基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)據(jù)(上海)科技有限公司,上海 201901；2.南通海事局,江蘇 南通 226004）

經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展促進(jìn)了各項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，在國際貿(mào)易日趨數(shù)字化、服務(wù)化的當(dāng)下，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在航運(yùn)業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。港口作為航運(yùn)業(yè)中的關(guān)鍵樞紐節(jié)點(diǎn)，不僅要承擔(dān)綜合運(yùn)輸中的物流中心的角色，更要不斷擴(kuò)大自身的服務(wù)優(yōu)勢，擴(kuò)展相關(guān)的業(yè)務(wù)功能，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的助力下向多功能、全方位、數(shù)字化的增值服務(wù)中心發(fā)展，建設(shè)一套基于“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的智慧港口信息平臺(tái)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，由于其為物而生的特點(diǎn)，以及其較寬的產(chǎn)業(yè)輻射和較廣的應(yīng)用范圍，能基于信息載體，將港口中的物理對象通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)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(yùn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實(shí)際運(yùn)營中充分發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”的優(yōu)勢，整合港口內(nèi)外業(yè)務(wù)流程、升級管理系統(tǒng)，從而更好地服務(wù)智能航運(yùn)業(yè)。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智慧港口建設(shè)和發(fā)展現(xiàn)狀

中國智慧港口建設(shè)起步略晚，但發(fā)展勢頭強(qiáng)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(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭是我國第一個(gè)自動(dòng)化集裝箱碼頭，海潤碼頭完成了我國首個(gè)傳統(tǒng)集裝箱碼頭全流程智能化改造。青島港是全球首個(gè)5G 智慧碼頭，擁有全球首創(chuàng)氫動(dòng)力自動(dòng)化軌道吊、全球首創(chuàng)5G 自動(dòng)化技術(shù)等。2017 年12 月，上海港洋山四期碼頭投產(chǎn)運(yùn)營，該碼頭是全球單體規(guī)模最大的集裝箱碼頭。2021 年10 月17 日，全球首個(gè)“智慧零碳”碼頭天津港北疆港區(qū)C 段智能化集裝箱碼頭正式投產(chǎn)運(yùn)營，該碼頭選用“風(fēng)光儲(chǔ)荷一體化”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠電自主供應(yīng)。智慧港口在發(fā)展要充分借助北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)不斷推動(dòng)智慧港口與智能航運(yùn)相互促進(jìn)發(fā)展。

1.2 港口物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)物理對象和人之間的溝通。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)港口智能化，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與港口需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)港口管理中各環(huán)節(jié)之間的智能交流。首先，伴隨著國際貿(mào)易量的增加，港口的貨物運(yùn)輸壓力也逐年增大，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)據(jù)的港口信息平臺(tái)，幫助港口開展高效的供應(yīng)鏈管理，體現(xiàn)智慧港口的優(yōu)勢。其次，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為處理缺乏統(tǒng)一規(guī)劃的信息及獨(dú)立部門之間的合作不暢現(xiàn)象，將各個(gè)獨(dú)立運(yùn)營的平臺(tái)進(jìn)行全面的信息整合，不僅加強(qiáng)了各部門之間的協(xié)同合作，也提高了港口運(yùn)營過程中的物流信息化的效率。此外，還提高了對基礎(chǔ)設(shè)備的監(jiān)控，也能及時(shí)定位物品的位置，幫助港口企業(yè)和客戶清楚掌握物品的實(shí)況，也有助于加強(qiáng)港口之間的互動(dòng)和聯(lián)系。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧港口一體化管理平臺(tái)理論研究

從宏觀和微觀兩個(gè)層面分析“港航數(shù)智一體化”平臺(tái)的應(yīng)用場景。首先，在宏觀層面上，運(yùn)用博弈論梳理在智慧港口運(yùn)行中參與人、行動(dòng)、信息、戰(zhàn)略、得益函數(shù)、結(jié)果、均衡等因素，進(jìn)而研究港口企業(yè)、航運(yùn)公司、拖輪公司、供油公司、引航站等決策主體的行為發(fā)生相互作用時(shí)的決策，具體通過聯(lián)盟博弈行為分析得到船期協(xié)調(diào)問題。其次，在微觀層面上，進(jìn)一步剖析船期協(xié)調(diào)問題，從優(yōu)化的角度建立考慮聯(lián)盟條件、航速限制、運(yùn)營時(shí)限等約束和以各相關(guān)企業(yè)單獨(dú)收益最大化為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，運(yùn)用快速非支配排序遺傳算法求解數(shù)學(xué)模型，通過決策得到的船舶到離港時(shí)刻和靠泊位置，最終實(shí)現(xiàn)港、航相關(guān)企業(yè)共贏的帕累托最優(yōu)局面。

