內(nèi)河大型散貨智慧港口規(guī)劃及關(guān)鍵技術(shù)

湯文治，尹政興，王立平，郭云山

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

內(nèi)河大型散貨碼頭作為國家腹地的區(qū)域物流樞紐，是內(nèi)陸城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力量[1]。近年來，隨著河砂開采限制政策的落地，船舶大型化趨勢(shì)的發(fā)展[2]，以及國家對(duì)散貨碼頭環(huán)保要求的進(jìn)一步提高[3]，傳統(tǒng)的粗獷式小微碼頭逐步退出歷史舞臺(tái)，專業(yè)化的內(nèi)河大型散貨碼頭建設(shè)需求激增。恰逢國家發(fā)布交通強(qiáng)國戰(zhàn)略，推進(jìn)建設(shè)世界一流港口的重要窗口時(shí)期，內(nèi)河大型散貨碼頭開啟了建設(shè)智慧港口的探索熱潮。

智慧港口的概念從提出至今已有近15年，首批得到發(fā)展的是沿海的大型集裝箱港口[4]，國內(nèi)散貨港口智慧化升級(jí)相較于前者，存在明顯的發(fā)展滯后，主要原因之一在于內(nèi)河港口通常規(guī)模較小，整體投資較低。為了節(jié)省投資，各建設(shè)單位在建設(shè)初期根據(jù)自身需求僅考慮了港口的部分智慧化，包括基于圖像識(shí)別的碼頭智慧監(jiān)控系統(tǒng)[5]，基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧料場(chǎng)系統(tǒng)[6]，全自動(dòng)智能作業(yè)系統(tǒng)[7]，碼頭生態(tài)智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]，基于5G通信技術(shù)的智慧港口[9]，干散貨裝卸船自動(dòng)控制系統(tǒng)[7]等。這些建設(shè)方案大部分僅研究了碼頭某些功能的智慧化升級(jí)改造，沒有站在全局的角度對(duì)智慧港口進(jìn)行全面統(tǒng)籌規(guī)劃，導(dǎo)致后期升級(jí)改造的難度和代價(jià)很高。

本文以長(zhǎng)江中部沿岸某大型散貨碼頭為研究對(duì)象，分析了該碼頭建設(shè)智慧港口的主要目標(biāo)，從總體設(shè)計(jì)出發(fā)，論述了智慧港口的主要技術(shù)架構(gòu)和方案框架，并根據(jù)港口實(shí)際需求，對(duì)建設(shè)方案進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。通過本規(guī)劃設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)將該碼頭打造成國內(nèi)領(lǐng)先的智慧港口建設(shè)標(biāo)桿工程，為其他類似項(xiàng)目提供重要的技術(shù)參考。

1 功能目標(biāo)分析

本文所研究的大型散貨碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，建設(shè)3個(gè)5 000噸級(jí)散貨泊位，設(shè)計(jì)年通過能力達(dá)到1 750萬t/Y，兼具散貨進(jìn)出口功能，裝卸工藝采用2臺(tái)3 000t/h直線軌道式裝船機(jī)進(jìn)行散貨的出口裝船作業(yè)，散貨卸船采用2 臺(tái)800t/h抓斗卸船機(jī)，水平運(yùn)輸統(tǒng)一采用帶式輸送機(jī)，陸域倉庫內(nèi)的散貨堆存采用斗輪堆取料機(jī)。

對(duì)該碼頭進(jìn)行智慧港口建設(shè)方案規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，首先要充分考慮碼頭的主要功能需求和裝卸工藝流程，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件和建設(shè)成本，基于模糊綜合評(píng)價(jià)法[10]來確定智慧港口的主要建設(shè)目標(biāo)，具體包括以下5點(diǎn)：

（1）全面感知。全面感知是智慧港口建設(shè)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)自動(dòng)化控制和智能決策的前提條件。依托于各種傳感設(shè)備和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)的船舶、裝卸設(shè)備、皮帶機(jī)系統(tǒng)、貨物堆存狀態(tài)、貨場(chǎng)利用狀態(tài)、作業(yè)人員等的全面、實(shí)時(shí)感知。

