5G和物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)河港口中的推廣及應(yīng)用

榮 耀

(武漢港務(wù)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430014)

1 研究背景

5G的熱度從2019年開始興起，在兩年后卻熱度不再，究其原因主要是5G的應(yīng)用場景不夠多。盡管現(xiàn)在新發(fā)行的手機(jī)基本都支持5G，套餐也可以免費(fèi)從4G套餐升級，可謂價(jià)廉物美，但拿到5G手機(jī)后，很多用戶笑稱“買5G手機(jī)就是為了測網(wǎng)速，測完就可以關(guān)掉了”。這也說明了5G在民用普及的道路上還有很長一段路要走。目前武漢市已建設(shè)了大量5G基站，通過基站分布圖來看，基本上做到了市區(qū)無死角。如此龐大的建設(shè)量，高昂的運(yùn)營成本和電費(fèi)開銷也為運(yùn)營商帶來很大壓力，因此如何將5G技術(shù)盡快廣泛的投入民用迫在眉睫。

2 5G和物聯(lián)網(wǎng)概念簡述

5G也就是第五代通信技術(shù)，是4G網(wǎng)絡(luò)的升級版，其通信波長為毫米級，具有超高速率、超低延時(shí)、超廣連接的優(yōu)點(diǎn)。速率是4G網(wǎng)的五十倍，延遲只有4G的1/10。物聯(lián)網(wǎng)的概念比5G出現(xiàn)的更早一些。物聯(lián)網(wǎng)是通過網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接。典型物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。兩者雖然出現(xiàn)的時(shí)間不同，但5G和物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系非常緊密。與其說發(fā)展5G是為了滿足人們?nèi)粘Ｍㄓ嵉男枨螅蝗缯f5G是為物聯(lián)網(wǎng)而生。5G的三大應(yīng)用場景(eMBB、mMTC、uRLLC)，其中有兩大都是物聯(lián)網(wǎng)場景。

目前物聯(lián)網(wǎng)在港口行業(yè)的試點(diǎn)應(yīng)用較多。在國內(nèi),許多沿海港口已經(jīng)開始運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加快智慧港口的建設(shè)，以提高作業(yè)效率，改進(jìn)生產(chǎn)模式。物聯(lián)網(wǎng)通過與港口終端的連接，采集港口物流的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)。運(yùn)用各類傳感設(shè)備，通過北斗或GPS定位、視頻監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將港口物流系統(tǒng)、陸路客貨運(yùn)輸、碼頭港口作業(yè)、堆場或園區(qū)倉儲(chǔ)作業(yè)、物流裝備等，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)整合起來，提供各類監(jiān)管和生產(chǎn)信息，為口岸管理部門和港航企業(yè)服務(wù)。通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)“船、車、貨、場”多位一體。物流監(jiān)控體系的全程覆蓋，能夠提升監(jiān)管效率，緩解現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)管要求和人力資源不足之間的矛盾。

未來隨著5G的應(yīng)用場景不斷增多，再加上人們對無線移動(dòng)終端的高度依賴，人們在工作生活中隨時(shí)隨地主動(dòng)地去創(chuàng)造數(shù)據(jù)，再配合AI人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，5G和物聯(lián)網(wǎng)將協(xié)同并進(jìn)，未來萬物互聯(lián)的全新景象也將得以實(shí)現(xiàn)。

3 智慧港口簡述

在5G出現(xiàn)之前，一些早期的智慧港口建設(shè)主要是通過4G LTE組網(wǎng)。4G由于覆蓋范圍大，穿透力強(qiáng)，運(yùn)維成本低，得到各大港口的青睞。場區(qū)TOS系統(tǒng)通過4G專網(wǎng)與移動(dòng)終端、PDA等設(shè)備互聯(lián)；軌道式龍門吊使用光纖接入方式遠(yuǎn)程控制RMG運(yùn)行(光纖設(shè)置在電纜中心)；AGV的無人化主要是采用預(yù)埋鐵釘?shù)姆绞竭M(jìn)行導(dǎo)航。但是這樣的智慧港口仍然有局限性，比如RMG無法跨箱區(qū)移動(dòng)；埋釘式AGV本質(zhì)上還是依賴軌道，只能在預(yù)設(shè)路徑上行駛。軌道式設(shè)備還要考慮箱區(qū)下沉問題，場區(qū)的保養(yǎng)修復(fù)成本也比較高，并且在維修期間該場區(qū)無法作業(yè)。如果使用5G加上北斗或GPS定位，這些智能化設(shè)備便能脫離固定軌道，靈活行駛。因此RMG和AGV的升級版本，RTG和IGV才是未來智慧港口的首選。

