基于物聯網技術的智慧港口理論與對策研究

胡筱淵，沈道明

（1.中交通信大數據(上海)科技有限公司,上海 201901；2.南通海事局,江蘇 南通 226004）

經濟全球化的發展促進了各項技術的創新和應用，在國際貿易日趨數字化、服務化的當下，“互聯網+”技術在航運業中發揮著越來越重要的作用。港口作為航運業中的關鍵樞紐節點，不僅要承擔綜合運輸中的物流中心的角色，更要不斷擴大自身的服務優勢，擴展相關的業務功能，在“互聯網+”的助力下向多功能、全方位、數字化的增值服務中心發展，建設一套基于“互聯網+”技術的智慧港口信息平臺。

物聯網技術作為新一代信息技術的重要組成部分，由于其為物而生的特點，以及其較寬的產業輻射和較廣的應用范圍，能基于信息載體，將港口中的物理對象通過網絡互聯互通。在智慧化的浪潮中，各地相繼興建智慧港口。智慧港口作為智能航運中的關鍵環節，在實際運營中充分發揮“互聯網+”的優勢，整合港口內外業務流程、升級管理系統，從而更好地服務智能航運業。

1 發展現狀

1.1 智慧港口建設和發展現狀

中國智慧港口建設起步略晚，但發展勢頭強勁，最具代表性的港口為廈門港、青島港、上海港、天津港。廈門港遠海自動化碼頭是我國第一個自動化集裝箱碼頭，海潤碼頭完成了我國首個傳統集裝箱碼頭全流程智能化改造。青島港是全球首個5G 智慧碼頭，擁有全球首創氫動力自動化軌道吊、全球首創5G 自動化技術等。2017 年12 月，上海港洋山四期碼頭投產運營，該碼頭是全球單體規模最大的集裝箱碼頭。2021 年10 月17 日，全球首個“智慧零碳”碼頭天津港北疆港區C 段智能化集裝箱碼頭正式投產運營，該碼頭選用“風光儲荷一體化”系統，實現綠電自主供應。智慧港口在發展要充分借助北斗導航系統、物聯網、云計算、大數據等信息技術不斷推動智慧港口與智能航運相互促進發展。

1.2 港口物聯網技術的發展趨勢

物聯網是指通過信息傳感設備，以實現物理對象和人之間的溝通。為進一步實現港口智能化，將物聯網技術與港口需求相結合，實現港口管理中各環節之間的智能交流。首先，伴隨著國際貿易量的增加，港口的貨物運輸壓力也逐年增大，物聯網技術從最初幫助倉庫快速處理信息量巨大的客戶需求，到建立基于大數據的港口信息平臺，幫助港口開展高效的供應鏈管理，體現智慧港口的優勢。其次，物聯網技術為處理缺乏統一規劃的信息及獨立部門之間的合作不暢現象，將各個獨立運營的平臺進行全面的信息整合，不僅加強了各部門之間的協同合作，也提高了港口運營過程中的物流信息化的效率。此外，還提高了對基礎設備的監控，也能及時定位物品的位置，幫助港口企業和客戶清楚掌握物品的實況，也有助于加強港口之間的互動和聯系。

2 基于物聯網的智慧港口一體化管理平臺理論研究

從宏觀和微觀兩個層面分析“港航數智一體化”平臺的應用場景。首先，在宏觀層面上，運用博弈論梳理在智慧港口運行中參與人、行動、信息、戰略、得益函數、結果、均衡等因素，進而研究港口企業、航運公司、拖輪公司、供油公司、引航站等決策主體的行為發生相互作用時的決策，具體通過聯盟博弈行為分析得到船期協調問題。其次，在微觀層面上，進一步剖析船期協調問題，從優化的角度建立考慮聯盟條件、航速限制、運營時限等約束和以各相關企業單獨收益最大化為目標的多目標優化模型，運用快速非支配排序遺傳算法求解數學模型，通過決策得到的船舶到離港時刻和靠泊位置，最終實現港、航相關企業共贏的帕累托最優局面。

從博弈論角度出發，研究決策主體的行為發生相互作用時的決策，并分析各方為維護自身利益，考慮對手行動方案后所采取的措施，以保證自己在競爭中占據優勢地位。本文運用聯盟博弈模型，把聯盟內部的一體化與競爭關系看成各企業的聯盟博弈和非聯盟博弈過程，從而揭示出港航內部關系的本質，分析可得到港、航相關企業間船期協調時需要在復雜的聯盟環境中協調聯盟主體的利益沖突關系，實則是港、航相關企業合作博弈問題的體現。

