袁玉祥 隨振營

摘要：近年來，集裝箱吞吐量的快速增長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。為使我國在國際智慧港口發(fā)展中處于優(yōu)勢地位，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，這對預(yù)判“十四五”下我國智慧港口的規(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：U691.1文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0060-03

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，國際貿(mào)易越來越頻繁?，F(xiàn)有的集裝箱碼頭或自動化集裝箱碼頭無法滿足國際貿(mào)易的增長需求，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。與此同時，我國在新興技術(shù)，如5G 通信、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、自動駕駛等技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)突破，為我國智慧港口的建設(shè)提供了技術(shù)支持和保障。

目前國內(nèi)掀起了自動化碼頭建設(shè)的高潮，自廈門遠海碼頭完成自動化集裝箱碼頭改造并投產(chǎn)后，國內(nèi)多地開始了自動化集裝箱碼頭的建設(shè)以及傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動化改造。自動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，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，實現(xiàn)了港口供應(yīng)鏈的所有資源和各活動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)的自動化碼頭，其主要特征有以下四個方面：

（1）全面感知：指利用各種信息獲取設(shè)備，如射頻識別技術(shù)（RFID）、傳感器、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，實現(xiàn)對整個運輸過程實時跟蹤、定位、監(jiān)控和管理，并保障貨物運輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟性等。

（2）智能決策：指根據(jù)系統(tǒng)中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，對運輸活動的未來發(fā)展趨勢進行預(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)得到整個運輸過程中的所有活動信息，然后將該信息傳送至港口后臺數(shù)據(jù)庫中，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中以實現(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)等實現(xiàn)信息實時通訊和交流，保障綜合信息化平臺能可靠、穩(wěn)定的為管理者和碼頭運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輸?shù)墓?jié)點;第二代部署基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，減少了對人力的依賴;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自動導(dǎo)引車

自世界上第一座自動化集裝箱碼頭建成使用至今，自動導(dǎo)引車（AGV）一直都是自動化碼頭水平運輸方式的首選，其特點是利用電磁或光學等導(dǎo)航設(shè)備實現(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方面：一是 AGV 采用電磁導(dǎo)航方式需預(yù)埋磁釘，對港口的平整性有較高的要求;二是 AGV 生產(chǎn)成本（500-700萬）遠高于普通集卡;三是我國大多數(shù)集裝箱碼頭區(qū)域規(guī)劃合理、地面相對平整，若要改造為自動化碼頭，需要重新埋設(shè)磁釘，造成極大的資源浪費?；诖?，智能導(dǎo)引車（IGV）的概念被提出， IGV 采用“衛(wèi)星+傳感器”方式進行導(dǎo)航。其可在現(xiàn)有的卡車底座系統(tǒng)上進行改裝而成，所以 IGV 具有低成本、高精度和易改造等特點，其必然成為未來智能化碼頭的水平運輸方式的主流。

2.1.2智能集裝箱

據(jù)不完全統(tǒng)計，全球60%以上的貨物都是以集裝箱方式進行運輸，集裝箱運輸儼然已成為世界貿(mào)易運輸?shù)闹匾绞?。與此同時，為進一步提高集裝箱的運輸效率、縮短集裝箱中轉(zhuǎn)時間、保障運輸安全性，集裝箱智能化概念應(yīng)運而生。

智能集裝箱實現(xiàn)的主要功能有：①檢測意外的集裝箱開口，將傳感器放置在集裝箱內(nèi)以確定何時打開，通過編程確認預(yù)計的開放時間，并檢查開放時間是否與預(yù)定的視察時間相符，若不符可由 GPRS/3G 發(fā)出警報;②監(jiān)測貨物運輸環(huán)境，如可通過溫濕度傳感器檢測環(huán)境信息，在運輸過程中管理貨物（對濕度溫度敏感）;③識別貨物信息， RFID 技術(shù)可將集裝箱貨物及簽單信息及時傳輸至交通安全管理系統(tǒng)（TSS）以實現(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)仍無法滿足國際物流行業(yè)的趨勢，主要表現(xiàn)為智能集裝箱實時化、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)和完善是碼頭實現(xiàn)智能化、信息化和現(xiàn)代化的關(guān)鍵，也是實現(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、水平運輸過程等實時展示。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)時間，提高堆場空間利用率，降低集裝箱碼頭運營成本等。

