智慧港口物联网平台架构设计

郭晶云

（天津港信息技术发展有限公司 天津市 300456）

为建设世界领先的智慧感知型港口，更好满足多层次、敏捷化、高品质的港口装卸运输服务要求，实现作业体系人、机、物的无缝连接，需要利用云计算、物联网技术、移动互联、智能控制等新一代信息技术与港口运输业务进行深度融合。新型感知港口的作业体系应具有生产智能、管理智慧、服务柔性、保障有力等鲜明特征。

汉堡港通过打造智慧道路实时收集并处理港区内交通信息，提高集疏运及海运的效率，缓解港区拥堵现象[1]。汉堡港利用物联网及无线通信技术实现了交通数据的实时采集及上传，并借助统一的平台处理港区内的交通状况，保证了交通的顺畅性，有效降低了运输主体的等待时间，提升了客户满意度。

国内外领先实践的案例和应用对于智慧港口有诸多启示。通过智能化设备和应用物联网技术提升港口作业运营效率和安全性。此外，在港区物联网体系及设备设施智能化升级的基础上，通过整合港口物流生态圈各方数据资源，为各参与方提供基于全程物流的数据增值服务。因此，为推动港口运营方式变革，合理的规划港口物联网平台显得尤为重要。

1 物联网平台规划

构建港口物联网平台，首先需分析物联网平台的价值，明确智慧港口物联网建设的目标。

1.1 智慧港口物联网总体设计目标

智慧港口物联网总体设计目标是建设覆盖集装箱码头、散杂货码头、滚装码头及其仓储、堆场、集卡的综合管控平台。依托于物联网综合管控平台能够实现港口运营与物流数据的自动采集、生产活动的远程监控、运营过程的安全预警等功能，为港口运营过程管理提供有效支撑。通过港口运营流程的优化、管理流程的优化、资源配置的优化，实现港口运营方式的变革、生产效率的提高、管理水平的提升。 物联网平台的应用能够带来港口在物流价值链上的提升：

（1）物联网平台的应用优化了港口资源利用率，降低运营成本，提升生产效率，为作业人员提供安全与工作环境；

（2）物联网数据的应用带来商业模式创新，推动产品与服务的融合；

（3）通过物联网平台驱动港口上下游市场，能够有效促进产业融合及生态互联；

（4）物联网末端感知能力能够满足港口对用户需求的连续感应，通过对用户行为的自动化分析，实现资源投放的优化。

1.2 物联网主要监控对象和内容

智慧港口物联网平台的核心作用在于对港区运营环境中各类设施设备生产过程中的状态、变化趋势进行实时或准实时的信息监控、反馈。基于物联网平台所收集的信息，能够实现对运营过程的控制和预警，辅助实现生产指挥和决策。

港口物联网的核心监控对象是道路、桥梁、楼宇、船舶、码头、仓库、堆场、集卡、场桥等。具体监控及应用场景分类说明如下：

1.2.1 集装箱码头

图1：港口物联网整体能力框架

图2：数据采集与监控子系统示意图

图3：物码设计与数据集成关系图

通过监控生产设备的运行情况，实现对集装箱进场、堆存、理货、装船等环节的全过程监控。

1.2.2 散杂货码头

通过采集码头运输设备、现场的实时生产状态数据，实现对港区流动机械定位跟踪、车辆定位跟踪和车速反馈。涉及危化品的码头增加对危化品的温度、湿度等指标的监控，在出现指标异常时可自动预警报警。

1.2.3 堆场

通过采集、统计、汇总、定位堆场运营物资位置，实现对堆场现场及物联网设备设施情况的查询。堆场、站库、管网的生产状态应支持实时查询，同时增加对关键设备运行状况的采集、诊断与分析、预测预警。

1.2.4 仓库

通过仓库关键设备状况的采集、诊断与分析及监控，实现对仓库、货物的实时生产状态查询及预测预警。仓库管理中心集中展示运营、加工、储运、销售信息。

1.2.5 设施

通过采集港区内的桥梁、道路的使用情况和磨损程度信息，完成设施数据实时上传、诊断及运行状况分析，实现潜在风险的预测和预警。

2 港口物联网整体能力

港口物联网整体能力框架见图1。

2.1 港口物联网数据采集与传输功能

2.1.1 通信支撑与安全管理

通信网络应具备监测数据和视频数据传输的能力，满足港口运营网与办公网的全面覆盖。无线设备数据存储及数据接口应遵循统一的标准协议。

在物联网边缘安全管理上，需要加强网络间的安全隔离（如增加网闸、防火墙等）及设备的安全鉴别。

2.1.2 实时数据采集与传输

采集设备需要明确通信接口标准及性能要求。规范RTU 通信接口应遵循的标准，保障通信的稳定性和一致性。规范RTU 数据存储标准，保障RTU 配置的标准化和设备的互通互换。