從博弈論角度出發(fā)，研究決策主體的行為發(fā)生相互作用時(shí)的決策，并分析各方為維護(hù)自身利益，考慮對手行動(dòng)方案后所采取的措施，以保證自己在競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位。本文運(yùn)用聯(lián)盟博弈模型，把聯(lián)盟內(nèi)部的一體化與競爭關(guān)系看成各企業(yè)的聯(lián)盟博弈和非聯(lián)盟博弈過程，從而揭示出港航內(nèi)部關(guān)系的本質(zhì)，分析可得到港、航相關(guān)企業(yè)間船期協(xié)調(diào)時(shí)需要在復(fù)雜的聯(lián)盟環(huán)境中協(xié)調(diào)聯(lián)盟主體的利益沖突關(guān)系，實(shí)則是港、航相關(guān)企業(yè)合作博弈問題的體現(xiàn)。

從智能優(yōu)化角度出發(fā)，考慮到研究的問題本身是多目標(biāo)優(yōu)化問題，選擇使用一種帶精英策略的非支配排序的多目標(biāo)遺傳算法來分析并解決問題。通過協(xié)調(diào)各方的關(guān)系，使得各主體都盡可能達(dá)到最優(yōu)，求解得到最優(yōu)解集。通過分析問題本身可得到：航運(yùn)相關(guān)主體的聯(lián)盟本質(zhì)上是一種運(yùn)輸能力的整合，合作能提高整個(gè)航運(yùn)物流系統(tǒng)的運(yùn)輸效率和整體收益。本文構(gòu)建港、航相關(guān)企業(yè)收益模型來描述聯(lián)盟關(guān)系，通過船期協(xié)商的方式，利用多目標(biāo)遺傳算法求解聯(lián)盟問題，促進(jìn)各方利益最大化。進(jìn)一步分析港、航相關(guān)企業(yè)船期協(xié)調(diào)優(yōu)化問題，主要決策船舶的到離港時(shí)刻和靠泊位置，是一個(gè)多主體的NPhard 的組合優(yōu)化問題，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)港、航相關(guān)企業(yè)共嬴的帕累托最優(yōu)局面。

3 應(yīng)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(fā)、建設(shè)、迭代，完成了“港航數(shù)智一體化”平臺(tái)的開發(fā)。該系統(tǒng)依托“海陸空天”全要素感知體系，運(yùn)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，疊加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需要，科學(xué)制定管理規(guī)則，通過江海全域感知、全程管控，資源共享，實(shí)現(xiàn)港航安全和生產(chǎn)高度融合。實(shí)現(xiàn)“看得見、聽得到、喊得著”，構(gòu)建“一屏觀天下、一網(wǎng)管全域”的全要素“港航數(shù)智一體化”平臺(tái)。

南通通州灣“智慧港口2.0”版，部署了水域動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)、航道調(diào)度指揮系統(tǒng)、港口生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)、企業(yè)服務(wù)系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)以及所含功能模塊；完成了港航調(diào)度指揮平臺(tái)搭建，完成全要素、全流程的“港航調(diào)度”體系建設(shè)；打通了各相關(guān)業(yè)務(wù)單位、港航企業(yè)單位的數(shù)據(jù)壁壘，形成全域海事數(shù)據(jù)共享融合、全面協(xié)同聯(lián)動(dòng)的“港航調(diào)度”格局。

4 推動(dòng)智慧港口的物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展的對策建議

4.1 “建目錄”

