摘 要：隨著水上交通智能航運(yùn)的發(fā)展，港航船岸協(xié)同物聯(lián)感知設(shè)備和系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。然而，目前這些系統(tǒng)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分布在不同部門、不同系統(tǒng)中，呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一的平臺支撐。文中提出構(gòu)建港航物聯(lián)感知“一張網(wǎng)”及數(shù)據(jù)智能協(xié)同服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)方案，形成港航物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)序數(shù)據(jù)庫，對港航物聯(lián)感知數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，達(dá)到智能航運(yùn)中船岸一體、船港一體、船貨一體的數(shù)據(jù)協(xié)同服務(wù)要求。經(jīng)驗(yàn)證，該平臺運(yùn)行穩(wěn)定，能夠較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：智能航運(yùn)；船岸協(xié)同；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分發(fā)；M2M；協(xié)同平臺

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-00-05

0 引 言

隨著我國水上交通數(shù)字化、智能化水平的不斷提高[1]，多種物聯(lián)網(wǎng)智能感知設(shè)備在船舶和航道上得到應(yīng)用[2-5]，有助于優(yōu)化海上運(yùn)營，更好地滿足多樣化和不斷增長的客戶需求[6]，提升物流鏈中相關(guān)方的業(yè)務(wù)競爭力[7]。與此同時(shí)，在實(shí)際業(yè)務(wù)中也產(chǎn)生了大量的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)[8]，主要包括高清視頻流、船舶AIS、航道電子卡口、橋梁防碰撞監(jiān)測、航道流量、水文、氣象、環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)。但除了視頻流接入視頻綜合管理平臺外，其他物聯(lián)感知數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一平臺支撐，分布在不同部門、不同系統(tǒng)中，呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通與共享[9]，導(dǎo)致智能航運(yùn)跨區(qū)域船岸協(xié)同、實(shí)時(shí)預(yù)警、扁平化指揮等應(yīng)用無法實(shí)現(xiàn)，不能滿足港航智能化、數(shù)字化發(fā)展要求[10-11]。

本文針對水上交通提出港航物聯(lián)感知數(shù)據(jù)智能協(xié)同服務(wù)平臺設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建港航物聯(lián)感知“一張網(wǎng)”，形成港航物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)序數(shù)據(jù)庫，對港航物聯(lián)感知數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和應(yīng)用，并建立數(shù)據(jù)共享線上審批流程，進(jìn)行統(tǒng)一的審批和數(shù)據(jù)分發(fā)，做到落實(shí)責(zé)任、安全可靠。

1 總體方案設(shè)計(jì)

水上交通物聯(lián)數(shù)據(jù)智能協(xié)同服務(wù)平臺主要用于港航物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入、治理和分發(fā)，其核心設(shè)備是物聯(lián)數(shù)據(jù)智能協(xié)同服務(wù)器，也稱為物聯(lián)數(shù)據(jù)基站或邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)。多臺網(wǎng)關(guān)設(shè)備形成了分布式物聯(lián)感知智能協(xié)同網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了港航物聯(lián)感知數(shù)據(jù)快速、可靠、安全的端到端（Machine to Machine， M2M）互聯(lián)互通，即縱向貫通和橫向連通，支持大規(guī)模智能協(xié)同服務(wù)應(yīng)用，是智慧港航“新基建”的重要組成部分。

平臺采集航區(qū)智能感知設(shè)備的各類信息，并將信息跟設(shè)備的基礎(chǔ)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成數(shù)字世界的設(shè)備影子，每個設(shè)備影子代表一個現(xiàn)實(shí)世界的具體設(shè)備，設(shè)備特點(diǎn)代表了設(shè)備影子的屬性。平臺總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）感知層

航道、船舶上安裝的各感知設(shè)備，如電子卡口，AIS基站等，會按照時(shí)間順序產(chǎn)生一系列數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過通信線路（網(wǎng)絡(luò)）等方式傳輸?shù)狡脚_。

