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(tǒng)的建設(shè)，北斗產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大、應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛、產(chǎn)業(yè)貢獻率越來越高，北斗系統(tǒng)不斷升級和完善，北斗高精度定位服務(wù)逐步成為全社會共享的一項公共服務(wù)，北斗高精度定位開始向全社會“賦能”。根據(jù)中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會發(fā)布的《2020中國衛(wèi)星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，2019年我國衛(wèi)星導航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達3450億元，較2018年增長14.4%，其中與衛(wèi)星導航技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用直接相關(guān)的產(chǎn)業(yè)核心產(chǎn)值為1166億元，在總產(chǎn)值中占比為33.8%，其中，北斗系統(tǒng)對核心產(chǎn)值的貢獻率超過80%。

港口是國民經(jīng)濟的重要支撐和增長引擎，根據(jù)我國《交通強國建設(shè)綱要》《交通運輸信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，自動化碼頭、智慧港口是“十三五”期間國內(nèi)港口的重要發(fā)展主題。2017年6月，交通運輸部發(fā)布10個?。▍^(qū)、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(fā)展部、交通運輸部發(fā)布《北斗交通運輸行業(yè)應(yīng)用專項規(guī)劃》，明確提出以北斗系統(tǒng)應(yīng)用助力智慧港口建設(shè)；2019年8月，交通運輸部印發(fā)《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》，明確提出鼓勵物流園區(qū)、港口、鐵路和機場貨運站廣泛應(yīng)用北斗、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等技術(shù)。2019年11月交通運輸部發(fā)布的《關(guān)于建設(shè)世界一流港口的指導意見》中指出，要加快“智慧港口”的建設(shè)，建設(shè)基于5G、北斗、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，推動港區(qū)內(nèi)集卡和特殊場景集疏運通道集卡自動駕駛示范，深化港區(qū)聯(lián)動。

北斗系統(tǒng)是“新基建”“智能交通”“世界一流港口”發(fā)展與建設(shè)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(shè)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(wèi)星導航系統(tǒng)在港口的應(yīng)用將更加廣泛。

二、北斗系統(tǒng)在港口領(lǐng)域的應(yīng)用需求

北斗高精度定位可以幫助港口實現(xiàn)生產(chǎn)安全智能控制。港口機械設(shè)備設(shè)施投資巨大、貨物價值較高，作業(yè)過程中的輕微刮碰就可能引起巨大的經(jīng)濟損失，如果再涉及司機、現(xiàn)場業(yè)務(wù)人員等的傷亡，必產(chǎn)生惡劣的社會影響。隨著港口技術(shù)不斷革斷，安全防護及控制投入持續(xù)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(xiàn)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(chǎn)全流程幫助港口提升作業(yè)效率。船舶大型化倒逼港口通過新建改建裝卸設(shè)備、應(yīng)用新技術(shù)提升作業(yè)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?；诰珳识ㄎ坏臋C械設(shè)備作業(yè)軌跡、箱貨的準確位置信息，可以實現(xiàn)不同機械設(shè)備之間、設(shè)備與箱貨之間的無縫平滑對接，從而提高效率。

北斗系統(tǒng)能夠幫助港口不斷提升智慧維度。位置數(shù)據(jù)是智慧化的基石，對港口數(shù)以萬計的生產(chǎn)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(qū)域位置、基礎(chǔ)設(shè)施、發(fā)展模式不盡相同，建設(shè)智慧港口的模式、路徑各有特點，應(yīng)用北斗技術(shù)的方式、程度也不盡相同。港口領(lǐng)域常見的北斗應(yīng)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(xiàn)為：1）以終端模式為主的流動機械車輛定位，可實現(xiàn)車輛監(jiān)控、調(diào)度；此類應(yīng)用受政策引導、GPS先發(fā)應(yīng)用優(yōu)勢影響較大，應(yīng)用案例較多；隨著北斗導航終端的成本不斷下降、定位穩(wěn)定性不斷提高，北斗系統(tǒng)的價值也逐漸開始顯現(xiàn)。2）以安全控制為核心的大型垂直作業(yè)設(shè)備的高精度定位，通過與激光掃描、視頻識別、通信等技術(shù)融合應(yīng)用，測定絕對位置、相對位置，進而計算出速度、姿態(tài)、形狀等信息，實現(xiàn)設(shè)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(qū)動，此類應(yīng)用近年如井噴式增長。3）自動化碼頭建設(shè)對北斗高精度定位有廣泛且迫切的需求。與磁釘?shù)葌鹘y(tǒng)定位技術(shù)相比，北斗定位可有效避免因遮擋以及惡劣電磁環(huán)境等引起的定位不連續(xù)等問題，且可大幅降低建設(shè)成本。

