5G等信息化技術助力打造智慧港口

杜曉明，葉美靈

（中國電信上海研究院，上海 200100）

0 引言

隨著數字化轉型要求向各個行業的滲透，市場對于水運行業提質增效、運營管理等提出更高的要求，港口是綜合交通運輸樞紐，也是經濟社會發展的戰略資源和重要支撐，作為國際物流和供應鏈的重要節點，歷來是信息化智能化建設的重要陣地。在大數據、5G技術、區塊鏈技術、云計算技術的帶動下，港口建設愈發重視科技創新，“智慧港口”解決方案將是5G網絡開通后，物聯網和人工智能等前沿技術在工業應用上的重要場景。智慧港口建設成為行業發展的新引擎，預計2024年全球智慧港口市場規模達53億美元，鑒于港口信息化巨大的潛在市場，友商、互聯網廠商以及傳統行業企業紛紛入局，以期望基于自身技術及資源優勢，在港口信息化領域占有一席之地。

1 港口信息化發展現狀

目前，港口正由勞動密集型產業向技術密集型產業轉型。世界各大港口都在進行信息化、智慧化發展，現代信息技術已全面融入港口生產營運、精細化管理以及對外服務的全過程，港口進入智慧化時代。通過信息技術的創新應用，提升港口競爭力，港口信息系統以自動化和協同化，推動智慧港口和社區生態發展，碼頭自動化建設與改造熱潮持續。一是碼頭操作系統運營能力提升，業務向小型碼頭延伸，我國還繼續推進北斗與5G助力港口自動化。二是無人集卡與吊車協同智慧方案越發成熟，使得港口生產輔助智能化受到重視。三是區塊鏈等單證無紙化的迅速發展，大幅提升口岸物流效率，強化物理體系內部一體化管控，推進港口物流管理形成綜合一站式服務，配合無紙化和集疏運銜接，智能閘口應用發展迅速[1]。

自2016年以來，先后就有廈門遠海、青島前灣、上海洋山四期等全自動化集裝箱碼頭建成投產。行業數字化轉型不只是信息化，而是面向業務層面的智能化、智慧化發展。目前在港口行業存在著重設備，輕信息化應用的現象，業務管理系統和先進的裝卸設備自動控制系統缺乏深度融合，造成各系統發展水平不一；先進的硬件設備、滯后的管理體系與管理信息系統，無法有效融合，嚴重制約了智慧港口的整體建設，效率與效益無法有效達成。

智慧港口從裝卸生產過程的智能化進一步發展，更廣泛的感知內外部信息（如集裝箱狀態、港機配件工況、設備能耗、車輛位置等信息，同時結合預約抵港船舶信息、預約提箱信息、碼頭氣象信息等外部信息）。近兩年的疫情更是加速了港口數字化進程，通過預約制、零接觸等線上線下結合的方式，推動沿海港口數字化水平提升。

2 5G等信息化科技為智慧港口提供新的推動力

根據聯合國亞太經社會在《數字化與港口生產力報告》中給出的定義，智慧港口是指是利用自動化、Al（人工智能）、loT（物聯網）、ICT（信息與通信）等第四代技術，自動且自主地優化物流流程，高效利用能源的綠色港口，與現有港口相比，此類港口可以通過無人自動化的港口設施、智能化的操作系統及相關設施提高港口生產效率，并減少污染。

5G因具有大帶寬、低時延、萬物互聯特性，特別適合越來越趨向智慧化、無人化運營的智慧港口應用場景。因此，隨著5G技術的應用推廣，智慧港口開始越來越多地引入5G。不論是沿海港口還是內河港口，都開始5G試點項目建設，部分港口已經實現了規模化應用，真正體現了5G在智慧港口領域的價值。2019年，廈門遠海碼頭啟動智慧港口5G應用建設，年末即實現5G網絡的全覆蓋，2020年5月，首臺由中國業界聯合開發的“5G+無人駕駛”集裝箱卡車精準完成裝卸船作業流程。

