基于NB-IoT技术的港口柔性调度系统

摘 要：在我国，港口经济贸易占有重要地位，约95%的进出口货物通过海运完成，2023年前3季度，全国港口完成货物吞吐量125.40亿吨。由此可见，港口的调度系统尤为重要，可以直接影响物流成本和运输安全。传统的港口大多通过人工操作进行调度，但存在信息利用率低、人工成本高、误差大等缺点。为了提升港口的智能化水平，提高港口的经济效益，提出了一种基于NB-IoT技术的港口柔性调度系统，根据港口调度系统的通信特征和柔性调度最优点问题进行优化管理，综合考虑港口的吞吐量、能耗、环境影响等因素，实现港口的高效运作和自适应管理，为港口的智能化和柔性化提供了一种新的思路方法。

关键词：港口经济；柔性调度；智能化管理；NB-IoT技术；系统优化；数据通信

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）02-0-04

0 引 言

目前，信息技术发展迅速，在港口调度上的应用也日益广泛，如5G通信系统改进通信方式[1]、粒子群优化调度方法[2]等。这对于国内较大的青岛港、大连港、天津港等是适用的。青岛港一天的货物吞吐量大约为64.9万箱，承载了中国北方大量的货物出口任务，目前已经实现了港口全智能化、机械化、自动化[3]。而对于中小型港口，这种方式成本较高，可能造成通信资源浪费的问题。对于不同的港口，要考虑通信的覆盖范围、信号质量、干扰程度、网络容量、网络成本等因素，此外，还要考虑调度系统的开发成本、实施成本等，因此设计一个适合港口业务需求的调度系统十分必要。

据《中华人民共和国交通运输行业标准》公布的数据，现代大型港口的调度系统主要可以分为窄带通信系统和宽带通信系统，窄带通信系统主要用于语音通信和数据传输，带宽一般为12.5～25 kHz，频率范围为300～500 MHz或800～900 MHz；宽带通信系统主要用于视频监控和数据高速传输，带宽一般为1.4 MHz或20 MHz，其频率范围为1.8～2.6 GHz或3.5～5.8 GHz。针对上述数据，可以使用NB-IoT技术中提供的一种低功耗广域网（LPWAN），使其满足部分带宽、频率条件，当遇到大数据传输时，利用多接口多通道的分流方式通信。而针对数据通信优先级问题，本文也设计了一种柔性调度策略，即将具体事物模型化，给出实际问题参数值，根据参数值判定事物的优先级，参数值由数据量以及集群的状态和负载而定。

1 NB-IoT技术

1.1 NB-IoT技术概述

NB-IoT技术是一种LPWAN技术，专门用于连接使用无线蜂窝网络的各种智能传感器和设备。它是基于蜂窝技术的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）技术[4-5]，是3GPP LTE Release 13的新增网络协议，与现有LTE网络兼容，也可以基于GSM网络部署。NB-IoT技术框架众多，如信息服务、开放接口、通信设施解析器、多语言解析器、大数据引擎、数据库模拟备份，等等。当下，NB-IoT技术的数据传输速率虽不及5G技术，但是当把数据传输、设备移动定位、覆盖面、成本效益都作为衡量技术的指标时，其价值尤为突出。NB-IoT网络通信架构如图1所示。

1.2 NB-IoT技术特点

NB-IoT技术主要有低功耗、低成本、大连接、覆盖广、架构优等特点[6-7]。也正是凭借着这些优势，NB-IoT技术能够在网络信息传输领域得到广泛应用。

（1）低功耗

NB-IoT技术的低功耗特点体现在多点上行速率仅为56 Kb/s，理想下行速率为21.25 Kb/s，远低于传统的移动通信技术，与此同时也满足了物联网设备的基本需求。这一特点可以降低数据传输的功耗，提高网络系统的覆盖面，减少对频谱资源的占用，提高频谱利用率，不仅如此，还可以简化设备的硬件架构和协议栈，降低设备的复杂度和维度，提升系统稳定性。

（2）低成本

NB-IoT的硬件设备（通信模块和芯片成本低），国际价格一般不超过5美元，其不需要单独建网，也不需要对基站中枢进行升级，网络系统覆盖成本低。

（3）大连接

NB-IoT技术可以支持大量设备同时进行数据的上行下传，其扇区众多，每个扇区能够支持约10万个接口，对应的是，目前大多数无线传输技术只具备50～100倍的接口数。另一方面，在具有低功耗的同时，NB-IoT技术也可以提高频谱利用率，支持对更多设备的连接。

