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(tuán)有限公司 浙江 315813 3 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 湖北 430063
集裝箱港口碼頭基礎(chǔ)建設(shè)完善,道路規(guī)范,適合推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展,隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展,使港口流動(dòng)機(jī)械在傳感器融合、遠(yuǎn)程控制等多方面的數(shù)據(jù)信息傳輸要求得以實(shí)現(xiàn)[1],能更好地推進(jìn)智慧港口建設(shè)的進(jìn)程,滿足港口發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迫切需求。港口流動(dòng)機(jī)械通常具有復(fù)雜的硬件配置(包括傳感器、通信設(shè)備、定位裝置等),這些設(shè)備之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換需要有效的技術(shù)支持。港口流動(dòng)機(jī)械的數(shù)據(jù)往往存在孤島現(xiàn)象,即數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在各個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)中,缺乏有效的整合,傳統(tǒng)的手工式管理容易出現(xiàn)人為失誤和延遲,無法滿足對(duì)港口流動(dòng)機(jī)械的及時(shí)監(jiān)控和管理需求。
車聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)為智慧港口的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇[2]。車聯(lián)網(wǎng)是指將車輛、道路、云平臺(tái)和其他交通基礎(chǔ)設(shè)施通過信息通信技術(shù)相互連接,構(gòu)建起一個(gè)智能化、高效率的交通系統(tǒng)的概念[3]。車聯(lián)網(wǎng)通過將車輛與車輛之間、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間、車輛與云平臺(tái)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向信息傳輸和交互,實(shí)現(xiàn)了車輛之間的協(xié)同與通信,提供了各種智能化的交通服務(wù)和應(yīng)用[4]。姜竹勝等[5]著重介紹了車聯(lián)網(wǎng)在智能交通中的應(yīng)用事例,并進(jìn)行了具體分析;林坤鈺[6]基于車聯(lián)網(wǎng)的云端港口系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)無人駕駛車隊(duì)進(jìn)行了有效調(diào)度;郭曉晗等[7]提出了一種車聯(lián)網(wǎng)條件下的集裝箱卡車碰撞風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法,減小了目標(biāo)機(jī)動(dòng)過程中的觀測(cè)誤差;Yang Y S 等[8]提出了一種智能港口解決方案,并對(duì)其主要功能進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。上述研究主要涉及傳統(tǒng)道路交通領(lǐng)域,對(duì)于港口這一應(yīng)用場(chǎng)景而言存在一定差異,且大多數(shù)研究側(cè)重于常規(guī)車輛路徑規(guī)劃和危險(xiǎn)辨識(shí)等理論層面的探討。
作為流動(dòng)機(jī)械信息化的核心內(nèi)容之一,車聯(lián)網(wǎng)將使流動(dòng)機(jī)械具備與外界的交互能力,從而使港口交通體系的全局優(yōu)化和流動(dòng)機(jī)械運(yùn)行的最佳狀態(tài)成為可能?;谠圃軜?gòu),本文提出了一種基于SaaS(Software as a Service)的云原生車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作、高并發(fā)處理和資源彈性調(diào)配等功能。為了滿足高并發(fā)計(jì)算要求以及海量數(shù)據(jù)處理需求,開發(fā)出了各類基于B/S 架構(gòu)的云平臺(tái)。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)港口流動(dòng)機(jī)械CAN 總線通信上報(bào)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)管理,狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)定位和數(shù)據(jù)分析。通過將CAN 信號(hào)從車輛端經(jīng)清洗和解碼傳送到數(shù)據(jù)模塊,通過云網(wǎng)關(guān)無線通信方式,對(duì)車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息聚合并上報(bào)車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上搭建的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)底座能力。應(yīng)用結(jié)果表明,本系統(tǒng)對(duì)碼頭傳統(tǒng)港口流動(dòng)機(jī)械精細(xì)化數(shù)據(jù)管理具有一定的實(shí)用價(jià)值。
車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在道路交通領(lǐng)域的具體實(shí)踐應(yīng)用,極大減輕了駕駛?cè)藛T的工作量。車聯(lián)網(wǎng)借助以5G、人工智能等新一代信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)車與車、人、路、控制平臺(tái)之間的網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)在車聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)上對(duì)所有車輛的靜、動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行提取和利用,為駕駛?cè)颂峁┌踩⒏咝У慕煌ǚ?wù),將人從繁重的駕駛工作中解放出來。
