大數據技術在港口航運智慧化管理中的應用

◎ 李輝 淮安市交通運輸綜合行政執法支隊

現代社會已經進入到了信息化時代，信息化、網絡化、云計算、AI、數字化等新興技術的快速發展與應用為人類社會的發展與進步提供了技術支持。港口航運一直都是交通體系不可缺少的重要組成部分，隨著科技興港戰略的逐步實施，各種新興技術賦能港口航運智慧化管理，快速提升港口航運科技化管理水平，以新興科技為引領，以智慧化管理驅動，構建港口航運管理創新發展體系，讓管理更加安全、高效，全面提升智慧航運水平。

1.港口航運智慧化管理

航運智慧化管理是一個綜合體系，是信息化、網絡化、云計算、AI、數字化等先進技術的綜合運用，由智慧船舶、船舶交通服務系統、航運物流服務系統三大部分構成[1]。

1.1 智慧船舶

將計算機技術、傳感器技術、通信技術、網絡技術（互聯網、物聯網）等先進技術運用到船舶管理工作中，船舶在水上運行可自動感知周圍環境與船舶自身的情況，可實時獲取港口、物流等方面的信息與數據，并及時做出分析與處理，實現船舶航行、運輸、維護等方面的自動化、智能化管理，提升船舶的安全性、環保性、經濟性與可靠性。

1.2 船舶交通服務系統

建設船舶交通服務系統（VTS）的目的是為了保證特定水域內船舶交通運輸安全，提高通行效率，加強對水域內的環境保護。船舶交通服務系統主要由通信設備、監視系統、助航設施、船舶動態報告系統和控制中心等部分組成。我國在“十一五”和“十二五”期間加快了VTS建設，水上交通領域的關鍵基礎設施逐步完善，目前已建成VTS中心超過50個，投入使用的雷達站也超過了200個。

1.3 航運物流服務系統

航運物流是依托物流網絡、物流設施、物流技術實現貨物的流動與交換，航運物流服務主要通過三種方式完成。一是通過基于全球定位系統（GPS）的計算機管理信息系統，對船舶和車輛進行定位追蹤和動態化管理，可以提升航運物流運輸的查詢能力，提高航運物流的服務水平。二是通過射頻識別技術（RFID）對貨物進行跟蹤管理，有效提升貨物信息采集和流程處理速度，提高航運物流貨物管理的準確性和快捷性。三是利用條碼技術（bar code）對貨物進行快速、準確的自動識別，解決了數據錄入、數據采集“瓶頸”問題，提升了航運物流的貨物自動化管理能力。

2.大數據技術在港口航運物流智慧化管理中的應用

數據是信息化時代的重要特征，是現代社會重要的生產要素和社會財富，也是重要的戰略資源，對于航運業來說運用大數據技術可有效提升服務質量和業務效率，更深層次的挖掘數據紅利、創新服務模式、再造業務流程，推進航運業健康發展[2]。目前在港口航運管理工作中主要是利用大數據技術將數量繁多、形式多樣、動態的航運數據進行收集、整理，通過信息化技術進行處理，構建一個多維的基礎大數據模型，運用大數據思維方法提升港口航運服務水平[3]。

2.1 主要功能

在大數據技術支持下，港口航運管理可以實現以下功能：一是對船舶進行實時定位。管理人員可通過船舶上安裝的定位裝置、自動化識別系統、GPS實時獲取船舶的船型、船名、航向、航速、航程等信息。二是對貨物進行跟蹤定位。航運管理系統會實時追蹤貨物的節點數據，可隨時掌握貨物運輸、裝卸、抵港動態信息，便于貨物的跟蹤查詢。三是船舶檔案管理。船舶的身份信息詳細錄入到數據庫中，包括注冊、管理、買賣等，利用大數據技術可及時對相關信息做出更新的調整。四是及時獲取港口數據信息。港口航運管理系統中涵蓋了所有港口的數據信息，管理人員、工作人員可通過管理系統精準定位港口位置，了解港口的貨物吞吐能力以及各種自然條件等。五是提供圖像數據服務。航運管理系統內置了水運航運地圖應用，有著豐富的高清地圖資源，為用戶提供天氣、地形、水系條件、水文條件等信息查詢。六是船期數據信息服務。船舶企業一般會通過信息平臺提前一個月左右向外界公布船舶班輪船期表，內容包含了航線、航名、航次、始發港口、中轉港口、終點港口以及駛停時間等，貨物委托人通過信息平臺及時獲取相關信息并準確制定運輸計劃。

2.2 船舶狀態監測

智慧管理系統可以實現對船舶的運行狀態進行智能監控，通過大數據技術對船舶進行長期的科學化管理，包括船舶的安全運行、船期執行等情況進行遠程跟蹤管理。目前在船舶狀態監測領域對于大數據技術的應用需求一直都比較高，傳統方式，存在較大局限性，比如對船舶數據的收集與整理主要依靠測試人員利用儀器設備完成，需要在特定的環境中進行，信息收集滯后，利用傳統的無線傳播方式（電報、無線電、電子郵件等）傳輸較慢，時效性無法保證。

