大數(shù)據(jù)技術(shù)在港口航運(yùn)智慧化管理中的應(yīng)用

◎ 李輝 淮安市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì)

現(xiàn)代社會已經(jīng)進(jìn)入到了信息化時(shí)代，信息化、網(wǎng)絡(luò)化、云計(jì)算、AI、數(shù)字化等新興技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用為人類社會的發(fā)展與進(jìn)步提供了技術(shù)支持。港口航運(yùn)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(zhàn)略的逐步實(shí)施，各種新興技術(shù)賦能港口航運(yùn)智慧化管理，快速提升港口航運(yùn)科技化管理水平，以新興科技為引領(lǐng)，以智慧化管理驅(qū)動，構(gòu)建港口航運(yùn)管理創(chuàng)新發(fā)展體系，讓管理更加安全、高效，全面提升智慧航運(yùn)水平。

1.港口航運(yùn)智慧化管理

航運(yùn)智慧化管理是一個(gè)綜合體系，是信息化、網(wǎng)絡(luò)化、云計(jì)算、AI、數(shù)字化等先進(jìn)技術(shù)的綜合運(yùn)用，由智慧船舶、船舶交通服務(wù)系統(tǒng)、航運(yùn)物流服務(wù)系統(tǒng)三大部分構(gòu)成[1]。

1.1 智慧船舶

將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)）等先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用到船舶管理工作中，船舶在水上運(yùn)行可自動感知周圍環(huán)境與船舶自身的情況，可實(shí)時(shí)獲取港口、物流等方面的信息與數(shù)據(jù)，并及時(shí)做出分析與處理，實(shí)現(xiàn)船舶航行、運(yùn)輸、維護(hù)等方面的自動化、智能化管理，提升船舶的安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

1.2 船舶交通服務(wù)系統(tǒng)

建設(shè)船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）的目的是為了保證特定水域內(nèi)船舶交通運(yùn)輸安全，提高通行效率，加強(qiáng)對水域內(nèi)的環(huán)境保護(hù)。船舶交通服務(wù)系統(tǒng)主要由通信設(shè)備、監(jiān)視系統(tǒng)、助航設(shè)施、船舶動態(tài)報(bào)告系統(tǒng)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(shè)，水上交通領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，目前已建成VTS中心超過50個(gè)，投入使用的雷達(dá)站也超過了200個(gè)。

1.3 航運(yùn)物流服務(wù)系統(tǒng)

航運(yùn)物流是依托物流網(wǎng)絡(luò)、物流設(shè)施、物流技術(shù)實(shí)現(xiàn)貨物的流動與交換，航運(yùn)物流服務(wù)主要通過三種方式完成。一是通過基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)，對船舶和車輛進(jìn)行定位追蹤和動態(tài)化管理，可以提升航運(yùn)物流運(yùn)輸?shù)牟樵兡芰Γ岣吆竭\(yùn)物流的服務(wù)水平。二是通過射頻識別技術(shù)（RFID）對貨物進(jìn)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(yùn)物流貨物管理的準(zhǔn)確性和快捷性。三是利用條碼技術(shù)（bar code）對貨物進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的自動識別，解決了數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)采集“瓶頸”問題，提升了航運(yùn)物流的貨物自動化管理能力。

2.大數(shù)據(jù)技術(shù)在港口航運(yùn)物流智慧化管理中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)是信息化時(shí)代的重要特征，是現(xiàn)代社會重要的生產(chǎn)要素和社會財(cái)富，也是重要的戰(zhàn)略資源，對于航運(yùn)業(yè)來說運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)可有效提升服務(wù)質(zhì)量和業(yè)務(wù)效率，更深層次的挖掘數(shù)據(jù)紅利、創(chuàng)新服務(wù)模式、再造業(yè)務(wù)流程，推進(jìn)航運(yùn)業(yè)健康發(fā)展[2]。目前在港口航運(yùn)管理工作中主要是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)將數(shù)量繁多、形式多樣、動態(tài)的航運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，通過信息化技術(shù)進(jìn)行處理，構(gòu)建一個(gè)多維的基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)模型，運(yùn)用大數(shù)據(jù)思維方法提升港口航運(yùn)服務(wù)水平[3]。

