全和隐私保护的能力，确保港口车辆的运行数据安全。

4）车辆管理和维护 监控系统可以对港口车辆进行综合管理，包括车辆档案管理、行驶证等。同时，系统可以提供对车辆维护和保养的提醒和管理，确保车辆的正常运行和安全性。

5）数据可视化和报表生成 监控系统可将采集到的车辆数据进行可视化展示，通过图表等形式直观呈现车辆的运行情况和相关统计数据。同时，系统可以生成各种报表和分析结果，帮助管理人员进行决策和评估。

结合功能需求，主要从响应速度、网络负载能力、网络传输可靠性、可扩展性和可操作性进行系统性能评估。

1.3.3 系统架构

基于车联网的流动机械远程监控系统是可视化和网络化的智能车联网在线监控系统，流动机械车辆联网系统的框架如图2 所示。车联网系统由CAN 网关、云网关、流动机械远程监控平台（以下简称车联网平台）等组成。车辆数据通过运营商蜂窝网络（4G/5G）无线通讯方式将运行状态、运行轨迹及设备故障报警信息实时传送至平台，平台及时呈现实时状态，还将部分车辆上没有的数据（如平均油耗，行驶里程，怠速工作时间等）经云计算自动建模分析后输出大屏统计指标数据。用户通过连接到车联网平台，从而实现车辆运行数据等信息的获取。

图2 车联网网络架构

1.3.4 系统安全

车联网平台基于4 层安全设计和离线安全分析保障设备的安全性，即安全防御层、通道安全层、身份安全、数据安全和离线数据分析。

2 系统功能设计

2.1 系统环境

与传统上位机C/S 架构相比，B/S 架构可以更好地支持数据访问。通过使用B/S 架构将数据存放在服务器上，更好地支持数据访问。由于存储在服务器上的数据通常经常更新，可以使用B/S 架构来实现对车辆实时数据的监控。

2.2 基于大数据的运行数据分析

大数据指的是数据中包含了需要被分析的信息，基于云平台弹性算力，本文将从车辆获取到原始的数据源，经清洗、比对、分析、数据建模后，充分挖掘联网车辆数据的价值。通过分析运行数据，系统评估车辆的运行效率、健康状况和能源消耗情况。目前，画面已呈现指标包括：

1）当日实时燃油油耗 提示当日实时刷新的各机燃油消耗；

2）累计油耗占比 以饼图显示各机的按日累计油耗的占比及累计消耗；

3）当日机车实时移动距离（精确到米） 由北斗定位系统经平台实时轨迹计算得出；

4）当地实时天气（数据直连宁波气象台） 通过平台API 接口实时调用气象台数据；

5）当年累计工作小时及低速工作小时双棒图 由平台建模计算；

6）发动机运转小时 发动机运行累计计时，可间断，由平台按秒计算换算成小时，精确到1 位小数；

7）停车及怠速小时 转速小于等于800 r/min 的时长，可间断，由平台按秒计算换算成小时。

8）平均油耗 根据平台自动按日获取单机油耗累加值/单机按日累计的发动机运转小时，得出该值，时间越长计算越准；

9）CO2累计排放 由累计燃油消耗换算的CO2排放量，单位为吨；

10）车辆在线数量指示 区分DCT/DCU 机型，分别显示在线与离线设备数量。

2.3 轨迹分析

通过轨迹回放查看车辆运行轨迹，包括精确轨迹点（设备移动的具体时间点）和平滑轨迹线（仅播放设备的移动轨迹）。时间颗粒度最小为秒，可以按播放键进行轨迹回放。

2.4 车辆实时数据及故障解析

车辆实时数据分析是指通过对车辆在港口内的实时数据进行采集、处理和分析，以获取有关车辆状态和性能的实时信息，为车辆的实时监测和预警、运行优化和调度、故障诊断和维修管理、实时监控等方面的支持。