基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)統(tǒng)一性,車聯(lián)網(wǎng)也包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。1)感知層:車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)來源,包括人、汽車、道路、環(huán)境等;2)網(wǎng)絡(luò)層:車聯(lián)網(wǎng)的通信基礎(chǔ)設(shè)施,參與上下層的協(xié)同工作;3)應(yīng)用層:車聯(lián)網(wǎng)的中間件以及應(yīng)用系統(tǒng),包括云計(jì)算中心、車輛監(jiān)控系統(tǒng)、道路管理系統(tǒng)、交通信息系統(tǒng)等。車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
港口流動(dòng)機(jī)械是指在港口進(jìn)行貨物裝卸、運(yùn)輸和堆放等作業(yè)過程中使用的各種移動(dòng)式機(jī)械設(shè)備。常見的港口流動(dòng)機(jī)械包括起重機(jī)、堆高機(jī)、裝卸機(jī)械等。堆高機(jī)主要用于貨物的堆放和搬運(yùn),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(yùn)。
1.3.1 港區(qū)概況
寧波某港區(qū)現(xiàn)共有流動(dòng)機(jī)械近500 臺(tái),空箱堆高機(jī)設(shè)備42 臺(tái),港區(qū)堆場(chǎng)面積大,流動(dòng)機(jī)械設(shè)備類型和批次繁多,包括起重機(jī)、堆高機(jī)、裝卸車等。統(tǒng)一管理和監(jiān)控這些設(shè)備較困難,需要針對(duì)不同設(shè)備制定相應(yīng)的管理策略和監(jiān)控方案。
1.3.2 系統(tǒng)需求
智慧港口車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與分析、路徑優(yōu)化和維護(hù)管理等功能,提升港口流動(dòng)機(jī)械的運(yùn)輸效率和管理水平。結(jié)合港口的實(shí)際生產(chǎn)和智慧港口建設(shè)的需要,要求平臺(tái)應(yīng)具有以下主要功能:
1)車輛定位和實(shí)時(shí)監(jiān)控 通過車載定位設(shè)備和通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)港口車輛的實(shí)時(shí)位置跟蹤和監(jiān)控,可以準(zhǔn)確獲取車輛的行駛軌跡、速度、狀態(tài)等信息,實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的運(yùn)行情況。
2)報(bào)警與異常處理 監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的各項(xiàng)指標(biāo),并根據(jù)設(shè)定的規(guī)則和閾值進(jìn)行報(bào)警和異常處理。
3)數(shù)據(jù)采集、分析及管理 監(jiān)控系統(tǒng)可以采集車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù),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(yùn)輸效率以及能源消耗等關(guān)鍵指標(biāo)。存儲(chǔ)、備份整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù),系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)的能力,確保港口車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)安全。
4)車輛管理和維護(hù) 監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)港口車輛進(jìn)行綜合管理,包括車輛檔案管理、行駛證等。同時(shí),系統(tǒng)可以提供對(duì)車輛維護(hù)和保養(yǎng)的提醒和管理,確保車輛的正常運(yùn)行和安全性。
5)數(shù)據(jù)可視化和報(bào)表生成 監(jiān)控系統(tǒng)可將采集到的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示,通過圖表等形式直觀呈現(xiàn)車輛的運(yùn)行情況和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。同時(shí),系統(tǒng)可以生成各種報(bào)表和分析結(jié)果,幫助管理人員進(jìn)行決策和評(píng)估。
結(jié)合功能需求,主要從響應(yīng)速度、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力、網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性、可擴(kuò)展性和可操作性進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)估。
1.3.3 系統(tǒng)架構(gòu)
基于車聯(lián)網(wǎng)的流動(dòng)機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是可視化和網(wǎng)絡(luò)化的智能車聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)控系統(tǒng),流動(dòng)機(jī)械車輛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的框架如圖2 所示。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由CAN 網(wǎng)關(guān)、云網(wǎng)關(guān)、流動(dòng)機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái))等組成。車輛數(shù)據(jù)通過運(yùn)營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)(4G/5G)無線通訊方式將運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行軌跡及設(shè)備故障報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳送至平臺(tái),平臺(tái)及時(shí)呈現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài),還將部分車輛上沒有的數(shù)據(jù)(如平均油耗,行駛里程,怠速工作時(shí)間等)經(jīng)云計(jì)算自動(dòng)建模分析后輸出大屏統(tǒng)計(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)。用戶通過連接到車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息的獲取。