2.1.3 视频图像监控

视频图像监控应满足对作业现场运营状况及重点区域监控。视频监控业务通常上行数据量大，因此对带宽要求高。

根据无线信道资源占用情况，可动态调整视频编码方式。视频监控设备应具备多点视频同步传输能力，用户可通过监控中心或者客户端切换查看不同的监控点。

2.2 物联网实时监控功能

2.2.1 运营过程监测

运营过程监控是智慧港口中的一种重要业务形态。运营过程监控一方面实现了对港区内物、人的监控（如各类超限告警、计量异常告警等），满足港口集团对港区运营状况的实时跟踪要求。另一方面实现对港区物联设备自动检测功能（如设备自检及告警、故障统计分析等）。

2.2.2 远程控制

图4：物联网运营管理子系统示意图

图5：数据价值发现技术支撑示例

远程控制是借助物联网平台实现的一项重要的智慧港口技术。通过物联网平台能够实现对船舶、闸口、集卡、桥吊等设备的远程控制功能，主要包括：船舶泊位优化、闸口无人控制、集卡线路调整、桥吊远程控制、仓货调配等。

2.2.3 物联设备管理

物联网数据采集设备种类繁多，必须要加强对物联设备统一管理与维护。

物联设备管理系统应支持物联设备档案检索、自检参数配置、设备自检告警信息查询和故障统计分析功能，支持物联网前端RFID、射频、手持终端等设备的数据采集。同时，物联设备管理需要实现终端设备在线状态检查，可通过心跳监测或检查设备是否按预定时间传输数据来判断设备运行状态。

2.3 物联网管理与分析功能

2.3.1 数据管理

物联网数据主要来源于物联设备采集、相关系统集成。因数据类型繁多，数据格式不一，必须制定相应的数据标准、质量与安全规范，加强对采集数据的质量管理。

针对相关系统集成分享的数据，必须制定数据集成标准。对于数据管理相关工作应与大数据平台统筹考虑。

2.3.2 运营报表

通过对物联网平台过程监控、远程控制、物联设备故障管理的相关数据进行统计分析，形成物联网运营报表。可根据实时数据和报表模版自动生成运行报表，实现运营报表自动生成功能。

2.3.3 运营分析与诊断

物联网建设的目的是提升智慧港口运营水平，利用物联网技术可以提升港口对运营情况的分析与预测能力，保障港口稳定运营。通过对运营现场敏感性参数分析（如运量、能耗、时效的变化趋势等），可以预测港口运营状况的发展趋势。

2.3.4 全局分析与决策支持

在集团层面，展示企业范围内各分子公司在一段时间内的运营状况，包括各企业的实时运营状况、变化趋势，有助于帮助企业高层做出战略决策。

3 物联网平台重点建设任务

明确了港口物联网能力蓝图后，还需要确定物联网平台建设的重点任务。主要包括：

（1）基于物联网平台的数据分析，可以借助大数据平台整合建设；

（2）建设运营管理子系统，基于物联网数据进行的运营管控服务开发的应用系统；

（3）建设数据传输子系统，用于支持监测数据和视频数据的传输；

（4）建设采集与监控子系统，用于采集运营现场动态数据和视频。

为构建智慧港口物联网平台，应重点建设运营管理子系统、数据传输子系统和采集与监控子系统。

具体来说，采集与监控子系统由运营动态监控系统和视频监控系统构成，部署在港区码头、场库等运营现场。数据传输子系统主要由通信网络构成，包括有线和无线通信网络。运营管理子系统是基于物联网数据管控服务开发的应用系统，部署在集装箱、散杂货、码头等分公司和集团总部。

运营管理、数据传输、采集与监控三个子系统的系统定位和主要功能目标定义如下：

（1）运营管理子系统。运营管理子系统是采用数据处理和数据分析技术构建的涵盖港区运营实时监测、运营分析、安全预警、运营调度、数据管理等功能的管理系统。其定位在于建成统一的港口智慧港区物联网系统数据管控平台。在此基础上，提供支持港区运营、物流跟踪等过程的监控、分析、管理的应用。