2.1 主要功能

在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，港口航運(yùn)管理可以實(shí)現(xiàn)以下功能：一是對船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)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(tǒng)、GPS實(shí)時(shí)獲取船舶的船型、船名、航向、航速、航程等信息。二是對貨物進(jìn)行跟蹤定位。航運(yùn)管理系統(tǒng)會實(shí)時(shí)追蹤貨物的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可隨時(shí)掌握貨物運(yùn)輸、裝卸、抵港動態(tài)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(xì)錄入到數(shù)據(jù)庫中，包括注冊、管理、買賣等，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可及時(shí)對相關(guān)信息做出更新的調(diào)整。四是及時(shí)獲取港口數(shù)據(jù)信息。港口航運(yùn)管理系統(tǒng)中涵蓋了所有港口的數(shù)據(jù)信息，管理人員、工作人員可通過管理系統(tǒng)精準(zhǔn)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(shù)據(jù)服務(wù)。航運(yùn)管理系統(tǒng)內(nèi)置了水運(yùn)航運(yùn)地圖應(yīng)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(shù)據(jù)信息服務(wù)。船舶企業(yè)一般會通過信息平臺提前一個(gè)月左右向外界公布船舶班輪船期表，內(nèi)容包含了航線、航名、航次、始發(fā)港口、中轉(zhuǎn)港口、終點(diǎn)港口以及駛停時(shí)間等，貨物委托人通過信息平臺及時(shí)獲取相關(guān)信息并準(zhǔn)確制定運(yùn)輸計(jì)劃。

2.2 船舶狀態(tài)監(jiān)測

智慧管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對船舶的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)控，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對船舶進(jìn)行長期的科學(xué)化管理，包括船舶的安全運(yùn)行、船期執(zhí)行等情況進(jìn)行遠(yuǎn)程跟蹤管理。目前在船舶狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域?qū)τ诖髷?shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用需求一直都比較高，傳統(tǒng)方式，存在較大局限性，比如對船舶數(shù)據(jù)的收集與整理主要依靠測試人員利用儀器設(shè)備完成，需要在特定的環(huán)境中進(jìn)行，信息收集滯后，利用傳統(tǒng)的無線傳播方式（電報(bào)、無線電、電子郵件等）傳輸較慢，時(shí)效性無法保證。

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS)是一種無線電廣播系統(tǒng)，可以船舶目標(biāo)進(jìn)行有效識別并對目標(biāo)進(jìn)行追蹤，克服了人工測量數(shù)據(jù)以及VTS系統(tǒng)的不足，簡化了信息交流，避免船舶之間發(fā)生碰撞，增強(qiáng)了船舶航行的安全性和效率。在AIS系統(tǒng)下，可以對船舶的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對船舶運(yùn)行中發(fā)生數(shù)據(jù)失真、基本濾波變動等情況及時(shí)發(fā)出警報(bào)，當(dāng)船舶偏離了航向、非正常滯留、貨物變動等情況時(shí)及時(shí)發(fā)送報(bào)警信息，以規(guī)范船舶航運(yùn)行為；對船舶工作區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)控，包括貨物裝卸區(qū)域、船舶限制區(qū)域，防止存在入侵船舶行為；詳實(shí)記錄船舶航行、運(yùn)輸、駛停等歷史數(shù)據(jù)，以備事后調(diào)查取證；全面收集記錄船舶在運(yùn)行過程中發(fā)生的能耗數(shù)據(jù)（包括油耗、電耗等）、船舶進(jìn)出港口時(shí)的凈排放量、船舶及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況等。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，船舶狀態(tài)監(jiān)測工作逐步實(shí)現(xiàn)智慧化管理，提升了船舶航運(yùn)的安全性，也具有非常重要的商業(yè)價(jià)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(shù)會發(fā)生一定變化，同時(shí)在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，即在獲取交通流特征數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上運(yùn)用航運(yùn)交通風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)方法按照一定流程對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（圖1），從而保證數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。另外，水上交通安全監(jiān)管部門通過視頻監(jiān)控、智能交管系統(tǒng)加大對船舶營運(yùn)的各項(xiàng)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(xiàn)場執(zhí)法相結(jié)合的方式有效整治超載超限船舶，并做好風(fēng)險(xiǎn)隱患排查，提高防范和應(yīng)對突發(fā)事件的能力[4]。

