北斗系統在智慧港口領域的應用

文|吳海樂 陳揚 賈來國

1.中國交通通信信息中心

2.北京國泰星云科技有限公司

一、前言

隨著國家北斗系統的建設，北斗產業規模不斷擴大、應用領域日益廣泛、產業貢獻率越來越高，北斗系統不斷升級和完善，北斗高精度定位服務逐步成為全社會共享的一項公共服務，北斗高精度定位開始向全社會“賦能”。根據中國衛星導航定位協會發布的《2020中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》，2019年我國衛星導航與位置服務產業總體產值達3450億元，較2018年增長14.4%，其中與衛星導航技術研發和應用直接相關的產業核心產值為1166億元，在總產值中占比為33.8%，其中，北斗系統對核心產值的貢獻率超過80%。

港口是國民經濟的重要支撐和增長引擎，根據我國《交通強國建設綱要》《交通運輸信息化“十三五”發展規劃》，自動化碼頭、智慧港口是“十三五”期間國內港口的重要發展主題。2017年6月，交通運輸部發布10個省（區、市）的13個智慧港口示范工程項目；2017年11月，中央軍委裝備發展部、交通運輸部發布《北斗交通運輸行業應用專項規劃》，明確提出以北斗系統應用助力智慧港口建設；2019年8月，交通運輸部印發《數字交通發展規劃綱要》，明確提出鼓勵物流園區、港口、鐵路和機場貨運站廣泛應用北斗、物聯網、自動駕駛等技術。2019年11月交通運輸部發布的《關于建設世界一流港口的指導意見》中指出，要加快“智慧港口”的建設，建設基于5G、北斗、物聯網等技術的信息基礎設施，推動港區內集卡和特殊場景集疏運通道集卡自動駕駛示范，深化港區聯動。

北斗系統是“新基建”“智能交通”“世界一流港口”發展與建設的主要力量之一，在“新基建”浪潮下，港口智慧化、碼頭自動化的建設進程必然加快，對高精度定位導航的需求必定會越來越強烈，北斗衛星導航系統在港口的應用將更加廣泛。

二、北斗系統在港口領域的應用需求

北斗高精度定位可以幫助港口實現生產安全智能控制。港口機械設備設施投資巨大、貨物價值較高，作業過程中的輕微刮碰就可能引起巨大的經濟損失，如果再涉及司機、現場業務人員等的傷亡，必產生惡劣的社會影響。隨著港口技術不斷革斷，安全防護及控制投入持續增長。自動化、無人化對安全提出了更全面、更細致的要求。通過精準定位可針對一個動作、一個對象、一個場景實現安全防護與控制，從而幫助港口建立全方位、全要素、全流程的安全控制策略。

北斗高精度定位可以面向生產全流程幫助港口提升作業效率。船舶大型化倒逼港口通過新建改建裝卸設備、應用新技術提升作業效率，準確感知、精準定位、實時共享是智能操作、提高效率、資源均衡使用的最有效手段。基于精準定位的機械設備作業軌跡、箱貨的準確位置信息，可以實現不同機械設備之間、設備與箱貨之間的無縫平滑對接，從而提高效率。

北斗系統能夠幫助港口不斷提升智慧維度。位置數據是智慧化的基石，對港口數以萬計的生產要素進行精準定位，將可以全面增強港口的感知、認知、思考、決策能力，港口才可能進化到更高的智慧維度。

因港口的區域位置、基礎設施、發展模式不盡相同，建設智慧港口的模式、路徑各有特點，應用北斗技術的方式、程度也不盡相同。港口領域常見的北斗應用場景主要包括流動機械車輛的位置追蹤、大型機械的定位和輔助駕駛等。

具體表現為：1）以終端模式為主的流動機械車輛定位，可實現車輛監控、調度；此類應用受政策引導、GPS先發應用優勢影響較大，應用案例較多；隨著北斗導航終端的成本不斷下降、定位穩定性不斷提高，北斗系統的價值也逐漸開始顯現。2）以安全控制為核心的大型垂直作業設備的高精度定位，通過與激光掃描、視頻識別、通信等技術融合應用，測定絕對位置、相對位置，進而計算出速度、姿態、形狀等信息，實現設備移動過程中的各類安全控制；受船舶大型化、機械智能化、碼頭自動化的驅動，此類應用近年如井噴式增長。3）自動化碼頭建設對北斗高精度定位有廣泛且迫切的需求。與磁釘等傳統定位技術相比，北斗定位可有效避免因遮擋以及惡劣電磁環境等引起的定位不連續等問題，且可大幅降低建設成本。