感知設(shè)備自身具有一定的運(yùn)算能力和集成SDK的能力。在設(shè)備中集成IoT的SDK，可將數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)直接發(fā)送到數(shù)據(jù)處理平臺中指定的邊緣網(wǎng)關(guān)，若傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)為非標(biāo)準(zhǔn)格式，或采用串口、Modbus等連接模式，則需要由邊緣網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)碼處理。

（2）邊緣網(wǎng)關(guān)

邊緣網(wǎng)關(guān)是構(gòu)建港航物聯(lián)感知“一張網(wǎng)”的核心設(shè)備，可利用多臺設(shè)備組建智能物聯(lián)數(shù)據(jù)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)港航物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和共享。

邊緣網(wǎng)關(guān)主要用于接收物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的信息，并利用MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理平臺。設(shè)備具有物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入、解析、時(shí)間校準(zhǔn)、函數(shù)計(jì)算、分發(fā)等功能，支持連接數(shù)超10 000個，端到端傳輸延時(shí)不超過5 ms。主要功能如下：

協(xié)議轉(zhuǎn)換：將非標(biāo)協(xié)議解析成容易處理的模式。

時(shí)間校準(zhǔn)：針對部分傳感器矯正其錯誤時(shí)間。

函數(shù)計(jì)算：拋棄異常數(shù)據(jù)，例如，由于定位設(shè)備漂移產(chǎn)生的飛點(diǎn)屬于無效點(diǎn)，需要拋棄。

數(shù)據(jù)加解密：通過SDK可對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。

FPGA防護(hù)：采用FPGA芯片開發(fā)了安全防護(hù)功能，可防止非授權(quán)機(jī)器接入與設(shè)備探查、攻擊。

無中心組網(wǎng)：多臺設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)無中心組網(wǎng)。

消息路由：實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的消息路由功能，支持自定義路由消息服務(wù)。

數(shù)據(jù)分發(fā)：將解析、校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議發(fā)送到數(shù)據(jù)協(xié)同平臺。

（3）數(shù)據(jù)處理平臺

數(shù)據(jù)處理平臺是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)同平臺的核心處理引擎，用于將多源、多結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，如將設(shè)備的基本信息、業(yè)務(wù)信息（如：船舶處罰信息等）、傳感器信息等進(jìn)行關(guān)聯(lián)、運(yùn)算。數(shù)據(jù)處理平臺的主要功能如下：

數(shù)據(jù)接入：平臺支持MQTT、HTTP、REST、JDBC、JMS等數(shù)據(jù)接入。

數(shù)據(jù)清洗/過濾：數(shù)據(jù)清洗指對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性、時(shí)效性的校驗(yàn)判斷。通過清洗過程的輔助邏輯，來判斷抽取的數(shù)據(jù)是否符合業(yè)務(wù)規(guī)范、數(shù)據(jù)規(guī)范等。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指根據(jù)預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)映射關(guān)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系，將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合統(tǒng)一物模型規(guī)范的數(shù)據(jù)。具體包括：字段名稱映射、日期轉(zhuǎn)換、日期運(yùn)算、字段運(yùn)算、代碼轉(zhuǎn)換、字符串處理、參照轉(zhuǎn)換、空值判斷、聚集運(yùn)算等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將不同來源的數(shù)據(jù)，在類型、格式、編碼規(guī)則等方面進(jìn)行統(tǒng)一、集成、規(guī)范化處理，為后續(xù)的分析、處理、查詢工作提供統(tǒng)一、集成、規(guī)范的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)融合：數(shù)據(jù)融合服務(wù)無需指定數(shù)據(jù)種類，只需指定需要融合的數(shù)據(jù)即可。

數(shù)據(jù)裝載：經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)已經(jīng)是符合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺物理目標(biāo)結(jié)構(gòu)規(guī)范的數(shù)據(jù)，通過加載把這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺。一般情況下，加載可與轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，也可以將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩存池（文本文件、二進(jìn)制文件或數(shù)據(jù)庫表）后再加載。系統(tǒng)采用不同的加載方式來裝載不同的數(shù)據(jù)，可以使用更新追加的裝載方法，也可以采用直接追加的裝載方法。

