摘 要：在我國，港口經(jīng)濟(jì)貿(mào)易占有重要地位，約95%的進(jìn)出口貨物通過海運(yùn)完成，2023年前3季度，全國港口完成貨物吞吐量125.40億噸。由此可見，港口的調(diào)度系統(tǒng)尤為重要，可以直接影響物流成本和運(yùn)輸安全。傳統(tǒng)的港口大多通過人工操作進(jìn)行調(diào)度，但存在信息利用率低、人工成本高、誤差大等缺點(diǎn)。為了提升港口的智能化水平，提高港口的經(jīng)濟(jì)效益，提出了一種基于NB-IoT技術(shù)的港口柔性調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)港口調(diào)度系統(tǒng)的通信特征和柔性調(diào)度最優(yōu)點(diǎn)問題進(jìn)行優(yōu)化管理，綜合考慮港口的吞吐量、能耗、環(huán)境影響等因素，實(shí)現(xiàn)港口的高效運(yùn)作和自適應(yīng)管理，為港口的智能化和柔性化提供了一種新的思路方法。

關(guān)鍵詞：港口經(jīng)濟(jì)；柔性調(diào)度；智能化管理；NB-IoT技術(shù)；系統(tǒng)優(yōu)化；數(shù)據(jù)通信

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-04

0 引 言

目前，信息技術(shù)發(fā)展迅速，在港口調(diào)度上的應(yīng)用也日益廣泛，如5G通信系統(tǒng)改進(jìn)通信方式[1]、粒子群優(yōu)化調(diào)度方法[2]等。這對于國內(nèi)較大的青島港、大連港、天津港等是適用的。青島港一天的貨物吞吐量大約為64.9萬箱，承載了中國北方大量的貨物出口任務(wù)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了港口全智能化、機(jī)械化、自動化[3]。而對于中小型港口，這種方式成本較高，可能造成通信資源浪費(fèi)的問題。對于不同的港口，要考慮通信的覆蓋范圍、信號質(zhì)量、干擾程度、網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)成本等因素，此外，還要考慮調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)成本、實(shí)施成本等，因此設(shè)計一個適合港口業(yè)務(wù)需求的調(diào)度系統(tǒng)十分必要。

據(jù)《中華人民共和國交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》公布的數(shù)據(jù)，現(xiàn)代大型港口的調(diào)度系統(tǒng)主要可以分為窄帶通信系統(tǒng)和寬帶通信系統(tǒng)，窄帶通信系統(tǒng)主要用于語音通信和數(shù)據(jù)傳輸，帶寬一般為12.5～25 kHz，頻率范圍為300～500 MHz或800～900 MHz；寬帶通信系統(tǒng)主要用于視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)高速傳輸，帶寬一般為1.4 MHz或20 MHz，其頻率范圍為1.8～2.6 GHz或3.5～5.8 GHz。針對上述數(shù)據(jù)，可以使用NB-IoT技術(shù)中提供的一種低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），使其滿足部分帶寬、頻率條件，當(dāng)遇到大數(shù)據(jù)傳輸時，利用多接口多通道的分流方式通信。而針對數(shù)據(jù)通信優(yōu)先級問題，本文也設(shè)計了一種柔性調(diào)度策略，即將具體事物模型化，給出實(shí)際問題參數(shù)值，根據(jù)參數(shù)值判定事物的優(yōu)先級，參數(shù)值由數(shù)據(jù)量以及集群的狀態(tài)和負(fù)載而定。

1 NB-IoT技術(shù)

1.1 NB-IoT技術(shù)概述

NB-IoT技術(shù)是一種LPWAN技術(shù)，專門用于連接使用無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各種智能傳感器和設(shè)備。它是基于蜂窩技術(shù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things）技術(shù)[4-5]，是3GPP LTE Release 13的新增網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，與現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)兼容，也可以基于GSM網(wǎng)絡(luò)部署。NB-IoT技術(shù)框架眾多，如信息服務(wù)、開放接口、通信設(shè)施解析器、多語言解析器、大數(shù)據(jù)引擎、數(shù)據(jù)庫模擬備份，等等。當(dāng)下，NB-IoT技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率雖不及5G技術(shù)，但是當(dāng)把數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備移動定位、覆蓋面、成本效益都作為衡量技術(shù)的指標(biāo)時，其價值尤為突出。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖1所示。

1.2 NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)

NB-IoT技術(shù)主要有低功耗、低成本、大連接、覆蓋廣、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)[6-7]。也正是憑借著這些優(yōu)勢，NB-IoT技術(shù)能夠在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（1）低功耗

