智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)設(shè)計

郭晶云

（天津港信息技術(shù)發(fā)展有限公司 天津市 300456）

為建設(shè)世界領(lǐng)先的智慧感知型港口，更好滿足多層次、敏捷化、高品質(zhì)的港口裝卸運輸服務要求，實現(xiàn)作業(yè)體系人、機、物的無縫連接，需要利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)、智能控制等新一代信息技術(shù)與港口運輸業(yè)務進行深度融合。新型感知港口的作業(yè)體系應具有生產(chǎn)智能、管理智慧、服務柔性、保障有力等鮮明特征。

漢堡港通過打造智慧道路實時收集并處理港區(qū)內(nèi)交通信息，提高集疏運及海運的效率，緩解港區(qū)擁堵現(xiàn)象[1]。漢堡港利用物聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術(shù)實現(xiàn)了交通數(shù)據(jù)的實時采集及上傳，并借助統(tǒng)一的平臺處理港區(qū)內(nèi)的交通狀況，保證了交通的順暢性，有效降低了運輸主體的等待時間，提升了客戶滿意度。

國內(nèi)外領(lǐng)先實踐的案例和應用對于智慧港口有諸多啟示。通過智能化設(shè)備和應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升港口作業(yè)運營效率和安全性。此外，在港區(qū)物聯(lián)網(wǎng)體系及設(shè)備設(shè)施智能化升級的基礎(chǔ)上，通過整合港口物流生態(tài)圈各方數(shù)據(jù)資源，為各參與方提供基于全程物流的數(shù)據(jù)增值服務。因此，為推動港口運營方式變革，合理的規(guī)劃港口物聯(lián)網(wǎng)平臺顯得尤為重要。

1 物聯(lián)網(wǎng)平臺規(guī)劃

構(gòu)建港口物聯(lián)網(wǎng)平臺，首先需分析物聯(lián)網(wǎng)平臺的價值，明確智慧港口物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的目標。

1.1 智慧港口物聯(lián)網(wǎng)總體設(shè)計目標

智慧港口物聯(lián)網(wǎng)總體設(shè)計目標是建設(shè)覆蓋集裝箱碼頭、散雜貨碼頭、滾裝碼頭及其倉儲、堆場、集卡的綜合管控平臺。依托于物聯(lián)網(wǎng)綜合管控平臺能夠?qū)崿F(xiàn)港口運營與物流數(shù)據(jù)的自動采集、生產(chǎn)活動的遠程監(jiān)控、運營過程的安全預警等功能，為港口運營過程管理提供有效支撐。通過港口運營流程的優(yōu)化、管理流程的優(yōu)化、資源配置的優(yōu)化，實現(xiàn)港口運營方式的變革、生產(chǎn)效率的提高、管理水平的提升。 物聯(lián)網(wǎng)平臺的應用能夠帶來港口在物流價值鏈上的提升：

（1）物聯(lián)網(wǎng)平臺的應用優(yōu)化了港口資源利用率，降低運營成本，提升生產(chǎn)效率，為作業(yè)人員提供安全與工作環(huán)境；

（2）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的應用帶來商業(yè)模式創(chuàng)新，推動產(chǎn)品與服務的融合；

（3）通過物聯(lián)網(wǎng)平臺驅(qū)動港口上下游市場，能夠有效促進產(chǎn)業(yè)融合及生態(tài)互聯(lián)；

（4）物聯(lián)網(wǎng)末端感知能力能夠滿足港口對用戶需求的連續(xù)感應，通過對用戶行為的自動化分析，實現(xiàn)資源投放的優(yōu)化。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)主要監(jiān)控對象和內(nèi)容

智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺的核心作用在于對港區(qū)運營環(huán)境中各類設(shè)施設(shè)備生產(chǎn)過程中的狀態(tài)、變化趨勢進行實時或準實時的信息監(jiān)控、反饋?；谖锫?lián)網(wǎng)平臺所收集的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對運營過程的控制和預警，輔助實現(xiàn)生產(chǎn)指揮和決策。

港口物聯(lián)網(wǎng)的核心監(jiān)控對象是道路、橋梁、樓宇、船舶、碼頭、倉庫、堆場、集卡、場橋等。具體監(jiān)控及應用場景分類說明如下：

1.2.1 集裝箱碼頭

圖1：港口物聯(lián)網(wǎng)整體能力框架

圖2：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)示意圖

圖3：物碼設(shè)計與數(shù)據(jù)集成關(guān)系圖

通過監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的運行情況，實現(xiàn)對集裝箱進場、堆存、理貨、裝船等環(huán)節(jié)的全過程監(jiān)控。

