新興技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

袁玉祥 隨振營(yíng)

摘要：近年來，集裝箱吞吐量的快速增長(zhǎng)給港口的管理以及環(huán)保工作帶來了壓力。智慧港口的提出為緩解港口作業(yè)繁重的現(xiàn)狀提供了解決方案。為使我國(guó)在國(guó)際智慧港口發(fā)展中處于優(yōu)勢(shì)地位，分析5G 技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)在智慧港口中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)，這對(duì)預(yù)判“十四五”下我國(guó)智慧港口的規(guī)模、增加潛力以及新興技術(shù)的發(fā)展方向有著重要的作用。

關(guān)鍵詞：智慧港口;5G;人工智能;大數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：U691.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）03-0060-03

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，國(guó)際貿(mào)易越來越頻繁。現(xiàn)有的集裝箱碼頭或自動(dòng)化集裝箱碼頭無法滿足國(guó)際貿(mào)易的增長(zhǎng)需求，所以大力發(fā)展擁有智能化、信息化和現(xiàn)代化的智慧港口已成為港口未來的發(fā)展趨勢(shì)。與此同時(shí)，我國(guó)在新興技術(shù)，如5G 通信、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)駕駛等技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)突破，為我國(guó)智慧港口的建設(shè)提供了技術(shù)支持和保障。

目前國(guó)內(nèi)掀起了自動(dòng)化碼頭建設(shè)的高潮，自廈門遠(yuǎn)海碼頭完成自動(dòng)化集裝箱碼頭改造并投產(chǎn)后，國(guó)內(nèi)多地開始了自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)以及傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動(dòng)化改造。自動(dòng)化集裝箱碼頭只是智慧港口建設(shè)的一部分，因此有必要研究新興技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)，為智慧港口的未來發(fā)展提供技術(shù)支持。

1智慧港口

1.1智慧港口概念及特征

智慧港口是指在現(xiàn)代港口設(shè)施的基礎(chǔ)上，充分運(yùn)用5G 通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)港口現(xiàn)有的設(shè)施智能化，其打破了傳統(tǒng)港口的物理隔離，實(shí)現(xiàn)了港口供應(yīng)鏈的所有資源和各活動(dòng)參與方之間的無縫連接和協(xié)調(diào)。

智慧港口有別于傳統(tǒng)的自動(dòng)化碼頭，其主要特征有以下四個(gè)方面：

（1）全面感知：指利用各種信息獲取設(shè)備，如射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、傳感器、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)運(yùn)輸過程實(shí)時(shí)跟蹤、定位、監(jiān)控和管理，并保障貨物運(yùn)輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟(jì)性等。

（2）智能決策：指根據(jù)系統(tǒng)中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)輸活動(dòng)的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)估，從而為未來港口發(fā)展決策提供依據(jù)。

（3）信息整合與共享：智慧港口通過信息獲取技術(shù)得到整個(gè)運(yùn)輸過程中的所有活動(dòng)信息，然后將該信息傳送至港口后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過信息處理和整合技術(shù)將其展示在碼頭綜合信息化平臺(tái)中以實(shí)現(xiàn)信息共享。

（4）全程參與：利用5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)通訊和交流，保障綜合信息化平臺(tái)能可靠、穩(wěn)定的為管理者和碼頭運(yùn)輸各參與方提供服務(wù)。

1.2智慧港口的種類

迄今為止，全球港口的發(fā)展經(jīng)歷了五代。第一代主要是作為海陸運(yùn)輸?shù)墓?jié)點(diǎn);第二代部署基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，減少了對(duì)人力的依賴;第三代逐漸作為貨物裝卸中心;第四代打破了港口的物理隔離性，致力于港口網(wǎng)絡(luò)化服務(wù);第五代是致力于打造以顧客和貿(mào)易中心為主的智慧港口。全球第五代各港口的發(fā)展方向和功能如表1所示。

