La rubrica CNIT TALK è curata dai Professori del CNIT (Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni), il Consorzio formato da 37 università pubbliche italiane diretto dal Professor Nicola Blefari Melazzi, che organizza l’evento di riferimento per il settore 5G Italy. L’obiettivo è la divulgazione di contenuti originali sui temi principali del mondo digitale dal 5G, alla Blockchain, dall’IoT all’elettromagnetismo, di carattere scientifico, ma divulgativo, con l’obiettivo di disseminare l’attività del Consorzio via web. Per consultare tutti gli articoli clicca qui.
Articolo a cura di Alexandr Tardo, Domenico Lattuca, Paolo Pagano del CNIT – National Laboratory of Photonic Networks and Technologies (PNTLab)
1) Cosa si intende con Smart Port, quali sono le attuali sfide nei porti marittimi e quale ruolo giocano le tecnologie emergenti come il 5G?
I porti marittimi giocano un ruolo fondamentale nel commercio internazionale, considerato che il 90% del traffico merci globale viene movimentato via mare. Per questo motivo, il trasporto marittimo è ormai diventato sempre più espressione di una Supply Chain globale. D’altro canto, i porti sono ecosistemi molto complessi i quali necessitano di una collaborazione efficiente e costruttiva tra i diversi attori della Port Community (ad es. Terminalisti, Agenzie Marittime e Navigazione, Spedizionieri, Agenzie delle Dogane, Autotrasportatori, etc.).
La Commissione Europea, così come gli Stati Membri, hanno finanziato molti progetti di innovazione a sostegno di iniziative orientate allo sviluppo sia di tecnologie abilitanti che di applicazioni industriali.
“Recentemente, gli sviluppi portuali sono stati presi in considerazione sia dal programma di finanziamento europeo Horizon 2020 (programma di lavoro denominato Mobility for Growth) sul tema Port of the Future che da iniziative come Connecting Europe Facility (CEF) che rappresentano la naturale evoluzione di programmi meno recenti quali Trans-European Transport Network (TEN-T) e Trans-European Networks for Energy (TEN-E)”. L’obbiettivo principale di questi programmi riguarda infatti aspetti di interoperabilità e condivisione dei dati, al fine di armonizzare e semplificare i processi della logistica transfrontaliera.
Temi come la congestione ai varchi d’accesso, la sostenibilità ambientale, l’espansione infrastrutturale, la digitalizzazione e l’automazione dei processi logistici ed operativi, rappresentano alcune delle sfide affrontate ogni giorno dai porti di tutto il mondo. L’esito di tali sfide impatta significativamente la competitività e la produttività di ogni nodo portuale.
Sistemi e tecnologie come Global Navigation Satellite System (GNSS), Electronic Data Interchange for Administration, Commerce and Transport (EDIFACT), Radio Frequency IDentification (RFID), Optical Character Recognition (OCR) e reti wireless (incluso Vehicular ad Hoc Network – VANET) sono già in uso nella realtà portuale: essi ricoprono infatti un ruolo importante nella digitalizzazione dei sistemi informativi come le National Single Windows, i Port Community Systems, i Vessel Traffic Services, i Terminal Operating Systems, i Gate Appointment Systems, gli Automated Gate Systems, gli Automated Yard Systems, il Port e il Road Traffic Information System ed infine i Port-hinterland intermodal Information Systems [1].
Rispetto al suddetto stato dell’arte, l’adozione di tecnologie emergenti come l’Intelligenza Artificiale, il Machine Learning, la Blockchain, la Realtà Virtuale ed Aumentata, l’Internet-of-Things, l’Edge Computing, il Digital Twin ed i Sistemi Robotizzati, conducono a benefici significativi in termini di efficienza complessiva lungo la catena logistica, supportando il processo di digitalizzazione nei porti, intesi come nodi di smistamento e gestione della merce. Come mostrato nell’immagine sottostante (Figura 1), le tecnologie sopra elencate trovano un’ampia applicazione nei processi operativi e logistici sia lato mare/porto (es. trasporto marittimo, operazioni di carico, scarico e stoccaggio della merce) che lato terra (es. trasporto intermodale e tracciamento della merce) [2].
