客貨滾裝智慧港口框架模型構建研究

◎ 章建設 付光中 杜軍 錢懿佳 易少東

1.廣東省湛江市質量技術監督標準與編碼所；2.廣東海洋大學

1.客貨滾裝智慧港口的概念界定

智慧港口是以物聯網、移動互聯、智能感知、大數據、云計算等為代表的新一代信息技術與現代港口服務和監管深度融合的產物，是現代港口信息化、數字化、網絡化、智能化的重要載體，也是港口行業新一輪競爭的制高點。智慧港口建設，正成為現代港口企業競爭的新賽道、港口物流產業布局的新方向、港口上下游物流鏈爭奪的新焦點。智慧港口是“互聯網+便捷交通”在國務院《“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》中的重要內容，是貫徹落實交通運輸部《交通運輸信息十三五規劃》的重要體現，對于發揮信息化引領和支撐作用，加快港口信息化、智能化進程，促進港口提質增效升級，具有重要意義。

客貨滾裝智慧港口是為了滿足客貨滾裝港口網絡化、數字化、智能化要求，構建集安檢、計重、售票、裝車、票務控制為一體的智能管理系統，支撐港口資源的靈活供應和高效配置，進而實現港口客貨滾裝服務和監控全過程的自動化和智能化。

2.客貨滾裝智慧港口建設相關的國內研究概況

張矢宇（2010）在國內最先提出全球的部分大型港口正在從第二代港口向第三代港口轉型，即智能港口[1]。隨著互聯網技術的逐步發展，智能港口正在逐步將互聯網等新一代技術融入港口系統建設中，張曉（2012）提出物聯網技術在港口服務系統、物流系統、區港聯動等方面的應用[2]。接著，部分學者開始探究其智慧港口建設的系統架構并對系統架構中各組成部分實現的功能進行了研究（包雄關，2013[3]）。隨著港口建設邁入了起步階段，技術的逐步成熟，智慧港口建設也逐漸配備了移動互聯網技術（孫子安，2014[4]）、數據鏈技術（李可學，2013[5]）、AI、人工智能、5G（孟月，2022[6]）等新一代技術。孫浩（2018）[7]基于智慧港口的概念探究了天津滾裝港口的智慧化路徑。王東魁等（2019）提出應結合BIM技術建設客貨滾裝智慧港口以克服現階段港口存在的不足與問題[8]。魏世橋等（2020）則提出了客貨滾裝數字孿生港口的概念與運行機制[9]。

3.客貨滾裝智慧港口建設的國內外現狀

現如今，世界各地的戰略要地為應對經濟全球化時代對產品日益增長的需求正在逐步開展海港設施發展建設。世界各地的產品需求量的高速增長極大的提高了多式聯運單位的運輸量，特別是伴隨著部署具有高運輸能力的新的在役船舶。預計這一趨勢將在未來幾年持續上漲。

多式聯運單位運輸量的激增將無疑給海港帶來巨大壓力，更新其基礎設施、改進海港建設技術并配備現代化管理系統已成為了海港適應急劇增加的需求的必經之路。

在第五代港口中，信息技術在改善港口的物流和運輸過程中發揮著至關重要的作用。位于城市地區的漢堡港不可能擴展港口來處理增加的流量。根據預測，通過漢堡港運輸的標準箱數量為900萬個，到2025年將翻一番。因此，港口必須更智能地運營，以應對不斷增加的運輸量。被稱為智能港口的新加坡港就是一個典型的例子，通過“智能”將有針對性的改善國家的經濟、社會和環境等方面。新技術促進了港口的業務流程，并有可能實現流程成本的降低。鹿特丹港務局為了簡化流程，滿足終端和運營商的需求，以及提高規劃過程和進度預測的效率近年推出了一款名為OnTrack的新應用程序用以了解列車的預計到達時間和終點站處理情況，這將有助于鹿特丹成為世界上最智能的港口。格丁尼亞港于2019年初實施全球導航衛星系統-實時動態系統使其擁有了世界上最現代化的船舶引導機制，這將使格丁尼亞港成為世界上最安全的海港之一。

國外智慧港口建設實踐與經驗為我國智慧港口建設提供了寶貴的可供借鑒經驗。近年來，我國智慧港口也開始了如火如荼的建設階段，積極嘗試在運營管理中應用新的技術。一是實現作業智能化，例如上海港是我國第一個配備“5G+智能駕駛”的智慧港口，實現了港口大型設備超遠程作業控制的兩個首次突破性、實踐性應用。二是實現全自動碼頭，例如廣州港通過融入了新一代物聯網感知、大數據分析、云計算等先進技術成功實現港區全自動化。三是實現服務智能化，顛覆傳統的紙質操作模式，發揮移動互聯網優勢，實現無紙化智能一體性操作，并實現智能船舶調度，加快進出港口閘口放行速度，提升碼頭集疏運效率。