1.2.2 散雜貨碼頭

通過采集碼頭運輸設(shè)備、現(xiàn)場的實時生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對港區(qū)流動機械定位跟蹤、車輛定位跟蹤和車速反饋。涉及?；返拇a頭增加對危化品的溫度、濕度等指標的監(jiān)控，在出現(xiàn)指標異常時可自動預警報警。

1.2.3 堆場

通過采集、統(tǒng)計、匯總、定位堆場運營物資位置，實現(xiàn)對堆場現(xiàn)場及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)施情況的查詢。堆場、站庫、管網(wǎng)的生產(chǎn)狀態(tài)應支持實時查詢，同時增加對關(guān)鍵設(shè)備運行狀況的采集、診斷與分析、預測預警。

1.2.4 倉庫

通過倉庫關(guān)鍵設(shè)備狀況的采集、診斷與分析及監(jiān)控，實現(xiàn)對倉庫、貨物的實時生產(chǎn)狀態(tài)查詢及預測預警。倉庫管理中心集中展示運營、加工、儲運、銷售信息。

1.2.5 設(shè)施

通過采集港區(qū)內(nèi)的橋梁、道路的使用情況和磨損程度信息，完成設(shè)施數(shù)據(jù)實時上傳、診斷及運行狀況分析，實現(xiàn)潛在風險的預測和預警。

2 港口物聯(lián)網(wǎng)整體能力

港口物聯(lián)網(wǎng)整體能力框架見圖1。

2.1 港口物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與傳輸功能

2.1.1 通信支撐與安全管理

通信網(wǎng)絡(luò)應具備監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，滿足港口運營網(wǎng)與辦公網(wǎng)的全面覆蓋。無線設(shè)備數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)接口應遵循統(tǒng)一的標準協(xié)議。

在物聯(lián)網(wǎng)邊緣安全管理上，需要加強網(wǎng)絡(luò)間的安全隔離（如增加網(wǎng)閘、防火墻等）及設(shè)備的安全鑒別。

2.1.2 實時數(shù)據(jù)采集與傳輸

采集設(shè)備需要明確通信接口標準及性能要求。規(guī)范RTU 通信接口應遵循的標準，保障通信的穩(wěn)定性和一致性。規(guī)范RTU 數(shù)據(jù)存儲標準，保障RTU 配置的標準化和設(shè)備的互通互換。

2.1.3 視頻圖像監(jiān)控

視頻圖像監(jiān)控應滿足對作業(yè)現(xiàn)場運營狀況及重點區(qū)域監(jiān)控。視頻監(jiān)控業(yè)務通常上行數(shù)據(jù)量大，因此對帶寬要求高。

根據(jù)無線信道資源占用情況，可動態(tài)調(diào)整視頻編碼方式。視頻監(jiān)控設(shè)備應具備多點視頻同步傳輸能力，用戶可通過監(jiān)控中心或者客戶端切換查看不同的監(jiān)控點。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控功能

2.2.1 運營過程監(jiān)測

運營過程監(jiān)控是智慧港口中的一種重要業(yè)務形態(tài)。運營過程監(jiān)控一方面實現(xiàn)了對港區(qū)內(nèi)物、人的監(jiān)控（如各類超限告警、計量異常告警等），滿足港口集團對港區(qū)運營狀況的實時跟蹤要求。另一方面實現(xiàn)對港區(qū)物聯(lián)設(shè)備自動檢測功能（如設(shè)備自檢及告警、故障統(tǒng)計分析等）。

2.2.2 遠程控制

圖4：物聯(lián)網(wǎng)運營管理子系統(tǒng)示意圖

圖5：數(shù)據(jù)價值發(fā)現(xiàn)技術(shù)支撐示例

遠程控制是借助物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)的一項重要的智慧港口技術(shù)。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶、閘口、集卡、橋吊等設(shè)備的遠程控制功能，主要包括：船舶泊位優(yōu)化、閘口無人控制、集卡線路調(diào)整、橋吊遠程控制、倉貨調(diào)配等。

2.2.3 物聯(lián)設(shè)備管理

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備種類繁多，必須要加強對物聯(lián)設(shè)備統(tǒng)一管理與維護。