NB-IoT技術(shù)的低功耗特點(diǎn)體現(xiàn)在多點(diǎn)上行速率僅為56 Kb/s，理想下行速率為21.25 Kb/s，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的移動通信技術(shù)，與此同時也滿足了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基本需求。這一特點(diǎn)可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的覆蓋面，減少對頻譜資源的占用，提高頻譜利用率，不僅如此，還可以簡化設(shè)備的硬件架構(gòu)和協(xié)議棧，降低設(shè)備的復(fù)雜度和維度，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）低成本

NB-IoT的硬件設(shè)備（通信模塊和芯片成本低），國際價格一般不超過5美元，其不需要單獨(dú)建網(wǎng)，也不需要對基站中樞進(jìn)行升級，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋成本低。

（3）大連接

NB-IoT技術(shù)可以支持大量設(shè)備同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的上行下傳，其扇區(qū)眾多，每個扇區(qū)能夠支持約10萬個接口，對應(yīng)的是，目前大多數(shù)無線傳輸技術(shù)只具備50～100倍的接口數(shù)。另一方面，在具有低功耗的同時，NB-IoT技術(shù)也可以提高頻譜利用率，支持對更多設(shè)備的連接。

（4）覆蓋廣

NB-IoT具有廣泛的覆蓋范圍，其采用低頻段，信號穿透力強(qiáng)，可以穿透厚巖石層、混凝土建筑物等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的物聯(lián)網(wǎng)連接。此外，NB-IoT也可以部署更多的基站，滿足不同復(fù)雜情況下需求的同時實(shí)現(xiàn)更廣闊的覆蓋范圍。

（5）架構(gòu)優(yōu)

NB-IoT可以無縫接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，高層協(xié)議-物理層也是基于此標(biāo)準(zhǔn)制定的，對多連接、低功耗和少數(shù)據(jù)的特性進(jìn)行了部分修改，降低了設(shè)備的復(fù)雜度。

1.3 NB-IoT部署方式

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有3種部署方式，它們分別是帶內(nèi)部署、保護(hù)帶部署和獨(dú)立部署[8]。

（1）帶內(nèi)部署

直接利用LTE載波中間的資源塊來部署NB-IoT，其占用200 kHz的帶寬（可與LTE的PCI相同，也可不同）。帶內(nèi)部署方式最大程度上利用現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，并且無需額外的頻譜資源。

（2）保護(hù)帶部署

利用LTE頻段邊緣的保護(hù)頻帶180 kHz來部署NB-IoT，可以避免NB-IoT與LTE相互干擾，既不占用LTE資源，也無需額外的頻譜資源。

（3）獨(dú)立部署

利用GSM的信道帶寬200 kHz來部署NB-IoT，可以重復(fù)利用GSM的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和頻譜資源，適合于GSM網(wǎng)絡(luò)的過渡和升級。獨(dú)立部署方式不依賴LTE，與LTE網(wǎng)絡(luò)完全解耦。

2 柔性調(diào)度

2.1 柔性調(diào)度概述

柔性調(diào)度是一種生產(chǎn)管理方式，常見的應(yīng)用領(lǐng)域有柔性制造系統(tǒng)（FMS）、柔性作業(yè)車間（FJSP）、柔性流水線（FLP）等，柔性調(diào)度根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境的不同靈活改變和安排生產(chǎn)任務(wù)，動態(tài)利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)的利用率和吞吐量?？偟膩碚f，柔性調(diào)度是指在面對多任務(wù)多工序時，系統(tǒng)如何選擇調(diào)度的問題[9-10]。

柔性調(diào)度有適應(yīng)性、多樣性和協(xié)調(diào)性等特點(diǎn)，能夠根據(jù)市場需求、生產(chǎn)條件、設(shè)備狀態(tài)對過程進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，并能夠同時處理多種類型任務(wù)，協(xié)調(diào)生產(chǎn)系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)，保證生產(chǎn)的順暢和高效。

2.2 柔性調(diào)度模型建立

在模型建立前，假設(shè)本文中模型所處環(huán)境恒定，不受其他因素影響，港口中的柔性調(diào)度保證每道工序在提出相應(yīng)請求時都能夠盡量在第一時間被接受。