Il concetto di Smart Port (o Port of The Future) nasce dunque allo scopo di affrontare le nuove sfide e venire incontro alle esigenze dei nodi portuali, avvalendosi di tecnologie all’avanguardia. Il porto smart è un porto intelligente, capace di percepire e monitorare l’ambiente operativo grazie alla presenza di sensori IoT opportunamente distribuiti nell’area portuale. Attraverso interazioni machine-to-machine, i dati vengono raccolti in maniera automatizzata, processati in Cloud, aggregati ed analizzati con algoritmi di Artificial Intelligence – Machine Learning e resi infine disponibili allo sviluppo di servizi innovativi erogati verso la Port Community (ad es. tracciamento real-time dei veicoli e della merce). In aggiunta, i sistemi di controllo remoto dell’equipaggiamento di piazzale (ad esempio gru Rubber Tired Gantry – RTG per le operazioni di carico e scarico della merce containerizzata oppure stackers/forklifts per le movimentazioni della merce sul piazzale) permettono di abilitare una gestione più efficiente degli asset portuali, producendo un impatto positivo sulle operazioni dei Container Terminal operanti nell’area portuale.
In questo contesto il 5G può essere considerato come una tecnologia abilitante che funge da collante, a livello di connettività, tra i vari elementi hardware e software dell’infrastruttura ICT portuale. Bassissime latenze, elevati bit rate, una maggiore quantità di dispositivi connessi per unità di superficie, una riduzione significativa del consumo energetico, ottimizzazione dell’uso delle risorse di rete e della gestione della mobilità sono alcune delle peculiarità che rendono la tecnologia 5G un candidato ideale a supportare le attuali, così come le future, operazioni nel dominio marittimo. Da non dimenticare, poi, la flessibilità della tecnologia grazie a paradigmi quali lo Slicing, Network Function Virtualization (NFV), Software Defined Network (SDN). Tale flessibilità consentirà di soddisfare pienamente i variegati requisiti della molteplicità di utenti.
2) Perché il 5G è così importante per l’industria e quali sono i settori che beneficeranno maggiormente dall’introduzione del 5G?
Grazie ad una connessione affidabile, a bassa latenza ed estremamente veloce (rispetto ai suoi predecessori come il 3G/4G), il 5G si prefigura come un elemento fondamentale per realizzare scenari e casi d’uso innovativi in qualsiasi ambito industriale.
Le specifiche 3GPP definiscono infatti tre macro-categorie di casi d’uso in relazione a questa tecnologia [3]:
- Enhanced Mobile Broadband (eMBB): servizi a larghezza di banda elevata per la connettività wireless.
- Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC): comunicazione affidabile e a bassa latenza per servizi mission-critical.
- Massive Machine Type Communication (mMTC): supporto di un numero elevato di sensori e dispositivi connessi per unità di superficie.
Le applicazioni del 5G si estendono ben oltre i prodotti e servizi commerciali come gli smartphones e l’intrattenimento, coinvolgendo soprattutto realtà industriali che gestiscono grosse moli di dati, a loro volta prodotte da dispositivi differenti ed applicazioni in tempo reale.
Alcuni settori verticali come Smart Healthcare, Smart Manufacturing, Smart City, Smart Supply Chain, Smart Agricolture, Smart Education, Automotive e Smart Mobility, stanno iniziando a considerare il 5G non solo come una tecnologia dirompente, ma anche come una parte centrale delle proprie strategie ed attività di business. I principali fattori strategici da considerare nella strada che conduce all’adozione su larga scala della tecnologia 5G, riguardano la capacità di posizionarsi come innovatori all’interno del proprio settore, facendo leva sulle soluzioni che facilitano la trasformazione, costruendo una solida base per l’Internet-of-Things.