物聯(lián)設(shè)備管理系統(tǒng)應支持物聯(lián)設(shè)備檔案檢索、自檢參數(shù)配置、設(shè)備自檢告警信息查詢和故障統(tǒng)計分析功能，支持物聯(lián)網(wǎng)前端RFID、射頻、手持終端等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。同時，物聯(lián)設(shè)備管理需要實現(xiàn)終端設(shè)備在線狀態(tài)檢查，可通過心跳監(jiān)測或檢查設(shè)備是否按預定時間傳輸數(shù)據(jù)來判斷設(shè)備運行狀態(tài)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)管理與分析功能

2.3.1 數(shù)據(jù)管理

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)主要來源于物聯(lián)設(shè)備采集、相關(guān)系統(tǒng)集成。因數(shù)據(jù)類型繁多，數(shù)據(jù)格式不一，必須制定相應的數(shù)據(jù)標準、質(zhì)量與安全規(guī)范，加強對采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理。

針對相關(guān)系統(tǒng)集成分享的數(shù)據(jù)，必須制定數(shù)據(jù)集成標準。對于數(shù)據(jù)管理相關(guān)工作應與大數(shù)據(jù)平臺統(tǒng)籌考慮。

2.3.2 運營報表

通過對物聯(lián)網(wǎng)平臺過程監(jiān)控、遠程控制、物聯(lián)設(shè)備故障管理的相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，形成物聯(lián)網(wǎng)運營報表。可根據(jù)實時數(shù)據(jù)和報表模版自動生成運行報表，實現(xiàn)運營報表自動生成功能。

2.3.3 運營分析與診斷

物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的目的是提升智慧港口運營水平，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提升港口對運營情況的分析與預測能力，保障港口穩(wěn)定運營。通過對運營現(xiàn)場敏感性參數(shù)分析（如運量、能耗、時效的變化趨勢等），可以預測港口運營狀況的發(fā)展趨勢。

2.3.4 全局分析與決策支持

在集團層面，展示企業(yè)范圍內(nèi)各分子公司在一段時間內(nèi)的運營狀況，包括各企業(yè)的實時運營狀況、變化趨勢，有助于幫助企業(yè)高層做出戰(zhàn)略決策。

3 物聯(lián)網(wǎng)平臺重點建設(shè)任務

明確了港口物聯(lián)網(wǎng)能力藍圖后，還需要確定物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)的重點任務。主要包括：

（1）基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)分析，可以借助大數(shù)據(jù)平臺整合建設(shè)；

（2）建設(shè)運營管理子系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行的運營管控服務開發(fā)的應用系統(tǒng)；

（3）建設(shè)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)，用于支持監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的傳輸；

（4）建設(shè)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)，用于采集運營現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)和視頻。

為構(gòu)建智慧港口物聯(lián)網(wǎng)平臺，應重點建設(shè)運營管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和采集與監(jiān)控子系統(tǒng)。

具體來說，采集與監(jiān)控子系統(tǒng)由運營動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，部署在港區(qū)碼頭、場庫等運營現(xiàn)場。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要由通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，包括有線和無線通信網(wǎng)絡(luò)。運營管理子系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管控服務開發(fā)的應用系統(tǒng)，部署在集裝箱、散雜貨、碼頭等分公司和集團總部。

運營管理、數(shù)據(jù)傳輸、采集與監(jiān)控三個子系統(tǒng)的系統(tǒng)定位和主要功能目標定義如下：

（1）運營管理子系統(tǒng)。運營管理子系統(tǒng)是采用數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建的涵蓋港區(qū)運營實時監(jiān)測、運營分析、安全預警、運營調(diào)度、數(shù)據(jù)管理等功能的管理系統(tǒng)。其定位在于建成統(tǒng)一的港口智慧港區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管控平臺。在此基礎(chǔ)上，提供支持港區(qū)運營、物流跟蹤等過程的監(jiān)控、分析、管理的應用。

（2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)采用無線和有線相結(jié)合的組網(wǎng)方式，為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、運營管理子系統(tǒng)提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸。本系統(tǒng)由辦公網(wǎng)和生產(chǎn)網(wǎng)兩部分組成。其定位在于建立統(tǒng)一規(guī)范的、覆蓋港區(qū)各種環(huán)境條件的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（3）采集與監(jiān)控子系統(tǒng)。采集與監(jiān)控子系統(tǒng)是采用傳感和控制技術(shù)構(gòu)建的港區(qū)地面運營各環(huán)節(jié)的運行參數(shù)采集、運營環(huán)境的自動監(jiān)測、運營過程的自動控制和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)。其定位在于通過制定標準規(guī)范，建成一套標準的港區(qū)運營現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)、運營過程狀態(tài)采集系統(tǒng)。同時，該系統(tǒng)支持運營現(xiàn)場作業(yè)的自動化檢測和控制、報警聯(lián)動等。