參考華為《5G智慧港口白皮書》所述，并結(jié)合目前先進(jìn)港口的特點(diǎn)，智慧港口應(yīng)包含以下設(shè)備和系統(tǒng)：

(1)港區(qū)核心TOS系統(tǒng)結(jié)合ECS系統(tǒng)(港區(qū)大腦)，通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能學(xué)習(xí)，以最優(yōu)化的方案調(diào)配堆場設(shè)備，使其有條不紊地運(yùn)轉(zhuǎn)，最大化的提高生產(chǎn)效率；

(2)龍門吊(RMG)、輪胎吊(RTG)、集卡(AGV或IGV)等起重或運(yùn)輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)無人化、自動(dòng)化。即使生產(chǎn)作業(yè)繁忙，港口每個(gè)操作班也只需數(shù)人即可滿足生產(chǎn)運(yùn)營；

(3)設(shè)置無人閘口，外集卡在進(jìn)出港區(qū)時(shí)能做到崗?fù)o人值守，司機(jī)掃碼入場；提供網(wǎng)上預(yù)約、網(wǎng)上繳費(fèi)、網(wǎng)上辦單窗口；設(shè)備交接單(EIR)、小提單(EDO)實(shí)現(xiàn)無紙化，使客戶享受到全過程電子通關(guān)；

(4)碼頭前沿配置智能理貨系統(tǒng)，無須理貨員現(xiàn)場作業(yè)，全程智能識(shí)別、驗(yàn)箱；

(5)場區(qū)監(jiān)控具備AI識(shí)別功能，如果出現(xiàn)行人入場或車輛超速現(xiàn)象，立即發(fā)出警報(bào)，保證港區(qū)安全。

港口作業(yè)所具備的一大特點(diǎn)就是嚴(yán)格按照流水線安排生產(chǎn)。港口一般采取24小時(shí)不間斷作業(yè)，因此需配置四個(gè)作業(yè)大班輪流執(zhí)勤，夜班考慮到操作手疲勞的問題，在作業(yè)繁忙時(shí)甚至需要2人一臺(tái)機(jī)械輪換，耗費(fèi)人力資源較大。因此港口迫切需要無人化、自動(dòng)化設(shè)備來取代人工操作。此外，港口區(qū)域面積較大，非常依賴優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此港口也是5G發(fā)揮其特點(diǎn)的最佳舞臺(tái)。

4 存在的困難

陽邏港2004年開港運(yùn)營，后續(xù)接連建設(shè)了二期、三期碼頭。岸線總長度約1500米，擁有12個(gè)泊位，設(shè)計(jì)吞吐量200萬TEU，屬于優(yōu)良的深水碼頭。作為湖北省最大的水運(yùn)口岸，承擔(dān)了湖北省大部分內(nèi)外貿(mào)進(jìn)出口任務(wù)。

作為長江中游最大的港口運(yùn)營商，近年來陽邏港為了對標(biāo)先進(jìn)港口，向智慧物聯(lián)的方向邁進(jìn)，從2019年開始實(shí)施港區(qū)智能化改造。為保證港區(qū)信號(hào)優(yōu)良，2021年已布局建設(shè)了14個(gè)5G基站。但由于陽邏港是一個(gè)經(jīng)營近二十年的老港，核心操作系統(tǒng)超期服役，無線網(wǎng)采用落后的2.4G WIFI，場區(qū)機(jī)械設(shè)備老舊，均不具備自動(dòng)化作業(yè)能力，因此目前5G基站尚未正式投入生產(chǎn)運(yùn)營，還需等待生產(chǎn)系統(tǒng)、裝卸設(shè)備的升級換代。