3) In che modo il Porto di Livorno sta affrontando la digitalizzazione dei servizi ICT?
Da diversi anni, il CNIT collabora con l’Autorità di Sistema Portuale del Mar Tirreno Settentrionale (AdSP-MTS) al fine di supportare le attività di Ricerca & Sviluppo all’interno del Porto di Livorno. Tale collaborazione ha portato alla fondazione del Laboratorio Congiunto, il JLab [4].
AdSP-MTS ha delineato nel corso del tempo una strategia di lungo periodo (riportata anche all’interno del Piano Operativo Triennale [5]) per la digitalizzazione, la sensorizzazione e la connettività degli scali: l’obiettivo è quello di costruire una vera e propria Smart Community in grado di cogliere appieno le opportunità di sviluppo generate dalla Logistica 4.0. Questo fenomeno investe direttamente i nodi portuali, condiziona profondamente le scelte infrastrutturali pubbliche e gli investimenti privati, trasforma in profondità il volto dei porti passeggeri e merci, seguendo la direzione definita in sede europea come Smart Port o Port of the Future.
La strategia di lungo periodo si focalizza su tre parole chiave, utili alla definizione di una strategia nazionale, orientata verso l’Industria 4.0,nell’ambito delle catene di trasporto e dei servizi logistici:
- Testbed: il porto è un testbed naturale per la sperimentazione e l’industrializzazione di soluzioni tecnologiche innovative che attualmente si trovano ad un livello di sviluppo pre-competitivo. Stakeholders di livello internazionale e locale, operatori portuali ed enti di ricerca, possono incontrarsi e validare, tramite test sul campo, soluzioni tecnologiche avanzate (es. PlugTest ETSI ITS 2016 [6], AUTOPILOT [7], COREALIS [8]). Grazie al processo di digitalizzazione, il Porto di Livorno è il primo porto in Italia all’interno del quale è immediatamente applicabile una gestione integrata del trasporto e della logistica.
- Enabler: partendo dalle piattaforme digitali originariamente pensate per l’ambito portuale (es. Port Community System – TPCS e Port Monitoring & Control Application – Moni.C.A. [9]) è possibile attivare processi d’innovazione e servizi che si irradiano verso il mare (e.s. Autonomous & Connected Vessel), verso il sistema città-porto (e.s. smart mobility, infomobilità, servizi dedicati ai passeggeri, applicazioni e soluzioni di controllo del traffico, etc.) e verso i grandi assi di comunicazione, generando e ricevendo informazioni utili ai sistemi informativi regionali, nazionali ed europei.
- Smart: la Port Community è già oggi un esempio concreto di Smart Community diffusa e al contempo geograficamente individuabile (nodo portuale come punto di convergenza di una molteplicità di attori, azioni ed informazioni). L’idea di sviluppo e innovazione si promuove facendo leva sul porto come dimensione fisica ed informativa, sufficientemente grande da essere considerata attendibile come testbed ed abbastanza piccola da permettere di testare ed implementare soluzioni smart altamente trasferibili in contesti sempre più complessi.
Per realizzare questa agenda strategica di innovazione, AdSP-MTS si è dotata di un modello di governance dei processi d’innovazione, ed ha stretto una serie di accordi strategici che hanno coinvolto eccellenze del territorio e grandi player internazionali, strutturando partenariati a diversi livelli: istituzionale, tecnologico ed industriale [10].
4) Quali sono gli asset a disposizione del Laboratorio Congiunto?