約束條件：

（1）每個程序中，工件按照順序依次進(jìn)行加工：

（1）

式中：i表示工件序號，i=1， 2， 3， ...， Ni；j表示設(shè)備序號，j=1， 2， 3， ...， Nj；k表示程序編號，k=1， 2， 3， ...， Nk；f為測試函數(shù)；Xijk表示i工件的第k個程序在第j個設(shè)備上的加工時間；Yijk表示i工件的第k個程序在第j個設(shè)備上的結(jié)束時間；設(shè)定Q1ijk表示某工件在加工時優(yōu)先級最高，Q0ijk為普通工件。

（2）每個設(shè)備上即將加工的工序按照先后順序依次加工：

（2）

式中：R1ijhgk表示某兩個工件在同一個設(shè)備中加工，并且工件i的第j個程序的優(yōu)先級相比工件h的第g個程序的優(yōu)先級更高；R0ijhgk表示兩個工件的優(yōu)先級相同。

2.3 柔性調(diào)度流程

本文的柔性調(diào)度流程如下：

Step1：定義工序、工件、設(shè)備以及時間變量；

Step2：利用工件、程序以及設(shè)備參數(shù)得出相應(yīng)測試函數(shù)值，判斷優(yōu)先級數(shù)值；

Step3：得出每個工件每個程序的開始和結(jié)束時間；

Step4：加入約束條件，避免系統(tǒng)死鎖和程序沖撞；

Step5：判斷工序號、工件號以及設(shè)備號，若完成所有工件加工，則結(jié)束系統(tǒng)程序，否則進(jìn)入下一次循環(huán)。

3 融入NB-IoT的柔性調(diào)度問題

在目前國內(nèi)的大多數(shù)中小型港口的數(shù)據(jù)傳輸過程中，其窄帶通信需要的帶寬一般為12.5～25 kHz，頻率范圍為300～500 MHz，寬帶通信需要的帶寬一般為1.4 MHz或20 MHz，頻率范圍為1.8～2.6 GHz。NB-IoT的上行鏈路射頻帶寬與下行鏈路射頻帶寬均為180 kHz。NB-IoT采用窄帶寬頻分多址技術(shù)，其載波帶寬為180 kHz，相當(dāng)于LTE中一個物理資源塊的頻寬，即12個子載波×15 kHz/子載波=180 kHz。NB-IoT的傳輸速率與上下行鏈路射頻帶寬有關(guān)，下行峰值速率為160～250 Kb/s，上行峰值速率為160～200 Kb/s。

據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，在窄帶通信中，融入NB-IoT技術(shù)之后，港口的調(diào)度通信在沒有其他因素影響的條件下可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自由傳輸，保證網(wǎng)絡(luò)順暢。但是，在寬帶通信中，僅僅使用NB-IoT技術(shù)不足以支撐數(shù)據(jù)通路。這時本文引入柔性調(diào)度思想，將程序賦予優(yōu)先級參數(shù)，避免系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路堵塞，達(dá)到優(yōu)化數(shù)據(jù)上行、下行流量的目的。

（1）窄帶通信

一般情況下，窄帶通信用于港口調(diào)度系統(tǒng)中的語音傳輸?shù)刃⌒蛿?shù)據(jù)傳輸模塊，其數(shù)據(jù)量小，當(dāng)多個子系統(tǒng)同時產(chǎn)生響應(yīng)時，利用NB-IoT多接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流。

圖2為港口調(diào)度系統(tǒng)窄帶通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)請求數(shù)目過多時，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)會憑借大量接口的優(yōu)勢對請求進(jìn)行分流，然后由集線器傳向各個子服務(wù)器。

（2）寬帶通信

寬帶通信一般用于港口調(diào)度系統(tǒng)中的視頻監(jiān)控、大型機(jī)器命令等高速數(shù)據(jù)傳輸，由于其數(shù)據(jù)量龐大、密集，單獨(dú)利用NB-IoT多接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流并不能滿足需求。本文融入了柔性調(diào)度策略，將大量的數(shù)據(jù)請求賦予優(yōu)先級數(shù)值和約束條件，將終端服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)命令分到各個程序道，按照優(yōu)先級進(jìn)行加工。

圖3為港口調(diào)度系統(tǒng)寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，用于處理數(shù)據(jù)量龐大時產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)擁堵、程序死鎖等問題。當(dāng)數(shù)據(jù)命令過多時，負(fù)載均衡器首先會發(fā)出命令，使NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)命令轉(zhuǎn)送至程序件處理器，經(jīng)過處理函數(shù)f和優(yōu)先級序列G賦值之后返還給NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)命令分配給多個執(zhí)行程序。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計的基于NB-IoT技術(shù)的港口柔性調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)平臺、柔性調(diào)度算法以及Web前端用戶界面。根據(jù)前文分析的港口調(diào)度系統(tǒng)中存在的問題，這里可以將系統(tǒng)分為以下幾個管理模塊：港口人員信息管理、集裝箱調(diào)度管理、起重吊橋調(diào)度管理、船只停泊管理。

