【专稿】全球港口创新科技应用分析与前瞻——上海国际航运研究中心 港口发展研究所 吴佳璋

在近两年疫情全球扩散背景下，港航业掀起数字化转型浪潮，5G、云计算、人工智能等创新技术在港航领域内大范围应用，尤其中国在自动化码头与智慧港口建设方面快速发展，并规划推动互联网、人工智能、大数据、超级计算等新一代技术和交通的深度融合，实现交通强国发展目标，可预见港航业未来仍将会是各种创新科技探索与落地的重要“试验田”。因此，本文聚焦物联网、人工智能、元宇宙以及量子计算四项创新技术，对其在港航业内应用的应用场景、影响以及已经开展探索的案例等进行简要评述，以期抛砖引玉之效，引发进一步思考。

一、物联网技术构建港口基础设施数据底座

物联网是指通过各种信息传感器与网络传输，实现物与物、物与人的泛在连接，以及实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理的技术。物联网技术是智慧港口建设的基础，包括大数据分析、人工智能算法、元宇宙空间构建等都需要在基于物联网技术的港口数据底座上展开。为更加聚焦分析物联网技术在港口的应用情况，主要从传感器、通信网络两个环节展开分析。

图1 物联网产业结构图

图表来源：前瞻产业研究院。

港口传感设备范围拓展帮助港口实现全面感知。港口在当前智慧港口建设中，各港已经可以实现将各种生产设备接入物联网平台从而打通底层数据，例如天津港将码头六大生产要素（人、车、箱、船、机、场）的10万个以上各类传感器全部接入物联网平台。未来，除了传统的无线射频识别（RFID）、红外传感器、激光扫描器等信息传感设备外，港口范围内还将有更多种类的设备与传感器接入港口物联网平台，帮助港口实现全面感知，例如构建无人机物联网络，可用于设备检查、作业监控、漏油或漂浮废物检测等功能；引入更多类型传感器，例如3D 声纳传感器、港口水质监测传感器、有害气体识别传感器、气象传感器等，实现更多维度的全面感知。

6G通信网络技术支撑数字孪生港口建设。当前5G通信技术已经在国内外港口的自动化、智能化建设中得到广泛应用，帮助实现远程高清监控、货船人工智能分析、高精度定位、智能网联驾驶等智能化功能。但未来港口物联网的更高形态为虚拟与现实结合的“数字孪生”世界，需要无线性能指标更强的6G通信网络支撑（6G网络将建构地面通信网络、卫星通信网络及深海远洋网络融合的实现空天海地一体化的全球连接）。中国在5G发展以及数字孪生港口建设都已经走在世界前列，且如中国移动已开始布局6G网络，计划2030年左右实现6G商用，未来港口作为优质的试验场所率先展开试验。

二、人工智能技术助力港口实现高度智能化

人工智能（AI）是模拟人类智能的扩展的理论、方法、技术和应用系统，可以替代结构化、半结构化工作，已经广泛地应用在港口领域的自动驾驶、智能闸口、智能调度等场景。目前应用的人工智能技术属于弱人工智能，主要实现语音识别、图像识别和自然语言处理等相对简单人脑功能，而未来的强人工智能技术将具备感知、语言、判断、记忆、联想等更多人脑功能。但从应用领域来看，强人工智能功能主要应用于商业AI领域，主要应用于港口领域的为工业AI技术，其比商业AI的安全性、正确性、可靠性要求更高，以下从技术应用层面进行展望。

图2 2022年人工智能技术成熟曲线图

图表来源：Gartner。

决策智能（DI）支持港口运营实现高水平自主决策。根据人与AI在决策中的参与程度可将智能决策划分为三个等级：决策支持（分析支持下人为决策）、决策增强（人为选择AI提供的决策方案）、决策智能（规范分析预测下AI自主决策）。当前全球枢纽港大都积极推进港口自动化、数字化以及智慧化建设，但大多仍处在决策支持和决策增强的阶段，即通过机器学习、数据挖掘、大数据等技术，寻找港口生产业务中的规律与趋势以辅助人进行决策，其中仍存在大量人为决策因素，在数据质量和复杂性的增长的情况下将可能出现信息遗漏、实时分析能力弱等局限性。因此，未来港口运营决策在BI数据仪表盘中加入更多决策职能支撑，是提升港口运营水平的重要途径，即通过港口智慧运营系统实现自主决策生产、自主分析生产偏差以及自主驱动设备等功能。当前在已有部分港口作业环节实现了较高程度的决策智能水平，例如港口智能闸口通过箱况残损识别检验/箱息识别/集卡信息识别等实现自主放行决策，未来DI将融入更大范围的港口生产环节中，包括整体运营调度系统的智能决策以及通过边缘人工智能实现设备的个体智能水平，最终实现港口整体运营调度的高水平全局自主运营。

边缘人工智能技术使港口智能化延伸至设备终端。边缘人工智能（Edge AI）是边缘计算与人工智能两项技术的结合，在5G通信技术的支撑下，可以通过直接在边缘硬件设备上运行的本地机器学习算法，实时处理和响应并保留重要数据传回云端，具有带宽占用小、时延低、隐私性强等优点，是传统集中式云计算的重要补充。而随港口数字化发展，未来自动驾驶车辆、智能机器人以及摄像头等各种终端数量也将显著增加，边缘AI有较强的应用前景，例如通过港口智能视频监控系统结合前端摄像头边缘AI算法，实现对港口水岸违规行为的自主识别、预警与处置，除此之外，港口照明、传感器以及无人机等各种终端设备，都将通过边缘AI达到较高智能自主水平，结合港口云端数据中心的综合分析即可形成人工智能+物联网的AIoT（人工智能物联网），实现港口的万物数据化、万物智联化。

