客货滚装智慧港口框架模型构建研究

◎ 章建设 付光中 杜军 钱懿佳 易少东

1.广东省湛江市质量技术监督标准与编码所；2.广东海洋大学

1.客货滚装智慧港口的概念界定

智慧港口是以物联网、移动互联、智能感知、大数据、云计算等为代表的新一代信息技术与现代港口服务和监管深度融合的产物，是现代港口信息化、数字化、网络化、智能化的重要载体，也是港口行业新一轮竞争的制高点。智慧港口建设，正成为现代港口企业竞争的新赛道、港口物流产业布局的新方向、港口上下游物流链争夺的新焦点。智慧港口是“互联网+便捷交通”在国务院《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》中的重要内容，是贯彻落实交通运输部《交通运输信息十三五规划》的重要体现，对于发挥信息化引领和支撑作用，加快港口信息化、智能化进程，促进港口提质增效升级，具有重要意义。

客货滚装智慧港口是为了满足客货滚装港口网络化、数字化、智能化要求，构建集安检、计重、售票、装车、票务控制为一体的智能管理系统，支撑港口资源的灵活供应和高效配置，进而实现港口客货滚装服务和监控全过程的自动化和智能化。

2.客货滚装智慧港口建设相关的国内研究概况

张矢宇（2010）在国内最先提出全球的部分大型港口正在从第二代港口向第三代港口转型，即智能港口[1]。随着互联网技术的逐步发展，智能港口正在逐步将互联网等新一代技术融入港口系统建设中，张晓（2012）提出物联网技术在港口服务系统、物流系统、区港联动等方面的应用[2]。接着，部分学者开始探究其智慧港口建设的系统架构并对系统架构中各组成部分实现的功能进行了研究（包雄关，2013[3]）。随着港口建设迈入了起步阶段，技术的逐步成熟，智慧港口建设也逐渐配备了移动互联网技术（孙子安，2014[4]）、数据链技术（李可学，2013[5]）、AI、人工智能、5G（孟月，2022[6]）等新一代技术。孙浩（2018）[7]基于智慧港口的概念探究了天津滚装港口的智慧化路径。王东魁等（2019）提出应结合BIM技术建设客货滚装智慧港口以克服现阶段港口存在的不足与问题[8]。魏世桥等（2020）则提出了客货滚装数字孪生港口的概念与运行机制[9]。

3.客货滚装智慧港口建设的国内外现状

现如今，世界各地的战略要地为应对经济全球化时代对产品日益增长的需求正在逐步开展海港设施发展建设。世界各地的产品需求量的高速增长极大的提高了多式联运单位的运输量，特别是伴随着部署具有高运输能力的新的在役船舶。预计这一趋势将在未来几年持续上涨。

多式联运单位运输量的激增将无疑给海港带来巨大压力，更新其基础设施、改进海港建设技术并配备现代化管理系统已成为了海港适应急剧增加的需求的必经之路。

在第五代港口中，信息技术在改善港口的物流和运输过程中发挥着至关重要的作用。位于城市地区的汉堡港不可能扩展港口来处理增加的流量。根据预测，通过汉堡港运输的标准箱数量为900万个，到2025年将翻一番。因此，港口必须更智能地运营，以应对不断增加的运输量。被称为智能港口的新加坡港就是一个典型的例子，通过“智能”将有针对性的改善国家的经济、社会和环境等方面。新技术促进了港口的业务流程，并有可能实现流程成本的降低。鹿特丹港务局为了简化流程，满足终端和运营商的需求，以及提高规划过程和进度预测的效率近年推出了一款名为OnTrack的新应用程序用以了解列车的预计到达时间和终点站处理情况，这将有助于鹿特丹成为世界上最智能的港口。格丁尼亚港于2019年初实施全球导航卫星系统-实时动态系统使其拥有了世界上最现代化的船舶引导机制，这将使格丁尼亚港成为世界上最安全的海港之一。

国外智慧港口建设实践与经验为我国智慧港口建设提供了宝贵的可供借鉴经验。近年来，我国智慧港口也开始了如火如荼的建设阶段，积极尝试在运营管理中应用新的技术。一是实现作业智能化，例如上海港是我国第一个配备“5G+智能驾驶”的智慧港口，实现了港口大型设备超远程作业控制的两个首次突破性、实践性应用。二是实现全自动码头，例如广州港通过融入了新一代物联网感知、大数据分析、云计算等先进技术成功实现港区全自动化。三是实现服务智能化，颠覆传统的纸质操作模式，发挥移动互联网优势，实现无纸化智能一体性操作，并实现智能船舶调度，加快进出港口闸口放行速度，提升码头集疏运效率。