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

本文所設(shè)計的系統(tǒng)按照模塊進(jìn)行劃分，各模塊之間數(shù)據(jù)互通，避免出現(xiàn)信息孤島現(xiàn)象。系統(tǒng)角色只有管理員，此系統(tǒng)在終端服務(wù)器，處理界面在港口的超級計算機(jī)中，保證系統(tǒng)的安全。

（1）港口人員信息管理模塊：分為裝卸工作人員信息管理、地面貨物調(diào)度人員管理、外來人員信息管理。裝卸工作人員管理是對港口內(nèi)所有裝卸工作人員以及塔吊執(zhí)行工作人員的信息進(jìn)行操作和維護(hù)；地面貨物調(diào)度人員管理是對負(fù)責(zé)地面貨物分配裝卸工作人員以及港口內(nèi)管理人員的信息進(jìn)行操作和維護(hù)；外來人員信息管理是對每天進(jìn)出港口的人員的信息進(jìn)行操作和維護(hù)。

（2）集裝箱調(diào)度管理模塊：分為集裝箱貨物信息管理、集裝箱柔性調(diào)度管理。集裝箱貨物信息管理是對每天進(jìn)出港口的集裝箱貨物信息進(jìn)行操作和維護(hù)；集裝箱柔性調(diào)度管理是根據(jù)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和柔性調(diào)度策略對貨物量和數(shù)據(jù)流量進(jìn)行動態(tài)分析并實(shí)時顯示先后裝配順序的管理。

（3）起重吊橋調(diào)度管理模塊：分為起重機(jī)吊橋信息管理、起重器吊橋工作分配管理。起重機(jī)吊橋信息管理是對港口內(nèi)所有起重機(jī)吊橋信息進(jìn)行操作和維護(hù)；起重器吊橋工作分配管理是根據(jù)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和柔性調(diào)度策略對貨物量和起重機(jī)吊橋工作數(shù)據(jù)流量進(jìn)行動態(tài)分析后調(diào)整工作順序。

（4）船只停泊管理模塊：此功能主要是對進(jìn)出港口的船只進(jìn)行信息操作和維護(hù)，以及動態(tài)分析停泊船只信息；港口的終端系統(tǒng)根據(jù)分析的數(shù)據(jù)指引船只停泊到具體位置。

港口調(diào)度系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖4所示。

5 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，港口作為國際貿(mào)易的重要節(jié)點(diǎn)，也面臨著提高效率、降低成本、增強(qiáng)競爭力的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)港口運(yùn)營的復(fù)雜性和不確定性，實(shí)現(xiàn)港口的智能化和柔性化管理，本文提出了一種基于NB-IoT技術(shù)的港口柔性調(diào)度系統(tǒng)。

NB-IoT是一種基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、低成本、高集成度、深度覆蓋、大連接數(shù)等特點(diǎn)，適合于港口的各種場景，如集裝箱、車輛、船舶、設(shè)備、環(huán)境等的監(jiān)測和控制。本文設(shè)計了基于NB-IoT的港口物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了港口的貨物調(diào)度，以及數(shù)據(jù)傳輸、分析和優(yōu)化。

本文以某港口為例，分析了港口的調(diào)度需求，設(shè)計了基于NB-IoT的港口柔性調(diào)度系統(tǒng)的功能模塊，包括港口人員信息管理、集裝箱調(diào)度管理、起重吊橋調(diào)度管理、船只停泊管理等，實(shí)現(xiàn)了港口的動態(tài)調(diào)度和智能決策?；贜B-IoT的港口柔性調(diào)度系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在港口領(lǐng)域的一種創(chuàng)新應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)港口的智能化和柔性化調(diào)度提供了一種新的思路和方法。該系統(tǒng)還有待進(jìn)一步完善和優(yōu)化，如提高NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)性能和安全性、增加港口的數(shù)據(jù)來源和類型、擴(kuò)展港口的應(yīng)用場景和功能，以實(shí)現(xiàn)港口的全面智能化和柔性化調(diào)度。

注：本文通訊作者為馮鋒。

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作者簡介：任慶欣（1999—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

馮 鋒（1971—），男，博士，教授，研究方向為信息系統(tǒng)工程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

收稿日期：2024-01-27 修回日期：2024-03-04

基金項目：寧夏自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（2024AAC02011）