在近兩年疫情全球擴(kuò)散背景下，港航業(yè)掀起數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮，5G、云計(jì)算、人工智能等創(chuàng)新技術(shù)在港航領(lǐng)域內(nèi)大范圍應(yīng)用，尤其中國在自動化碼頭與智慧港口建設(shè)方面快速發(fā)展，并規(guī)劃推動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、超級計(jì)算等新一代技術(shù)和交通的深度融合，實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國發(fā)展目標(biāo)，可預(yù)見港航業(yè)未來仍將會是各種創(chuàng)新科技探索與落地的重要“試驗(yàn)田”。因此，本文聚焦物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、元宇宙以及量子計(jì)算四項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，對其在港航業(yè)內(nèi)應(yīng)用的應(yīng)用場景、影響以及已經(jīng)開展探索的案例等進(jìn)行簡要評述，以期拋磚引玉之效，引發(fā)進(jìn)一步思考。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建港口基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)底座

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感器與網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，以及實(shí)現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智慧港口建設(shè)的基礎(chǔ)，包括大數(shù)據(jù)分析、人工智能算法、元宇宙空間構(gòu)建等都需要在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的港口數(shù)據(jù)底座上展開。為更加聚焦分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在港口的應(yīng)用情況，主要從傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)環(huán)節(jié)展開分析。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)圖

圖表來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院。

港口傳感設(shè)備范圍拓展幫助港口實(shí)現(xiàn)全面感知。港口在當(dāng)前智慧港口建設(shè)中，各港已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)將各種生產(chǎn)設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺從而打通底層數(shù)據(jù)，例如天津港將碼頭六大生產(chǎn)要素（人、車、箱、船、機(jī)、場）的10萬個(gè)以上各類傳感器全部接入物聯(lián)網(wǎng)平臺。未來，除了傳統(tǒng)的無線射頻識別（RFID）、紅外傳感器、激光掃描器等信息傳感設(shè)備外，港口范圍內(nèi)還將有更多種類的設(shè)備與傳感器接入港口物聯(lián)網(wǎng)平臺，幫助港口實(shí)現(xiàn)全面感知，例如構(gòu)建無人機(jī)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可用于設(shè)備檢查、作業(yè)監(jiān)控、漏油或漂浮廢物檢測等功能；引入更多類型傳感器，例如3D 聲納傳感器、港口水質(zhì)監(jiān)測傳感器、有害氣體識別傳感器、氣象傳感器等，實(shí)現(xiàn)更多維度的全面感知。

6G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐數(shù)字孿生港口建設(shè)。當(dāng)前5G通信技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外港口的自動化、智能化建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，幫助實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高清監(jiān)控、貨船人工智能分析、高精度定位、智能網(wǎng)聯(lián)駕駛等智能化功能。但未來港口物聯(lián)網(wǎng)的更高形態(tài)為虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的“數(shù)字孿生”世界，需要無線性能指標(biāo)更強(qiáng)的6G通信網(wǎng)絡(luò)支撐（6G網(wǎng)絡(luò)將建構(gòu)地面通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)及深海遠(yuǎn)洋網(wǎng)絡(luò)融合的實(shí)現(xiàn)空天海地一體化的全球連接）。中國在5G發(fā)展以及數(shù)字孿生港口建設(shè)都已經(jīng)走在世界前列，且如中國移動已開始布局6G網(wǎng)絡(luò)，計(jì)劃2030年左右實(shí)現(xiàn)6G商用，未來港口作為優(yōu)質(zhì)的試驗(yàn)場所率先展開試驗(yàn)。

二、人工智能技術(shù)助力港口實(shí)現(xiàn)高度智能化

人工智能（AI）是模擬人類智能的擴(kuò)展的理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)，可以替代結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化工作，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在港口領(lǐng)域的自動駕駛、智能閘口、智能調(diào)度等場景。目前應(yīng)用的人工智能技術(shù)屬于弱人工智能，主要實(shí)現(xiàn)語音識別、圖像識別和自然語言處理等相對簡單人腦功能，而未來的強(qiáng)人工智能技術(shù)將具備感知、語言、判斷、記憶、聯(lián)想等更多人腦功能。但從應(yīng)用領(lǐng)域來看，強(qiáng)人工智能功能主要應(yīng)用于商業(yè)AI領(lǐng)域，主要應(yīng)用于港口領(lǐng)域的為工業(yè)AI技術(shù)，其比商業(yè)AI的安全性、正確性、可靠性要求更高，以下從技術(shù)應(yīng)用層面進(jìn)行展望。