圖1 船舶交通流特征數(shù)據(jù)處理算法流程

2.3 船舶能效管理

近些年國際上對于航運(yùn)碳排放一直都比較關(guān)注，提高航運(yùn)能源利用效率是減少航運(yùn)碳排放最直接有效的途徑，大數(shù)據(jù)技術(shù)在船舶能效優(yōu)化管理中的應(yīng)用已成為必然[5]。船舶能效營運(yùn)指數(shù)（EEOI）是衡量船舶營運(yùn)能效水平的重要指標(biāo)，所反應(yīng)的是船舶航行期間單位運(yùn)輸工作量所排放的量，EEOI值越小則代表船舶營運(yùn)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(jìn)行能效參數(shù)監(jiān)測、能效智能評估、利用數(shù)字模型進(jìn)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(yùn)指數(shù)（EEOI）自愿使用指南》，一個(gè)航次的EEOI的基本表達(dá)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(jìn)距離（海里）。

某個(gè)時(shí)間段或多個(gè)航段內(nèi)燃油單耗平均值計(jì)算公式：

式中：j表示燃油類型；i表示航程數(shù)；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(jìn)距離（海里）。

船舶能效營運(yùn)指數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自一個(gè)航次或多個(gè)航次，通過能效管理系統(tǒng)對船舶航行期間、停泊期間主副機(jī)、鍋爐等設(shè)備消耗燃料的總量進(jìn)行詳細(xì)記錄，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和動態(tài)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(shè)進(jìn)程逐步推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在港口服務(wù)管理發(fā)揮著非常重要的作用，數(shù)字化已經(jīng)成為智慧港口實(shí)現(xiàn)降本增效的關(guān)鍵[7]。在港口航運(yùn)業(yè)務(wù)中數(shù)字化技術(shù)有著非常豐富的應(yīng)用場景，數(shù)字化技術(shù)與航運(yùn)業(yè)深度融合，賦能智慧港口建設(shè)。在數(shù)字化技術(shù)的支撐和優(yōu)惠政策的鼓勵(lì)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(jīng)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(lǐng)先地位。

安全和效率是智慧港口建設(shè)中需要解決的難點(diǎn)與痛點(diǎn)，目前比較成熟的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用場景有堆場自動化和岸橋自動化，國內(nèi)各大港口將研究的重點(diǎn)放在了水平運(yùn)輸自動化方面[8]。隨著5G通訊技術(shù)與無人駕駛技術(shù)日漸成熟，以“5G+無人駕駛IGV”為主的水平運(yùn)輸自動化建設(shè)已經(jīng)成為各港口智慧化建設(shè)的主要方向。在港口碼頭眾多作業(yè)環(huán)節(jié)中水平運(yùn)輸是最為重要的，而在碼頭水平運(yùn)輸中“人”的出錯(cuò)概率也最高，再優(yōu)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(jìn)“5G+無人駕駛IGV”運(yùn)輸系統(tǒng)布局，完成對港口水平運(yùn)輸自動化的改造。比如天津港與我國科技企業(yè)華為深度合作，對第二集裝箱碼頭進(jìn)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(shí)現(xiàn)了水平運(yùn)輸全無人模式，港口76輛車在滿負(fù)荷狀態(tài)下常態(tài)化運(yùn)營超過了12個(gè)月，總行駛里程達(dá)到幾百萬公里，同時(shí)也解決了接管率問題，低于千分之一。經(jīng)過數(shù)字化升級改造，天津港年集裝箱吞吐量已經(jīng)突破了2000萬標(biāo)準(zhǔn)箱大關(guān)，“5G+無人駕駛IGV”切實(shí)促進(jìn)了港口經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展[9]。

3.結(jié)束語

綜上所述，大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為港口航運(yùn)智慧化管理提供了技術(shù)支持，對航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對船舶動態(tài)數(shù)據(jù)的收集、整理，可以對船舶營運(yùn)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，提高船舶的能源利用效率，加快推進(jìn)港口碼頭自動化管理，在未來發(fā)展中現(xiàn)代信息技術(shù)與人工智能技術(shù)的應(yīng)用將會進(jìn)一步推動港口智慧化管理的發(fā)展。