2智慧港口發(fā)展現(xiàn)狀

2.1智慧港口作業(yè)設(shè)備

2.1.1自動(dòng)導(dǎo)引車

自世界上第一座自動(dòng)化集裝箱碼頭建成使用至今，自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）一直都是自動(dòng)化碼頭水平運(yùn)輸方式的首選，其特點(diǎn)是利用電磁或光學(xué)等導(dǎo)航設(shè)備實(shí)現(xiàn)車輛無人駕駛的功能。根據(jù)導(dǎo)航方式的不同將其分為電磁感應(yīng)引導(dǎo)式 AGV、激光引導(dǎo)式 AGV、視覺引導(dǎo)式 AGV 等。集裝箱碼頭大多選用“電磁+傳感器”引導(dǎo)式 AGV，該方式需在碼頭建設(shè)初期沿規(guī)劃行駛路線埋設(shè)磁釘。

盡管 AGV 是大多數(shù)自動(dòng)化碼頭的唯一選配，但是 AGV 自身導(dǎo)航特性導(dǎo)致其無法滿足未來港口智能化的發(fā)展。其主要原因包括以下三個(gè)方面：一是 AGV 采用電磁導(dǎo)航方式需預(yù)埋磁釘，對(duì)港口的平整性有較高的要求;二是 AGV 生產(chǎn)成本（500-700萬(wàn)）遠(yuǎn)高于普通集卡;三是我國(guó)大多數(shù)集裝箱碼頭區(qū)域規(guī)劃合理、地面相對(duì)平整，若要改造為自動(dòng)化碼頭，需要重新埋設(shè)磁釘，造成極大的資源浪費(fèi)。基于此，智能導(dǎo)引車（IGV）的概念被提出， IGV 采用“衛(wèi)星+傳感器”方式進(jìn)行導(dǎo)航。其可在現(xiàn)有的卡車底座系統(tǒng)上進(jìn)行改裝而成，所以 IGV 具有低成本、高精度和易改造等特點(diǎn)，其必然成為未來智能化碼頭的水平運(yùn)輸方式的主流。

2.1.2智能集裝箱

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球60%以上的貨物都是以集裝箱方式進(jìn)行運(yùn)輸，集裝箱運(yùn)輸儼然已成為世界貿(mào)易運(yùn)輸?shù)闹匾绞健Ｅc此同時(shí)，為進(jìn)一步提高集裝箱的運(yùn)輸效率、縮短集裝箱中轉(zhuǎn)時(shí)間、保障運(yùn)輸安全性，集裝箱智能化概念應(yīng)運(yùn)而生。

智能集裝箱實(shí)現(xiàn)的主要功能有：①檢測(cè)意外的集裝箱開口，將傳感器放置在集裝箱內(nèi)以確定何時(shí)打開，通過編程確認(rèn)預(yù)計(jì)的開放時(shí)間，并檢查開放時(shí)間是否與預(yù)定的視察時(shí)間相符，若不符可由 GPRS/3G 發(fā)出警報(bào);②監(jiān)測(cè)貨物運(yùn)輸環(huán)境，如可通過溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境信息，在運(yùn)輸過程中管理貨物（對(duì)濕度溫度敏感）;③識(shí)別貨物信息， RFID 技術(shù)可將集裝箱貨物及簽單信息及時(shí)傳輸至交通安全管理系統(tǒng)（TSS）以實(shí)現(xiàn)簽單信息的電子化。

雖然集裝箱智能化取得一定的成就，但現(xiàn)有技術(shù)仍無法滿足國(guó)際物流行業(yè)的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為智能集裝箱實(shí)時(shí)化、信息化和互聯(lián)化不足。

2.2智慧港口管理系統(tǒng)

碼頭管理系統(tǒng)（TOS）的開發(fā)和完善是碼頭實(shí)現(xiàn)智能化、信息化和現(xiàn)代化的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)智慧港口的主要途徑之一。TOS 采用圖形化技術(shù)將港口現(xiàn)有信息如集裝箱裝卸船情況、水平運(yùn)輸過程等實(shí)時(shí)展示。該系統(tǒng)還可以幫助碼頭管理者合理管理、分配現(xiàn)有資源，加快集裝箱裝卸貨效率，縮短集裝箱在港中轉(zhuǎn)時(shí)間，提高堆場(chǎng)空間利用率，降低集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)成本等。