圖2 2022年人工智能技術(shù)成熟曲線圖

圖表來源：Gartner。

決策智能（DI）支持港口運(yùn)營實(shí)現(xiàn)高水平自主決策。根據(jù)人與AI在決策中的參與程度可將智能決策劃分為三個(gè)等級：決策支持（分析支持下人為決策）、決策增強(qiáng)（人為選擇AI提供的決策方案）、決策智能（規(guī)范分析預(yù)測下AI自主決策）。當(dāng)前全球樞紐港大都積極推進(jìn)港口自動化、數(shù)字化以及智慧化建設(shè)，但大多仍處在決策支持和決策增強(qiáng)的階段，即通過機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，尋找港口生產(chǎn)業(yè)務(wù)中的規(guī)律與趨勢以輔助人進(jìn)行決策，其中仍存在大量人為決策因素，在數(shù)據(jù)質(zhì)量和復(fù)雜性的增長的情況下將可能出現(xiàn)信息遺漏、實(shí)時(shí)分析能力弱等局限性。因此，未來港口運(yùn)營決策在BI數(shù)據(jù)儀表盤中加入更多決策職能支撐，是提升港口運(yùn)營水平的重要途徑，即通過港口智慧運(yùn)營系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主決策生產(chǎn)、自主分析生產(chǎn)偏差以及自主驅(qū)動設(shè)備等功能。當(dāng)前在已有部分港口作業(yè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了較高程度的決策智能水平，例如港口智能閘口通過箱況殘損識別檢驗(yàn)/箱息識別/集卡信息識別等實(shí)現(xiàn)自主放行決策，未來DI將融入更大范圍的港口生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，包括整體運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)的智能決策以及通過邊緣人工智能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的個(gè)體智能水平，最終實(shí)現(xiàn)港口整體運(yùn)營調(diào)度的高水平全局自主運(yùn)營。

邊緣人工智能技術(shù)使港口智能化延伸至設(shè)備終端。邊緣人工智能（Edge AI）是邊緣計(jì)算與人工智能兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，在5G通信技術(shù)的支撐下，可以通過直接在邊緣硬件設(shè)備上運(yùn)行的本地機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)時(shí)處理和響應(yīng)并保留重要數(shù)據(jù)傳回云端，具有帶寬占用小、時(shí)延低、隱私性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)集中式云計(jì)算的重要補(bǔ)充。而隨港口數(shù)字化發(fā)展，未來自動駕駛車輛、智能機(jī)器人以及攝像頭等各種終端數(shù)量也將顯著增加，邊緣AI有較強(qiáng)的應(yīng)用前景，例如通過港口智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合前端攝像頭邊緣AI算法，實(shí)現(xiàn)對港口水岸違規(guī)行為的自主識別、預(yù)警與處置，除此之外，港口照明、傳感器以及無人機(jī)等各種終端設(shè)備，都將通過邊緣AI達(dá)到較高智能自主水平，結(jié)合港口云端數(shù)據(jù)中心的綜合分析即可形成人工智能+物聯(lián)網(wǎng)的AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)），實(shí)現(xiàn)港口的萬物數(shù)據(jù)化、萬物智聯(lián)化。

三、元宇宙中構(gòu)建虛擬鏡像的數(shù)字孿生港口

隨著2021年底元宇宙熱的爆發(fā)，Web3.0（第三代互聯(lián)網(wǎng), 即Web3）的關(guān)注度也逐漸提升，可將其理解為“基于區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化互聯(lián)網(wǎng)”，是整合了區(qū)塊鏈、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)、云計(jì)算等多種創(chuàng)新技術(shù)共同形成的未來網(wǎng)絡(luò)世界運(yùn)行的底層規(guī)則，而元宇宙則是建立在Web3運(yùn)行制度上的“虛擬/鏡像原生世界”[1]。Web3與元宇宙技術(shù)當(dāng)前最主要的應(yīng)用為加密貨幣（Token）交易、基于加密貨幣的去中心化金融（DeFi）以及虛擬游戲等領(lǐng)域，在工業(yè)以及交通、物流領(lǐng)域上的應(yīng)用還處于初步探索階段，主要應(yīng)用為通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型（虛擬鏡像世界）的方式實(shí)現(xiàn)可視化、仿真模擬、運(yùn)營優(yōu)化、自動駕駛、故障診斷與設(shè)備維護(hù)等功能，還未能將工業(yè)數(shù)字孿生世界接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，且由于模擬精度仍較弱、政策法規(guī)未完善以及經(jīng)濟(jì)效益還未體現(xiàn)等原因，目前僅開展一些探索性應(yīng)用研究，例如在港口行業(yè)內(nèi)目前主要在數(shù)字化、自動化水平較高的港口開展探索。

注[1]：德勤“三界一體、治理融合”的元宇宙理解中提出，虛擬鏡像世界為在虛擬世界中復(fù)刻出現(xiàn)實(shí)世界的映像，即為“數(shù)字孿生（Digital Twin）”；虛擬原生世界為在虛擬世界中創(chuàng)造出的不同于現(xiàn)實(shí)的全新世界。