（2）智能決策。智慧港口應(yīng)具備一定程度的智能，能夠根據(jù)感知得到的信息來進(jìn)行決策和任務(wù)規(guī)劃。人工智能還應(yīng)具有自主學(xué)習(xí)和糾錯(cuò)能力。

（3）自主裝卸。裝卸設(shè)備要具有對(duì)周邊作業(yè)環(huán)境的感知能力、邏輯判斷和執(zhí)行能力，能夠根據(jù)上級(jí)系統(tǒng)分配的作業(yè)任務(wù)，自主的完成單項(xiàng)作業(yè)任務(wù)。

（4）信息共享。智慧港口應(yīng)是開放的、共享的信息交互平臺(tái)，不僅要實(shí)現(xiàn)港內(nèi)設(shè)備、人員之間的信息交流共享，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)港口與貨主、船代等其他物流參與方的信息共享。此外，信息還應(yīng)在不同的終端上進(jìn)行共享，包括網(wǎng)頁、客戶端、手機(jī)App等。

（5）產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。以智慧港口建設(shè)為契機(jī)，打造區(qū)域物流樞紐，延伸物流產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展金融、商貿(mào)等現(xiàn)代服務(wù)，推動(dòng)周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。

2 總體規(guī)劃

2.1 智慧港口技術(shù)架構(gòu)

智慧港口是新時(shí)代交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要支撐，是將現(xiàn)代化港口的設(shè)施設(shè)備、物流信息以及參與人員，通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)手段進(jìn)行有機(jī)的串聯(lián)統(tǒng)籌，以全面感知、智能決策、自主裝卸、信息共享、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新等為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)港口各種資源要素的優(yōu)化配置、各功能模塊的協(xié)同聯(lián)動(dòng)，以及人與人、人與港口、物與物之間的各環(huán)節(jié)廣泛互通的現(xiàn)代物流樞紐。

智慧港口的實(shí)施離不開各種工業(yè)技術(shù)的支撐，在技術(shù)層面由底層至頂層主要包含7大層次：設(shè)備層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、技術(shù)層、應(yīng)用交互層以及用戶層。各層級(jí)之間使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范進(jìn)行通信，技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 智慧港口技術(shù)框架

2.2 智慧港口總體方案框架

智慧港口的建設(shè)方案要根據(jù)工程需求進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，采用行業(yè)領(lǐng)先的模塊化設(shè)計(jì)理念規(guī)劃建設(shè)方案，以更好的適應(yīng)不同的工程實(shí)際，滿足港口不同業(yè)務(wù)差異化發(fā)展的需求。

根據(jù)本碼頭的智慧港口的建設(shè)目標(biāo)和技術(shù)框架，結(jié)合碼頭對(duì)裝卸作業(yè)、物流規(guī)劃、船舶調(diào)度、港區(qū)管理、作業(yè)計(jì)劃、商務(wù)擴(kuò)展等業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，提出了“1+4+N”總體規(guī)劃方案。

碼頭建設(shè)1個(gè)總體的智慧港口信息管理與應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)務(wù)功能不同劃分4個(gè)港口運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，包含智慧港區(qū)管理平臺(tái)、智慧物流平臺(tái)、智能船舶調(diào)度平臺(tái)和智慧商務(wù)平臺(tái)。每個(gè)平臺(tái)下按需設(shè)置多樣性的應(yīng)用模塊，滿足碼頭不同功能需求，各應(yīng)用模塊之間相互獨(dú)立，除了部分基礎(chǔ)功能模塊外，其他擴(kuò)展模塊可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求自由添加或者刪減。智慧港口總體方案框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧港口總體方案框架

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 智慧港區(qū)