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)示意圖見圖2。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)的建設(shè)需遵循以下若干原則：

（1）為滿足智慧港口運營要求，規(guī)定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備必須滿足質(zhì)量、功能、性能標準的最低要求；

（2）所選設(shè)備滿足國家及行業(yè)標準的最低規(guī)定；

（3）提高設(shè)備的通用性。為保護、保證智慧港口的有效投資，規(guī)避來自于因技術(shù)、商業(yè)不規(guī)范帶來的風險與損失；

（4）提升設(shè)備的可擴展性，有利于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)適應技術(shù)的持續(xù)發(fā)展；

（5）保證設(shè)備的先進性，引入無線技術(shù)提升系統(tǒng)的可維護性，減少建設(shè)投資；

（6）物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需使用主流成熟的自動化軟硬件技術(shù)，能夠提升港口運營的安全水平，達到高效、節(jié)能、增產(chǎn)的目的。

該子系統(tǒng)應遵循的建設(shè)規(guī)范包括：規(guī)范RTU 通信接口應遵循的規(guī)范，RTU 應具有RS485，RS232、以太網(wǎng)通信接口，保障通信的穩(wěn)定和一致性；規(guī)范RTU 數(shù)據(jù)存儲，明確RTU 系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)存儲地址，保障RTU 配置的標準化和設(shè)備的互通互換。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

港口物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)采集與傳輸功能必須要有標準的通信協(xié)議。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的建設(shè)原則包括：

（1）RTU 應支持MODBUS RTU 協(xié)議、MODBUS TCP/IP 協(xié)議，宜支持DNP3.0 協(xié)議。對于涉及無線儀表通信場景，RTU 應支持Zigbee 或WIA 通信技術(shù)。同時，在各碼頭內(nèi)部應使用同一種無線協(xié)議。

（2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)在覆蓋生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)情況下，建設(shè)過程中要加強生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)的安全隔離。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)信息互聯(lián)的要求，港口物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)的建設(shè)要求對所采集的物品使用唯一編碼規(guī)則，物碼設(shè)計與數(shù)據(jù)集成關(guān)系圖見圖3。

港口物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)由辦公網(wǎng)和生產(chǎn)網(wǎng)組成，采用有線和無線結(jié)合的方式進行建設(shè)。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范主要包括一下幾個方面：

（1）有線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應遵循有線傳輸網(wǎng)絡(luò)性能要求，遵循港口集團局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)建設(shè)規(guī)定；

（2）無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應遵循無線通信技術(shù)性能、適用范圍及頻譜資源選擇要求；

（3）數(shù)據(jù)傳輸應滿足視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸性能要求。

物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能還可以通過與相關(guān)系統(tǒng)的集成和實時共享來實現(xiàn)。

3.3 運營管理子系統(tǒng)

運營管理子系統(tǒng)建設(shè)，以支撐智慧港口業(yè)務為目標，通過物聯(lián)網(wǎng)運營過程監(jiān)控、遠程控制，進行定制性應用開發(fā)，實現(xiàn)對港區(qū)運營實時監(jiān)測、運營分析、安全預警、運營調(diào)度、數(shù)據(jù)管理等智慧功能。運營管理子系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)平臺、企業(yè)業(yè)務系統(tǒng)間的集成關(guān)系需要統(tǒng)籌考慮。物聯(lián)網(wǎng)運營管理子系統(tǒng)示意圖見圖4。

港口物聯(lián)網(wǎng)運營管理子系統(tǒng)建設(shè)，需要對貿(mào)易流視圖構(gòu)建源數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)價值發(fā)現(xiàn)技術(shù)支撐示例圖見圖5。

艙單和船圖中的信息是非結(jié)構(gòu)化的，其中包含的各種貨物描述格式也沒有統(tǒng)一規(guī)范，所以需要利用機器學習和文本挖掘等數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行預處理，作為貨物類型識別和貿(mào)易流分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

港口物聯(lián)網(wǎng)平臺以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，結(jié)合港口智能應用和大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化港口內(nèi)部作業(yè)循環(huán)效率，拓展綜合服務能力，滿足了船舶聯(lián)盟化和大型化對港口服務及時、高效和安全的要求。物聯(lián)網(wǎng)平臺的應用為智慧港口所有業(yè)務提供統(tǒng)一的接入管理，帶來生產(chǎn)效率的提高，也進一步推動港口運營方式的變革和企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。