圖3 web3.0與元宇宙的關(guān)系

圖表來源：中航證券研究所。

對于未來元宇宙及web 3.0場景下的港口進(jìn)行如下設(shè)想：（1）對港口做全方位的、系統(tǒng)的、高精度的數(shù)字孿生，使港口作業(yè)生產(chǎn)全流程處于完全數(shù)字化的直觀可視狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)精益化管理、時(shí)空回溯（可用于港機(jī)設(shè)備故障診斷、安全事故復(fù)盤等）、模擬仿真（可用于港口新設(shè)備、技術(shù)迭代升級試錯(cuò)）、虛實(shí)交互（強(qiáng)化人機(jī)交互與支撐決策的體驗(yàn)，可用于技能培訓(xùn)）等功能，最大化地提高生產(chǎn)效率與實(shí)現(xiàn)降本增效。（2）通過元宇宙加強(qiáng)港口與產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)字化協(xié)同，在基于web3的元宇宙下，港口將接入更大范圍（城市/國家/世界）的虛擬鏡像世界中，起碼在當(dāng)前數(shù)字孿生城市建設(shè)過程中將實(shí)現(xiàn)城市關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生建設(shè)與互聯(lián)，屆時(shí)港口將與城市、產(chǎn)業(yè)在數(shù)字孿生世界中更加緊密相連，強(qiáng)化港口的運(yùn)營決策與全程物流供應(yīng)鏈服務(wù)能力。但是，擁有更多傳感器與更高數(shù)字化水平的數(shù)字孿生系統(tǒng)也將面臨更加嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全問題，且港口作為國家重大基礎(chǔ)設(shè)施，在web3去中心化下的信息開放透明化特征中數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)增加，未來需考慮港口將在何種程度上加入基于web3的元宇宙。

四、量子計(jì)算幫助網(wǎng)絡(luò)安全與運(yùn)營優(yōu)化

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，將實(shí)現(xiàn)人類現(xiàn)有計(jì)算能力的飛躍，正逐步應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)信息安全、大數(shù)據(jù)和人工智能等領(lǐng)域。當(dāng)前全球量子計(jì)算機(jī)主要仍處于原型階段，在實(shí)際應(yīng)用方面仍面臨諸多瓶頸。但在港口領(lǐng)域，鹿特丹、洛杉磯等港口以及新加坡港務(wù)集團(tuán)（PSA）、迪拜環(huán)球（DP World）等全球碼頭運(yùn)營商已經(jīng)開始探索量子計(jì)算在港口物流領(lǐng)域應(yīng)用的潛力，目前主要在網(wǎng)絡(luò)信息安全與港口物流調(diào)度優(yōu)化兩個(gè)方向。

圖4 量子計(jì)算發(fā)展階段及算力對應(yīng)

圖表來源：iCV TAnK。

基于量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)提升港口通信網(wǎng)絡(luò)安全。量子計(jì)算技術(shù)的超強(qiáng)算力將會對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)加密架構(gòu)造成嚴(yán)重威脅，尤其可直接暴力破解當(dāng)前慣用的公鑰加密模式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露、通信網(wǎng)絡(luò)被破壞等風(fēng)險(xiǎn)。為此，鹿特丹港聚焦網(wǎng)絡(luò)安全問題，由荷蘭的量子技術(shù)研究機(jī)構(gòu)QuTech提供技術(shù)支持，基于量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)開發(fā)了一個(gè)多用戶量子網(wǎng)絡(luò)，為鹿特丹港口社區(qū)系統(tǒng)Portbase用戶的信息傳輸提供量子技術(shù)生成的密鑰，確保港口通信網(wǎng)絡(luò)安全，預(yù)計(jì)2023 年將投入使用。雖然量子計(jì)算技術(shù)還未發(fā)展到能對現(xiàn)有的港口安全產(chǎn)生顛覆性威脅的地步，但港口作為國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，需要提前開展探索研究以應(yīng)對量子計(jì)算時(shí)代下的網(wǎng)絡(luò)安全問題。

量子計(jì)算幫助解決港口運(yùn)營調(diào)度的大型組合優(yōu)化問題。量子計(jì)算的量子比特（qubit）相較于傳統(tǒng)二進(jìn)制比特（bit）多了一種0和1的疊加態(tài)，使得量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行更高效地并行運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，可高效解決大型組合優(yōu)化問題，適用于復(fù)雜港口生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化。2022年初，量子分析公司SavantX為洛杉磯港Pier 300碼頭部署了 HONE（超優(yōu)化節(jié)點(diǎn)效率）量子驅(qū)動的 AI 引擎，使用退火量子計(jì)算機(jī)優(yōu)化港口的貨物裝卸和卡車調(diào)度作業(yè)，使用后的每岸吊每日裝卸量、卡車周轉(zhuǎn)時(shí)間、岸吊利用率以及平均岸吊移動距離四項(xiàng)指標(biāo)都有30%~60%的優(yōu)化，取得良好優(yōu)化效果。除此之外，新加坡港務(wù)集團(tuán)與迪拜環(huán)球也致力于通過量子計(jì)算優(yōu)化其全球港口物流鏈，已成為未來進(jìn)一步優(yōu)化港口效率水平的重要途徑。

表1 洛杉磯港Pier 300碼頭使用HONE前后生產(chǎn)表現(xiàn)對比