集装箱码头集卡北斗导航定位系统设计与应用

褚英双 郭晶云

随着港口规模的扩大及集装箱吞吐量的增长，出入码头的集卡数量增多，码头综合管理难度上升，集卡不按规定路线行驶、随意停放、超速行驶等现象时有发生，对码头安全生产造成危害。鉴于此，有必要对出入码头的集卡实施全过程管理，通过技术手段实现预防、监督、纠偏、评价等环节的可视化、透明化，确保集卡在码头区域内安全行驶和有序通行。本文在码头生产管理系統的基础上，开发基于北斗导航定位系统的集卡导航定位服务平台。该平台提供基础地图、高精度导航定位、车辆预警及数据统计等服务，结合高精度车载定位终端及导航应用程序等，辅助码头运行及管理，从而达到降低码头集卡管理成本、提升码头集卡管理专业化和智能化水平的目的。

1 集装箱码头集卡北斗导航定位系统设计

1.1 高精度电子地图

高精度电子地图主要提供高精度定位服务、车道级导航服务和无人驾驶服务。高精度电子地图包含大量的行车辅助信息，其中最重要的是精确的路网三维表征（精度达到厘米级），如路面的几何结构、道路标识线的位置、周边道路环境的点云模型等。此外，高精度电子地图还包含丰富的语义信息，如交通信号灯的位置和类型、道路标识线的类型以及可行驶路面识别等。

1.1.1 高精度电子地图的优点

（1）高精度 传统电子地图的精度只能达到米级，而高精度电子地图的精度达到厘米级，从而能够提供精准的位置服务和导航服务，使无人驾驶成为可能。

（2）高实时性 高精度电子地图能及时反映路网的变化，如道路整修、道路标识线重漆、交通标识改变等，以确保高精度导航的正确性。在码头特定范围内，高精度电子地图的应用能够帮助后台系统精准掌握全区路网的变化并及时作出调整。

（3）分层数据结构 高精度电子地图最底层是基于卫星遥感技术的高分辨率地图，其上辅以点云模型、道路路网、道路要素属性等图层，最终形成高精度、高分辨率、全要素的电子地图。

1.1.2 高精度电子地图的制作步骤

（1）建立控制点。在码头范围内设立全球导航卫星系统控制点，用于更新地理信息系统底图、检验校准或其他测量。控制点测量主要根据场地实际面积确定控制点数量。道路标识点测量主要用于对遥感地图的校准，可选取较为明显的道路要素作为标识点，如井盖、箭头端点、道路线交会点等。用实时动态载波相位差分测量设备测量的标识点存在一定的误差，经控制点校准后可以消除误差。

（2）码头路网图测绘。以控制点为基础，使用全站仪对码头道路进行测绘，并根据系统需求在测绘过程中标注码头主干道路线、箱区道路线、无线射频识别（radio frequency identification，RFID）标识点区域等要素;箱区内的箱位信息根据箱区长度推算，码头前沿装卸区域可根据实际情况设定。测绘完成后，绘制全路网，并标注道路要素，建立道路拓扑关系。

（3）制作高精度地图。融合使用精度为30 cm的高分辨率全色遥感地图与精度为80 cm的彩色遥感地图，生成精度为32 cm的彩色遥感地图。使用全球导航卫星系统控制点及校准后的标识点对彩色遥感地图进行校准，生成高精度遥感地图。在高精度遥感地图上叠加点云模型，建立正摄影像图;然后，叠加全路网地图，建立高精度电子导航地图。利用ArcGIS软件将路网地图的相对坐标转换为绝对坐标，并与遥感地图叠加，生成高精度电子地图。

1.2 系统架构设计

集装箱码头集卡导航及监控系统采用北斗卫星定位终端和高精度电子地图对集卡实施道路级导航和高精度定位监控，集卡定位数据通过移动数据网络或码头自建网络传输，并在监控中心或异地监控终端通过地理信息系统将监控目标显示在可视化数字地图上。如图1所示，集卡北斗导航定位系统总体服务架构主要分为网络传输层、服务层和应用层。