數(shù)據(jù)分發(fā)：數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)能夠主動向存儲系統(tǒng)或者消息隊(duì)列提供數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)完成校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換、融合、關(guān)聯(lián)、裝載等一系列處理后被投入分發(fā)隊(duì)列。

標(biāo)簽計(jì)算：通過流式計(jì)算平臺（Flink），根據(jù)模型層的標(biāo)簽規(guī)則完成對流式數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的計(jì)算，標(biāo)記業(yè)務(wù)標(biāo)簽。例如在船舶管理過程中，可根據(jù)位置信息結(jié)合其船檢數(shù)據(jù)和行政處罰數(shù)據(jù)計(jì)算該船的業(yè)務(wù)標(biāo)簽，決定是否對其進(jìn)行檢查。

告警計(jì)算：告警計(jì)算通過傳感器的閾值或規(guī)則來實(shí)時(shí)判定設(shè)備狀態(tài)，如果超過閾值或者符合預(yù)警規(guī)則，則生成告警信息。

（4）模型層

模型層用于設(shè)置船舶物模型和規(guī)則模型。物模型用于描述船舶的屬性信息，包括屬性名稱、屬性類型、屬性的約束條件等，例如船舶物模型包括船舶名稱、船舶編號、位置信息、航向等。規(guī)則模型主要用于設(shè)置規(guī)則，為后續(xù)計(jì)算設(shè)備標(biāo)簽提供邏輯支持。

（5）數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層采用MySQL和TimescaleDB數(shù)據(jù)庫，其結(jié)構(gòu)通過物模型進(jìn)行動態(tài)創(chuàng)建。例如在港航應(yīng)用中，根據(jù)港航全域數(shù)據(jù)模型，依托港航業(yè)務(wù)體系對港航信息資源進(jìn)行分析梳理，形成涵蓋船舶、AIS、北斗GPS、電子卡口等信息資源的港航物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)資源存儲中心。

（6）接口層

接口層為需要對接數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供服務(wù)，例如船舶位置數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)標(biāo)簽數(shù)據(jù)等。

REST訪問接口方式：提供HTTP訪問，通過URL的方式返回JSON。

Socket接口方式：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺開發(fā)相應(yīng)的端口，應(yīng)用系統(tǒng)通過指定的賬戶和密碼連接該服務(wù)端口，認(rèn)證后，通過JSON數(shù)據(jù)格式的交互包來請求相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)。

DDS訂閱/推送方式：采用DDS方式實(shí)現(xiàn)訂閱/推送功能。DDS使用全局?jǐn)?shù)據(jù)空間，允許應(yīng)用程序在可靠性、實(shí)時(shí)性完全可控的情況下共享信息。

（7）體系建設(shè)

體系建設(shè)包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系的建設(shè)。通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息資源的整合共享、信息系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通提供保障，并為后續(xù)應(yīng)用的開發(fā)提供依據(jù)。通過制定安全保障體系，切實(shí)保證平臺安全、穩(wěn)定、長效運(yùn)行。

2 數(shù)據(jù)處理流程

平臺數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

（1）數(shù)據(jù)生成

感知設(shè)備生成時(shí)序數(shù)據(jù)，通過TCP/IP、UDP/IP、串口、Modbus總線等方式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。

（2）協(xié)議解析

網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議提取感知數(shù)據(jù)，校驗(yàn)和過濾數(shù)據(jù)的時(shí)間、范圍后進(jìn)行部分計(jì)算，然后通過MQTT將數(shù)據(jù)推送至處理平臺。