此外，5G如果要在陽邏港全面推廣也不得不考慮信號(hào)穿透和運(yùn)營成本問題，畢竟集裝箱采用金屬制作，箱子最高可以堆到6層約18m高，這對于5G信號(hào)的傳遞將會(huì)帶來巨大阻礙；如果密集鋪設(shè)，每個(gè)角落均放置基站，又會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營成本增高，而陽邏港目前年吞吐量不足上海港的1/20，全面采用5G加智慧物聯(lián)只會(huì)造成重資產(chǎn)投入過多，給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

5 解決方案

港口生產(chǎn)活動(dòng)中存在“作業(yè)路”的概念。作業(yè)路實(shí)際上是以岸橋?yàn)槠瘘c(diǎn)，閘口為終點(diǎn)的流水線。在裝卸作業(yè)中，卸船流程是指船上箱子通過內(nèi)集卡卸到堆場，外集卡再將堆場箱子通過閘口運(yùn)出場外；裝船流程正好相反，是由外集卡將箱子從閘口運(yùn)進(jìn)堆場，再通過內(nèi)集卡裝箱上船出口。其中參與生產(chǎn)的人員和設(shè)備包括：計(jì)劃員、調(diào)度員、岸橋、理貨員、閘口、外集卡、內(nèi)集卡、龍門吊、堆高機(jī)等，而其中閘口、內(nèi)集卡、龍門吊、理貨目前可以實(shí)現(xiàn)無人化，像計(jì)劃員和調(diào)度員則可以適當(dāng)減少。

按照目前陽邏港人員配置，每條作業(yè)路至少需要1個(gè)中控員、0.5個(gè)計(jì)劃員(1個(gè)計(jì)劃員管理兩條作業(yè)路)、1個(gè)理貨員、1個(gè)閘口管理員、3個(gè)集卡駕駛員(隨作業(yè)繁忙程度適當(dāng)增減)、2個(gè)龍門吊駕駛員、1個(gè)岸橋駕駛員。若智能化設(shè)備完全投入使用，每條作業(yè)路大概可以減少人員配置至2人即可，即1人負(fù)責(zé)下發(fā)計(jì)劃，1人負(fù)責(zé)總調(diào)度，其余參與生產(chǎn)作業(yè)的設(shè)備全部無人化。并且這還是按單條作業(yè)路來計(jì)算，如果是多條作業(yè)路共同參與作業(yè)，理論上5條作業(yè)路只需要1個(gè)計(jì)劃員、2個(gè)調(diào)度員即可滿足生產(chǎn)。也就是說，隨著港區(qū)規(guī)模的擴(kuò)大，作業(yè)路的增多，生產(chǎn)作業(yè)人員的占比還可以進(jìn)一步縮小。如果5G和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步成熟和推廣，甚至計(jì)劃員和調(diào)度員都可以不必現(xiàn)場辦公，堆場實(shí)現(xiàn)零人作業(yè)，只需預(yù)留一些現(xiàn)場安全員和工程師運(yùn)維即可。

由于智慧港口需要ECS系統(tǒng)參與調(diào)度，該系統(tǒng)具備智能算法，可以代替調(diào)度員多線程調(diào)配智能化設(shè)備。如果僅改造一條作業(yè)路無法體現(xiàn)ECS智能化的優(yōu)勢，除了減少若干駕駛員，生產(chǎn)效率并不會(huì)有明顯提升。但如果是兩條作業(yè)路，并且是一卸一裝，那么就可以有效發(fā)揮智慧物聯(lián)的優(yōu)勢，在裝卸循環(huán)作業(yè)的流程下，可以有效降低內(nèi)集卡的空載率。其運(yùn)作方式為剛完成卸船作業(yè)的AGV，會(huì)立刻投入裝船作業(yè)中；裝船完成后，AGV一旦處于空載狀態(tài)又會(huì)立刻投入至卸船作業(yè)，以此往復(fù)循環(huán)，使AGV不間斷的參與裝卸。經(jīng)測算效率提升約30%。因此推薦在初步實(shí)施智慧港改造時(shí)至少改造兩條以上作業(yè)路為宜。