位于海南島與雷州半島之間的瓊州海峽，為中國三大海峽之一，是全國最繁忙的水上客貨滾裝運輸通道，作為連接海南島與祖國大陸的水上交通主要通道，瓊州海峽承擔了海南島內90%以上的生活物資和全島30%乘客的進出需求[10-11]，瓊州海峽兩岸現有廣東湛江的徐聞港、海安新港、粵海鐵路北港，和海南海口的新海港、秀英港、粵海鐵南港6個客貨滾裝港口。其中，徐聞港在建港之初就是以“智慧港口”為設計理念，以深入對接海南自由貿易港建設，打造世界一流客貨滾裝智慧港口為發展目標，并于2020年建成運營，其目前已經建成車渡結算系統、船舶調度系統、視頻監控系統、安檢系統、預約售票系統、線上辦公等多個智慧化信息系統，擁有的旅客登船橋、泊位自動調節等多項專利技術在我國客貨滾裝港口中處于領先水平。

4.客貨滾裝智慧港口框架模型構建

4.1 客貨滾裝智慧港口的總體框架

在中央精神與國家戰略的指導與內外部影響因素的驅動下，綜合考慮客貨滾裝智慧港口的發展戰略、能力構建與戰略匹配，進行客貨滾裝智慧港口的總體框架構建（見圖1），進而實現港口高質量發展與港航一體化的建設目標。客貨滾裝智慧港口的建設需要三方面的基礎支撐，分別為：技術支撐、基礎設施支撐與數據支撐。在客貨滾裝智慧港口建設中，通過將5G、物聯網、人工智能、云計算等新一代數字技術與港口新型基礎設施相融合，暢通信息采集與傳輸渠道，為智慧運行管理、智慧平臺建設、智慧安全監管服務與客戶關系管理提供基礎支撐。

圖1 客貨滾裝智慧港口總體框架圖

依據客貨滾裝港口的業務功能及發展需求，“智慧港口”的應用服務平臺建設包括生產運營平臺、客戶服務平臺、安全監控平臺、綜合服務平臺、海峽協同平臺、商貿物流平臺共六大平臺。通過六大平臺的建設實現智慧化運行管理與智慧安全監管服務，顯著提高港口的作業運營能力、物流協同能力、口岸支持能力，實現碼頭運營數字化、集團管控一體化、決策支持可視化、集成服務便捷化，為客戶與供應商提供智慧票務服務、進港服務、智慧配載服務、卸船出港服務、智慧商貿服務等服務項別，助力打造國際領先的客貨滾裝智慧港口。在客貨滾裝智慧港口的建設過程中，通過建立權責明晰的組織機制，部署高水平科技人才生力軍，實現高層次的人力資源信息化程度，加強資源保障，建立合適的指標指引并在相應階段進行過程評估實現客貨滾裝智慧港口的建設與完善。

4.2 客貨滾裝智慧港口建設的模型設計

在以上關于客貨滾裝智慧港口概念界定、國內外相關研究、建設現狀分析與總體框架設計的基礎上，為了進一步給我國客貨滾裝智慧港口的建設提供實踐借鑒與參考，本文提出了客貨滾裝智慧港口建設的技術模型，模型設計共分為七層，具體層次見圖2。

圖2 客貨滾裝智慧港口技術模型圖

第一，感知層。感知層可以實現客滾港口基礎設施設備泛在連接，為現場數據的采集、匯聚和分析提供支撐。它首先通過各類現場設備上的傳感器，采集外部物理世界的數據，然后通過RFID、條碼、工業現場總線、藍牙、紅外等短距離傳輸技術傳遞數據。感知層所需要的關鍵技術包括智能感知技術、檢測技術、短距離無線通信技術等。在現有基礎上，建設完善港口六大應用支撐系統。依據客貨滾裝港口具體的業務及作業流程應用需求，進行物聯網感知設備及網絡的推選及布局、安裝和調試工作，構建起“智慧港口”的感知層。

第二，邊緣層。邊緣層通過工業通信協議、通用協議、無線協議等實現現場設備接入邊緣層，利用協議解析、中間件等技術兼容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各類工業通信協議和軟件通信接口，實現數據格式轉換和統一。另一方面，利用HTTP、MQTT等方式從邊緣側將采集的數據傳輸到云端，實現數據遠程接入。同時，在靠近現場設備或數據源頭的網絡邊緣側進行數據預處理、存儲及智能分析應用，提升操作響應靈敏度、消除網絡堵塞。