三、北斗系統(tǒng)在港口領(lǐng)域的應(yīng)用場景

1．港口堆場作業(yè)自動化

堆場是港口集裝箱碼頭的核心作業(yè)區(qū)域，堆場作業(yè)工藝和作業(yè)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(shè)大潮推動下，堆場自動化建設(shè)的需求高漲。

堆場自動化建設(shè)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(tài)、動態(tài)等信息，才能實現(xiàn)安全控制、自動化作業(yè)。通過北斗系統(tǒng)與慣性導航、激光掃描、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)的深度融合應(yīng)用，面向堆場作業(yè)全過程設(shè)計自動化解決方案，可實現(xiàn)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(yīng)用（圖1）。

圖1 基于北斗的堆場自動化系統(tǒng)框架圖

傳統(tǒng)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(tǒng)高精度等優(yōu)勢，可以有效避免上述傳統(tǒng)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(shè)成本。通過采用多天線、組合導航等技術(shù)，可有效解決因遮擋和電磁干擾造成的衛(wèi)星定位短暫失效問題，同時可通過多天線定姿技術(shù)自動補償場地誤差、機械變形誤差，滿足了在復雜環(huán)境、復雜場地條件下的連續(xù)精準定位需求，在港口特種設(shè)備無人駕駛領(lǐng)域充分發(fā)揮了北斗系統(tǒng)的決定性作用。

港口堆場作業(yè)區(qū)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(yè)機械和車輛的自動運行提供精準的服務(wù)。相對定位方式，當大車需要更改作業(yè)位置時，必須先掃描、定位、再運動，這會降低生產(chǎn)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(tǒng)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(yè)位置時無需等待，為進一步提升自動化作業(yè)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(qū)水平運輸效率直接影響港口物流“最后一公里”的質(zhì)量和效率，實現(xiàn)水平運輸智能化、無人化，不僅可以提高港口生產(chǎn)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(shè)的重要一環(huán)。

集卡車是集裝箱碼頭重要的水平運輸設(shè)備，其往返穿梭于船邊、場內(nèi)，與岸橋、場橋等大型裝卸機械的垂直裝卸作業(yè)無縫銜接，實現(xiàn)集裝箱在船-場間的位移。如何在封閉且工況復雜的港區(qū)內(nèi)讓數(shù)十臺集卡車精準定位、依令而動、動而優(yōu)行，是碼頭自動化建設(shè)必須面對的難題。單純的衛(wèi)星導航定位方式，存在因港區(qū)高大機械、建筑物、集裝箱堆高等遮擋引起的信號不連續(xù)、位置不準確等現(xiàn)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(wèi)星導航、慣性導航的組合導航技術(shù)，可以有效解決因遮擋、差分鏈路干擾引起的衛(wèi)星定位信號短暫失效或不穩(wěn)問題，從而實現(xiàn)集卡車的連續(xù)穩(wěn)定定位，突破了港區(qū)水平運輸智能化的行業(yè)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(tǒng)主要由北斗基準站系統(tǒng)、內(nèi)集卡北斗組合定位終端、碼頭可視化作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、中心數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，以及與其他應(yīng)用系統(tǒng)的接口系統(tǒng)等共同實現(xiàn)。可以對港區(qū)內(nèi)的集卡車自動進行任務(wù)分配、車輛優(yōu)化配置、車箱自動匹配；可以對港區(qū)水平運輸進行全過程實時監(jiān)控；還可與港區(qū)內(nèi)其他裝卸機械與設(shè)備、人員，以及外來車輛等定位與作業(yè)數(shù)據(jù)整合后，可通過大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)對全場數(shù)據(jù)進行建模分析，能夠為碼頭全場作業(yè)自動化提供必要支撐與保障。