三、元宇宙中构建虚拟镜像的数字孪生港口

随着2021年底元宇宙热的爆发，Web3.0（第三代互联网, 即Web3）的关注度也逐渐提升，可将其理解为“基于区块链技术的去中心化互联网”，是整合了区块链、人工智能、物联网、通信技术、云计算等多种创新技术共同形成的未来网络世界运行的底层规则，而元宇宙则是建立在Web3运行制度上的“虚拟/镜像原生世界”[1]。Web3与元宇宙技术当前最主要的应用为加密货币（Token）交易、基于加密货币的去中心化金融（DeFi）以及虚拟游戏等领域，在工业以及交通、物流领域上的应用还处于初步探索阶段，主要应用为通过构建数字孪生模型（虚拟镜像世界）的方式实现可视化、仿真模拟、运营优化、自动驾驶、故障诊断与设备维护等功能，还未能将工业数字孪生世界接入现有网络，且由于模拟精度仍较弱、政策法规未完善以及经济效益还未体现等原因，目前仅开展一些探索性应用研究，例如在港口行业内目前主要在数字化、自动化水平较高的港口开展探索。

注[1]：德勤“三界一体、治理融合”的元宇宙理解中提出，虚拟镜像世界为在虚拟世界中复刻出现实世界的映像，即为“数字孪生（Digital Twin）”；虚拟原生世界为在虚拟世界中创造出的不同于现实的全新世界。

图3 web3.0与元宇宙的关系

图表来源：中航证券研究所。

对于未来元宇宙及web 3.0场景下的港口进行如下设想：（1）对港口做全方位的、系统的、高精度的数字孪生，使港口作业生产全流程处于完全数字化的直观可视状态，进而实现生产作业精益化管理、时空回溯（可用于港机设备故障诊断、安全事故复盘等）、模拟仿真（可用于港口新设备、技术迭代升级试错）、虚实交互（强化人机交互与支撑决策的体验，可用于技能培训）等功能，最大化地提高生产效率与实现降本增效。（2）通过元宇宙加强港口与产业链上下游的数字化协同，在基于web3的元宇宙下，港口将接入更大范围（城市/国家/世界）的虚拟镜像世界中，起码在当前数字孪生城市建设过程中将实现城市关键基础设施数字孪生建设与互联，届时港口将与城市、产业在数字孪生世界中更加紧密相连，强化港口的运营决策与全程物流供应链服务能力。但是，拥有更多传感器与更高数字化水平的数字孪生系统也将面临更加严峻的网络安全、数据安全问题，且港口作为国家重大基础设施，在web3去中心化下的信息开放透明化特征中数据泄露风险增加，未来需考虑港口将在何种程度上加入基于web3的元宇宙。

四、量子计算帮助网络安全与运营优化

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式，将实现人类现有计算能力的飞跃，正逐步应用到网络信息安全、大数据和人工智能等领域。当前全球量子计算机主要仍处于原型阶段，在实际应用方面仍面临诸多瓶颈。但在港口领域，鹿特丹、洛杉矶等港口以及新加坡港务集团（PSA）、迪拜环球（DP World）等全球码头运营商已经开始探索量子计算在港口物流领域应用的潜力，目前主要在网络信息安全与港口物流调度优化两个方向。

图4 量子计算发展阶段及算力对应

图表来源：iCV TAnK。

基于量子密钥分发（QKD）技术提升港口通信网络安全。量子计算技术的超强算力将会对现有网络加密架构造成严重威胁，尤其可直接暴力破解当前惯用的公钥加密模式，导致数据泄露、通信网络被破坏等风险。为此，鹿特丹港聚焦网络安全问题，由荷兰的量子技术研究机构QuTech提供技术支持，基于量子密钥分发（QKD）技术开发了一个多用户量子网络，为鹿特丹港口社区系统Portbase用户的信息传输提供量子技术生成的密钥，确保港口通信网络安全，预计2023 年将投入使用。虽然量子计算技术还未发展到能对现有的港口安全产生颠覆性威胁的地步，但港口作为国家关键基础设施，需要提前开展探索研究以应对量子计算时代下的网络安全问题。

量子计算帮助解决港口运营调度的大型组合优化问题。量子计算的量子比特（qubit）相较于传统二进制比特（bit）多了一种0和1的叠加态，使得量子计算机能够进行更高效地并行运算和数据处理，可高效解决大型组合优化问题，适用于复杂港口生产调度系统优化。2022年初，量子分析公司SavantX为洛杉矶港Pier 300码头部署了 HONE（超优化节点效率）量子驱动的 AI 引擎，使用退火量子计算机优化港口的货物装卸和卡车调度作业，使用后的每岸吊每日装卸量、卡车周转时间、岸吊利用率以及平均岸吊移动距离四项指标都有30%~60%的优化，取得良好优化效果。除此之外，新加坡港务集团与迪拜环球也致力于通过量子计算优化其全球港口物流链，已成为未来进一步优化港口效率水平的重要途径。

表1 洛杉矶港Pier 300码头使用HONE前后生产表现对比