Il porto di Livorno è diventato un banco di prova non solo per come potrebbero essere i porti del futuro ma anche per mostrare come saranno tutti i futuri ambienti industriali. Qui, un gemello digitale permette agli operatori di lavorare nel punto d’incontro tra mondo cyber e mondo fisico. Nei nostri trend tecnologici lo chiamiamo “il mondo fisico collaborativo e automatizzato”. Scopriamo come funziona.
Un grande porto ha generalmente numerosi terminal che possono gestire diversi tipi di carichi come containers, roll-on cargo, general cargo e altro ancora.
Dal 2016 stiamo lavorando con i nostri partner dell’industria marittima e logistica per aumentare l’efficienza nella gestione dei general cargo dove le merci consistono generalmente in casse, scatole e barili. A differenza dei carichi trasportati in container standard, questa tipologia è caratterizzata da geometrie irregolari e non standard (per esempio: tubature, componenti di macchinari industriali, veicoli…). Questo porta a grande inefficienza e a errori di valutazione nella movimentazione di carichi nella banchina e nelle fasi di carico e scarico sulle navi.
Porto di Livorno: 5G, Intelligenza artificiale e gemelli digitali
Uno di questi porti è quello di Livorno che ora è un’area sperimentale coperta da una rete 5G. Grazie alla connettività 5G abbiamo abilitato l’acquisizione di grandi flussi di dati da sensori smart, LIDAR 3D e videocamere Wide Dynamic Range (WDR) che si trovano nell’area.
Avere questi dati a disposizione in tempo reale permette a un sistema di controllo delle operazioni basato sull’Intelligenza Artificiale, realizzato da Ericsson per l’occasione, di determinare la sequenza dei compiti e delle attività logistiche, a partire dalla correlazione del flusso di informazioni ottenute in tempo reale dai sensori, le videocamere e dai veicoli che operano nell’area. Le attività includono il movimento, il tracciamento e il posizionamento di carrelli elevatori e merci così come gli inventari dei beni e gli ordini di carico e scarico delle navi. Questo potrebbe anche significare identificare attività specifiche “ad alto rischio” come l’utilizzo di gru e lo spostamento di grandi carichi. La vista dettagliata di tutto quello che accade nel porto, permette all’AI di fornire un feedback sui processi e condividere aggiornamenti in diretta con i supervisori del porto.
Il sistema di controllo delle operazioni si interfaccia con la piattaforma dell’Autorità Portuale che identifica su richiesta ogni veicolo disponibile nell’area per svolgere un determinato compito. Inoltre, un sistema di posizionamento ad alta precisione basato su un sistema di visione multi-stereo assicura una stima estremamente accurata della posizione, anche quando le merci sono lontane e angolati rispetto alle telecamere.
Figura 1: Ericsson sta testando l’utilizzo della tecnologia nelle industrie marittime e logistiche dal 2016, soprattutto nel porto di Livorno
I dati raccolti attraverso il 5G danno vita a un gemello virtuale, sviluppato e impiegato da Ericsson, che elabora in tempo reale una replica virtuale del porto.
Uno sguardo all’interno del gemello digitale del porto
Il primo elemento che è stato modellizzato è l’area esterna del porto dove le merci dei general cargo vengono conservate. La seguente immagine mostra un esempio del gemello digitale dell’area e, nel riquadro, la vista satellitare dell’area reale all’interno del terminal.
Un secondo elemento importante nella rappresentazione del gemello digitale è la modellizzazione dei carichi come le casse di legno. Se consideriamo questo elemento all’interno di un esempio reale, la seguente figura mostra un gruppo di scatole nell’ambiente del gemello digitale e nel riquadro, le scatole reali custodite sul molo.
L’area in cui le merci sono conservate è monitorata da un gruppo di telecamere. Anche le telecamere hanno il loro corrispettivo nell’ambiente virtuale. Il loro ruolo è particolarmente importante nei compiti di monitoraggio e posizionamento.
Un’accurata localizzazione dei beni è fondamentale per ottimizzare lo spazio di stoccaggio e permette di recuperare rapidamente l’oggetto giusto al momento giusto per un carico efficiente della nave. Le videocamere inviano il video grazie al 5G a un software che si occupa di identificare gli oggetti e le loro posizioni. Ecco come funziona in un esempio reale nell’ambiente portuale:
-Una scatola (merce) viene prelevata da un camion, la scatola è identificata e registrata dal sistema di controllo all’interno del database.
-Un carrello elevatore disponibile trasferisce le merci nell’area di stoccaggio. Non appena la videocamera più vicina individua il carrello elevatore in arrivo, inizia il monitoraggio del carrello e della merce.
-La merce viene tracciata dalla videocamera finchè giunge a destinazione, dove rimane temporaneamente.
-Grazie alla realtà aumentata, il sistema di controllo informatico indirizza l’operatore del carrello verso l’area in cui depositare il carico.