位于海南岛与雷州半岛之间的琼州海峡，为中国三大海峡之一，是全国最繁忙的水上客货滚装运输通道，作为连接海南岛与祖国大陆的水上交通主要通道，琼州海峡承担了海南岛内90%以上的生活物资和全岛30%乘客的进出需求[10-11]，琼州海峡两岸现有广东湛江的徐闻港、海安新港、粤海铁路北港，和海南海口的新海港、秀英港、粤海铁南港6个客货滚装港口。其中，徐闻港在建港之初就是以“智慧港口”为设计理念，以深入对接海南自由贸易港建设，打造世界一流客货滚装智慧港口为发展目标，并于2020年建成运营，其目前已经建成车渡结算系统、船舶调度系统、视频监控系统、安检系统、预约售票系统、线上办公等多个智慧化信息系统，拥有的旅客登船桥、泊位自动调节等多项专利技术在我国客货滚装港口中处于领先水平。

4.客货滚装智慧港口框架模型构建

4.1 客货滚装智慧港口的总体框架

在中央精神与国家战略的指导与内外部影响因素的驱动下，综合考虑客货滚装智慧港口的发展战略、能力构建与战略匹配，进行客货滚装智慧港口的总体框架构建（见图1），进而实现港口高质量发展与港航一体化的建设目标。客货滚装智慧港口的建设需要三方面的基础支撑，分别为：技术支撑、基础设施支撑与数据支撑。在客货滚装智慧港口建设中，通过将5G、物联网、人工智能、云计算等新一代数字技术与港口新型基础设施相融合，畅通信息采集与传输渠道，为智慧运行管理、智慧平台建设、智慧安全监管服务与客户关系管理提供基础支撑。

图1 客货滚装智慧港口总体框架图

依据客货滚装港口的业务功能及发展需求，“智慧港口”的应用服务平台建设包括生产运营平台、客户服务平台、安全监控平台、综合服务平台、海峡协同平台、商贸物流平台共六大平台。通过六大平台的建设实现智慧化运行管理与智慧安全监管服务，显著提高港口的作业运营能力、物流协同能力、口岸支持能力，实现码头运营数字化、集团管控一体化、决策支持可视化、集成服务便捷化，为客户与供应商提供智慧票务服务、进港服务、智慧配载服务、卸船出港服务、智慧商贸服务等服务项别，助力打造国际领先的客货滚装智慧港口。在客货滚装智慧港口的建设过程中，通过建立权责明晰的组织机制，部署高水平科技人才生力军，实现高层次的人力资源信息化程度，加强资源保障，建立合适的指标指引并在相应阶段进行过程评估实现客货滚装智慧港口的建设与完善。

4.2 客货滚装智慧港口建设的模型设计

在以上关于客货滚装智慧港口概念界定、国内外相关研究、建设现状分析与总体框架设计的基础上，为了进一步给我国客货滚装智慧港口的建设提供实践借鉴与参考，本文提出了客货滚装智慧港口建设的技术模型，模型设计共分为七层，具体层次见图2。

图2 客货滚装智慧港口技术模型图

第一，感知层。感知层可以实现客滚港口基础设施设备泛在连接，为现场数据的采集、汇聚和分析提供支撑。它首先通过各类现场设备上的传感器，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括智能感知技术、检测技术、短距离无线通信技术等。在现有基础上，建设完善港口六大应用支撑系统。依据客货滚装港口具体的业务及作业流程应用需求，进行物联网感知设备及网络的推选及布局、安装和调试工作，构建起“智慧港口”的感知层。

第二，边缘层。边缘层通过工业通信协议、通用协议、无线协议等实现现场设备接入边缘层，利用协议解析、中间件等技术兼容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各类工业通信协议和软件通信接口，实现数据格式转换和统一。另一方面，利用HTTP、MQTT等方式从边缘侧将采集的数据传输到云端，实现数据远程接入。同时，在靠近现场设备或数据源头的网络边缘侧进行数据预处理、存储及智能分析应用，提升操作响应灵敏度、消除网络堵塞。