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)達國家。盡管我國近年來在自動化和智能化港口發(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)達國家仍存在一定的距離。目前我國在這方面的發(fā)展主要存在以下三點問題：

（1）存在系統(tǒng)間信息孤島問題。我國在 TOS 領(lǐng)域的發(fā)展方式是購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)備標準不統(tǒng)一，部分子系統(tǒng)無法實現(xiàn)信息共享，使碼頭無法實現(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際貿(mào)易發(fā)展，各運輸環(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)維護成本高的問題。隨著集裝箱碼頭的裝卸設(shè)備、運輸設(shè)備和碼頭規(guī)模的擴建，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，碼頭管理系統(tǒng)無疑將重新打破原有世界壟斷布局，這將給我國實現(xiàn)智能化、信息化和現(xiàn)代化的智慧碼頭管理系統(tǒng)帶來巨大的機遇。

3新興技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

3.15G 技術(shù)的應(yīng)用

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

5G 技術(shù)的應(yīng)用場景主要有三大類：①增強移動寬帶。為移動互聯(lián)網(wǎng)用戶提供更加便利的應(yīng)用體驗;②超高可靠低時延通信。可滿足原創(chuàng)控制自動駕駛研究領(lǐng)域的低時延和可靠性要求;③海量機器類通信。智慧城市、智能家居等概念的提出對于多機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)用于自動搬運設(shè)備、輔助搬運設(shè)備，實現(xiàn)物料精準識別、移動設(shè)備集群協(xié)調(diào)調(diào)度、遠程實時監(jiān)控等功能。

IGV 是一種采用“衛(wèi)星+傳感器”進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 車隊的管理系統(tǒng)可以使其在發(fā)布任務(wù)、管理 IGV時更加迅速;5G 通信技術(shù)用于 IGV 衛(wèi)慣導(dǎo)航定位差分信號通信，實現(xiàn)對 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)及運營成本，保證港口運營的安全可靠。

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)用會更加廣泛，對于港口自動化、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，包含很多領(lǐng)域，比如計算機視覺、機器學習、智能決策等。在智慧港口的建設(shè)上，主要有兩個方面的應(yīng)用。

首先是安全生產(chǎn)管控方面。計算機視覺、語音識別等技術(shù)的應(yīng)用對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別、手勢識別、車輛識別等技術(shù)建立了智慧安全系統(tǒng)，實時管控作業(yè)區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人員和車輛，識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，僅進行了試運行，未來隨著人工智能技術(shù)的持續(xù)突破，安全管控系統(tǒng)的智能化會成為智慧港口的重要組成部分。

另外一個應(yīng)用方向是智能調(diào)度。碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)的有序高效運行是港口的核心競爭力，因此，港口需要合理的組織調(diào)度資源。學者對于生產(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。目前國內(nèi)部分港口已經(jīng)開始使用自動化堆場選位、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)的特點受到了廣泛的關(guān)注，在社會的各個領(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。港口作為物流鏈中重要的節(jié)點，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)采集及指標計算上，作業(yè)前的數(shù)據(jù)采集、作業(yè)預(yù)測、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)已實現(xiàn)了自動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)知識庫的功能。因此未來智慧港口應(yīng)注重生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)平臺的開發(fā)，在港口機械智慧化的基礎(chǔ)上突破管理智慧化的技術(shù)難關(guān)。

4結(jié)語

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，我國沿海港口開始深入的推進自動化碼頭、智慧港口的建設(shè)，這是提升我國港口的服務(wù)水平、港口管理模式，提高港口國際競爭力的重要途經(jīng)。在智慧港口的建設(shè)過程中，5G 通信技術(shù)、計算機視覺、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，對于未來智慧港口的進一步升級起著關(guān)鍵的作用。本文通過研究當前智慧港口發(fā)展現(xiàn)狀以及對新興技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用研究，了解港口建設(shè)過程中的重點與不足，并通過分析新興技術(shù)在智慧港口的發(fā)展趨勢，為未來的智慧港口建設(shè)提供了方向。

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