5G網絡助力下的中國智慧港口發展探析

趙 丹，劉永佳，劉桂云*

(1.寧波大學 海運學院，寧波 315211；2.大連海事大學，大連 116026)

隨著船舶大型化和港區網絡環境的不斷改善，港口不斷朝著自動化、智慧化方向發展。2019年工信部發布5G商用牌照，中國正式開啟5G新時代。2020年3月，中華人民共和國發展和改革委員會、中華人民共和國工業和信息化部聯合發布《關于組織實施2020年新型基礎設施建設工程的通知》，明確提出要利用5G技術對港口信息化系統進行改造，實現降本增效。在智慧港口建設背景下，抓住5G網絡助力的新機遇，既是推動我國智慧港口發展的重要一環，也是應對全球經濟下行風險的正確選擇。

關于智慧港口，國外已有針對智慧港口對國民經濟的影響研究[1]和港口自動化與數字化集成方面的研究[2]等；國內已見智慧港口發展階段[3]、發展現狀與問題[4]、港口智慧化對我國港口發展的經濟意義與影響分析[5-6]以及參考國外智慧港口建設的經驗啟示[7-8]等。總體來看，國外智慧港口建設較早，目前對智慧港口的研究更關注于發展理念、發展愿景等研究；國內智慧港口建設起步較晚，近年來智慧港口的建設步伐加快，但相比國外，我國港口的智慧化研究與建設更注重于物聯網、大數據等新興信息技術的應用，而對未來港區發展規劃、發展評價等方面的探討較少，例如在有關智慧港口的評價指標體系等規范方面還處于初級階段[9]。綜上來看，“5G”與“智慧港口”同為社會熱點，但我國5G智慧港口的建設與發展還未成熟。

雖然從總體而言我國絕大多數港口還處在5G智慧港口的初級階段，但也有部分港口在5G助力港口智慧化方面取得了世界領先成果。例如，我國青島港已率先成功完成基于5G連接的自動橋吊控制操作[10]，綜合運用5G、人工智能、大數據、北斗定位、機器視覺、激光掃描等高科技的青島港集裝箱智能空軌集疏運系統合作研發項目預計于2021年6月投入運營[11]，以青島港為代表的大型集裝箱港口正積極深入探索5G智慧港口建設的新思路。因此本文在5G助力智慧港口的建設背景之上，對智慧港口的內涵進行重新界定，嘗試指出智慧港口發展新特點并提出相關建議，以期推動我國5G智慧港口建設長遠且高效發展。

1 “5G+智慧港口”內涵

智慧港口內涵豐富，強調的是在充分利用互聯網大數據、云計算、物聯網、智能感知的計算機網絡基礎上，結合自動化設備，實現港口供應鏈上下游各類物流要素的無縫連接與各功能模塊的協同聯動，以理性思維達到資源高度共享、運營趨于自主、成本顯著降低的效果，并最終實現港口的綠色、安全、高效、智能、柔性化運作的港口形態。在國外，鹿特丹港、新加坡港等國際集裝箱強港都在積極探索智慧港口建設。國內廈門、青島、上海等也在自動化碼頭建設、智慧物流平臺構建等方面積累了豐富經驗。

過去，光纖寬帶是港口主要的通信設施，存在部署難、覆蓋性差的缺點。后來，Wi-Fi的接入雖提高了網絡的移動性，但在可靠性和穩定性方面稍顯遜色。5G的到來為集裝箱港口的發展帶來了新的選擇。5G技術是繼2G(GSM)、3G(UMTSLTE)、4G(LTE-AWIi Max)后的發展與延伸，是第五代通信技術的簡稱。相較于傳統通信技術具有廣域覆蓋、超低延時、超大容量、高可靠性、低能耗等特點。5G技術與智慧港口的結合是21世紀港航業發展的機遇與挑戰，其機遇在于5G+智慧港口將極大提升港口的信息化與智能化水平，諸如外來人員與車輛識別、集裝箱箱號識別、港口潮汐監控、箱體破損監測等將變為可能，其中5G與AGV/IGV的結合、5G與人工智能的結合以及5G與虛擬現實技術的結合是目前5G與港口行業智慧化發展的三個主要契合方向；同時其挑戰也是多方面的，例如5G新技術帶來的港口運營風險管控、網絡安全保障等。2020年是我國5G SA 商用元年，“5G+智慧港口”是5G+垂直行業的重要應用場景之一[9]，是信息時代的產物。2020年5月11日，在廈門舉辦的“5G+無人駕駛賦能智慧港口云發布會” 標志著“5G+智慧港口”建設由實驗研究進入到全業務場景試點生產和試用階段[12]。智慧港口的核心技術是物聯網[13]，而5G網絡可助力物聯網與信息平臺之間的數據傳輸與交換。在5G萬物互聯時代，若能抓住5G機遇，對加快我國傳統港口的轉型升級意義重大。