（3）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的接收、處理和加載。數(shù)據(jù)接收包括接收基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；感知數(shù)據(jù)通過各邊緣網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)狡脚_。在平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，如過濾、轉(zhuǎn)換等，還可以將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。數(shù)據(jù)加載需根據(jù)數(shù)據(jù)類型加載到不同的數(shù)據(jù)庫，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分別加載到基礎(chǔ)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中，感知數(shù)據(jù)加載到感知數(shù)據(jù)庫中。感知數(shù)據(jù)還可以推送到Kafka，為后續(xù)進(jìn)行告警計(jì)算和標(biāo)簽計(jì)算做準(zhǔn)備。

（4）告警計(jì)算和標(biāo)簽計(jì)算

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會源源不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、關(guān)聯(lián)，因此通過流式計(jì)算來完成。

使用Flink計(jì)算引擎接收Kafka數(shù)據(jù)，并與設(shè)備的業(yè)務(wù)信息進(jìn)行融合計(jì)算，按照模型中的規(guī)則計(jì)算告警和業(yè)務(wù)標(biāo)簽。

（5）數(shù)據(jù)服務(wù)

通過訂閱/推送方式將數(shù)據(jù)推送給業(yè)務(wù)端，支持Socket、WebSocket和REST等接口形式，通過請求/應(yīng)答模式提供服務(wù)。

3 平臺部署

本平臺主要由物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)智能協(xié)同服務(wù)器（物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基站）、平臺運(yùn)維和管理中心、業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件等組成。平臺部署示意圖如圖3所示。

平臺的核心設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基站，其部署在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的物理網(wǎng)絡(luò)之上，能夠在復(fù)雜的物理網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建透明化“虛擬網(wǎng)絡(luò)”，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)感知數(shù)據(jù)智能協(xié)同服務(wù)“一張網(wǎng)”，使物聯(lián)網(wǎng)端到端數(shù)據(jù)連接（M2M）變得十分簡單。每個數(shù)據(jù)基站就近連接智能物聯(lián)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入和分發(fā)應(yīng)用。管理中心軟件可為運(yùn)維管理人員提供平臺的統(tǒng)一運(yùn)維管理功能。業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件可部署在云端，是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基站的一個應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，上述節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個扁平化、無中心的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境。

4 應(yīng)用實(shí)例

以某地“海河聯(lián)運(yùn)”項(xiàng)目來說明本平臺的應(yīng)用：

該項(xiàng)目通過航運(yùn)船舶安裝的智能終端、布設(shè)的岸基（包括航道沿岸、交通樞紐、海事檢查站、船閘、港口碼頭、橋梁、浮標(biāo)等）智能信息采集與傳輸設(shè)備，以及現(xiàn)有的4G/5G移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)海河聯(lián)運(yùn)信息的采集、信息雙向互通、協(xié)同信息處理、短距離數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)船岸一體、船港一體、船貨一體的示范應(yīng)用。

船岸協(xié)同數(shù)據(jù)基站提供跨域、跨源的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠傳輸服務(wù)，智能設(shè)備間通過M2M技術(shù)構(gòu)建感知設(shè)備自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)船間、船岸、岸間信息轉(zhuǎn)發(fā)和信息協(xié)同處理，如圖4所示。

應(yīng)用表明，本平臺以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可靠低時(shí)延的縱向貫通和橫向連通，以及設(shè)備到設(shè)備（M2M）的物聯(lián)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；同時(shí)，平臺提供的低代碼物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)工具，大大降低了對應(yīng)用開發(fā)者的要求。

5 結(jié) 語

本文提出了通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基站構(gòu)建港航物聯(lián)數(shù)據(jù)智能協(xié)同服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)方案，將智能航運(yùn)安裝的智能終端、布設(shè)的岸基智能信息采集與傳輸設(shè)備等組成物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“去中心化”的跨域、跨源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)端到端實(shí)時(shí)可靠傳輸，船間、船岸、岸間信息轉(zhuǎn)發(fā)和信息協(xié)同處理，并提供低代碼開發(fā)工具，降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，滿足智能航運(yùn)跨區(qū)域船岸協(xié)同、實(shí)時(shí)預(yù)警、扁平化指揮等應(yīng)用需求，這將是今后物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)智能協(xié)同平臺的發(fā)展方向。

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