-Quando la merce è posizionata le videocamere vengono utilizzate per fare un controllo incrociato sulla posizione finale del carico. La nuova posizione viene quindi registrata nel database.
-Anche i riposizionamenti successivi sono tracciati dalle telecamere. Quando la stessa scatola viene spostata di nuovo, le telecamere riconoscono che viene intrapresa un’azione sull’oggetto e tracciano il suo movimento. La nuova posizione viene quindi registrata.
-Durante le fasi di carico di una nave, i carrelli elevatori vengono inviati nell’area di stoccaggio per prendere le merci da caricare. Quando il carrello entra nell’area di stoccaggio il sistema di controllo fornisce all’operatore informazioni in realtà aumentata sulla posizione in cui si trova il materiale da caricare. Le operazioni sono monitorate automaticamente e controllate usando le informazioni fornite dalle videocamere.
Il caso d’uso è implementato utilizzando videocamere ad ampio range dinamico (WDR). Questi strumenti possono sopportare condizioni di alta e bassa luminosità allo stesso modo e sono quindi perfetti per operare in ambienti esterni dove l’intensità e la direzione della luce cambiano in continuazione a seconda delle condizioni meteorologiche e del momento della giornata.
Grazie alla clonazione digitale dell’area portuale e delle merci è possibile fornire agli operatori dei terminal applicazioni di realtà aumentata e virtuale.
Realtà virtuale e il gemello digitale
Le applicazioni di realtà virtuale, sperimentata grazie al visore Oculus, permette agli operatori di navigare virtualmente il gemello digitale.
Con il telecomando destro di Oculus si può indirizzare un puntatore laser virtuale di colore verde verso il carico desiderato, per esempio una cassa nell’area di stoccaggio. Immediatamente vengono fornite tutte le informazioni presenti nel database relative alla cassa, come ID, contenuto, dimensioni, peso, eccetera. Questi dati appaiono in un taccuino virtuale che può essere gestito attraverso il telecomando sinistro. È un modo estremamente realistico di visitare l’area di stoccaggio, rimanendo però nel back office con un significativo aumento della sicurezza per gli operatori dei terminal.
Figura 3: Un visore Oculus permette agli operatori portuali di visitare gli ambienti di stoccaggio virtuali nel gemello digitale
Indirizzando il fascio laser virtuale verso il palo dove c’è la videocamera nell’ambiente gemello, è possibile visualizzare sul taccuino quello che la telecamera sta inquadrando dalla sua posizione. Mediante questa tecnica è possibile avere una vista generale dell’area di stoccaggio direttamente all’interno della simulazione di realtà virtuale.
Figura 4: Gli operatori possono accedere a una vista dall’alto dell’intera area del porto digitale
In aggiunta al software dedicato alla rappresentazione virtuale dell’area abbiamo anche utilizzato un algoritmo specifico che rende possibile la gestione automatica delle merci nell’area e permette di realizzare controlli di qualità ispezionando virtualmente l’area di stoccaggio e il piazzale da remoto. L’algoritmo è completamente integrato con l’applicazione di realtà virtuale in modo che sia possibile vedere il risultato della distribuzione ottimale sul gemello virtuale prima di realizzarlo sul campo.
Realtà aumentata (AR) nelle operazioni portuali
Il porto pilota include una specifica applicazione AR per gli operatori di carrelli elevatori. Quando gli operatori sono a lavoro, vengono equipaggiati di un visore smart corazzato e semitrasparente costruito per assolvere ai bisogni degli ambienti industriali dove è obbligatorio fare uso di caschi protettivi. Attraverso il visore, vengono mostrati all’operatore segni grafici e istruzioni riguardo ai carichi che devono essere spostati. Queste indicazioni appaiono sul visore, sovrapponendosi alla vista che l’operatore ha del mondo reale.
Questo materiale video di realtà aumentata è ricavato dal flusso ottenuto dalle videocamere WDR che tengono traccia di tutti gli oggetti nell’area di stoccaggio. Il flusso eterogeneo di dati è messo insieme da un software che gira su un cloud in loco. Questo software processa le immagini, riconosce gli oggetti, determina quali istruzioni comunicare agli operatori e fornisce indicazioni in tempo reale mostrate grazie al visore AR.
Questa specifica applicazione AR è particolarmente impegnativa in termini di esigenze di connettività richieste alla rete 5G. Lo scambio di un flusso consistente di video richiede una latenza estremamente bassa per poter correlare i flussi di dati provenienti dalle diverse sorgenti. Questa correlazione deve essere sufficientemente rapida da fornire le indicazioni in AR in perfetta sincronia con il mondo reale.
L’architettura di rete 5G presente nel porto.