（4）覆盖广

NB-IoT具有广泛的覆盖范围，其采用低频段，信号穿透力强，可以穿透厚岩石层、混凝土建筑物等，实现远距离的物联网连接。此外，NB-IoT也可以部署更多的基站，满足不同复杂情况下需求的同时实现更广阔的覆盖范围。

（5）架构优

NB-IoT可以无缝接入现有的LTE网络，高层协议-物理层也是基于此标准制定的，对多连接、低功耗和少数据的特性进行了部分修改，降低了设备的复杂度。

1.3 NB-IoT部署方式

NB-IoT物联网技术有3种部署方式，它们分别是带内部署、保护带部署和独立部署[8]。

（1）带内部署

直接利用LTE载波中间的资源块来部署NB-IoT，其占用200 kHz的带宽（可与LTE的PCI相同，也可不同）。带内部署方式最大程度上利用现有的LTE网络，并且无需额外的频谱资源。

（2）保护带部署

利用LTE频段边缘的保护频带180 kHz来部署NB-IoT，可以避免NB-IoT与LTE相互干扰，既不占用LTE资源，也无需额外的频谱资源。

（3）独立部署

利用GSM的信道带宽200 kHz来部署NB-IoT，可以重复利用GSM的网络设备和频谱资源，适合于GSM网络的过渡和升级。独立部署方式不依赖LTE，与LTE网络完全解耦。

2 柔性调度

2.1 柔性调度概述

柔性调度是一种生产管理方式，常见的应用领域有柔性制造系统（FMS）、柔性作业车间（FJSP）、柔性流水线（FLP）等，柔性调度根据生产环境的不同灵活改变和安排生产任务，动态利用系统资源，提高系统的利用率和吞吐量。总的来说，柔性调度是指在面对多任务多工序时，系统如何选择调度的问题[9-10]。

柔性调度有适应性、多样性和协调性等特点，能够根据市场需求、生产条件、设备状态对过程进行动态优化，并能够同时处理多种类型任务，协调生产系统中的各个环节，保证生产的顺畅和高效。

2.2 柔性调度模型建立

在模型建立前，假设本文中模型所处环境恒定，不受其他因素影响，港口中的柔性调度保证每道工序在提出相应请求时都能够尽量在第一时间被接受。

约束条件：

（1）每个程序中，工件按照顺序依次进行加工：

（1）

式中：i表示工件序号，i=1， 2， 3， ...， Ni；j表示设备序号，j=1， 2， 3， ...， Nj；k表示程序编号，k=1， 2， 3， ...， Nk；f为测试函数；Xijk表示i工件的第k个程序在第j个设备上的加工时间；Yijk表示i工件的第k个程序在第j个设备上的结束时间；设定Q1ijk表示某工件在加工时优先级最高，Q0ijk为普通工件。

（2）每个设备上即将加工的工序按照先后顺序依次加工：

（2）

式中：R1ijhgk表示某两个工件在同一个设备中加工，并且工件i的第j个程序的优先级相比工件h的第g个程序的优先级更高；R0ijhgk表示两个工件的优先级相同。

2.3 柔性调度流程

本文的柔性调度流程如下：

Step1：定义工序、工件、设备以及时间变量；

Step2：利用工件、程序以及设备参数得出相应测试函数值，判断优先级数值；

Step3：得出每个工件每个程序的开始和结束时间；

Step4：加入约束条件，避免系统死锁和程序冲撞；

Step5：判断工序号、工件号以及设备号，若完成所有工件加工，则结束系统程序，否则进入下一次循环。

3 融入NB-IoT的柔性调度问题

在目前国内的大多数中小型港口的数据传输过程中，其窄带通信需要的带宽一般为12.5～25 kHz，频率范围为300～500 MHz，宽带通信需要的带宽一般为1.4 MHz或20 MHz，频率范围为1.8～2.6 GHz。NB-IoT的上行链路射频带宽与下行链路射频带宽均为180 kHz。NB-IoT采用窄带宽频分多址技术，其载波带宽为180 kHz，相当于LTE中一个物理资源块的频宽，即12个子载波×15 kHz/子载波=180 kHz。NB-IoT的传输速率与上下行链路射频带宽有关，下行峰值速率为160～250 Kb/s，上行峰值速率为160～200 Kb/s。

据以上数据可知，在窄带通信中，融入NB-IoT技术之后，港口的调度通信在没有其他因素影响的条件下可以实现数据自由传输，保证网络顺畅。但是，在宽带通信中，仅仅使用NB-IoT技术不足以支撑数据通路。这时本文引入柔性调度思想，将程序赋予优先级参数，避免系统数据通路堵塞，达到优化数据上行、下行流量的目的。