圖2 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
1.3.4 系統(tǒng)安全
車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基于4 層安全設(shè)計(jì)和離線安全分析保障設(shè)備的安全性,即安全防御層、通道安全層、身份安全、數(shù)據(jù)安全和離線數(shù)據(jù)分析。
與傳統(tǒng)上位機(jī)C/S 架構(gòu)相比,B/S 架構(gòu)可以更好地支持?jǐn)?shù)據(jù)訪問。通過使用B/S 架構(gòu)將數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器上,更好地支持?jǐn)?shù)據(jù)訪問。由于存儲(chǔ)在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)通常經(jīng)常更新,可以使用B/S 架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
大數(shù)據(jù)指的是數(shù)據(jù)中包含了需要被分析的信息,基于云平臺(tái)彈性算力,本文將從車輛獲取到原始的數(shù)據(jù)源,經(jīng)清洗、比對(duì)、分析、數(shù)據(jù)建模后,充分挖掘聯(lián)網(wǎng)車輛數(shù)據(jù)的價(jià)值。通過分析運(yùn)行數(shù)據(jù),系統(tǒng)評(píng)估車輛的運(yùn)行效率、健康狀況和能源消耗情況。目前,畫面已呈現(xiàn)指標(biāo)包括:
1)當(dāng)日實(shí)時(shí)燃油油耗 提示當(dāng)日實(shí)時(shí)刷新的各機(jī)燃油消耗;
2)累計(jì)油耗占比 以餅圖顯示各機(jī)的按日累計(jì)油耗的占比及累計(jì)消耗;
3)當(dāng)日機(jī)車實(shí)時(shí)移動(dòng)距離(精確到米) 由北斗定位系統(tǒng)經(jīng)平臺(tái)實(shí)時(shí)軌跡計(jì)算得出;
4)當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)天氣(數(shù)據(jù)直連寧波氣象臺(tái)) 通過平臺(tái)API 接口實(shí)時(shí)調(diào)用氣象臺(tái)數(shù)據(jù);
5)當(dāng)年累計(jì)工作小時(shí)及低速工作小時(shí)雙棒圖 由平臺(tái)建模計(jì)算;
6)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí) 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行累計(jì)計(jì)時(shí),可間斷,由平臺(tái)按秒計(jì)算換算成小時(shí),精確到1 位小數(shù);
7)停車及怠速小時(shí) 轉(zhuǎn)速小于等于800 r/min 的時(shí)長,可間斷,由平臺(tái)按秒計(jì)算換算成小時(shí)。
8)平均油耗 根據(jù)平臺(tái)自動(dòng)按日獲取單機(jī)油耗累加值/單機(jī)按日累計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí),得出該值,時(shí)間越長計(jì)算越準(zhǔn);
9)CO2累計(jì)排放 由累計(jì)燃油消耗換算的CO2排放量,單位為噸;
10)車輛在線數(shù)量指示 區(qū)分DCT/DCU 機(jī)型,分別顯示在線與離線設(shè)備數(shù)量。
通過軌跡回放查看車輛運(yùn)行軌跡,包括精確軌跡點(diǎn)(設(shè)備移動(dòng)的具體時(shí)間點(diǎn))和平滑軌跡線(僅播放設(shè)備的移動(dòng)軌跡)。時(shí)間顆粒度最小為秒,可以按播放鍵進(jìn)行軌跡回放。
車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析是指通過對(duì)車輛在港口內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析,以獲取有關(guān)車輛狀態(tài)和性能的實(shí)時(shí)信息,為車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警、運(yùn)行優(yōu)化和調(diào)度、故障診斷和維修管理、實(shí)時(shí)監(jiān)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(yǎng)、故障預(yù)防等步驟,旨在確定故障原因并采取相應(yīng)的解決措施,以恢復(fù)車輛的正常運(yùn)行。需要注意的是,港口流動(dòng)機(jī)械不同于家用車,車輛顯示屏僅可顯示數(shù)字式的故障代碼,對(duì)于一些復(fù)雜或嚴(yán)重的故障,需要專業(yè)的技術(shù)支持和維修人員進(jìn)行解決。
為了便于客戶充分利用云生態(tài)進(jìn)行個(gè)性化的車輛維護(hù)管理,系統(tǒng)還預(yù)留了釘釘報(bào)警自動(dòng)實(shí)時(shí)推送和統(tǒng)計(jì)功能模塊。
2.5.1 系統(tǒng)性能
1)高可靠,高安全 支持雙副本容災(zāi),故障時(shí)可秒級(jí)切換,SLA 達(dá)99.99%,通過了等保2.0 三級(jí)認(rèn)證;
2)低成本 相比自建車聯(lián)網(wǎng)MQTT 集群,提供更豐富的管理運(yùn)維能力;
3)多形態(tài)部署,靈活擴(kuò)展 基于云原生架構(gòu)設(shè)計(jì),支持多云部署;
4)多種策略保障鏈路安全 平臺(tái)提供多種安全保障策略,保障數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全。