2.1 5G技術解決港口數據傳輸痛點

在數據傳輸方面，目前港口環境下，港口的龍門吊、集卡、視頻監控等關鍵業務系統，傳統上多采用光纜、工業Wi-Fi等通信手段進行傳輸。采用光纜通信的方案，一方面布置成本較高，且高頻的磨損和移動還會使光纜壽命下降，增加維護難度；另一方面部分自動化機械如AGV小車等則由于場地和自身限制完全無法使用有線的通信手段。而采用工業Wi-Fi網絡作為通信方案則存在抗干擾能力差、帶寬低的問題，如遇惡劣天氣經常會出現無法使用的情況。以港口實現龍門吊遠程操控為例，單臺龍門吊的遠程控制一般需要回傳5到16路監控視頻，在1080 P分辨率下對帶寬需求約30 Mb/s，同時中控室與龍門吊的PLC（可編輯邏輯控制器）通信對網絡時延要求在30 ms以內。光纖的損耗成本和Wi-Fi帶寬的不足令兩者在這一場景下適用程度均受到限制，5G通信技術的大帶寬、低延遲、高穩定性的特點則可以很好地解決該痛點，保證數據的實時傳輸[2]。

2.2 MEC技術解決港口智能運算痛點

在智能處理方面，以目前世界先進的上海洋山四期碼頭及青島港全自動化碼頭二期為例，實現真正計算機智能操控的前方操作環節多為軌道吊和AGV水平搬運環節，但岸橋受制于船型、箱型、作業次序等限制，以目前的云計算技術和算法難以勝任這一需求，因而仍為人工遠程操作。為了解決該問題，實現智慧港口真正意義上的智能服務，就需要引入邊緣云計算技術，將中心云的計算能力部分下沉到臨近物聯網終端的邊緣云計算中心，負責處理網絡轉發、存儲、計算，智能化數據分析等相關工作。

2.3 港口指揮調度智能化

作為港口工作調度的“大腦”，港口指揮調度中心需要兼顧船舶的指泊引航、港作船舶的調度規劃以及港口生產三大方面的協同指揮，其工作呈現系統化和復雜化。隨著港口供應鏈對各環節要求不斷提高，傳統的港口調度中心僅靠人員指揮的方式已然無法滿足調度效率和信息共享的需求，眾多港口持續推進港口智能調度平臺系統的建設。利用數據分析技術和模塊化設計，港口不同維度信息流共享與協同進一步優化，港口自主判斷能力不斷提升，“計算機協同調度，人員輔助指揮”成為業態新趨勢。

例如：寧波舟山港2018年上線“浙江海洋港口統一調度平臺”實現了全省管理范圍內，沿海港口船舶調度的統一申報、統一受理、統一發布、統一查詢，效率提升。美國海洋工業系統研發巨頭Navis在2019年3月推出了“Navis Smart”智能化應用，該應用由“Compass”可視化工作流程管理模塊和“N4 Ops Monitoring”監控模塊構建。其中，“Compass”流程管理模塊可以為港口計劃人員提供船舶運輸規劃過程中的港到港視圖和完整可見的港口計劃任務列表，以確保人員優先級關系，減少資源閑置時間；另一模塊“Monitoring”則可以通過港口運營監控提供實時的商業智能分析。天津港上線的智能調度指揮系統，集成了生產調度管理、標準化指標分析等十大應用模塊，通過對全球船舶AIS、貨運車輛GPS、港口實時生產要素等相關數據流進行智能化數據分析，優化“一鍵排船”和生產全過程監管功能，實現港口生產調度管理的協同化、智能化和可視化，港口“自我”判斷能力進一步提升。

2.4 無人駕駛技術為港口運輸智能化賦能

作為港口水平搬運的重要環節，實現港口運輸工具的無人智能化已經開始實施，AGV自動導航小車的局限體現在多個方面。首先，AGV引導形式主要為光電引導和電磁引導，前者易受到雨雪、霧霾等環境條件干擾，引導的穩定性較差；后者則利用電磁感應勢差對小車定位，引導精度稍低。其次，采用兩種引導方式的AGV均存在前期投資成本較高的問題，傳統碼頭改造的難度較大。最后，兩種引導形式在實質上仍為人工提前規劃，小車按照既定程序運行，缺少一定的智能決策能力。