（1）窄带通信

一般情况下，窄带通信用于港口调度系统中的语音传输等小型数据传输模块，其数据量小，当多个子系统同时产生响应时，利用NB-IoT多接口实现数据分流。

图2为港口调度系统窄带通信网络，当请求数目过多时，NB-IoT网络会凭借大量接口的优势对请求进行分流，然后由集线器传向各个子服务器。

（2）宽带通信

宽带通信一般用于港口调度系统中的视频监控、大型机器命令等高速数据传输，由于其数据量庞大、密集，单独利用NB-IoT多接口实现数据分流并不能满足需求。本文融入了柔性调度策略，将大量的数据请求赋予优先级数值和约束条件，将终端服务器发出的数据命令分到各个程序道，按照优先级进行加工。

图3为港口调度系统宽带通信网络，用于处理数据量庞大时产生的网络拥堵、程序死锁等问题。当数据命令过多时，负载均衡器首先会发出命令，使NB-IoT网络将数据命令转送至程序件处理器，经过处理函数f和优先级序列G赋值之后返还给NB-IoT网络，并将数据命令分配给多个执行程序。

4 系统设计

4.1 系统概述

本文设计的基于NB-IoT技术的港口柔性调度系统结合了物联网平台、柔性调度算法以及Web前端用户界面。根据前文分析的港口调度系统中存在的问题，这里可以将系统分为以下几个管理模块：港口人员信息管理、集装箱调度管理、起重吊桥调度管理、船只停泊管理。

4.2 系统功能设计

本文所设计的系统按照模块进行划分，各模块之间数据互通，避免出现信息孤岛现象。系统角色只有管理员，此系统在终端服务器，处理界面在港口的超级计算机中，保证系统的安全。

（1）港口人员信息管理模块：分为装卸工作人员信息管理、地面货物调度人员管理、外来人员信息管理。装卸工作人员管理是对港口内所有装卸工作人员以及塔吊执行工作人员的信息进行操作和维护；地面货物调度人员管理是对负责地面货物分配装卸工作人员以及港口内管理人员的信息进行操作和维护；外来人员信息管理是对每天进出港口的人员的信息进行操作和维护。

（2）集装箱调度管理模块：分为集装箱货物信息管理、集装箱柔性调度管理。集装箱货物信息管理是对每天进出港口的集装箱货物信息进行操作和维护；集装箱柔性调度管理是根据NB-IoT网络和柔性调度策略对货物量和数据流量进行动态分析并实时显示先后装配顺序的管理。

（3）起重吊桥调度管理模块：分为起重机吊桥信息管理、起重器吊桥工作分配管理。起重机吊桥信息管理是对港口内所有起重机吊桥信息进行操作和维护；起重器吊桥工作分配管理是根据NB-IoT网络和柔性调度策略对货物量和起重机吊桥工作数据流量进行动态分析后调整工作顺序。

（4）船只停泊管理模块：此功能主要是对进出港口的船只进行信息操作和维护，以及动态分析停泊船只信息；港口的终端系统根据分析的数据指引船只停泊到具体位置。

港口调度系统功能架构如图4所示。

5 结 语

随着物联网技术的发展和应用，港口作为国际贸易的重要节点，也面临着提高效率、降低成本、增强竞争力的挑战。为了适应港口运营的复杂性和不确定性，实现港口的智能化和柔性化管理，本文提出了一种基于NB-IoT技术的港口柔性调度系统。

NB-IoT是一种基于蜂窝的窄带物联网技术，具有低功耗、低成本、高集成度、深度覆盖、大连接数等特点，适合于港口的各种场景，如集装箱、车辆、船舶、设备、环境等的监测和控制。本文设计了基于NB-IoT的港口物联网架构，实现了港口的货物调度，以及数据传输、分析和优化。

本文以某港口为例，分析了港口的调度需求，设计了基于NB-IoT的港口柔性调度系统的功能模块，包括港口人员信息管理、集装箱调度管理、起重吊桥调度管理、船只停泊管理等，实现了港口的动态调度和智能决策。基于NB-IoT的港口柔性调度系统是物联网技术在港口领域的一种创新应用，为实现港口的智能化和柔性化调度提供了一种新的思路和方法。该系统还有待进一步完善和优化，如提高NB-IoT的网络性能和安全性、增加港口的数据来源和类型、扩展港口的应用场景和功能，以实现港口的全面智能化和柔性化调度。

注：本文通讯作者为冯锋。

参考文献

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作者简介：任庆欣（1999—），男，研究方向为物联网技术及应用。

冯 锋（1971—），男，博士，教授，研究方向为信息系统工程、物联网技术及应用。

收稿日期：2024-01-27 修回日期：2024-03-04

基金项目：宁夏自然科学基金重点项目（2024AAC02011）