3.港口作業(yè)可視化

通過獲取GNSS高精度定位信息，結(jié)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(yè)機械在堆場的運行位置及狀態(tài)，可對全場進行實時監(jiān)控，便于更為直觀的進行作業(yè)機械的監(jiān)控和調(diào)度管理。

利用GNSS設(shè)備，實現(xiàn)機械的超速等安全管理，為碼頭管理層和現(xiàn)場管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)，提高安全管理有效性。

通過可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（RDT）和GNSS設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控 ，實時進行資產(chǎn)運行狀態(tài)監(jiān)控，有效監(jiān)測設(shè)備的完好性，及時修復故障設(shè)備，提高資產(chǎn)利用率，提高機械運行效率。

利用GNSS設(shè)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(xiàn)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(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)（TOS），支持TOS實現(xiàn)全場作業(yè)優(yōu)化調(diào)度；可接收TOS作業(yè)計劃，實現(xiàn)作業(yè)計劃的圖形化模擬與仿真（圖3）。

圖3 碼頭全場作業(yè)模擬與仿真圖

4．港口大數(shù)據(jù)時空化

綜合運用北斗定位、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)，通過北斗+技術(shù)+業(yè)務(wù)，獲取港口所有生產(chǎn)要素的時空信息，并與生產(chǎn)運營、管理等信息整合，解析匯聚成港口時空大數(shù)據(jù)，搭建基于云的統(tǒng)一的港口北斗數(shù)據(jù)平臺，形成多源多維多場景的港口時空數(shù)據(jù)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(tǒng)在港口應(yīng)用的核心價值

北斗系統(tǒng)在港口應(yīng)用的關(guān)鍵焦點為精準定位、互聯(lián)互通、細致的位置數(shù)據(jù)、貫穿業(yè)務(wù)流程。將北斗定位技術(shù)與其他感知識別技術(shù)融合應(yīng)用，準確實時感知港口所有生產(chǎn)要素（設(shè)備、機械、作業(yè)現(xiàn)場、地理環(huán)境、氣象環(huán)境、貨物、人員等）的時間、空間、事件等信息，并與生產(chǎn)運營、管理過程等高度整合，通過集成應(yīng)用通信、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)港口的廣泛互聯(lián)、高度共享、智能應(yīng)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(tǒng)的應(yīng)用。點上，不斷提高作業(yè)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(shè)計智能控制流程并不斷優(yōu)化，最大化與其他系統(tǒng)無縫銜接，實現(xiàn)平滑控制。面上，構(gòu)建基于云的港口北斗數(shù)據(jù)平臺，匯聚形成港口時空數(shù)據(jù)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(wù)使用。

五、北斗系統(tǒng)在國外港口的應(yīng)用推廣

我國先后與東盟、阿盟、中亞等國家和地區(qū)開展衛(wèi)星導航合作，推動北斗系統(tǒng)在海外落地生根，服務(wù)東盟、阿盟、中亞等國家和地區(qū)?；诒倍返目缇尺\輸、土地確權(quán)、精準農(nóng)業(yè)、數(shù)字施工、智慧港口等，已在東盟、南亞、西亞、非洲等得到成功應(yīng)用。國產(chǎn)北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品已出口120余個國家和地區(qū)，其中覆蓋“一帶一路”沿線國家和地區(qū)達到30余個。

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

六、結(jié)語

促進北斗衛(wèi)星系統(tǒng)更多地為智慧港口“賦能”，北斗時空信息與其他新興技術(shù)的高度融合、北斗等應(yīng)用技術(shù)與港口業(yè)務(wù)流程的高度融合是關(guān)鍵；未來智慧港口的實現(xiàn)將是基于物理信息系統(tǒng)的泛在感知與智慧控制，以北斗衛(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)的PNT體系是其支撐基石；北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的時空位置、業(yè)務(wù)流程、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yīng)用，將可能引發(fā)港口經(jīng)營管理的時代性變革；北斗系統(tǒng)是港口向數(shù)字化轉(zhuǎn)型、向智慧化升級的核心支撐。