三、北斗系統在港口領域的應用場景

1．港口堆場作業自動化

堆場是港口集裝箱碼頭的核心作業區域，堆場作業工藝和作業效率直接影響港口裝卸船的效率、貨物進出港的效率。全球碼頭自動化建設大潮推動下，堆場自動化建設的需求高漲。

堆場自動化建設需要對場橋及吊具、集卡車、集裝箱進行全天候精準定位，實時獲取位置、姿態、動態等信息，才能實現安全控制、自動化作業。通過北斗系統與慣性導航、激光掃描、地理信息系統（GIS）等技術的深度融合應用，面向堆場作業全過程設計自動化解決方案，可實現場橋大車自動定位、集卡車進行集裝箱自動裝卸、堆場堆取箱的自動化操作等應用（圖1）。

圖1 基于北斗的堆場自動化系統框架圖

傳統常用定位方式主要包括磁釘、格雷姆線、超聲波等，存在施工難度大、定位偏差大、定位精度不高等問題。北斗系統高精度等優勢，可以有效避免上述傳統定位方式存在的問題，滿足碼頭堆場自動化對精準定位的要求，并大幅降低老舊碼頭自動化改造建設成本。通過采用多天線、組合導航等技術，可有效解決因遮擋和電磁干擾造成的衛星定位短暫失效問題，同時可通過多天線定姿技術自動補償場地誤差、機械變形誤差，滿足了在復雜環境、復雜場地條件下的連續精準定位需求，在港口特種設備無人駕駛領域充分發揮了北斗系統的決定性作用。

港口堆場作業區域相對封閉，北斗高精度定位與高精度地圖組合搭配使用，能夠為港口作業機械和車輛的自動運行提供精準的服務。相對定位方式，當大車需要更改作業位置時，必須先掃描、定位、再運動，這會降低生產效率。通過利用北斗高精度定位、高精度地圖提供的絕對位置以及統一時間，為相對定位建立時間標簽和位置基準，大車在更換作業位置時無需等待，為進一步提升自動化作業的效率提供了新思路、打開了新途徑。

2．港口水平運輸智能化

港區水平運輸效率直接影響港口物流“最后一公里”的質量和效率，實現水平運輸智能化、無人化，不僅可以提高港口生產效率，還可以大幅降低人工成本，更是港口安全的重要保障措施，是智慧港建設的重要一環。

集卡車是集裝箱碼頭重要的水平運輸設備，其往返穿梭于船邊、場內，與岸橋、場橋等大型裝卸機械的垂直裝卸作業無縫銜接，實現集裝箱在船-場間的位移。如何在封閉且工況復雜的港區內讓數十臺集卡車精準定位、依令而動、動而優行，是碼頭自動化建設必須面對的難題。單純的衛星導航定位方式，存在因港區高大機械、建筑物、集裝箱堆高等遮擋引起的信號不連續、位置不準確等現象；地下埋磁釘方式，工程浩大、造價昂貴；單純對集卡車進行自動化功能升級方式，工程量大、性價比極低。

采用基于北斗衛星導航、慣性導航的組合導航技術，可以有效解決因遮擋、差分鏈路干擾引起的衛星定位信號短暫失效或不穩問題，從而實現集卡車的連續穩定定位，突破了港區水平運輸智能化的行業性瓶頸問題（圖2）。

圖2 集卡車智能運輸場景模擬圖

基于北斗的港口水平運輸智能化系統主要由北斗基準站系統、內集卡北斗組合定位終端、碼頭可視化作業監控系統、中心數據服務系統，以及與其他應用系統的接口系統等共同實現。可以對港區內的集卡車自動進行任務分配、車輛優化配置、車箱自動匹配；可以對港區水平運輸進行全過程實時監控；還可與港區內其他裝卸機械與設備、人員，以及外來車輛等定位與作業數據整合后，可通過大數據、人工智能技術對全場數據進行建模分析，能夠為碼頭全場作業自動化提供必要支撐與保障。

