智慧港口高精度定位技術的應用討論

王燕偉，霍思宇，張 瀾（.中訊郵電咨詢設計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中訊郵電咨詢設計院有限公司成都分公司，四川成都 60000）

0 前言

港口作為交通運輸的樞紐和對外交流的窗口，在促進國際貿易和地區發展中起著舉足輕重的作用。隨著對外貿易的不斷提升，中國已經成為港口強國，2020 年全球港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量排名前10 的港口中，中國占7 席。隨著全球經濟一體化和數字信息科技的快速發展，港口之間的競爭逐漸演變成全球網絡及港口所處生態圈之間的競爭。

智慧港口是工業互聯網的一個熱點，目前人工碼頭整體自動化程度較低，人工成本較高［1］；同時，自動化的裝卸貨、龍門吊橋吊的遠程控制、AGV/IGV 集卡控制、無人機巡檢等場景，不僅需要5G 網絡提供數據通信保障，更需要高精度地圖的精準定位支持［2］，以滿足智慧港口特定場景自動化改造的需求。

因此，本文首先從整體方案入手，介紹了定位系統的總體架構；再從定位技術、系統組成、基礎數據等3 個方面，討論了智慧港口高精度定位技術的部署應用方案。

1 定位系統總體架構

1.1 需求描述

智慧港口的實現，需要傳感定位技術將港口碼頭［5］集裝箱運輸車、岸橋、場橋、堆高機等設備位置進行精確采集并有效處理［3］，同時結合碼頭高精度地圖，實現碼頭作業設備的精準位置可視化展示、動態跟蹤、運動軌跡實時監控、設定電子圍欄進行危險區域誤入報警等功能。對位置信息的精準采集就需要在港區部署一套高精度定位系統，為全港區提供精準位置信息的采集處理能力。高精度定位系統如圖1 所示［4］，主要包括參考站網（地基增強系統）子系統、數據通信子系統、核心云平臺、邊緣云（MEC）計算平臺、用戶應用子系統（應用終端）。

圖1 高精度定位系統

整體上，港口對于定位的需求［7］如下。

a）精確性：根據用戶實際定位精度的應用需求，提供厘米級、亞米級、米級的定位精度。

b）連續性：高精度車載終端在室外具有全天候的高精度定位性能，各功能系統需具有連續運行且正常工作的能力，即在時間上有連續的可用性。

c）覆蓋性：在作業區域內的任何地理區域，定位信息必須不間斷地提供給各功能系統，即在空間上有全區域的可用性。

d）可靠性和安全性：各功能系統相互獨立運行，具有各自的控制終端，使其具有連續正常工作的能力，并能夠檢測和報告本身發生的故障。

e）可維護性：各功能系統的技術和使用必須綜合考慮預防性維護和校正性維護等因素，從而使各功能系統的生命周期成本最小。

f）可擴充性：一方面，可進行功能擴展，保持系統的實用性；另一方面，能夠與攝像頭系統等用戶已具備的業務系統實現對接和拓展。

g）分級管理：系統需要滿足多級管理結構，滿足港口對不同區域分級管理的需要。

通過對港口主要應用場景的分析，用戶按照精度可以分為毫米級、厘米級、分米級、亞米級、米級等幾類。按應用場景則可劃分為作業人員的定位、內外集卡的定位、港機設備的定位、港區內的定位導航以及基礎設施的監測檢測等應用，各應用使用不同精度的差分信息。通過系統的事后數據服務可達到毫米級定位精度，通過實時數據服務則可獲得厘米級定位精度。其對定位精度、可用性及實時性要求如表1所示。

表1 不同場景對應精度需求列表

1.2 整體方案

定位系統架構包括應用層、服務層、數據層與數據采集層，平臺可根據業務需求靈活配置，如圖2 所示。

圖2 定位系統架構

1.2.1 數據采集

a）功能介紹。數據采集層也是感知層，通過定位基站、定位標簽、衛星、移動終端等采集位置數據，然后傳輸到系統數據層進行存儲與解算處理。在室內，利用定位基站與定位標簽采集位置數據。在室外，利用衛星、基站、移動終端或定位模組等方式采集位置數據。

b）支持多種技術。在分析室內外多種定位技術后，計劃采用可靈活接入多種技術定位設備的數據采集層設計，針對室內外、不同精度、不同工況等多維度需求，提供多種定位設備滿足日常管理和運營需求。同時，數據采集層將采用模塊化組件設計，將常用功能接口封裝，使系統具備多類型新設備的接入能力。

1.2.2 數據層

a）功能介紹。數據層負責將采集到的數據及業務相關聯的數據進行分類存儲；業務數據存入關系型數據庫，提供穩定的業務支撐；熱點數據存入緩存數據庫，提高響應效率；高頻率基礎數據存入非關系型數據庫，提高吞吐量；文件服務器提供大容量的文件存儲服務，減少其他數據庫的IO 壓力。

b）支持數據互通。針對多級數據存儲、多應用系統互通等需求，數據庫將采用關系型與非關系型結合的方式，分別用于存儲業務數據和基礎原始數據，平衡日常使用響應速率和數據存儲容量。同時，編制元數據字典，規范存儲數據格式，為數據庫數據格式統一和打通其他業務平臺數據做好支撐。

