北斗系统在智慧港口领域的应用

文|吴海乐 陈扬 贾来国

1.中国交通通信信息中心

2.北京国泰星云科技有限公司

一、前言

随着国家北斗系统的建设，北斗产业规模不断扩大、应用领域日益广泛、产业贡献率越来越高，北斗系统不断升级和完善，北斗高精度定位服务逐步成为全社会共享的一项公共服务，北斗高精度定位开始向全社会“赋能”。根据中国卫星导航定位协会发布的《2020中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》，2019年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达3450亿元，较2018年增长14.4%，其中与卫星导航技术研发和应用直接相关的产业核心产值为1166亿元，在总产值中占比为33.8%，其中，北斗系统对核心产值的贡献率超过80%。

港口是国民经济的重要支撑和增长引擎，根据我国《交通强国建设纲要》《交通运输信息化“十三五”发展规划》，自动化码头、智慧港口是“十三五”期间国内港口的重要发展主题。2017年6月，交通运输部发布10个省（区、市）的13个智慧港口示范工程项目；2017年11月，中央军委装备发展部、交通运输部发布《北斗交通运输行业应用专项规划》，明确提出以北斗系统应用助力智慧港口建设；2019年8月，交通运输部印发《数字交通发展规划纲要》，明确提出鼓励物流园区、港口、铁路和机场货运站广泛应用北斗、物联网、自动驾驶等技术。2019年11月交通运输部发布的《关于建设世界一流港口的指导意见》中指出，要加快“智慧港口”的建设，建设基于5G、北斗、物联网等技术的信息基础设施，推动港区内集卡和特殊场景集疏运通道集卡自动驾驶示范，深化港区联动。

北斗系统是“新基建”“智能交通”“世界一流港口”发展与建设的主要力量之一，在“新基建”浪潮下，港口智慧化、码头自动化的建设进程必然加快，对高精度定位导航的需求必定会越来越强烈，北斗卫星导航系统在港口的应用将更加广泛。

二、北斗系统在港口领域的应用需求

北斗高精度定位可以帮助港口实现生产安全智能控制。港口机械设备设施投资巨大、货物价值较高，作业过程中的轻微刮碰就可能引起巨大的经济损失，如果再涉及司机、现场业务人员等的伤亡，必产生恶劣的社会影响。随着港口技术不断革断，安全防护及控制投入持续增长。自动化、无人化对安全提出了更全面、更细致的要求。通过精准定位可针对一个动作、一个对象、一个场景实现安全防护与控制，从而帮助港口建立全方位、全要素、全流程的安全控制策略。

北斗高精度定位可以面向生产全流程帮助港口提升作业效率。船舶大型化倒逼港口通过新建改建装卸设备、应用新技术提升作业效率，准确感知、精准定位、实时共享是智能操作、提高效率、资源均衡使用的最有效手段。基于精准定位的机械设备作业轨迹、箱货的准确位置信息，可以实现不同机械设备之间、设备与箱货之间的无缝平滑对接，从而提高效率。

北斗系统能够帮助港口不断提升智慧维度。位置数据是智慧化的基石，对港口数以万计的生产要素进行精准定位，将可以全面增强港口的感知、认知、思考、决策能力，港口才可能进化到更高的智慧维度。

因港口的区域位置、基础设施、发展模式不尽相同，建设智慧港口的模式、路径各有特点，应用北斗技术的方式、程度也不尽相同。港口领域常见的北斗应用场景主要包括流动机械车辆的位置追踪、大型机械的定位和辅助驾驶等。

具体表现为：1）以终端模式为主的流动机械车辆定位，可实现车辆监控、调度；此类应用受政策引导、GPS先发应用优势影响较大，应用案例较多；随着北斗导航终端的成本不断下降、定位稳定性不断提高，北斗系统的价值也逐渐开始显现。2）以安全控制为核心的大型垂直作业设备的高精度定位，通过与激光扫描、视频识别、通信等技术融合应用，测定绝对位置、相对位置，进而计算出速度、姿态、形状等信息，实现设备移动过程中的各类安全控制；受船舶大型化、机械智能化、码头自动化的驱动，此类应用近年如井喷式增长。3）自动化码头建设对北斗高精度定位有广泛且迫切的需求。与磁钉等传统定位技术相比，北斗定位可有效避免因遮挡以及恶劣电磁环境等引起的定位不连续等问题，且可大幅降低建设成本。