圍繞一裝一卸兩條作業(yè)路展開，堆場可設(shè)置四個(gè)集裝箱箱區(qū)，包括：兩個(gè)進(jìn)口箱區(qū)、兩個(gè)出口箱區(qū)；遠(yuǎn)控RMG至少每個(gè)箱區(qū)設(shè)置1臺(tái)，共計(jì)4臺(tái)；無人AGV安排至少3臺(tái)；設(shè)置一進(jìn)一出兩條無人閘口；岸邊加裝智能理貨系統(tǒng)。為保證5G信號(hào)通暢無阻擋，道路經(jīng)緯線交叉口設(shè)置5G基站。為了最大化地利用5G的信號(hào)覆蓋，每隔一條道設(shè)置一根基站。具體效果如圖1所示。

圖1 智慧港口雙作業(yè)路堆場

按照上圖建設(shè)方案，除開基站建設(shè)費(fèi)用外，一次性投資成本大約為1500萬元，每年可節(jié)省人力成本約700萬元，生產(chǎn)效率提升所帶來的成本減少約300萬元，算上建設(shè)期一般需要不到3年即可回本。若算上基站建設(shè)費(fèi)用則需要約4～5年才能回本。

綜上所述，智慧港口在建設(shè)初期雖然需要較大的一次性投入，但隨著操作人員的大量減少，碼頭作業(yè)的效率提升，短期內(nèi)回本是可行的。改造老港口成為智慧港口，此期間同時(shí)還要考慮原港口持續(xù)生產(chǎn)的問題，因此最好是將部分作業(yè)路和箱區(qū)拿來作試點(diǎn)建設(shè)，將參與智能化建設(shè)的堆場與其他堆場進(jìn)行隔離，保證其他堆場能夠正常作業(yè)。在建設(shè)完成并運(yùn)營一段時(shí)間后，收支達(dá)到基本平衡再逐步擴(kuò)大建設(shè)范圍。

6 未來展望

由于內(nèi)河港口整體條件和營商環(huán)境相較沿海港口較差，若要全面推廣5G和智慧物聯(lián)項(xiàng)目還需要國家政策的大力扶持。除資金扶持外，還需要對港口惡性競爭進(jìn)行有效遏制，減少私人碼頭參與經(jīng)營，避免其擾亂市場環(huán)境。在此期間，智慧港口和傳統(tǒng)港口將在很長時(shí)間里同時(shí)運(yùn)行。通過技術(shù)的不斷迭代升級和廣泛應(yīng)用，有效降低5G和智能化設(shè)備的成本，最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)河港口5G全覆蓋，堆場設(shè)備全互聯(lián)。

想象一下，也許在不久的將來，港口工作人員只需要通過移動(dòng)終端(PC、平板、手機(jī)、VR設(shè)備等)便可實(shí)時(shí)掌握整個(gè)港口的動(dòng)態(tài)和作業(yè)情況。管理港口逐漸變得像管理智能家居那樣簡單。電子車牌、視頻監(jiān)控、智能卡口識(shí)別、EDI等技術(shù)，推動(dòng)倉庫智能化、堆場智能化，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出監(jiān)管場所關(guān)口的車輛、集裝箱、貨物等的全過程智能化、可視化監(jiān)管；在物流園區(qū)保稅、進(jìn)口拆箱、出口拼箱等單個(gè)監(jiān)管場所及多個(gè)監(jiān)管場所間自由順暢地流動(dòng)保稅貨物物流，為支撐區(qū)港的聯(lián)動(dòng)提供信息。5G的到來對港口行業(yè)的影響就是，幫助港口突破現(xiàn)有的瓶頸，借助物聯(lián)網(wǎng)將港口帶入更大的平臺(tái)，更多的想象空間。