5G等信息化技术助力打造智慧港口

杜晓明，叶美灵

（中国电信上海研究院，上海 200100）

0 引言

随着数字化转型要求向各个行业的渗透，市场对于水运行业提质增效、运营管理等提出更高的要求，港口是综合交通运输枢纽，也是经济社会发展的战略资源和重要支撑，作为国际物流和供应链的重要节点，历来是信息化智能化建设的重要阵地。在大数据、5G技术、区块链技术、云计算技术的带动下，港口建设愈发重视科技创新，“智慧港口”解决方案将是5G网络开通后，物联网和人工智能等前沿技术在工业应用上的重要场景。智慧港口建设成为行业发展的新引擎，预计2024年全球智慧港口市场规模达53亿美元，鉴于港口信息化巨大的潜在市场，友商、互联网厂商以及传统行业企业纷纷入局，以期望基于自身技术及资源优势，在港口信息化领域占有一席之地。

1 港口信息化发展现状

目前，港口正由劳动密集型产业向技术密集型产业转型。世界各大港口都在进行信息化、智慧化发展，现代信息技术已全面融入港口生产营运、精细化管理以及对外服务的全过程，港口进入智慧化时代。通过信息技术的创新应用，提升港口竞争力，港口信息系统以自动化和协同化，推动智慧港口和社区生态发展，码头自动化建设与改造热潮持续。一是码头操作系统运营能力提升，业务向小型码头延伸，我国还继续推进北斗与5G助力港口自动化。二是无人集卡与吊车协同智慧方案越发成熟，使得港口生产辅助智能化受到重视。三是区块链等单证无纸化的迅速发展，大幅提升口岸物流效率，强化物理体系内部一体化管控，推进港口物流管理形成综合一站式服务，配合无纸化和集疏运衔接，智能闸口应用发展迅速[1]。

自2016年以来，先后就有厦门远海、青岛前湾、上海洋山四期等全自动化集装箱码头建成投产。行业数字化转型不只是信息化，而是面向业务层面的智能化、智慧化发展。目前在港口行业存在着重设备，轻信息化应用的现象，业务管理系统和先进的装卸设备自动控制系统缺乏深度融合，造成各系统发展水平不一；先进的硬件设备、滞后的管理体系与管理信息系统，无法有效融合，严重制约了智慧港口的整体建设，效率与效益无法有效达成。

智慧港口从装卸生产过程的智能化进一步发展，更广泛的感知内外部信息（如集装箱状态、港机配件工况、设备能耗、车辆位置等信息，同时结合预约抵港船舶信息、预约提箱信息、码头气象信息等外部信息）。近两年的疫情更是加速了港口数字化进程，通过预约制、零接触等线上线下结合的方式，推动沿海港口数字化水平提升。

2 5G等信息化科技为智慧港口提供新的推动力

根据联合国亚太经社会在《数字化与港口生产力报告》中给出的定义，智慧港口是指是利用自动化、Al（人工智能）、loT（物联网）、ICT（信息与通信）等第四代技术，自动且自主地优化物流流程，高效利用能源的绿色港口，与现有港口相比，此类港口可以通过无人自动化的港口设施、智能化的操作系统及相关设施提高港口生产效率，并减少污染。

5G因具有大带宽、低时延、万物互联特性，特别适合越来越趋向智慧化、无人化运营的智慧港口应用场景。因此，随着5G技术的应用推广，智慧港口开始越来越多地引入5G。不论是沿海港口还是内河港口，都开始5G试点项目建设，部分港口已经实现了规模化应用，真正体现了5G在智慧港口领域的价值。2019年，厦门远海码头启动智慧港口5G应用建设，年末即实现5G网络的全覆盖，2020年5月，首台由中国业界联合开发的“5G+无人驾驶”集装箱卡车精准完成装卸船作业流程。

2.1 5G技术解决港口数据传输痛点

在数据传输方面，目前港口环境下，港口的龙门吊、集卡、视频监控等关键业务系统，传统上多采用光缆、工业Wi-Fi等通信手段进行传输。采用光缆通信的方案，一方面布置成本较高，且高频的磨损和移动还会使光缆寿命下降，增加维护难度；另一方面部分自动化机械如AGV小车等则由于场地和自身限制完全无法使用有线的通信手段。而采用工业Wi-Fi网络作为通信方案则存在抗干扰能力差、带宽低的问题，如遇恶劣天气经常会出现无法使用的情况。以港口实现龙门吊远程操控为例，单台龙门吊的远程控制一般需要回传5到16路监控视频，在1080 P分辨率下对带宽需求约30 Mb/s，同时中控室与龙门吊的PLC（可编辑逻辑控制器）通信对网络时延要求在30 ms以内。光纤的损耗成本和Wi-Fi带宽的不足令两者在这一场景下适用程度均受到限制，5G通信技术的大带宽、低延迟、高稳定性的特点则可以很好地解决该痛点，保证数据的实时传输[2]。

2.2 MEC技术解决港口智能运算痛点

在智能处理方面，以目前世界先进的上海洋山四期码头及青岛港全自动化码头二期为例，实现真正计算机智能操控的前方操作环节多为轨道吊和AGV水平搬运环节，但岸桥受制于船型、箱型、作业次序等限制，以目前的云计算技术和算法难以胜任这一需求，因而仍为人工远程操作。为了解决该问题，实现智慧港口真正意义上的智能服务，就需要引入边缘云计算技术，将中心云的计算能力部分下沉到临近物联网终端的边缘云计算中心，负责处理网络转发、存储、计算，智能化数据分析等相关工作。