1.2.1 网络传输层

网络传输层主要作为车载终端或应用程序终端与数据平台的网络传输支撑。内集卡可以通过车载终端实现与码头内网通信，外集卡可以通过手机移动数据网络通信。

1.2.2 服务层

服务层主要提供数据平台服务及应用程序接口服务。数据平台实时存储接收到的集卡位置数据，并针对历史轨迹等服务制定存储逻辑和存储策略。由于数据存储量较大，为了确保稳定、高速的读取服务，合理制定存储策略非常重要。应用程序接口用于数据传入支撑和服务支持：一方面，支撑车辆监管平台;另一方面，通过本平台对外提供标准集卡位置应用程序接口，供码头相关系统调用。

1.2.3 应用层

（1）前端车载终端实时采集和传输集卡定位数据。使用高精度北斗定位终端、车载设备、手机等多种设备采集数据，并将之通过无线通信模块实时传输到服务器。内集卡使用带有蓝牙通信模块、设备控制单元、惯导模块及天线的高精度北斗定位终端和车载Windows CE设备;外集卡使用手机定位，配合定制版高精度导航应用程序上传位置信息。

（2）后端监管中心平台主要提供监管平台服务，后台服务层由综合管理系统及基于地理信息系统的监管平台组成。综合管理系统主要管理监测对象、监测设备、用户权限、系统数据字典、系统日志等信息;监管平台主要负责车辆监控、接处警、数据处理、车辆状态检测和其他信息服务。

（3）提供平台应用程序接口服务及大数据分析。平台应用程序接口服务对所有位置需求方提供标准接口输出及接口监控。大数据分析的作用如下：一方面，监测数据的接入、解算、处理、存储、查询及分析;另一方面，积累形成集卡轨迹大数据，在数据分析层面为集卡管理优化提供决策支持。

2 集装箱码头集卡北斗导航定位系统功能实现

2.1 内集卡定位功能实现

（1）方案一：北斗高精度定位终端+Windows CE 车载平台。北斗定位终端是支持实时动态载波相位差分惯导组合的定位设备，支持RKD、RTD、SBAS等多种高精度卫星导航定位模式，并支持卫星导航与MEMS惯性测量单元的组合定位模式;设备采用BLE 4.0低功耗蓝牙通信技术，可与智能手机、平板电脑配对连接;采用差分增强定位技术，支持区域差分，同时支持北斗地基增强系统广域差分;融合卫星导航与惯导导航，提供高精度、高性价比的定位解决方案。目前，码头内集卡主要搭载基于Windows CE系统的设备，通过设备与码头内网相连;为了能将定位信息接入网络，通过串口将北斗定位终端与Windows CE设备连接，实现与码头自建网络和后台的通信。基于Windows CE设备定制开发位置服务对接软件，该软件通过串口取得北斗定位终端的位置信息，并发送至后台服务器进行数据处理和分析。

（2）方案二：北斗工业平板+定制软件。新引进的内集卡可以采用北斗工业平板，迁移原有车载终端功能，并针对北斗定位功能进行扩展，结合指令接收与导航定位功能，形成一体化替代方案。

2.2 外集卡导航定位功能实现

外集卡导航定位解决方案采用司机自用手机安装定制导航应用程序软件的模式。外集卡流量大，并且司机对码头和码头道路不熟悉。为了缩短外集卡停留等待时间，提高其在码头内的周转效率，采用“手机+定制版高精度导航软件”的导航定位解决方案。定制版导航软件不仅能够实现码头内部路线导航，还可以通过调用百度、高德等第三方导航软件实现码头区域外导航。为了满足不同类型手机性能及安装条件的要求，定制版导航软件去除视角切换、行驶轨迹记录、路况上报等功能，以提升软件运行的稳定性和流畅度。外集卡司机在进入码头前下载并安装定制版导航软件，便可实现在码头内的定位导航服务。外集卡定制版导航应用程序软件主要功能如下。