1.2.3 服務層

a）功能介紹。服務層負責業務數據及基礎數據的加工處理，使業務與基礎數據之間建立業務關聯，或提供直接的調用接口，為應用層提供有效穩定的支撐。

b）支持功能拓展。為滿足應用場景對部署環境、系統穩定性等方面的要求，服務層功能采用技術微服務架構實現，各功能模塊之間相互獨立，使系統具備強魯棒性。同時封裝API 接口，支持本地部署及網絡服務調用雙模式，滿足多系統的統一服務模塊，避免同一功能重復建設。靈活的模塊化設計也便于未來拓展新的服務功能，使系統具備強拓展性。

1.2.4 應用層

a）功能介紹。應用層包括PC 管理后臺與WAP工作臺，PC 管理后臺提供基礎數據配置、實時位置可視化、歷史軌跡播放、數據分析統計等功能。WAP 工作臺提供實時位置可視化、歷史軌跡播放、數據分析統計等功能。

b）支持自定義業務。針對各類應用場景業務種類繁多、安全要求高、存在個性化管理制度的需求，提供面向管理及運營人員、領導、普通員工不同功能權限分配的PC 端及移動端應用，支持人員、車輛、設備等多對象的實時位置查詢、地理圍欄繪制、歷史軌跡復現、巡檢路徑規劃、數據統計查詢等基礎服務。同時，支持基礎功能靈活配置管理和運營，如危險預警、人員疏散、低電量告警、危險區域警告、攝像頭視頻聯動等功能。

2 系統介紹

2.1 定位技術

本系統支持多種定位技術接入，可以基于系統穩定性、成本及定位精度的需求，選擇1種或幾種合適的定位技術。針對港口以室外定位為主，定位的對象主要包括集卡、人員、設備等，采取LBS 基站和北斗衛星定位相結合的定位方式。

位置服務平臺基于地基增強網觀測的衛星信號建立誤差模型，完成RTD/單頻RTK 的差分信息實時解算，通過互聯網提供7×24 h 高可用信號播發服務。終端通過4G/5G 等移動通信手段接入平臺，接收差分信息并回傳位置數據；平臺提供數據存儲、坐標轉換、地理圍欄和空間分析等能力，進行業務場景匹配，形成整體解決方案。

2.2 系統組成

如1.2 節中的定位系統架構所示，根據應用層的不同場景需求以及不同權限用戶的查詢渠道差別，可分為PC端應用和移動端應用。

a）PC 端應用：為系統管理后臺，通過管理后臺可以對地圖、設備（基站、標簽、終端等）、被定位用戶（人、車輛、設備等）進行基礎數據管理、可視化用戶的實時位置與播放歷史軌跡等，且可對用戶定位場景進行事件配置，觸發事件會及時記錄與觸發告警，并提供多維度的位置數據、用戶數據、設備數據、事件數據等統計分析。

b）WAP 應用：主要提供給手機等移動端查看用戶位置可視化展示、播放歷史軌跡、事件信息、數據統計分析等。

同時，在應用層中，需要通過系統中的功能模塊，在軟件層面操作和實現定位功能。系統包括工作臺、事件管理、地圖管理、定位設備管理、位置服務、定位對象管理、系統設置7個功能模塊組成。

其中工作臺根據用戶系統權限，支持個性化可視效果和數據統計，同時根據業務需求預設了功能快捷入口；事件管理針對各類應用場景的業務需求，支持自定義業務功能設計，前期可內置相應業務管理事件。

2.2.1 工作臺

工作臺支持管理和運營人員日常工作，包含人員、車輛、物品的地圖可視化展示，數據分析，以及常用配置快捷入口等。根據系統應用又分為PC 端工作臺和WAP工作臺。

a）PC端工作臺。PC 端工作臺是系統管理后臺的工作臺，用戶可使用管理員設置的賬戶密碼登錄，分為可視化展示［6］和數據分析兩大主要功能。

（a）可視化展示：定位設備（基站設備、標簽設備）在地圖上的實時位置信息、設備狀態信息、電子圍欄信息、綁定定位標簽的人員、車輛、物品的最新事件信息（事件可在事件管理模塊靈活配置，包括異常停留、危險預警、出入管理等）和歷史軌跡查詢與復現等。

（b）數據分析：顯示基站、在線標簽、人員、車輛、物品，以及觸發的事件數量，并以圖表的形式統計出當天、一周內及本月的數據情況，支持自定義時段等多維度數據查詢及統計數據表格化下載導出。

b）WAP 工作臺。在WAP 工作臺的登錄頁，可支持管理員和普通用戶2 種登錄模式，用戶可使用手機號碼進行登錄，方便管理人員和普通用戶移動辦公。

（a）管理員用戶：在管理員用戶登錄時展示項目的設備（基站設備、標簽設備）在地圖的實時位置信息與設備狀態信息，還包括地圖圍欄信息與標簽最新事件信息，管理員用戶可通過軌跡復現功能查看所有標簽的歷史軌跡。數據分析可顯示在線基站數、標簽在線數、事件數和正常定位，并以圖表的形式統計出當天、一周內及本月的數據量。