智慧港區(qū)設(shè)計(jì)是智慧港口規(guī)劃的核心任務(wù)，根據(jù)功能模塊劃分，智慧港區(qū)模塊設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)有兩個(gè)：（1）實(shí)現(xiàn)各種裝卸機(jī)械的作業(yè)自動(dòng)化；（2）實(shí)現(xiàn)港內(nèi)生產(chǎn)輔助設(shè)施設(shè)備的智慧化。

對(duì)于裝卸機(jī)械作業(yè)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，本工程采用國內(nèi)領(lǐng)先的自動(dòng)化控制技術(shù)方案，并結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求，采用散貨裝卸全流程的自動(dòng)化解決方案，即碼頭前沿的裝船機(jī)、卸船機(jī)以及陸域倉庫內(nèi)的堆取料機(jī)能夠根據(jù)管理系統(tǒng)下發(fā)的作業(yè)計(jì)劃或者自行編制的作業(yè)計(jì)劃，基于3D激光掃描重構(gòu)技術(shù)精準(zhǔn)識(shí)別定位船艙輪廓、倉庫輪廓以及料堆輪廓，實(shí)現(xiàn)裝卸船作業(yè)和堆取料作業(yè)的自動(dòng)化。帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)接入智慧港區(qū)管理系統(tǒng)，獲取當(dāng)前裝船機(jī)、卸船機(jī)以及堆取料機(jī)的作業(yè)狀態(tài)和計(jì)劃，與三大主機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)作業(yè)控制。

港區(qū)生產(chǎn)輔助智慧化也是智慧港區(qū)設(shè)計(jì)的重要組成部分，采用AI視頻實(shí)時(shí)分析技術(shù)，對(duì)港區(qū)內(nèi)的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，評(píng)估人員行為、車輛行使和設(shè)備作業(yè)的碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)危險(xiǎn)行為進(jìn)行燈光以及廣播報(bào)警，必要時(shí)緊急介入設(shè)備的控制模塊，操控設(shè)備緊急停車。通過劃定電子圍墻，識(shí)別未授權(quán)人員進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)，配合門禁系統(tǒng)等確保進(jìn)入作業(yè)區(qū)域的維修、巡檢、監(jiān)護(hù)等人員的安全。此外安防系統(tǒng)還能識(shí)別人員穿戴風(fēng)險(xiǎn)、識(shí)別火焰、油污、煙霧風(fēng)險(xiǎn)并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。此外，本工程還在主要作業(yè)區(qū)域安裝有環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)上傳環(huán)境數(shù)據(jù)至管理系統(tǒng)，并與噴淋除塵系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能抑塵。

3.2 智慧物流

智慧物流設(shè)計(jì)采用可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)散貨物料的全流程跟蹤，其主要內(nèi)容是對(duì)港區(qū)的散貨狀態(tài)、流量流向等物流信息進(jìn)行管理，并對(duì)各作業(yè)段的裝卸及運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行作業(yè)調(diào)度規(guī)劃，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，制定最優(yōu)的設(shè)備作業(yè)計(jì)劃表，實(shí)現(xiàn)碼頭生產(chǎn)效率的最大化。

堆場(chǎng)采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行管理，結(jié)合訂單數(shù)據(jù)以及港口作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)，對(duì)料堆進(jìn)行掃描建模，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)堆場(chǎng)料堆信息，包括料堆貨種、來源、總質(zhì)量/容量、占用堆場(chǎng)面積、已堆存/預(yù)計(jì)堆存時(shí)間等信息，對(duì)物料質(zhì)量和作業(yè)任務(wù)進(jìn)行管理；對(duì)物料流動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；通過可視化圖形顯示料堆分布和堆場(chǎng)空余空間，提高堆場(chǎng)利用率。

智慧物流的實(shí)施，能夠輔助甚至替代生產(chǎn)計(jì)劃人員對(duì)港區(qū)的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，有效降低人力成本，提高整個(gè)港區(qū)的通過能力。