Figura 5: il porto di Livorno utilizza un’architettura 5G NR non-standalone supportata da LTE
La rete 5G NR installata nell’area portuale è basata sull’architettura 3GPP R15 Option 3.x basata sull’Ericsson AIR 6488 operante a 3.7 GHz. Il gNodeB è una banda larga Ericsson 6630 installata nella stessa struttura in cui si trova anche la piattaforma cloud.
La copertura di 5G NR è supportata da LTE con un’architettura non-standalone. Questa è la scelta iniziale migliore per lo sviluppo del 5G quando un operatore ha già a disposizione una copertura 4G dell’area. L’infrastruttura esegue tutte le istanze di Virtual Network Functions (VFN) che supportano la Core virtuale per fornire funzioni di user e control plane, in linea con il Distribuited Cloud Framework (equivalente alla declinazione 3GPP del paradigma MEC).
La funzione di user plane è interconnessa con l’infrastruttura locale di processing tramite un server con le capacità di calcolo necessarie a far funzionare il caso studio sviluppato nel progetto pilota. La scelta di un 5G vEPC locale, connesso con equipaggiamento radio e un’interfaccia radio 5G è tecnicamente vincolata dalla necessità di assicurare una bassa latenza e alto rendimento. Più specificatamente la terminazione locale del piano utente permette all’applicazione di essere il più vicino possibile alle user application.
Inoltre, l’interfaccia radio 5G NR è disegnata per ridurre il contributo della latenza dell’acceso radio al ritardo complessivo end-to end. Gli alti livelli di rendimento nella sezione di accesso radio sono garantiti utilizzando una porzione di spettro più ampia dedicata alla copertura NR, in accordo con la suddivisione in canali radio fornita da LTE. In una possibile evoluzione, l’implementazione di parte o di tutte le funzioni che governano il piano di controllo della rete potrebbe essere centralizzata nella rete centrale situata nell’ufficio centrale di un operatore in remoto, lasciando localmente solo le funzioni dedicate alla gestione del piano utente.
Il continuo e frequente scambio di una grandissima mole di dati tra i sensori (incluse le videocamere), i sistemi di controllo e le applicazioni AR/VR pongono pesanti richieste alla rete 5G. L’obiettivo è ridurre la latenza end-to-end a 10 millisecondi perchè la gestione del tempo ideale per garantire una risposta fluida all’operatore del carrello elevatore in realtà virutale è di 50 millisecondi, ma il tempo necessario al software AR per processare i dati occupa l’80% di questo intervallo (ovvero 40 millisecondi).
Le videocamere WDR utilizzate per il posizionamento, tracciamento e trasmissione in AR trasmettono un flusso di dati continuo a circa 10 Mbps. Estendere le dimensioni del caso d’uso a un’area maggiore richiede l’impiego di molte più videocamere che porterebbero alla trasmissione di centinaia di megabit per secondo.
Benefici del gemello digitale e altre tecnologie nelle operazioni portuali
In generale, ci si aspetta che l’esperimento pilota porti benefici significativi al porto. Tra questi:
-Riduzione della fase di registrazione da 3 a 2 minuti
-Riduzione del tempo medio di esecuzione per lo spostamento di un oggetto da un luogo A ad un luogo B con un carrello elevatore, da 8 a 7 minuti
-Riduzione dello spazio occupato per lo stoccaggio del 10%, per esempio da 5000 mq a 4500 mq
-Riduzione dei tempi di carico e scarico di una nave cargo da una media di 18 ore a 16 ore, con conseguente riduzione dei tempi di inattività all’ormeggio da 36 ore a 34.
Per quest’ultima, il tempo risparmiato può essere tradotto immediatamente in una significativa riduzione dei costi per il proprietario della nave. Inoltre, più navi possono essere gestite nell’arco dell’anno, aumentando le capacità del porto senza bisogno di ampliare i terminal esistenti.
Tutti questi guadagni in efficienza portano a una riduzione dei movimenti durante la gestione dei carichi. Questa è un’ottimizzazione che tocca l’intero processo, riducendo il consumo di carburante e le emissioni di CO2 associate del 8,2%, come spiegato nel report Port of the Future.
Conclusioni
I porti garantiscono un mondo interconnesso e globalizzato. Una delle sfide principali che si trovano ad affrontare in questo momento è come possono evolvere per diventare più efficienti, competitivi e sostenibili. Con la sua bassa latenza, grandi capacità e grande flessibilità, il 5G è una piattaforma innovativa senza precedenti che può migliorare l’efficienza operativa. L’intelligenza artificiale, l’utilizzo di un modulo di controllo e l’utilizzo di sistemi avanzati basati su AR e VR permettono una migliore e più veloce gestione delle merci standard e permettono di ottimizzzare le operazioni all’interno del terminale.
Per i risultati ottenuti, Ericsson ha ricevuto il prestigioso premio “Industrial Energy Efficiency” durante gli Hannover Messe Digital Days nel luglio 2020. Il test 5G di Livorno fa parte del progetto europeo Horizon 2020 Corealis.