第三，支撑层。包括云基础设施虚拟化、基础软件环境、服务器及其设置、网络设备、存储设备等。云计算数据中心IT服务管理系统可以提供对客货滚装智慧港口数据中心内多个系统、异构环境下的工作负载状况的集中管理，根据应用程序的性能需求和业务目标动态地分配数据中心的资源，提高资源利用率的同时维持、监视数据中心整体的服务水平；可以通过统一运维平台集中监控管理数据中心包括系统、网络、监控、存储、中间件到数据库等整个IT基础设施，从而提高数据中心的运维效率。

第四，数据层。包括BIM+GIS基础数据仓库、港口运营数据库、港口安全数据库、生态圈数据库、应用主题数据仓库等，提供数据资源支撑。数据库是数据仓库的核心，它存储了来自各个业务领域的数据，是建立港口生产集疏运信息平台系统统计分析的数据源，港口运营过程中产生的各种业务数据经过抽取、转换清洗后装载到数据仓库的数据库中，装载到数据仓库的数据必须做到高质量、一致性和准确性。同时，在使用过程中，要满足开销低、性能高等特点，根据港口业务实际，分别建立港口管理、生产运营、客户服务、安全监管、临港物流等相关业务数据库，满足公司决策层、管理层进行决策分析的需要。数据层主要使用数据管理技术，满足数据批处理和流处理计算需求。运用数据冗余剔除、异常检测、归一化等方法进行原始数据清洗。通过分布式文件系统、NoSQL数据库、关系数据库、时序数据库等不同的数据管理引擎实现数据分区选择、存储、编目和索引。

第五，交换层。包括企业服务总线ESB、大数据服务、统一接口服务、SOA、中间件等，为数据交换、共享、集成等提供支撑，实现包括集成、编排、路由、事件处理、相关性以及业务活动的监控，自动地将这些服务独立地部署到平台或应用上，确保各个模块间功能独立，不交叉、不冗余，为这些服务提供标准化的接口，实现网络、硬件、存储设备、数据、业务系统和管理流程、IT采购流程、数据交换流程的统一集中。这些服务是松耦合的，能够通过大量一般水平的硬件实现线性的扩展。数据交换层作为“智慧港口”系统的组成部分，需要和不同层次的行业系统，以及大量的业务系统作对接，进行数据交换。为了数据交换的需要，“智慧港口”数据交换平台应该包括以下功能：用户接口子系统、信息传输子系统，信息收发处理子系统，报文转换子系统、数据访问子系统、配置管理子系统和实时监控子系统。

第六，应用层。依据客货滚装港口的业务功能，综合运用物联网、移动互联、BIM、GIS、数据挖掘、智能决策、系统集成、SOA、ESB等，对应“智慧港口”的应用平台，开发生产运营平台、安全监控平台、客户服务平台、综合服务管理平台、海峡协同平台五大平台，实现客货滚装港口的“智能、高效、便捷、安全、互通”。为港航企业、物流企业、政府、公众等提供多样化、定制化的客滚物流服务及其应用。应用层的系统开发，要支持“松耦合”的应用开发和部署，可以采用类似于Lab View的图形化编程手段进行应用快速创建、测试、扩展。

第七，用户层。包括内部用户和外部用户，前者通过网络办公大厅进行内部访问，后者通过网络服务大厅进行外部访问。首先，通过企业门户的应用整合能力，有效梳理和集成企业业务系统，并聚合业务功能和内容信息，为企业各级用户建立一个信息访问的统一入口。同时借助有效的系统集成，提供高效的处理流程，对管理者提供更有价值的信息，对业务人员提供更敏捷的系统响应能力。内部门户在整个客货滚装港口“智慧港口”系统层面，综合内部各系统信息，提供统一的工作平台，实现界面整合和单点登录，是客货滚装港口各级员工默认的工作入口。其次，通过建立统一对外信息门户和信息处理平台，可增强客货滚装港口与客户的互动交流，向客户开放相关票务、船舶、港口有关信息资源，提供购票、客服、货运等增值服务，宣传企业形象，发布通知公告，向客户征求服务需求与意见建议等。外部门户是现代企业对外服务的重要窗口，是不可或缺的服务手段之一。