3.3 智能船舶調(diào)度

裝卸船業(yè)務(wù)是港口的主要業(yè)務(wù)之一，掌握靠港船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的位置信息、航行信息、船舶參數(shù)等關(guān)鍵信息，是實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度的基礎(chǔ)。依托于碼頭水域船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、甚高頻通信系統(tǒng)（VHF）、北斗定位系統(tǒng)以及船舶靠離泊作業(yè)指引系統(tǒng)等，建設(shè)港區(qū)船舶動(dòng)態(tài)感知調(diào)度系統(tǒng)，對(duì)提高本碼頭的整體作業(yè)效率和運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平，保障碼頭通航和作業(yè)安全具有重要意義。

智能船舶調(diào)度系統(tǒng)與智慧物流系統(tǒng)相結(jié)合，能夠有效降低船舶到錨靠泊等待時(shí)間，基于人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶調(diào)度排隊(duì)最優(yōu)化。該系統(tǒng)還能運(yùn)行于手機(jī)等便攜移動(dòng)終端，方便港、船協(xié)同交互。

3.4 智慧商務(wù)

智慧商務(wù)是基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算以及智能移動(dòng)終端等信息技術(shù)手段，創(chuàng)新商業(yè)管理模式，以客戶滿意度為導(dǎo)向，通過對(duì)海量商務(wù)數(shù)據(jù)的分析，充分服務(wù)現(xiàn)有客戶、不斷吸引潛在客戶，基于不同用戶需求提供定制化服務(wù)。

建立客戶信息管理系統(tǒng)，采用評(píng)分制對(duì)客戶進(jìn)行分級(jí)是智慧商務(wù)建設(shè)的首要任務(wù)。通過客戶分級(jí)發(fā)掘優(yōu)質(zhì)客戶，對(duì)不同星級(jí)客戶提供差異化服務(wù)以實(shí)現(xiàn)港區(qū)資源配置的最優(yōu)化。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)分析客戶行為偏好，并根據(jù)客戶屬性智能推送相關(guān)服務(wù)信息，不斷開拓客戶需求。

此外，在線訂單管理系統(tǒng)以及電子商務(wù)交易平臺(tái)也是智慧商務(wù)建設(shè)的重點(diǎn)工程，可以根據(jù)實(shí)際情況，按需規(guī)劃發(fā)展訂單“無紙化”、審批網(wǎng)絡(luò)化、交易電子支付、金融保險(xiǎn)等服務(wù)，提高碼頭智慧水平。

4 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用及實(shí)施效果

4.1 激光掃描及3D重構(gòu)技術(shù)

激光掃描及3D模型重構(gòu)是散貨港口自動(dòng)化作業(yè)的核心技術(shù)，它相當(dāng)于設(shè)備的“眼睛”，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝卸作業(yè)對(duì)象的基本空間物理信息的識(shí)別。

三維激光掃描是一項(xiàng)較為成熟的測(cè)繪技術(shù)，主要運(yùn)用了激光測(cè)距原理，通過測(cè)量物體表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可快速得到被測(cè)物體的表面輪廓空間信息。其應(yīng)用的難點(diǎn)在于對(duì)散貨物料邊界和倉庫或者船艙邊界的識(shí)別劃分。

通過預(yù)先建立倉庫/船艙邊界的初始數(shù)據(jù)模型，將后續(xù)每次采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，從而能夠得到實(shí)時(shí)的散貨物料輪廓數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)散貨物料的3D重構(gòu)。

4.2 基于AI技術(shù)的視頻實(shí)時(shí)分析

利用港區(qū)布設(shè)的視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口的無死角監(jiān)控，在AI技術(shù)的支撐下，能夠完成對(duì)監(jiān)控視頻的實(shí)時(shí)在線分析評(píng)估，包括碰撞檢測(cè)、安防、環(huán)保等一系列預(yù)設(shè)的判定準(zhǔn)則。