Le attività di ricerca e sviluppo condotte secondo il cronoprogramma definito dall’agenda digitale, hanno portato il Laboratorio Congiunto alla progettazione ed implementazione di un nuovo stack ICT standardizzato e distribuito sui livelli tipici dell’infrastruttura basata sul Cloud: Infrastructure-as-a-Service (IaaS), Platform-as-a-Service (PaaS) e Software-as-a-Service (SaaS). IaaS, PaaS e SaaS possono essere considerati come tre livelli di astrazione della stessa infrastruttura ICT, diversificati per tipo di servizio e risorse offerte. Più precisamente:
- Il livello IaaS permette di accedere sia alle risorse fisiche di calcolo presenti nell’ambiente di staging sia alle risorse di rete al fine di supportare la raccolta, la memorizzazione e l’inoltro dei dati generati dalla sensoristica IoT distribuita nel porto;
- Il livello PaaS fornisce strumenti adeguati per la gestione ed il mantenimento del Data Lake includendo il processamento, l’aggregazione e la strutturazione dei dati raccolti nonché la conseguente condivisione con la logica applicativa;
- Il livello SaaS infine, mette a disposizione un ambiente adeguato per lo sviluppo, l’integrazione e l’erogazione di nuovi servizi verso la comunità portuale.
Come mostrato nella Figura 2, il nuovo stack ICT permette di disaccoppiare il livello dati dal livello di logica applicativa, introducendo elementi architetturali come l’Enterprise Service Bus (per lo sviluppo e la gestione dei servizi) e il Data Virtualization Layer (per la gestione centralizzata dei dati) al fine di rendere l’intera architettura resiliente, flessibile e scalabile [11].
Grazie a diverse attività nell’ambito di progetti EU (H2020), è stato possibile sfruttare il Porto di Livorno come testbed per la sperimentazione sul campo di nuove tecnologie (es. Blockchain e 5G) applicate sia a processi operativi (es. movimentazione della merce sul piazzale) che logistici (es. tracciamento della merce lungo la Supply Chain).
Nell’ambito del progetto denominato COREALIS (Capacity with a pOsitive enviRonmEntal and societAL footprInt: portS in the future era), il Porto di Livorno è stato il primo porto Italiano a sfruttare una rete 5G prototipale, mostrata in Figura 3, a supporto delle operazioni intra-terminal, come la gestione e movimentazione del General Cargo. Attraverso la connettività 5G, è stato possibile testare uno scenario massive-IoT raccogliendo dati provenienti da dispositivi come LIDARs, camere Wide Dynamic Range (WDR) e dispositivi intelligenti (e.s. tablet e smart glasses) sia a bordo dei muletti che in mano agli operatori di piazzale.
La figura seguente fornisce una schematizzazione delle interazioni tra i vari componenti coinvolti nella sperimentazione:
Sulla base dei dati raccolti, un sistema centralizzato basato sull’Intelligenza Artificiale è in grado di determinare la corretta sequenza delle attività e delle operazioni logistiche da svolgere.
- Queste attività includono la fase di scarico della merce dal camion, il relativo posizionamento (ottimale) presso l’area di stoccaggio e la successiva movimentazione per le operazioni di carico della merce sulla nave in banchina. Di seguito sono brevemente descritte le fasi operative del processo di gestione della merce sul piazzale:
- La merce viene scaricata dal camion in entrata al terminal merci, identificata e registrata dal sistema di controllo centrale. Un muletto tra quelli disponibili viene identificato e selezionato per il trasferimento del carico presso l’area di stoccaggio;
- La merce viene tracciata dalle telecamere WDR fino alla sua destinazione. Utilizzando un servizio basato sulla Realtà Aumentata, il conducente del muletto viene assistito durante la fase di trasporto presso l’area di stoccaggio. Quando il carico viene posizionato, le telecamere WDR vengono utilizzate per un controllo incrociato sulla sua posizione finale, memorizzandola di conseguenza nel sistema di controllo centrale;
- Durante la fase di carico sulla nave, il sistema di controllo fornisce informazioni in Realtà Aumentata al conducente del muletto sul carico da prelevare (dove si trova e quale merce va spostata per prelevare quella d’interesse). L’operazione viene monitorata e controllata automaticamente utilizzando le informazioni fornite dalle telecamere WDR.