3.港口作業可視化

通過獲取GNSS高精度定位信息，結合碼頭三維場景模型、岸橋/場橋/集卡等機械模型，實時顯示作業機械在堆場的運行位置及狀態，可對全場進行實時監控，便于更為直觀的進行作業機械的監控和調度管理。

利用GNSS設備，實現機械的超速等安全管理，為碼頭管理層和現場管理提供數據依據，提高安全管理有效性。

通過可靠數據傳輸協議（RDT）和GNSS設備運行狀態監控 ，實時進行資產運行狀態監控，有效監測設備的完好性，及時修復故障設備，提高資產利用率，提高機械運行效率。

利用GNSS設備的高精度定位信息，記錄機械的運行時間和運行軌跡，在出現問題后，可以通過事后回放查找問題和分析問題原因，提高管理水平；另外，軌跡回放也可以使得司機和管理人員之間更為有效溝通問題所在，提高管理手段。

可將機械的實時位置信息提供給生產作業系統（TOS），支持TOS實現全場作業優化調度；可接收TOS作業計劃，實現作業計劃的圖形化模擬與仿真（圖3）。

圖3 碼頭全場作業模擬與仿真圖

4．港口大數據時空化

綜合運用北斗定位、物聯網、云計算、大數據等先進技術，通過北斗+技術+業務，獲取港口所有生產要素的時空信息，并與生產運營、管理等信息整合，解析匯聚成港口時空大數據，搭建基于云的統一的港口北斗數據平臺，形成多源多維多場景的港口時空數據體系，多維分析后可用于碼頭畫像、管理決策，將可以全方位增強港口的時空維度，提升港口的智慧能力。

四、北斗系統在港口應用的核心價值

北斗系統在港口應用的關鍵焦點為精準定位、互聯互通、細致的位置數據、貫穿業務流程。將北斗定位技術與其他感知識別技術融合應用，準確實時感知港口所有生產要素（設備、機械、作業現場、地理環境、氣象環境、貨物、人員等）的時間、空間、事件等信息，并與生產運營、管理過程等高度整合，通過集成應用通信、物聯網、移動互聯網、云計算、大數據、人工智能等技術，實現港口的廣泛互聯、高度共享、智能應用，才可能使港口真正擁有智慧。

在港口“點線面”上提高北斗系統的應用。點上，不斷提高作業機械和貨物的定位精度、信息識別的準確度和速度、復雜工況下多維異源信息識別的準確度。線上，立足效率和成本的平衡，設計智能控制流程并不斷優化，最大化與其他系統無縫銜接，實現平滑控制。面上，構建基于云的港口北斗數據平臺，匯聚形成港口時空數據平臺，多維分析后可形成碼頭運行畫像，供管理決策、客戶服務使用。

五、北斗系統在國外港口的應用推廣

我國先后與東盟、阿盟、中亞等國家和地區開展衛星導航合作，推動北斗系統在海外落地生根，服務東盟、阿盟、中亞等國家和地區。基于北斗的跨境運輸、土地確權、精準農業、數字施工、智慧港口等，已在東盟、南亞、西亞、非洲等得到成功應用。國產北斗基礎產品已出口120余個國家和地區，其中覆蓋“一帶一路”沿線國家和地區達到30余個。

隨著北斗全球系統建設的完成，北斗系統在國外港口的應用會越來越廣泛。基于北斗定位、新一代通信、物聯網、人工智能等新技術融合的北斗+智慧港口應用模式，在國內港口成功應用后，可以向海外其他國家的港口進行復制、推廣。

六、結語

促進北斗衛星系統更多地為智慧港口“賦能”，北斗時空信息與其他新興技術的高度融合、北斗等應用技術與港口業務流程的高度融合是關鍵；未來智慧港口的實現將是基于物理信息系統的泛在感知與智慧控制，以北斗衛星系統為基礎的PNT體系是其支撐基石；北斗衛星系統的時空位置、業務流程、物聯網設備完美融合，將可以全方位增強港口的智慧化程度，此種模式若能形成應用，將可能引發港口經營管理的時代性變革；北斗系統是港口向數字化轉型、向智慧化升級的核心支撐。