三、北斗系统在港口领域的应用场景

1．港口堆场作业自动化

堆场是港口集装箱码头的核心作业区域，堆场作业工艺和作业效率直接影响港口装卸船的效率、货物进出港的效率。全球码头自动化建设大潮推动下，堆场自动化建设的需求高涨。

堆场自动化建设需要对场桥及吊具、集卡车、集装箱进行全天候精准定位，实时获取位置、姿态、动态等信息，才能实现安全控制、自动化作业。通过北斗系统与惯性导航、激光扫描、地理信息系统（GIS）等技术的深度融合应用，面向堆场作业全过程设计自动化解决方案，可实现场桥大车自动定位、集卡车进行集装箱自动装卸、堆场堆取箱的自动化操作等应用（图1）。

图1 基于北斗的堆场自动化系统框架图

传统常用定位方式主要包括磁钉、格雷姆线、超声波等，存在施工难度大、定位偏差大、定位精度不高等问题。北斗系统高精度等优势，可以有效避免上述传统定位方式存在的问题，满足码头堆场自动化对精准定位的要求，并大幅降低老旧码头自动化改造建设成本。通过采用多天线、组合导航等技术，可有效解决因遮挡和电磁干扰造成的卫星定位短暂失效问题，同时可通过多天线定姿技术自动补偿场地误差、机械变形误差，满足了在复杂环境、复杂场地条件下的连续精准定位需求，在港口特种设备无人驾驶领域充分发挥了北斗系统的决定性作用。

港口堆场作业区域相对封闭，北斗高精度定位与高精度地图组合搭配使用，能够为港口作业机械和车辆的自动运行提供精准的服务。相对定位方式，当大车需要更改作业位置时，必须先扫描、定位、再运动，这会降低生产效率。通过利用北斗高精度定位、高精度地图提供的绝对位置以及统一时间，为相对定位建立时间标签和位置基准，大车在更换作业位置时无需等待，为进一步提升自动化作业的效率提供了新思路、打开了新途径。

2．港口水平运输智能化

港区水平运输效率直接影响港口物流“最后一公里”的质量和效率，实现水平运输智能化、无人化，不仅可以提高港口生产效率，还可以大幅降低人工成本，更是港口安全的重要保障措施，是智慧港建设的重要一环。

集卡车是集装箱码头重要的水平运输设备，其往返穿梭于船边、场内，与岸桥、场桥等大型装卸机械的垂直装卸作业无缝衔接，实现集装箱在船-场间的位移。如何在封闭且工况复杂的港区内让数十台集卡车精准定位、依令而动、动而优行，是码头自动化建设必须面对的难题。单纯的卫星导航定位方式，存在因港区高大机械、建筑物、集装箱堆高等遮挡引起的信号不连续、位置不准确等现象；地下埋磁钉方式，工程浩大、造价昂贵；单纯对集卡车进行自动化功能升级方式，工程量大、性价比极低。

采用基于北斗卫星导航、惯性导航的组合导航技术，可以有效解决因遮挡、差分链路干扰引起的卫星定位信号短暂失效或不稳问题，从而实现集卡车的连续稳定定位，突破了港区水平运输智能化的行业性瓶颈问题（图2）。

图2 集卡车智能运输场景模拟图

基于北斗的港口水平运输智能化系统主要由北斗基准站系统、内集卡北斗组合定位终端、码头可视化作业监控系统、中心数据服务系统，以及与其他应用系统的接口系统等共同实现。可以对港区内的集卡车自动进行任务分配、车辆优化配置、车箱自动匹配；可以对港区水平运输进行全过程实时监控；还可与港区内其他装卸机械与设备、人员，以及外来车辆等定位与作业数据整合后，可通过大数据、人工智能技术对全场数据进行建模分析，能够为码头全场作业自动化提供必要支撑与保障。