構(gòu)建智慧港口物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展的數(shù)據(jù)目錄與資源開放平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智慧港口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、流通、協(xié)同和共享。調(diào)研梳理整個(gè)港口數(shù)據(jù)體系，以便打通各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，構(gòu)建智慧港口數(shù)據(jù)港，建立大數(shù)據(jù)資源共享開放平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智慧港口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、流通、協(xié)同和共享。

4.2 “樹標(biāo)準(zhǔn)”

樹立智慧港口數(shù)據(jù)治理與安全標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游縱向數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。建立智慧港口數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，圍繞智慧港口數(shù)據(jù)治理與數(shù)據(jù)安全方面的標(biāo)準(zhǔn)需求，通過企業(yè)、地方、團(tuán)體、行業(yè)等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)渠道，以數(shù)據(jù)分層分級、數(shù)據(jù)跨境傳輸、“船-港-貨”協(xié)同數(shù)據(jù)交換等問題為切入點(diǎn)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游縱向數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；全面梳理數(shù)據(jù)鏈上的業(yè)務(wù)、感知、單證、監(jiān)管數(shù)據(jù)體系，為公共主數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，形成和提供智慧港口物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展的產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)資源目錄和交換渠道，引領(lǐng)全球航運(yùn)物流數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制訂話語權(quán)。

4.3 “推應(yīng)用”

推進(jìn)智慧港口大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用場景落地，打造一批全維度、全技術(shù)、全模式、全鏈條的大數(shù)據(jù)產(chǎn)品、服務(wù)、應(yīng)用落地。打造四大應(yīng)用平臺(tái)：感知、融合、仿真一體化的港航數(shù)字孿生平臺(tái)，面向水路、水水、水鐵多式聯(lián)運(yùn)的港口管理平臺(tái)，融合生產(chǎn)和安全的港口作業(yè)一體化保障平臺(tái)，智慧港口數(shù)據(jù)池和能力開放平臺(tái)。

4.4 “立模式”

探索智慧港口大數(shù)據(jù)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新模式，以商業(yè)化邏輯構(gòu)建可持續(xù)的、以智慧港口為樞紐的航運(yùn)物流大數(shù)據(jù)供應(yīng)鏈。以港口智慧化、業(yè)務(wù)線上化、政務(wù)一體化、車船鐵一體化等產(chǎn)生實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益的數(shù)字化熱點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)樽ナ郑酆竭\(yùn)行業(yè)船、港、貨、物流、船舶管理與服務(wù)、第三方研發(fā)等全鏈條多維資源優(yōu)勢，以商業(yè)化邏輯構(gòu)建可持續(xù)的航運(yùn)物流大數(shù)據(jù)供應(yīng)鏈，著力打通鏈條上各個(gè)環(huán)節(jié)，調(diào)動(dòng)各方共同搭建智慧港口大數(shù)據(jù)資源、技術(shù)、方案的大中臺(tái)。

4.5 “強(qiáng)引領(lǐng)”

激活航運(yùn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化引擎動(dòng)力，打造上海成為全球智慧港口技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化高地。通過各種措施激活智慧港口產(chǎn)業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新活力，推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能終端、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等的在智慧港口領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以商業(yè)邏輯模式促進(jìn)港口平臺(tái)生態(tài)數(shù)字化增能，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和協(xié)同發(fā)展，共同打造全球智慧港口資源數(shù)據(jù)匯聚高地，實(shí)現(xiàn)以數(shù)字化推動(dòng)上?，F(xiàn)代航運(yùn)業(yè)加速發(fā)展的重要目標(biāo)，進(jìn)一步強(qiáng)化上海國際航運(yùn)中心對內(nèi)集聚和對外輻射的能力。

5 結(jié)論

本文在分析總結(jié)了智慧港口和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀后，以運(yùn)籌優(yōu)化和博弈論為切入點(diǎn)，站在港航相關(guān)企業(yè)的角度進(jìn)行了理論研究分析，通過建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用智能算法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，研究了港航調(diào)度中的船期協(xié)調(diào)問題，為此開發(fā)的“港航數(shù)智一體化”平臺(tái)在上海港和南通港得到實(shí)際推廣應(yīng)用，從而驗(yàn)證了智慧港口的物聯(lián)網(wǎng)化是未來的發(fā)展趨勢。