船舶自動識別系統（AIS)是一種無線電廣播系統，可以船舶目標進行有效識別并對目標進行追蹤，克服了人工測量數據以及VTS系統的不足，簡化了信息交流，避免船舶之間發生碰撞，增強了船舶航行的安全性和效率。在AIS系統下，可以對船舶的運行狀態進行實時監測，對船舶運行中發生數據失真、基本濾波變動等情況及時發出警報，當船舶偏離了航向、非正常滯留、貨物變動等情況時及時發送報警信息，以規范船舶航運行為；對船舶工作區域實時監控，包括貨物裝卸區域、船舶限制區域，防止存在入侵船舶行為；詳實記錄船舶航行、運輸、駛停等歷史數據，以備事后調查取證；全面收集記錄船舶在運行過程中發生的能耗數據（包括油耗、電耗等）、船舶進出港口時的凈排放量、船舶及相關設備的運行狀況等。通過大數據技術的應用，船舶狀態監測工作逐步實現智慧化管理，提升了船舶航運的安全性，也具有非常重要的商業價值。

船舶在航行過程中會受到各種因素的影響，其航速、航向、性能等參數會發生一定變化，同時在數據采集、傳輸與接收過程中也存在一定誤差，因此需要對船舶交通流數據進行深度挖掘，即在獲取交通流特征數據的基礎上運用航運交通風險統計方法按照一定流程對數據進行處理（圖1），從而保證數據信息的準確性、實時性。另外，水上交通安全監管部門通過視頻監控、智能交管系統加大對船舶營運的各項檢查，加大對違法船舶、“三無”船舶的管理力度，通過電子巡航與現場執法相結合的方式有效整治超載超限船舶，并做好風險隱患排查，提高防范和應對突發事件的能力[4]。

圖1 船舶交通流特征數據處理算法流程

2.3 船舶能效管理

近些年國際上對于航運碳排放一直都比較關注，提高航運能源利用效率是減少航運碳排放最直接有效的途徑，大數據技術在船舶能效優化管理中的應用已成為必然[5]。船舶能效營運指數（EEOI）是衡量船舶營運能效水平的重要指標，所反應的是船舶航行期間單位運輸工作量所排放的量，EEOI值越小則代表船舶營運能源利用效率越高，排放量也越低。在船舶能效管理中可以通過傳感器進行能效參數監測、能效智能評估、利用數字模型進行分析，制定有效的船舶能效管理方案[6]。按照國際海事組織（IMO）起草的《船舶能效營運指數（EEOI）自愿使用指南》，一個航次的EEOI的基本表達式為：

式中：j表示燃油類型；FCj表示航行期間燃油j的消耗量；mcargo表示載貨量（T）；D表示所載貨物行進距離（海里）。

某個時間段或多個航段內燃油單耗平均值計算公式：

式中：j表示燃油類型；i表示航程數；FCij表示航程i中燃油j消耗量；mcargo表示載貨量（T）；D表示所載貨物行進距離（海里）。

船舶能效營運指數的統計數據來自一個航次或多個航次，通過能效管理系統對船舶航行期間、停泊期間主副機、鍋爐等設備消耗燃料的總量進行詳細記錄，通過大數據技術的運用可以對船舶航行與載貨量、船舶燃料消耗量、燃料存量等進行實時監控和動態化管理，從而制定更有效的船舶能效管理策略。

2.4 港口碼頭自動化管理

隨著港口信息化建設進程逐步推進，物聯網、云計算、大數據等技術在港口服務管理發揮著非常重要的作用，數字化已經成為智慧港口實現降本增效的關鍵[7]。在港口航運業務中數字化技術有著非常豐富的應用場景，數字化技術與航運業深度融合，賦能智慧港口建設。在數字化技術的支撐和優惠政策的鼓勵下，我國各地越來越多的港口開始加快港口智慧化布局，截至2021年底我國已經建成的自動化集裝箱碼頭有10座，在建的有7座，在世界上處于領先地位。

安全和效率是智慧港口建設中需要解決的難點與痛點，目前比較成熟的數字化技術應用場景有堆場自動化和岸橋自動化，國內各大港口將研究的重點放在了水平運輸自動化方面[8]。隨著5G通訊技術與無人駕駛技術日漸成熟，以“5G+無人駕駛IGV”為主的水平運輸自動化建設已經成為各港口智慧化建設的主要方向。在港口碼頭眾多作業環節中水平運輸是最為重要的，而在碼頭水平運輸中“人”的出錯概率也最高，再優秀的員工也不能保證一年365天始終保持完全的可靠性，因此更要加快推進“5G+無人駕駛IGV”運輸系統布局，完成對港口水平運輸自動化的改造。比如天津港與我國科技企業華為深度合作，對第二集裝箱碼頭進行升級改造，建成“5G+L4級自動駕駛”無人或少人智慧型港口，實現了水平運輸全無人模式，港口76輛車在滿負荷狀態下常態化運營超過了12個月，總行駛里程達到幾百萬公里，同時也解決了接管率問題，低于千分之一。經過數字化升級改造，天津港年集裝箱吞吐量已經突破了2000萬標準箱大關，“5G+無人駕駛IGV”切實促進了港口經濟高質量發展[9]。

3.結束語

綜上所述，大數據技術的發展與應用為港口航運智慧化管理提供了技術支持，對航運業產生了深遠的影響。通過大數據技術的運用，實現了對船舶動態數據的收集、整理，可以對船舶營運狀態進行動態監測，提高船舶的能源利用效率，加快推進港口碼頭自動化管理，在未來發展中現代信息技術與人工智能技術的應用將會進一步推動港口智慧化管理的發展。