基于AIS數據的港口船舶營運效率評估系統

徐明強

(東海航海保障中心 上海海圖中心，上海 200090)

近年來，我國先后提出建設絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路兩大倡議。港口作為連接國內外貨運商貿、物流倉儲和信息服務的重要載體，既是國際貿易和沿海國家貨物的主要物流節點，也是“一帶一路”建設的關鍵節點。港口的營運效率直接關系到貨物運輸的成本和船公司的航運效益，因此對港口營運效率進行評估越來越受到重視。隨著互聯網的發展和“智慧港口”概念的提出，通過評估系統對港口營運效率進行評估成為提高港口船舶營運效率的有效手段。

港口效率研究始于20世紀80年代，目前的評估指標從技術、配置、規模和成本等角度，對港口效率進行分類界定和評估。國內外關于港口效率的研究方法主要有生產前沿分析法和非生產前沿分析法兩大類。非生產前沿分析法中應用較多的是偏要素生產率或部分衡量法，即以單一的指標來衡量港口效率，最常用的有泊位貨物裝卸效率和貨物吞吐量等，這種方法只能評估港口在某方面的效率，無法衡量港口整體效率，因而并不適用于評估港口這種典型的多投入、多產出的生產過程。[1]

雖然目前國內外有關港口效率評估的方法(如層次分析法、模糊聚類分析法、灰色關聯分析法及數據包絡分析法等)有很多，卻沒多有一個信息化系統作為日常評估港口整體營運效率的平臺。[2]建立港口整體營運效率評估系統對港口營運各項指標進行全面、系統的評估，有助于港口管理部門科學準確地掌握港口營運狀態，促進港口管理和發展。

基于港口船舶自動識別系統(Automatic Information System，AIS)數據，可方便地掌握港口內船舶的時空狀態，并通過結合港口基礎地理信息、船舶調度和碼頭泊位裝卸作業等信息建立相應的評估指標，總體上可反映出港口的整體營運狀況。本文首先提出泊位空置率、船舶在港運行時間效率、船舶發船準時性、船舶裝卸效率、船貨集疏運通行能力和船舶NOx排放量等港口船舶營運效率評估指標，然后描述港口船舶營運效率評估系統的總體結構設計、總體功能設計和實現方法。

1 基于船舶AIS數據的港口船舶營運效率評估指標

隨著港口管理信息化水平的提高，很多港口逐步將物聯網、大數據處理、云計算和地理信息系統等信息技術應用到港口生產中，使港口對大數據的概念及其應用的認識不斷提升，港口信息數據的應用重心將從傳統的收集管理數據逐漸轉向對數據的深度挖掘。以船舶AIS數據為核心，建立港口運營的信息交換樞紐，提供不同層次、既方便又多元化的信息服務，實現相關港口信息服務的產業化，必將成為新的經濟增長點。數據資源的應用將成為港口信息化建設的重中之重和建設“智慧港口”的必要條件。[3]

1.1 港口船舶AIS數據

港口船舶AIS數據是指港口岸基AIS基站獲取到的在港口活動的船舶安裝的船舶AIS發出的本船的動態數據和靜態數據。目前絕大部分船舶都攜帶有AIS，每天可收集得到大量的船舶AIS數據。船舶AIS數據主要用于海洋測量、船舶跟蹤、港口交通與活動監管、風險決策支持、碰撞規避、廢氣排放與燃料功效估計及噪聲評估等方面的研究。船舶AIS數據由3類信息構成，即：

1) 船舶動態數據，包含經度、緯度、艏向、航跡向和航速等。

2) 船舶靜態數據，包含船名、呼號和海事移動服務識別碼等。

3) 船舶航程數據，包含船舶狀態、吃水、目的地和預期到港時間(Estimated Time of Arrival, ETA)等。

通過對港口船舶的上述信息進行時空分析，結合港口地理空間數據、港口船舶調度和碼頭裝卸作業等信息，可建立有利于評估港口船舶營運效率的評估指標。

1.2 評估指標

港口船舶運營效率評估指標是綜合反映港口經營生產和經營活動狀態、特征的信息，目前“智慧港口”得到大力發展，以港口吞吐量為核心的評估指標已不能滿足新形勢下港口轉型升級的發展要求，港口效率的評估不應是單一的，應從多角度、多方面去系統地分析評估港口運行效率。AIS數據記錄了船舶位置、尺寸和載重噸數等信息，利用這些信息可挖掘出船舶航行特征及港口整體效率評估指標等信息。針對港口整體營運效率評估的需要，提出以下具體評估指標(見表1)。