第三，支撐層。包括云基礎設施虛擬化、基礎軟件環境、服務器及其設置、網絡設備、存儲設備等。云計算數據中心IT服務管理系統可以提供對客貨滾裝智慧港口數據中心內多個系統、異構環境下的工作負載狀況的集中管理，根據應用程序的性能需求和業務目標動態地分配數據中心的資源，提高資源利用率的同時維持、監視數據中心整體的服務水平；可以通過統一運維平臺集中監控管理數據中心包括系統、網絡、監控、存儲、中間件到數據庫等整個IT基礎設施，從而提高數據中心的運維效率。

第四，數據層。包括BIM+GIS基礎數據倉庫、港口運營數據庫、港口安全數據庫、生態圈數據庫、應用主題數據倉庫等，提供數據資源支撐。數據庫是數據倉庫的核心，它存儲了來自各個業務領域的數據，是建立港口生產集疏運信息平臺系統統計分析的數據源，港口運營過程中產生的各種業務數據經過抽取、轉換清洗后裝載到數據倉庫的數據庫中，裝載到數據倉庫的數據必須做到高質量、一致性和準確性。同時，在使用過程中，要滿足開銷低、性能高等特點，根據港口業務實際，分別建立港口管理、生產運營、客戶服務、安全監管、臨港物流等相關業務數據庫，滿足公司決策層、管理層進行決策分析的需要。數據層主要使用數據管理技術，滿足數據批處理和流處理計算需求。運用數據冗余剔除、異常檢測、歸一化等方法進行原始數據清洗。通過分布式文件系統、NoSQL數據庫、關系數據庫、時序數據庫等不同的數據管理引擎實現數據分區選擇、存儲、編目和索引。

第五，交換層。包括企業服務總線ESB、大數據服務、統一接口服務、SOA、中間件等，為數據交換、共享、集成等提供支撐，實現包括集成、編排、路由、事件處理、相關性以及業務活動的監控，自動地將這些服務獨立地部署到平臺或應用上，確保各個模塊間功能獨立，不交叉、不冗余，為這些服務提供標準化的接口，實現網絡、硬件、存儲設備、數據、業務系統和管理流程、IT采購流程、數據交換流程的統一集中。這些服務是松耦合的，能夠通過大量一般水平的硬件實現線性的擴展。數據交換層作為“智慧港口”系統的組成部分，需要和不同層次的行業系統，以及大量的業務系統作對接，進行數據交換。為了數據交換的需要，“智慧港口”數據交換平臺應該包括以下功能：用戶接口子系統、信息傳輸子系統，信息收發處理子系統，報文轉換子系統、數據訪問子系統、配置管理子系統和實時監控子系統。

第六，應用層。依據客貨滾裝港口的業務功能，綜合運用物聯網、移動互聯、BIM、GIS、數據挖掘、智能決策、系統集成、SOA、ESB等，對應“智慧港口”的應用平臺，開發生產運營平臺、安全監控平臺、客戶服務平臺、綜合服務管理平臺、海峽協同平臺五大平臺，實現客貨滾裝港口的“智能、高效、便捷、安全、互通”。為港航企業、物流企業、政府、公眾等提供多樣化、定制化的客滾物流服務及其應用。應用層的系統開發，要支持“松耦合”的應用開發和部署，可以采用類似于Lab View的圖形化編程手段進行應用快速創建、測試、擴展。

第七，用戶層。包括內部用戶和外部用戶，前者通過網絡辦公大廳進行內部訪問，后者通過網絡服務大廳進行外部訪問。首先，通過企業門戶的應用整合能力，有效梳理和集成企業業務系統，并聚合業務功能和內容信息，為企業各級用戶建立一個信息訪問的統一入口。同時借助有效的系統集成，提供高效的處理流程，對管理者提供更有價值的信息，對業務人員提供更敏捷的系統響應能力。內部門戶在整個客貨滾裝港口“智慧港口”系統層面，綜合內部各系統信息，提供統一的工作平臺，實現界面整合和單點登錄，是客貨滾裝港口各級員工默認的工作入口。其次，通過建立統一對外信息門戶和信息處理平臺，可增強客貨滾裝港口與客戶的互動交流，向客戶開放相關票務、船舶、港口有關信息資源，提供購票、客服、貨運等增值服務，宣傳企業形象，發布通知公告，向客戶征求服務需求與意見建議等。外部門戶是現代企業對外服務的重要窗口，是不可或缺的服務手段之一。