目前我國智慧港口建設不斷提速，一些港區已取得物流信息平臺商業化運行、集裝箱進出口全程無紙化等一系列成果，但受限于起步晚、底子薄，仍存在港口自主創新能力不足，港航新技術研發領域資源投入力度、人才支撐度不足，技術型企業集聚度低、港口物流鏈協同度不高等劣勢。

2 5G助力下智慧港口的發展特點

智慧港口不是自動化港口、數字化港口等概念的簡單堆砌，而是由信息化港口、數字化港口、智能化港口之后演變出的更高級的階段。在5G助力下，智慧港口的建設應以全局港口供應鏈角度出發，注重自上而下式的港口規劃與實施，注重碼頭、船舶、鐵路、外理等港內港外業務單元的協同聯動，考慮港產城的融合發展，注重港口環境與網絡環境的融匯。在5G網絡的協助下，實現港口的綠色、高效、安全、智慧化發展。

2.1 港口規劃呈現自上而下特點

目前，港口建設存在“信息孤島”現象，頂層設計與港口規劃缺乏一致性，港口的信息化建設缺乏集中性。5G助力下智慧港口建設要做到統籌規劃，分步推進，項目建設整體規劃與實施應呈現自上而下的特點。首先要做好上級頂層設計，強化戰略引領力，例如在“十四五”規劃時可將5G商用契機與智慧港口兩大機遇的交叉作為突破口，從戰略、戰術、實踐與保障等多個層面整體謀劃。其次規劃中層建設方案，中層規劃要消除上下級數據互聯互通的壁壘，達到承上啟下效果。以各省(市)政府及港務局牽頭引領，推廣各地智慧港口示范性工程成果，推動各利益相關方數據脫敏，結合各地資源稟賦與具體經濟情況出臺配套政策文件，助推一流智慧港口建設。最后由各港口企業落實底層具體安排，在頂層設計的規制下，落實各港口碼頭、堆場、閘口、5G網絡部署等方面的具體建設方案，鼓勵各港學習借鑒國外智慧港口實踐經驗，及時總結國內港口智慧化建設成果。針對目前智慧港口概念泛化問題需及時建立完善智慧港口評價指標體系和關鍵技術實施標準，確保頂層設計與最終交付成果的一致性。

2.2 業務運作呈現多方協同特點

5G網絡下智慧港口的構建原則仍然要以港口為規劃中心，同時包含多個擁有供需關系的物流要素所構成的供應網，從集裝箱中某一具體產品的原材料采購、加工、包裝、拼箱、運輸至港區、裝船再到卸船、拆箱、配送分銷等整個流程中涉及到的各個企業都要考慮在內。

(1)要加強港與港之間的合作，完善多式聯運網絡，為客戶提供個性化服務。

(2)要建設“港口社區”，集中各方信息，使信息流達到高度共享。可搭建創新技術研發平臺，建立高等院校、科研院所、高新技術企業、港口集團等的技術聯盟，定期組織基于“5G+智慧港口”的前瞻性基礎研究，開展基于生產管理、港機管理、客戶服務、綜合物流為中心的技術研發工作，如IGV集卡控制、智能閘口、5G高清監控視頻回傳、基于5G專網的AI智能識別等。另外，要借助5G高速專網實時采集信息，進行數據挖掘，明確水路、公路、鐵路等部門間的數據交換銜接標準，為不同用戶提供定制化、可視化服務，提升用戶體驗。