2 基于船舶AIS數據的港口營運效率評估系統總體結構

港口營運效率評估系統總體架構見圖1。

評估系統基于Client/Server架構，提供中間層集成框架滿足系統的高可用性、高可靠性及可擴展性的相關應用需求，在設計上采用分層設計思想，確保系統具有良好的功能擴展性和數據庫的兼容性與擴展性。系統采用先進靈活的組件方式對各業務服務進行集成。系統由資源層、服務層、接口層和用戶訪問層構成。

2.1 資源層

資源層是整個系統的數據樞紐，是存放系統原始數據及相關信息資源的實體層，融合不同類型的數據、文獻信息和多媒體等數據資源，主要由船舶AIS數據庫、港口基礎信息、港口調度和碼頭裝卸作業等信息組成。此外，資源層還可實現船舶AIS動態數據的接收、解析和存儲。

2.2 服務層

采用臺ArcGIS基礎平臺，利用數據表的形式存儲空間數據和業務數據，并通過ArcGIS Server地圖服務發布地圖數據。服務層依靠資源層提供的各類數據，具有基于電子海圖、AIS數據、港口調度和碼頭裝卸作業等數據的各種分析功能，并能實現各功能之間的協同和信息交換。

2.3 接口層

接口層采用API Gateway(即API網關)(見圖2)，所有請求會經過該網關到達后端服務，與Facade模式類似。API網關作為系統接口對外的統一出口，可減少調用方對服務實現的感知。

利用API Gateway技術，使用戶在不感知服務邊緣的情況下，利用統一的接口組裝服務。

2.4 用戶訪問層

用戶在使用該系統過程中，可通過終端設備隨時訪問系統，并能將評估分析結果便捷地用于展示、打印和下載等輸出操作，訪問層設計滿足電腦、手機等多種終端對系統的訪問和操作，實現攜帶和使用簡便、操作靈活。

表1 基于船舶AIS數據的港口船舶營運效率指標

3 基于船舶AIS數據的港口營運效率評估系統總體功能

系統由港口基礎信息管理、船舶AIS數據處理、效率評估和改善建議等4個功能模塊構成，系統總體功能結構見圖3。

1) 對進出港口的船舶AIS數據進行解析過濾等處理，并生成基于電子海圖的空間軌跡。

2) 通過分析船舶運動軌跡，統計船舶在進出港過程中的時間消耗分布，包含錨地、航道、泊位及其他區域。

3) 通過對船舶進出港口時間消耗進行統計分析，根據預設的指標評估模型評價港口船舶運營效率，并生成報告。

4) 對以上3步進行綜合分析，提出港口船舶運營效率改善的部分建議。

3.1 港口基礎信息管理

港口基礎信息管理模塊主要用于對港口各項地理資源信息進行維護管理，為后續的分析統計提供數據支持，屬于靜態信息管理，包括泊位、航標、地名、水深、航道、錨地和其他等要素的基礎資料和坐標信息。

3.2 AIS數據處理

AIS接口的通信協議采用IEC 61162-2標準(NEMA高速協議)。系統在接收到AIS報文數據之后，根據AIS數據報文標準進行報文數據的解析，得到具體的船舶靜態數據和動態數據信息，并對軌跡大幅跳動和速度大幅波動等異常的數據進行過濾處理，結合電子海圖生成船舶進出港運動軌跡并存入數據庫。

3.3 效率評估

系統根據評估指標和計算公式，對船舶進出港口在不同區域消耗的時間進行統計分析，并按年、季度和月等不同周期生成報表。對不同港口的數據進行對比分析，并生成港口船舶運營效率評估報告。

3.4 改善建議

根據上述港口整體效率評估結果，找出港口船舶運營效率問題熱點，結合港口管理輔助決策知識庫，系統可自動生成改善建議報告。

4 結束語

港口是海上交通運輸的關鍵節點，應用船舶AIS數據，結合港口基礎信息、港口調度信息和碼頭裝卸作業信息等，通過信息化手段，建立港口船舶營運效率評估系統，提出的評估指標能較全面地反映出港口船舶整體營運狀態，有利于港口管理部門科學地掌握港口的整體效率情況。