Come mostrato nella Figura 4, l’integrazione con il Port Monitoring System del Porto di Livorno (Moni.C.A.) consente infine di monitorare e visualizzare in tempo reale lo stato dei muletti sul piazzale, nonché le corrispondenti attività di movimentazione della merce.
La sperimentazione di servizi innovativi basata sull’utilizzo della connettività 5G presso il Porto di Livorno (Figura 5), ha permesso da un lato di erogare applicazioni a valore aggiuntoverso la Port Community e dall’altro di quantificare i benefici in termini di efficienza operazionale:
- riduzione dei tempi necessari ad acquisire le informazioni sulla merce;
- riduzione dei tempi complessivi per movimentare il carico all’interno del piazzale;
- riduzione dello spazio necessario per lo stoccaggio della merce;
- riduzione dei tempi delle operazioni di carico/scarico e conseguente riduzione del tempo di permanenza delle navi in banchina.
Il risparmio di tempo si traduce immediatamente in una riduzione dei costi sostenuta dagli armatori e dai terminalisti: più navi possono infatti essere servite nel corso dell’anno, aumentando di conseguenza la capacità complessiva del porto senza la necessità di estendere, a livello infrastrutturale, i terminal esistenti. D’altro canto, l’incremento dell’efficienza operazionale, si traduce anche nella riduzione di consumo del carburante da parte dei veicoli di piazzale, nonché delle relative emissioni di CO2 nell’area portuale, come mostrato nella Figura 6 [13].
5) Quali conclusioni si possono trarre?
La digitalizzazione sta offrendo al settore marittimo nuove opportunità per incrementare la propria produttività, migliorandone l’efficienza e la sostenibilità all’interno dei processi logistici. Questo spinge i porti ad investire su nuove tecnologie come la Blockchain ed il 5G al fine di supportare una condivisione veloce e sicura delle informazioni tra gli attori di un ecosistema così complesso. Al momento, le tipiche operazioni portuali tendono ad essere limitate a causa della mole sempre più crescente di dati e quindi di traffico prodotti dalla sensoristica distribuita. Le tecnologie attuali come collegamenti in fibra ottica o reti mobili basate su standard 3G/4G non riescono a soddisfare appieno gli attuali requisiti nell’automatizzazione dei processi operativi e logistici. Da questo punto di vista, il 5G si prefigura come una tecnologia indispensabile per lo sviluppo e l’implementazione del concetto di Smart Port. Nel contesto italiano, il Porto di Livorno rappresenta uno dei porti marittimi che hanno già iniziato ad esplorare e a sfruttare le tecnologie fin qui descritte. Ciò al fine di comprendere come l’introduzione di tecnologie innovative nell’ambito ICT possa supportare l’ottimizzazione delle operazioni portuali e come possono essere usate per valutare quali modelli sia più logico adottare per quantificare i relativi benefici economici, sociali ed ambientali.
Bibliografia
[1] L. Heilig and S. Voß, “Information systems in seaports: a categorization and overview,” Information Technology and Management, Springer, vol. 18(3), pages 179-201, September 2017.
[3] https://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3389
[4] https://jlab-ports.cnit.it/
[5] https://www.portialtotirreno.it/wp-content/uploads/2021/02/3_POT_signed_sigp.pdf
[6] https://portal.etsi.org/Portals/0/TBpages/CTI/Docs/5th_ITS_CMS_PLUGTEST_REPORT_FINAL.pdf
[7] https://www.cnit.it/2018/10/24/smart-roads-per-veicoli-autonomi-il-progetto-autopilot-a-livorno/
[9] https://www.monicapmslivorno.eu/
[10] http://interreg-maritime.eu/web/easylog/progetto
[11] https://jlab-ports.cnit.it/ourassets/
[12] https://www.ericsson.com/en/blog/2020/12/digital-twins-port-operations
[13] https://na.experiences.ericsson.net/c/ericsson-port-of-the-1?x=N4gZz1