迄今為止，世界上集裝箱碼頭管理系統(tǒng)的核心技術(shù)主要掌握在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。盡管我國(guó)近年來在自動(dòng)化和智能化港口發(fā)展領(lǐng)域已逐步趨近世界領(lǐng)先行列，但集裝箱碼頭管理系統(tǒng)與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在一定的距離。目前我國(guó)在這方面的發(fā)展主要存在以下三點(diǎn)問題：

（1）存在系統(tǒng)間信息孤島問題。我國(guó)在 TOS 領(lǐng)域的發(fā)展方式是購(gòu)買主要核心模塊和二次開發(fā)附屬模塊，但由于各模塊采用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，部分子系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)信息共享，使碼頭無法實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化;

（2）現(xiàn)有系統(tǒng)存在性能不足問題。為滿足日益繁榮的國(guó)際貿(mào)易發(fā)展，各運(yùn)輸環(huán)節(jié)的設(shè)備日益更新。現(xiàn)有系統(tǒng)無法完全兼容新設(shè)備，造成系統(tǒng)性能出現(xiàn)日益不足的問題。

（3）現(xiàn)有系統(tǒng)出現(xiàn)維護(hù)成本高的問題。隨著集裝箱碼頭的裝卸設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備和碼頭規(guī)模的擴(kuò)建，系統(tǒng)的使用頻率和業(yè)務(wù)處理量逐漸加大，需要不斷維護(hù)現(xiàn)有系統(tǒng)以提高其穩(wěn)定性，這無疑給碼頭帶來極大的挑戰(zhàn)。

基于此，隨著第五代智慧港口的發(fā)展契機(jī)，碼頭管理系統(tǒng)無疑將重新打破原有世界壟斷布局，這將給我國(guó)實(shí)現(xiàn)智能化、信息化和現(xiàn)代化的智慧碼頭管理系統(tǒng)帶來巨大的機(jī)遇。

3新興技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

3.15G 技術(shù)的應(yīng)用

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）是具有高速率、低時(shí)延和大連接等特點(diǎn)的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

5G 技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景主要有三大類：①增強(qiáng)移動(dòng)寬帶。為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶提供更加便利的應(yīng)用體驗(yàn);②超高可靠低時(shí)延通信。可滿足原創(chuàng)控制自動(dòng)駕駛研究領(lǐng)域的低時(shí)延和可靠性要求;③海量機(jī)器類通信。智慧城市、智能家居等概念的提出對(duì)于多機(jī)器之間的連接和通信提出了新的要求，5G 技術(shù)可滿足該類以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用需求。

在智慧港口的建設(shè)方面，5G 技術(shù)可以應(yīng)用于自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備、輔助搬運(yùn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物料精準(zhǔn)識(shí)別、移動(dòng)設(shè)備集群協(xié)調(diào)調(diào)度、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

IGV 是一種采用“衛(wèi)星+傳感器”進(jìn)行定位的無人駕駛智能導(dǎo)引車，如圖2所示。5G 技術(shù)為 IGV 的研發(fā)和應(yīng)用提供了很好的技術(shù)支持。例如5G 技術(shù)用于港口 IGV 車隊(duì)的管理系統(tǒng)可以使其在發(fā)布任務(wù)、管理 IGV時(shí)更加迅速;5G 通信技術(shù)用于 IGV 衛(wèi)慣導(dǎo)航定位差分信號(hào)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì) IGV 的定位與定向，定位精度不低于10cm;5G 技術(shù)大連接的特點(diǎn)也適應(yīng)于港口多設(shè)備的連接調(diào)度及信息互通。

另外，5G 通信技術(shù)在港口管理系統(tǒng)的建設(shè)和使用方面也有較好的應(yīng)用前景。如使用5G 無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)港口設(shè)備的連接以及數(shù)據(jù)傳輸，能夠降低港口的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本，保證港口運(yùn)營(yíng)的安全可靠。