從智能優化角度出發，考慮到研究的問題本身是多目標優化問題，選擇使用一種帶精英策略的非支配排序的多目標遺傳算法來分析并解決問題。通過協調各方的關系，使得各主體都盡可能達到最優，求解得到最優解集。通過分析問題本身可得到：航運相關主體的聯盟本質上是一種運輸能力的整合，合作能提高整個航運物流系統的運輸效率和整體收益。本文構建港、航相關企業收益模型來描述聯盟關系，通過船期協商的方式，利用多目標遺傳算法求解聯盟問題，促進各方利益最大化。進一步分析港、航相關企業船期協調優化問題，主要決策船舶的到離港時刻和靠泊位置，是一個多主體的NPhard 的組合優化問題，目標是實現港、航相關企業共嬴的帕累托最優局面。

3 應用推廣

從上海港的智慧港口1.0 版，到南通通州灣智慧港口2.0 版的階段性開發、建設、迭代，完成了“港航數智一體化”平臺的開發。該系統依托“海陸空天”全要素感知體系，運用基礎數據源，疊加實時數據，根據實際需要，科學制定管理規則，通過江海全域感知、全程管控，資源共享，實現港航安全和生產高度融合。實現“看得見、聽得到、喊得著”，構建“一屏觀天下、一網管全域”的全要素“港航數智一體化”平臺。

南通通州灣“智慧港口2.0”版，部署了水域動態管理系統、航道調度指揮系統、港口生產調度系統、應急指揮系統、企業服務系統、綜合業務系統、數據交換系統以及所含功能模塊；完成了港航調度指揮平臺搭建，完成全要素、全流程的“港航調度”體系建設；打通了各相關業務單位、港航企業單位的數據壁壘，形成全域海事數據共享融合、全面協同聯動的“港航調度”格局。

4 推動智慧港口的物聯網化發展的對策建議

4.1 “建目錄”

構建智慧港口物聯網化發展的數據目錄與資源開放平臺，實現智慧港口基礎數據的采集、流通、協同和共享。調研梳理整個港口數據體系，以便打通各個環節數據，構建智慧港口數據港，建立大數據資源共享開放平臺，實現智慧港口基礎數據的采集、流通、協同和共享。

4.2 “樹標準”

樹立智慧港口數據治理與安全標準體系，促進產業鏈上下游縱向數據標準化。建立智慧港口數據標準委員會，圍繞智慧港口數據治理與數據安全方面的標準需求，通過企業、地方、團體、行業等多個標準渠道，以數據分層分級、數據跨境傳輸、“船-港-貨”協同數據交換等問題為切入點，促進產業鏈上下游縱向數據標準化；全面梳理數據鏈上的業務、感知、單證、監管數據體系，為公共主數據建立標準和規范，形成和提供智慧港口物聯網化發展的產業數據資源目錄和交換渠道，引領全球航運物流數據標準制訂話語權。

4.3 “推應用”

推進智慧港口大數據技術應用場景落地，打造一批全維度、全技術、全模式、全鏈條的大數據產品、服務、應用落地。打造四大應用平臺：感知、融合、仿真一體化的港航數字孿生平臺，面向水路、水水、水鐵多式聯運的港口管理平臺，融合生產和安全的港口作業一體化保障平臺，智慧港口數據池和能力開放平臺。

4.4 “立模式”

探索智慧港口大數據可持續發展創新模式，以商業化邏輯構建可持續的、以智慧港口為樞紐的航運物流大數據供應鏈。以港口智慧化、業務線上化、政務一體化、車船鐵一體化等產生實用價值和經濟效益的數字化熱點領域為抓手，聚航運行業船、港、貨、物流、船舶管理與服務、第三方研發等全鏈條多維資源優勢，以商業化邏輯構建可持續的航運物流大數據供應鏈，著力打通鏈條上各個環節，調動各方共同搭建智慧港口大數據資源、技術、方案的大中臺。

4.5 “強引領”

激活航運產業數字化引擎動力，打造上海成為全球智慧港口技術和產業化高地。通過各種措施激活智慧港口產業數字化創新活力，推動移動互聯網、智能終端、大數據、云計算等的在智慧港口領域的廣泛應用，以商業邏輯模式促進港口平臺生態數字化增能，促進了相關產業的創新發展和協同發展，共同打造全球智慧港口資源數據匯聚高地，實現以數字化推動上海現代航運業加速發展的重要目標，進一步強化上海國際航運中心對內集聚和對外輻射的能力。

5 結論

本文在分析總結了智慧港口和物聯網的發展現狀后，以運籌優化和博弈論為切入點，站在港航相關企業的角度進行了理論研究分析，通過建立數學模型，運用智能算法和數據挖掘技術，研究了港航調度中的船期協調問題，為此開發的“港航數智一體化”平臺在上海港和南通港得到實際推廣應用，從而驗證了智慧港口的物聯網化是未來的發展趨勢。