2.3 港口指挥调度智能化

作为港口工作调度的“大脑”，港口指挥调度中心需要兼顾船舶的指泊引航、港作船舶的调度规划以及港口生产三大方面的协同指挥，其工作呈现系统化和复杂化。随着港口供应链对各环节要求不断提高，传统的港口调度中心仅靠人员指挥的方式已然无法满足调度效率和信息共享的需求，众多港口持续推进港口智能调度平台系统的建设。利用数据分析技术和模块化设计，港口不同维度信息流共享与协同进一步优化，港口自主判断能力不断提升，“计算机协同调度，人员辅助指挥”成为业态新趋势。

例如：宁波舟山港2018年上线“浙江海洋港口统一调度平台”实现了全省管理范围内，沿海港口船舶调度的统一申报、统一受理、统一发布、统一查询，效率提升。美国海洋工业系统研发巨头Navis在2019年3月推出了“Navis Smart”智能化应用，该应用由“Compass”可视化工作流程管理模块和“N4 Ops Monitoring”监控模块构建。其中，“Compass”流程管理模块可以为港口计划人员提供船舶运输规划过程中的港到港视图和完整可见的港口计划任务列表，以确保人员优先级关系，减少资源闲置时间；另一模块“Monitoring”则可以通过港口运营监控提供实时的商业智能分析。天津港上线的智能调度指挥系统，集成了生产调度管理、标准化指标分析等十大应用模块，通过对全球船舶AIS、货运车辆GPS、港口实时生产要素等相关数据流进行智能化数据分析，优化“一键排船”和生产全过程监管功能，实现港口生产调度管理的协同化、智能化和可视化，港口“自我”判断能力进一步提升。

2.4 无人驾驶技术为港口运输智能化赋能

作为港口水平搬运的重要环节，实现港口运输工具的无人智能化已经开始实施，AGV自动导航小车的局限体现在多个方面。首先，AGV引导形式主要为光电引导和电磁引导，前者易受到雨雪、雾霾等环境条件干扰，引导的稳定性较差；后者则利用电磁感应势差对小车定位，引导精度稍低。其次，采用两种引导方式的AGV均存在前期投资成本较高的问题，传统码头改造的难度较大。最后，两种引导形式在实质上仍为人工提前规划，小车按照既定程序运行，缺少一定的智能决策能力。

无人驾驶技术体现出其自身的先天优势：首先，多组测距雷达与视觉摄像机可以为车辆精准定位，智能系统则能够智能校正车辆偏移，精准引导。其次，无人集卡的改造价格较AGV全套系统的改造成本低廉许多，仅约等于一辆传统集卡车的价格，因此更适合传统码头的改造升级。最后，在遇到紧急情况时，与AGV小车只能停止运行不同，无人集卡可以快速做出应变反映，实现自动避让。目前上汽智能重卡已经获得了上海市智能网联汽车开放道路测试牌照，这款融合了AI（人工智能）、5G、V2X车联通信等先进技术的智能重卡，已经成功实现在港区特定场景下的L4级自动驾驶、厘米级定位、精确停车（±3cm）、与自动化港机设备的交互以及东海大桥队列行驶，为港口运输客户提供更智能、更安全、更高效、更环保的集装箱转运方案[3]。

3 运营商在智慧港口的发展建议

在5G发展网络高带宽、低延时、万物互联特性加持下，电信运营商可以介入港口智慧化的点正在增多，整体来看，智慧港口对运营商的需求可以分为三个方面：一是基础网络。包含传统的语音、宽带、专线、4G等，但运营商更有优势的是5G网络，特别是覆盖港区的5G网络和5G专网。二是网络能力。各类应用对网络能力的特殊需求或服务标准，如定位服务、MEC、高清视频回传等。三是与网络紧密结合的应用。对网络要求较高的各类应用，如港机远程控制、无人驾驶、对讲等。

运营商不仅提供传统的语音、网络通信，而是提供“一站式”综合解决方案，包括专网、云计算、终端模组以及应用解决方案。港口/码头向自动化发展是未来的主方向，主要包括智能化港口系统和智慧物流系统。一是港口信息基础设施建设，推进物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术在船舶、港口、航道、航行保障、安全监管以及运行服务等领域的创新应用，提升港口码头和航运基础设施的信息化智能化水平；二是发展智能理货、堆场装卸、仓储智能管理等，发展无人驾驶智能跨运车、无人驾驶电动重卡，实现集装箱码头水平运输自动化，可以大大提升运输效率和安全。

从5G智慧港口项目可以看到，吊机远控场景切实解决港口吊机工作人员工作条件艰苦的问题，其中安全风险是最大的痛点，目前龙门吊远控，在多个港口已投入常态化生产；在智能理货应用场景，港口出入货物量大又细琐，货物需要精细化管理，目前已通过商用稳定性测试，开始商用复制推广；智能安防和无人机巡检解决港口的安防问题，人力巡检存在工作量大且工作环境恶劣的问题。运营商为港口定制5G专网，聚焦5G各智能应用场景，实现5G+应用赋能港口业务。中国移动提出未来三年内助力打造10个全球领先的5G智慧港航标杆，复制100个高质量5G智慧港口，与华为、振华重工共同发布《5G智慧港口白皮书》。中国联通相继与神华黄骅港、天津港、福州港等国内多个大型港口开展5G智慧港口建设合作。中国电信在日照港、芜湖港、茂名港和江阴港等先后开展5G应用场景建设，打造5G专网，并在此基础上广泛开展5G创新应用[4]。

随着5G商用化的推进，在现有合作成果的基础上，运营商需进一步丰富港口智能化应用场景，扩大试点规模，以电信网络技术的优势，切入其信息化改造，全面验证各类典型应用的5G承载能力，打造5G+智慧港口应用标杆。同时随着各应用场景的成熟技术和商业模式的固定化，5G智慧港口解决方案可以逐渐规模化、标准化，带动整个行业技术的换代升级。■