AI視頻分析技術(shù)主要包括對(duì)象分析、屬性分析、行為識(shí)別以及時(shí)序分析四大類。對(duì)象分析技術(shù)以目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)和目標(biāo)追蹤技術(shù)為核心，通過圖像特征識(shí)別和提取技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和定位，在時(shí)序視頻幀上實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)追蹤。屬性分析技術(shù)賦予目標(biāo)基本的物理屬性，包括顏色、形狀、尺寸等信息。動(dòng)作行為識(shí)別是在圖像識(shí)別的基礎(chǔ)上，對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行建模，從而能夠預(yù)測(cè)目標(biāo)在當(dāng)前時(shí)刻或一段時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)。時(shí)序分析技術(shù)完成對(duì)目標(biāo)事件的時(shí)序定位，記錄事件關(guān)鍵詞以及起止時(shí)間，方便對(duì)事件的回溯檢索。

4.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度

港口的作業(yè)調(diào)度涉及到設(shè)備、人員、船舶、堆場(chǎng)等眾多要素，合理的制定作業(yè)計(jì)劃、發(fā)布調(diào)度指令并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)任務(wù)執(zhí)行情況是降低生產(chǎn)成本，保障港口高效運(yùn)行的必要條件。

采用大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建港區(qū)所有參與要素的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化調(diào)度規(guī)則，建立任務(wù)管理體系并規(guī)范任務(wù)處理流程，引入決策表實(shí)現(xiàn)任務(wù)屬性的約簡(jiǎn)，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法作為調(diào)度效果的主要評(píng)價(jià)手段，通過大量數(shù)據(jù)的不斷迭代優(yōu)化，使系統(tǒng)逐步成長(zhǎng)完善，最終代替人工實(shí)現(xiàn)港口作業(yè)計(jì)劃的最優(yōu)解。

4.4 系統(tǒng)實(shí)施效果

智慧港口信息管理與應(yīng)用系統(tǒng)是整個(gè)散貨港口的信息集成中心，根據(jù)前文確定的各項(xiàng)規(guī)劃指標(biāo)和技術(shù)條件。

該系統(tǒng)的實(shí)施預(yù)計(jì)能夠減少各類作業(yè)和操作人員60%，節(jié)省裝卸成本30%，極大地提高整個(gè)散貨碼頭的智能化水平，達(dá)到建設(shè)智慧綠色港口，提高碼頭的整體作業(yè)效率，降低裝卸成本的核心目標(biāo)。

5 結(jié)語

本文以國內(nèi)某大型散貨碼頭工程為研究對(duì)象，分析了該碼頭建設(shè)智慧港口亟需實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)，并以建設(shè)目標(biāo)為規(guī)劃導(dǎo)向，對(duì)智慧港口總體框架、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了深入研究。具體包括以下內(nèi)容：

（1）明確了散貨碼頭智慧港口規(guī)劃設(shè)計(jì)的4大主要內(nèi)容，提出了智慧港口模塊化設(shè)計(jì)理念，制定了“1+4+N”的總體規(guī)劃方案，以滿足不同項(xiàng)目對(duì)智慧港口建設(shè)方案的差異化需求。

（2）分析了大型散貨智慧港口賴以實(shí)現(xiàn)的主要關(guān)鍵技術(shù)以及這些技術(shù)在智慧港口建設(shè)中的具體應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用方法。

（3）介紹了智慧物流、智能船舶調(diào)度以及智慧商務(wù)等基礎(chǔ)模塊的實(shí)現(xiàn)方法，通過對(duì)碼頭的全面智慧化升級(jí)改造，能夠有效提高碼頭的生產(chǎn)效率，為客戶提供更加優(yōu)質(zhì)的綜合服務(wù)。

（4）對(duì)散貨智慧港口信息管理與應(yīng)用系統(tǒng)的組成和功能模塊進(jìn)行了深入規(guī)劃設(shè)計(jì)，形成了較為完整的系統(tǒng)程序，對(duì)相似工程的建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。