（2）数据传输子系统。数据传输子系统采用无线和有线相结合的组网方式，为数据采集与监控子系统、运营管理子系统提供安全可靠的网络传输。本系统由办公网和生产网两部分组成。其定位在于建立统一规范的、覆盖港区各种环境条件的数据传输网络。

（3）采集与监控子系统。采集与监控子系统是采用传感和控制技术构建的港区地面运营各环节的运行参数采集、运营环境的自动监测、运营过程的自动控制和物联网设备状态监测的系统。其定位在于通过制定标准规范，建成一套标准的港区运营现场设备状态、运营过程状态采集系统。同时，该系统支持运营现场作业的自动化检测和控制、报警联动等。

3.1 数据采集与监控子系统

数据采集与监控子系统示意图见图2。物联网数据采集与监控子系统的建设需遵循以下若干原则：

（1）为满足智慧港口运营要求，规定物联网系统设备必须满足质量、功能、性能标准的最低要求；

（2）所选设备满足国家及行业标准的最低规定；

（3）提高设备的通用性。为保护、保证智慧港口的有效投资，规避来自于因技术、商业不规范带来的风险与损失；

（4）提升设备的可扩展性，有利于物联网建设适应技术的持续发展；

（5）保证设备的先进性，引入无线技术提升系统的可维护性，减少建设投资；

（6）物联网设备需使用主流成熟的自动化软硬件技术，能够提升港口运营的安全水平，达到高效、节能、增产的目的。

该子系统应遵循的建设规范包括：规范RTU 通信接口应遵循的规范，RTU 应具有RS485，RS232、以太网通信接口，保障通信的稳定和一致性；规范RTU 数据存储，明确RTU 系统属性数据存储地址，保障RTU 配置的标准化和设备的互通互换。

3.2 数据传输子系统

港口物联网数据传输子系统要求数据采集与传输功能必须要有标准的通信协议。

物联网数据传输子系统的建设原则包括：

（1）RTU 应支持MODBUS RTU 协议、MODBUS TCP/IP 协议，宜支持DNP3.0 协议。对于涉及无线仪表通信场景，RTU 应支持Zigbee 或WIA 通信技术。同时，在各码头内部应使用同一种无线协议。

（2）数据传输子系统在覆盖生产网和办公网情况下，建设过程中要加强生产网与办公网的安全隔离。

根据物联网信息互联的要求，港口物联网数据采集与监控子系统的建设要求对所采集的物品使用唯一编码规则，物码设计与数据集成关系图见图3。

港口物联网数据传输子系统由办公网和生产网组成，采用有线和无线结合的方式进行建设。

物联网数据传输子系统建设规范主要包括一下几个方面：

（1）有线网络建设应遵循有线传输网络性能要求，遵循港口集团局域网和广域网建设规定；

（2）无线网络建设应遵循无线通信技术性能、适用范围及频谱资源选择要求；

（3）数据传输应满足视频图像数据传输性能要求。

物联网平台的数据采集与监控功能还可以通过与相关系统的集成和实时共享来实现。

3.3 运营管理子系统

运营管理子系统建设，以支撑智慧港口业务为目标，通过物联网运营过程监控、远程控制，进行定制性应用开发，实现对港区运营实时监测、运营分析、安全预警、运营调度、数据管理等智慧功能。运营管理子系统与大数据平台、企业业务系统间的集成关系需要统筹考虑。物联网运营管理子系统示意图见图4。

港口物联网运营管理子系统建设，需要对贸易流视图构建源数据预处理。数据价值发现技术支撑示例图见图5。

舱单和船图中的信息是非结构化的，其中包含的各种货物描述格式也没有统一规范，所以需要利用机器学习和文本挖掘等数据分析技术进行预处理，作为货物类型识别和贸易流分析的数据基础。

4 结语

港口物联网平台以物联网技术为核心，结合港口智能应用和大数据分析，优化港口内部作业循环效率，拓展综合服务能力，满足了船舶联盟化和大型化对港口服务及时、高效和安全的要求。物联网平台的应用为智慧港口所有业务提供统一的接入管理，带来生产效率的提高，也进一步推动港口运营方式的变革和企业转型升级。