车辆故障解析包括收集故障信息、故障诊断与分析、维修保养、故障预防等步骤，旨在确定故障原因并采取相应的解决措施，以恢复车辆的正常运行。需要注意的是，港口流动机械不同于家用车，车辆显示屏仅可显示数字式的故障代码，对于一些复杂或严重的故障，需要专业的技术支持和维修人员进行解决。

为了便于客户充分利用云生态进行个性化的车辆维护管理，系统还预留了钉钉报警自动实时推送和统计功能模块。

2.5 系统特点

2.5.1 系统性能

1）高可靠，高安全 支持双副本容灾，故障时可秒级切换，SLA 达99.99%，通过了等保2.0 三级认证；

2）低成本 相比自建车联网MQTT 集群，提供更丰富的管理运维能力；

3）多形态部署，灵活扩展 基于云原生架构设计，支持多云部署；

4）多种策略保障链路安全 平台提供多种安全保障策略，保障数据的绝对安全。

3 系统应用分析

港口流动机械的车联网大数据分析（以堆高机为例）是通过对堆高机的运行数据进行采集、存储、处理和分析，从中提取有效信息，以支持堆高机的智能化管理和优化运营。通过采集和分析的运行、故障和安全等方面的数据，帮助港口实现对堆高机的智能化管理和优化运营，提高效率、降低成本、提升安全性，流动机械远程智能监控系统界面如图3 所示。通过远程智能监控系统可以实时监测不同堆高机车型DCU、DCT 在线设备数量，当日堆高机实时燃油消耗情况、当日实时移动距离、累计油耗、平均油耗等，堆高机运行数据如图4 所示。

图3 流动机械远程智能监控系统可视化大屏

图4 堆高机运行数据

3.1 车机状态分析

通过访问智能监控系统，可对堆高机实时状态进行多维分析，如堆高机实时位置、行驶速度、燃油油位、发动机转速、发动机水位水温的数据等情况，单机实时状态如图5 所示。

图5 单机实时状态

为了提供更全面的车辆监测和数据展示，该车联网系统利用平台图表控件来充分呈现各项数据的趋势。这些数据包括发动机转速、油压、行驶速度等关键参数。通过使用图表控件，可以直观地展示这些数据的变化趋势。由此驾驶员和维修人员可以更清楚地了解车辆的状态和性能。此外，系统还可根据设备状态信息和需要，筛选各项数据进行系统分析，为车辆的保养和维修提供支持。

3.2 车机运动轨迹回放

通过对堆高机在港口内的移动轨迹数据进行采集、存储、处理和分析，以获取有关堆高机移动轨迹信息，堆高机精确轨迹点、平滑轨迹线及轨迹回放如图6 所示。即通过采集、分析堆高机的位置数据、时间数据和轨迹数据，为堆高机运动行为分析等方面提供支持。

图6 车辆轨迹分析

3.3 车辆故障解析

在堆高机的维修过程中，维修人员需根据车辆手册来查找车辆显示屏的数字代码所对应的故障。经反复跟踪解码，通过车联网平台算力将故障数字代码转译为中文故障显示，大幅提高了维修人员对车辆故障的可读性，解析流程如图7 所示。

图7 车辆故障解析流程

4 结语

智慧港口车联网监控系统是基于车联网和信息技术的应用系统，旨在实现对港口流动机械的实时监控和管理、数据采集与分析和维护管理等功能，从而提高港口运输效率和管理水平，确保港口生产的顺利进行。

1）实时监测和预警 通过车联网技术，可以实时监测流动机械的位置、运行状态等信息，及时发现异常情况并进行预警，避免事故的发生。

2）运行优化和调度 分析流动机械的运行数据，了解其运行效率和资源利用情况，优化运行策略和调度计划，提高运营效率和资源利用率。后期也可将车联网监控系统与c-Tos 系统、设备管理系统等进行集成，实现信息的共享和协同。

3）故障诊断和维修管理 通过对流动机械的数据进行分析，可以诊断故障的原因和位置，提供准确的故障诊断和维修指导，减少停机时间。

4）实时监控和追踪 通过车联网技术，可以实时监控流动机械的位置和行为，提供实时的安全管理和追踪。