（1）注册和登录 支持用户在线注册和登录，同一司机可注册多辆集卡，只须在进闸口时选择当前作业集卡进入系统即可。

（2）获取集装箱作业小票 外集卡在进入闸口后可以获取入场小票，小票记录集港和提箱详情。

（3）实时位置上报 港口区域内通过移动数据网络将集卡位置信息实时上报到后端数据采集平台。

（4）地图服务 软件内置码头区域高精度地图，在码头区域内可实现高精度定位、地图缩放、路线查看等功能。

（5）车辆导航 支持集卡司机在码头外部调用百度、高德等第三方地图实现导航;一旦进入码头闸口，即可一键获取作业小票，并可根据小票信息导航到指定贝位并自动确认。针对双20英尺集装箱作业设置经停点，先后完成双箱作业。作业完毕后，可一键获取出场导航路线，实现从码头场区任意位置到闸口的导航。导航状态下可设置语音播报、限速和违章提示、记录行驶轨迹等功能，支持实时显示车速、行进方向、行进时长等信息（见图2）。

2.3 數据平台及集卡监管服务功能实现

2.3.1 数据平台服务

数据平台结合码头集卡实时位置数据与一定时期内的历史轨迹数据，提供集卡实时位置服务和集卡历史位置服务。数据平台服务包括数据中心和接口服务。数据中心服务内容包括：搭建基于集卡位置数据的数据平台，分类存储集卡实时位置数据;根据业务需求和规则制定存储策略，形成集卡历史轨迹数据;支持对外提供集卡实时位置数据服务和历史位置数据服务。接口服务的内容为：基于位置数据中心，搭建接口服务中心，提供集卡实时位置获取接口及集卡历史位置查询接口，以满足监管平台、大数据分析以及各业务系统对集卡位置信息的需求。

2.3.2 基于地理信息系统的集卡监管服务

（1）码头地图 提供高精度电子地图，地图平台有遥感影像图和二维平面图两种显示方式，支持放大、缩小、平移、标记等功能。

（2）位置服务 监控中心提供集卡实时位置及当前状态信息，根据集卡列表可实时定位集卡位置，并可配置显示当前一段时间内的集卡行驶轨迹。

（3）电子围栏 监控中心可以设置码头内的边界划分规则，详细划分集卡可工作区域，形成电子围栏。集卡禁入区域可以通过电子围栏实现自动报警。

（4）轨迹回放 监控中心保存集卡所有运行数据，可以选择在任意时间查询任意集卡行驶轨迹，并可选择回放速度、回放时间、是否显示轨迹等，并且支持拖放、快速播放、单步播放等。

（5）集卡作业小票查询 可以选取列表中正在作业的集卡实时查询作业小票信息，实现基于集卡位置的作业情况查询。

（6）地图服务 支持设置道路状态，可根据道路实际状态设置道路拥堵、道路维护、道路占用、道路禁行等，并实时下发道路状态。

（7）RFID模拟位置上报 在高精度电子地图上预设RFID经纬度位置信息：当集卡经过该区域时，设置接近RFID时的触发阈值，可向平台主动上报预到达信号，配合RFID完成集卡位置信息上报，以便码头生产管理系统提前配置作业资源，从而缩短集卡等待时间。

3 集装箱码头集卡北斗导航定位系统应用效果

（1）满足集装箱码头在集卡管理方面的需求，尤其是集卡历史轨迹留存可为优化码头集卡路线管理提供科学依据。通过将电子围栏、车速检测与码头生产管理相结合，能够实现提前预防、故障报警等，从而降低事故发生概率。

（2）导航应用程序软件通过向集卡司机提供天气预报、船舶到离港通知等服务，可以缩短司机等待时间，有效提升作业效率。

（3）系统将集卡定位服务与多项生产环节相结合，能够有效提高集装箱码头作业效率，提升码头作业智能化水平。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2020-11-13）