隨著5G 技術(shù)的持續(xù)開發(fā)和突破以及不斷的應(yīng)用嘗試，其在港口的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，對(duì)于港口自動(dòng)化、智能化、智慧化的發(fā)展起到非常重要的作用。

3.2人工智能技術(shù)的應(yīng)用

人工智能是一門新的技術(shù)科學(xué)，包含很多領(lǐng)域，比如計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能決策等。在智慧港口的建設(shè)上，主要有兩個(gè)方面的應(yīng)用。

首先是安全生產(chǎn)管控方面。計(jì)算機(jī)視覺、語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于港口安全管控系統(tǒng)的智能化水平有很大的提升。部分港口已使用人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、車輛識(shí)別等技術(shù)建立了智慧安全系統(tǒng)，實(shí)時(shí)管控作業(yè)區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人員和車輛，識(shí)別安全隱患并做出響應(yīng)。如深圳赤灣港使用京東云提供的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）來避免車輛碰撞等交通事故的發(fā)生。但目前港口在該方面的應(yīng)用仍處于起步階段，僅進(jìn)行了試運(yùn)行，未來隨著人工智能技術(shù)的持續(xù)突破，安全管控系統(tǒng)的智能化會(huì)成為智慧港口的重要組成部分。

另外一個(gè)應(yīng)用方向是智能調(diào)度。碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)的有序高效運(yùn)行是港口的核心競(jìng)爭(zhēng)力，因此，港口需要合理的組織調(diào)度資源。學(xué)者對(duì)于生產(chǎn)管控系統(tǒng)調(diào)度模塊的智能開發(fā)缺少關(guān)注。但是智慧港口的建設(shè)不僅需要設(shè)備的智能化，更需要管理的智能化。目前國(guó)內(nèi)部分港口已經(jīng)開始使用自動(dòng)化堆場(chǎng)選位、配載等模塊。

3.3大數(shù)據(jù)分析

近年來大數(shù)據(jù)技術(shù)由于其快速高效地采集、處理以及分析海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注，在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

由于船舶的大型化及港口吞吐量的不斷上漲，港口在作業(yè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也快速增長(zhǎng)。港口作為物流鏈中重要的節(jié)點(diǎn)，其管理作業(yè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過大數(shù)據(jù)處理分析后，能夠反過來對(duì)其業(yè)務(wù)起到指導(dǎo)作用，而且港口的調(diào)度、管理以及業(yè)務(wù)聯(lián)系也均可受益。

目前港口對(duì)于大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用主要集中在船舶完工后的一些數(shù)據(jù)采集及指標(biāo)計(jì)算上，作業(yè)前的數(shù)據(jù)采集、作業(yè)預(yù)測(cè)、方案優(yōu)化、智能決策等方面的功能并沒有完善。但現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化集裝箱碼頭全過程作業(yè)海量數(shù)據(jù)的匯集及構(gòu)建智能決策大數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)的功能。因此未來智慧港口應(yīng)注重生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)平臺(tái)的開發(fā)，在港口機(jī)械智慧化的基礎(chǔ)上突破管理智慧化的技術(shù)難關(guān)。

4結(jié)語(yǔ)

智慧港口是智慧技術(shù)在港口領(lǐng)域的深度應(yīng)用。近年來，我國(guó)沿海港口開始深入的推進(jìn)自動(dòng)化碼頭、智慧港口的建設(shè)，這是提升我國(guó)港口的服務(wù)水平、港口管理模式，提高港口國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要途經(jīng)。在智慧港口的建設(shè)過程中，5G 通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺、智能調(diào)度、大數(shù)據(jù)分析等新興技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，對(duì)于未來智慧港口的進(jìn)一步升級(jí)起著關(guān)鍵的作用。本文通過研究當(dāng)前智慧港口發(fā)展現(xiàn)狀以及對(duì)新興技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用研究，了解港口建設(shè)過程中的重點(diǎn)與不足，并通過分析新興技術(shù)在智慧港口的發(fā)展趨勢(shì)，為未來的智慧港口建設(shè)提供了方向。

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