無人駕駛技術體現出其自身的先天優勢：首先，多組測距雷達與視覺攝像機可以為車輛精準定位，智能系統則能夠智能校正車輛偏移，精準引導。其次，無人集卡的改造價格較AGV全套系統的改造成本低廉許多，僅約等于一輛傳統集卡車的價格，因此更適合傳統碼頭的改造升級。最后，在遇到緊急情況時，與AGV小車只能停止運行不同，無人集卡可以快速做出應變反映，實現自動避讓。目前上汽智能重卡已經獲得了上海市智能網聯汽車開放道路測試牌照，這款融合了AI（人工智能）、5G、V2X車聯通信等先進技術的智能重卡，已經成功實現在港區特定場景下的L4級自動駕駛、厘米級定位、精確停車（±3cm）、與自動化港機設備的交互以及東海大橋隊列行駛，為港口運輸客戶提供更智能、更安全、更高效、更環保的集裝箱轉運方案[3]。

3 運營商在智慧港口的發展建議

在5G發展網絡高帶寬、低延時、萬物互聯特性加持下，電信運營商可以介入港口智慧化的點正在增多，整體來看，智慧港口對運營商的需求可以分為三個方面：一是基礎網絡。包含傳統的語音、寬帶、專線、4G等，但運營商更有優勢的是5G網絡，特別是覆蓋港區的5G網絡和5G專網。二是網絡能力。各類應用對網絡能力的特殊需求或服務標準，如定位服務、MEC、高清視頻回傳等。三是與網絡緊密結合的應用。對網絡要求較高的各類應用，如港機遠程控制、無人駕駛、對講等。

運營商不僅提供傳統的語音、網絡通信，而是提供“一站式”綜合解決方案，包括專網、云計算、終端模組以及應用解決方案。港口/碼頭向自動化發展是未來的主方向，主要包括智能化港口系統和智慧物流系統。一是港口信息基礎設施建設，推進物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術在船舶、港口、航道、航行保障、安全監管以及運行服務等領域的創新應用，提升港口碼頭和航運基礎設施的信息化智能化水平；二是發展智能理貨、堆場裝卸、倉儲智能管理等，發展無人駕駛智能跨運車、無人駕駛電動重卡，實現集裝箱碼頭水平運輸自動化，可以大大提升運輸效率和安全。

從5G智慧港口項目可以看到，吊機遠控場景切實解決港口吊機工作人員工作條件艱苦的問題，其中安全風險是最大的痛點，目前龍門吊遠控，在多個港口已投入常態化生產；在智能理貨應用場景，港口出入貨物量大又細瑣，貨物需要精細化管理，目前已通過商用穩定性測試，開始商用復制推廣；智能安防和無人機巡檢解決港口的安防問題，人力巡檢存在工作量大且工作環境惡劣的問題。運營商為港口定制5G專網，聚焦5G各智能應用場景，實現5G+應用賦能港口業務。中國移動提出未來三年內助力打造10個全球領先的5G智慧港航標桿，復制100個高質量5G智慧港口，與華為、振華重工共同發布《5G智慧港口白皮書》。中國聯通相繼與神華黃驊港、天津港、福州港等國內多個大型港口開展5G智慧港口建設合作。中國電信在日照港、蕪湖港、茂名港和江陰港等先后開展5G應用場景建設，打造5G專網，并在此基礎上廣泛開展5G創新應用[4]。

隨著5G商用化的推進，在現有合作成果的基礎上，運營商需進一步豐富港口智能化應用場景，擴大試點規模，以電信網絡技術的優勢，切入其信息化改造，全面驗證各類典型應用的5G承載能力，打造5G+智慧港口應用標桿。同時隨著各應用場景的成熟技術和商業模式的固定化，5G智慧港口解決方案可以逐漸規模化、標準化，帶動整個行業技術的換代升級。■