3.港口作业可视化

通过获取GNSS高精度定位信息，结合码头三维场景模型、岸桥/场桥/集卡等机械模型，实时显示作业机械在堆场的运行位置及状态，可对全场进行实时监控，便于更为直观的进行作业机械的监控和调度管理。

利用GNSS设备，实现机械的超速等安全管理，为码头管理层和现场管理提供数据依据，提高安全管理有效性。

通过可靠数据传输协议（RDT）和GNSS设备运行状态监控 ，实时进行资产运行状态监控，有效监测设备的完好性，及时修复故障设备，提高资产利用率，提高机械运行效率。

利用GNSS设备的高精度定位信息，记录机械的运行时间和运行轨迹，在出现问题后，可以通过事后回放查找问题和分析问题原因，提高管理水平；另外，轨迹回放也可以使得司机和管理人员之间更为有效沟通问题所在，提高管理手段。

可将机械的实时位置信息提供给生产作业系统（TOS），支持TOS实现全场作业优化调度；可接收TOS作业计划，实现作业计划的图形化模拟与仿真（图3）。

图3 码头全场作业模拟与仿真图

4．港口大数据时空化

综合运用北斗定位、物联网、云计算、大数据等先进技术，通过北斗+技术+业务，获取港口所有生产要素的时空信息，并与生产运营、管理等信息整合，解析汇聚成港口时空大数据，搭建基于云的统一的港口北斗数据平台，形成多源多维多场景的港口时空数据体系，多维分析后可用于码头画像、管理决策，将可以全方位增强港口的时空维度，提升港口的智慧能力。

四、北斗系统在港口应用的核心价值

北斗系统在港口应用的关键焦点为精准定位、互联互通、细致的位置数据、贯穿业务流程。将北斗定位技术与其他感知识别技术融合应用，准确实时感知港口所有生产要素（设备、机械、作业现场、地理环境、气象环境、货物、人员等）的时间、空间、事件等信息，并与生产运营、管理过程等高度整合，通过集成应用通信、物联网、移动互联网、云计算、大数据、人工智能等技术，实现港口的广泛互联、高度共享、智能应用，才可能使港口真正拥有智慧。

在港口“点线面”上提高北斗系统的应用。点上，不断提高作业机械和货物的定位精度、信息识别的准确度和速度、复杂工况下多维异源信息识别的准确度。线上，立足效率和成本的平衡，设计智能控制流程并不断优化，最大化与其他系统无缝衔接，实现平滑控制。面上，构建基于云的港口北斗数据平台，汇聚形成港口时空数据平台，多维分析后可形成码头运行画像，供管理决策、客户服务使用。

五、北斗系统在国外港口的应用推广

我国先后与东盟、阿盟、中亚等国家和地区开展卫星导航合作，推动北斗系统在海外落地生根，服务东盟、阿盟、中亚等国家和地区。基于北斗的跨境运输、土地确权、精准农业、数字施工、智慧港口等，已在东盟、南亚、西亚、非洲等得到成功应用。国产北斗基础产品已出口120余个国家和地区，其中覆盖“一带一路”沿线国家和地区达到30余个。

随着北斗全球系统建设的完成，北斗系统在国外港口的应用会越来越广泛。基于北斗定位、新一代通信、物联网、人工智能等新技术融合的北斗+智慧港口应用模式，在国内港口成功应用后，可以向海外其他国家的港口进行复制、推广。

六、结语

促进北斗卫星系统更多地为智慧港口“赋能”，北斗时空信息与其他新兴技术的高度融合、北斗等应用技术与港口业务流程的高度融合是关键；未来智慧港口的实现将是基于物理信息系统的泛在感知与智慧控制，以北斗卫星系统为基础的PNT体系是其支撑基石；北斗卫星系统的时空位置、业务流程、物联网设备完美融合，将可以全方位增强港口的智慧化程度，此种模式若能形成应用，将可能引发港口经营管理的时代性变革；北斗系统是港口向数字化转型、向智慧化升级的核心支撑。