港口流動(dòng)機(jī)械的車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析(以堆高機(jī)為例)是通過對(duì)堆高機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理和分析,從中提取有效信息,以支持堆高機(jī)的智能化管理和優(yōu)化運(yùn)營。通過采集和分析的運(yùn)行、故障和安全等方面的數(shù)據(jù),幫助港口實(shí)現(xiàn)對(duì)堆高機(jī)的智能化管理和優(yōu)化運(yùn)營,提高效率、降低成本、提升安全性,流動(dòng)機(jī)械遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖3 所示。通過遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同堆高機(jī)車型DCU、DCT 在線設(shè)備數(shù)量,當(dāng)日堆高機(jī)實(shí)時(shí)燃油消耗情況、當(dāng)日實(shí)時(shí)移動(dòng)距離、累計(jì)油耗、平均油耗等,堆高機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖4 所示。
圖3 流動(dòng)機(jī)械遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)可視化大屏
圖4 堆高機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)
通過訪問智能監(jiān)控系統(tǒng),可對(duì)堆高機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行多維分析,如堆高機(jī)實(shí)時(shí)位置、行駛速度、燃油油位、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)水位水溫的數(shù)據(jù)等情況,單機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)如圖5 所示。
圖5 單機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)
為了提供更全面的車輛監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)展示,該車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)利用平臺(tái)圖表控件來充分呈現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)。這些數(shù)據(jù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油壓、行駛速度等關(guān)鍵參數(shù)。通過使用圖表控件,可以直觀地展示這些數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。由此駕駛員和維修人員可以更清楚地了解車輛的狀態(tài)和性能。此外,系統(tǒng)還可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息和需要,篩選各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,為車輛的保養(yǎng)和維修提供支持。
通過對(duì)堆高機(jī)在港口內(nèi)的移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理和分析,以獲取有關(guān)堆高機(jī)移動(dòng)軌跡信息,堆高機(jī)精確軌跡點(diǎn)、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(jī)的位置數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù),為堆高機(jī)運(yùn)動(dòng)行為分析等方面提供支持。
圖6 車輛軌跡分析
在堆高機(jī)的維修過程中,維修人員需根據(jù)車輛手冊(cè)來查找車輛顯示屏的數(shù)字代碼所對(duì)應(yīng)的故障。經(jīng)反復(fù)跟蹤解碼,通過車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)算力將故障數(shù)字代碼轉(zhuǎn)譯為中文故障顯示,大幅提高了維修人員對(duì)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
智慧港口車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是基于車聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)港口流動(dòng)機(jī)械的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理、數(shù)據(jù)采集與分析和維護(hù)管理等功能,從而提高港口運(yùn)輸效率和管理水平,確保港口生產(chǎn)的順利進(jìn)行。
1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警 通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流動(dòng)機(jī)械的位置、運(yùn)行狀態(tài)等信息,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行預(yù)警,避免事故的發(fā)生。
2)運(yùn)行優(yōu)化和調(diào)度 分析流動(dòng)機(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù),了解其運(yùn)行效率和資源利用情況,優(yōu)化運(yùn)行策略和調(diào)度計(jì)劃,提高運(yùn)營效率和資源利用率。后期也可將車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與c-Tos 系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)等進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)信息的共享和協(xié)同。
3)故障診斷和維修管理 通過對(duì)流動(dòng)機(jī)械的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以診斷故障的原因和位置,提供準(zhǔn)確的故障診斷和維修指導(dǎo),減少停機(jī)時(shí)間。
4)實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤 通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實(shí)時(shí)監(jiān)控流動(dòng)機(jī)械的位置和行為,提供實(shí)時(shí)的安全管理和追蹤。