（b）普通用戶：可以查詢自身實時位置及自己的歷史軌跡，支持廠區導航及危險區域預警等自定義事件功能。

2.2.2 事件管理

事件管理結合位置服務和用戶管理提供靈活的工作流配置，滿足各場景下所需的功能，包括事件名稱、觸發動作、時間周期、選定用戶、提醒內容等。為滿足定位需求，系統可內置多種事件。

2.2.3 地圖管理

地圖管理支持地理信息存儲及同地圖關聯管理，提供在線地圖、離線地圖與自定義地圖管理與發布。

a）支持發布地圖，支持發布標準的REST 服務，支持OGC 標準等行業標準，提供地圖相關的功能，包括地圖瀏覽、縮放、查詢、鷹眼、動態投影、圖層管理等。

b）支持連接第三方地圖API 的SDK，實現互聯互通。

c）支持三維場景、影像、矢量數據的在線網絡發布，可以實現縮放、漫游、多種方式查詢等GIS 基本功能。

d）支持使用矢量、影像、地形、模型、地圖等圖層的緩存數據以及整個場景的緩存。

e）支持二、三維一體化，可渲染海量數據，如地形、精模等；支持三維網絡分析、三維空間分析，如通視、路徑及緩沖區分析等。

2.2.4 定位設備管理

a）基站管理。基站管理功能模塊界面顯示基站的編號、名稱、所在地圖、坐標和設備狀態等信息，通過基站名稱或編碼可查詢基站信息，點擊“新增基站”可新增基站，對已增加的基站可編輯或刪除（見圖3）。

圖3 基站管理功能模塊界面展示

b）標簽管理。標簽管理功能模塊界面顯示標簽的編號、類型、所屬用戶、綁定狀態及標簽設備的運行狀態等信息，還可對標簽進行解綁和刪除操作。點擊“新增標簽”添加不同類型的標簽并對其編碼，同種類型的標簽也可批量新增（見圖4）。

2.2.5 位置服務

系統提供的位置服務包括實時定位服務、電子圍欄服務、軌跡復現服務與路徑規劃等服務。

a）實時定位。通過被定位人、物等佩戴的定位標簽實時返回位置數據，經系統解算以及相關業務處理后，在系統中實時顯示人、物等相關的位置信息。

b）電子圍欄。基于定位服務，通過在定位地圖上虛擬繪制出一個地理邊界，當定位標簽進入、離開某個特定地理區域，或在該區域內活動時，可以觸發相應的配置事件，如員工簽到打卡、危險區域管理等。管理和運營人員可以自行繪制電子圍欄，對圍欄進行命名等管理操作，并在事件管理中配置相應入欄、出欄、停留時長等事件，對員工、車輛、物品進行區域管理。

c）軌跡服務。基于定位服務，系統會記錄所有標簽歷史位置信息，通過查詢標簽歷史位置信息，使每個位置坐標點在地圖上進行連線，并渲染出坐標點在該連線上移動的動畫效果。管理和運營人員可以查詢綁定定位標簽的員工、車輛、物品的歷史軌跡并回放。

d）路徑規劃。基于定位服務，通過標簽位置獲取指定的歷史軌跡，然后系統進行路徑平滑處理，結合定位設備實現避障，為機器人、飛行器等巡邏業務場景進行路徑規劃。管理和運營人員可以預先規劃員工、車輛的行進路徑，并在事件管理中進行分配。

2.2.6 定位對象管理

定位對象管理中的定位對象指對佩戴標簽的被定位用戶，包含人員、車輛、物品等，該功能包括了標簽用戶與分組管理。標簽用戶功能模塊界面展示如圖5所示。

a）標簽用戶。可以對綁定定位標簽的人員、車輛、物品信息進行增刪改查，支持批量EXCEL 上傳信息，同時還可以和標簽進行綁定、解綁。

b）分組管理。主要為綁定標簽的定位對象進行分組，在使用綁定標簽對象信息時，可提供方便快捷的組別信息。

2.2.7 系統設置

包括賬戶管理、角色管理、用戶類別、操作日志4種功能。

a）賬戶管理。用戶可以在賬戶管理中添加新用戶并設置用戶的標簽，還可對所存在用戶進行增刪改查。

b）角色管理。設置超級管理員、領導、員工等角色，針對不同角色設置不同權限。

c）用戶類別。對每一類用戶進行管理和圖標配置。

d）操作日志。可查看用戶操作記錄。

3 結論

隨著信息技術的不斷發展及智慧化進程加速，智慧港口的自動化、網聯化、智能化是必然發展趨勢。本文從定位系統的架構入手，介紹了諸如自動化的裝卸貨、龍門吊橋吊的遠程控制等場景中均使用到高精度定位的能力，討論了智慧港口高精度定位技術的部署應用方案。通過搭建一套高精度定位系統，可以提供精準的位置信息，從而提升港口作業效率和智能化水平。