2.3 港產城關系呈現更加融合特點

圖1 智慧港口總體框架Fig.1 General framework of smart port

隨著科技發展，社會各界越來越關注生態保護與社會人文，港口的發展方向要與城市建設的步伐相協調。“5G+智慧港口”背景下的港口建設將更加強調港產城融合發展，重視港口與通信行業的社會責任擔當。國外的釜山港、東京港、新加坡港，國內的寧波舟山港等皆是港因城得名，城因港揚名。港城融合式發展的本質是港、產、城的聯動式發展。以寧波市為例，近年來，依托港口輻射效應，寧波市聚焦港航產業、物流服務業、倉儲業，成功帶動鋼鐵、石化、新能源、海洋食品、濱海旅游、紡織、貿易、港口金融、船舶租賃、海上保險等相關衍生行業的發展，塑造了“書藏古今，港通天下”的城市形象[14]。基于“5G+智慧港口”的背景，要發揮港口作為供應鏈中心節點的優勢，不斷豐富港口開發業態體系，積極推進臨港園區、物流地產開發及海洋資源收儲的信息化支撐能力，形成信息化助推港產城融合發展的局面。利用云計算、大數據、5G、信息平臺建設等現代新興技術，通過“5G+”港口商業模式和服務模式的深度融合創新，重構港口商貿物流生態體系、創新平臺和知識共享生態體系，以信息流帶動技術流、資金流、人才流、物資流，形成以港口物流鏈上下游服務為核心的港城融合經濟圈。主要包括：提升港口現代航運綜合服務能力、提升貿易便利化水平、促進港產城融合發展等。以港產城融合發展為目標，建議構建并完善圖1所示的智慧港口總體框架。

3 5G助力下智慧港口的發展建議

智慧港口不僅代表信息技術的進步，更代表港口發展理念的進步，智慧港口的建設愿景是綠色、安全、智能化的港口，對此，結合5G網絡的助力，以集裝箱港口的智慧化建設為例提出以下發展策略。

3.1 “5G+綠色港口”發展建議

建設綠色自動化的港口是智慧港口的重要建設目標之一。以集裝箱港口為例，電力驅動、低碳節能的AGV是未來集裝箱港口水平運輸的發展主流，采用多次部署方式的5G網絡與AGV相結合可大幅降低設備運行能耗[15]。但5G與電驅AGV前期部署所投入的高額成本很可能使諸多港口在決策時望而卻步。許多港務集團往往注重企業成本與效益優先，對環境友好方面注重不夠。針對這一問題，可從以下角度改進：

(1)從政府角度出發，一方面可依靠電子政務平臺發布為企業提供先期貸款及補助優惠的信息，及時與物流企業互動。另一方面可嘗試向港口作業主體征收碳稅并于年終頒發類似“綠色獎章”的榮譽證書[16]，激勵港區減少碳排放。

(2)從設備制造企業角度出發，研發低成本、低污染的AGV，尋找新型綠色可再生能源、新型環保替代材料是下一步努力的方向，5G設備的能效相比4G更高，下一步可研發5G+氫能、5G+太陽能的新一代智能環保化作業設備，降低集裝箱港口碳排放。目前，青島港在2020年初已推出山東港口集成創新的氫動力自動化軌道吊、5G+自動化技術等6項全球首創的科技成果，氫能為主要動力的自動化軌道吊設備不僅降低了設備自重而且以氫替代石油和煤炭，實現了自動化設備的完全零排放，對環境保護具有深遠的意義，為5G+綠色港口的建設起到了良好的示范作用。

(3)從自動化與智能化改造角度出發，無人駕駛智能引導車(IGV)由于不需要地面鋪設磁釘，所以碼頭改造時無需停工且節約成本，依靠5G網絡IGV由人工智能規劃路線，每臺IGV成本僅約為AGV的1/4，改造價格與一輛集卡車的價格相當，廣州港的南沙港區四期自動化碼頭改造工程已于2019年首次將其作為水平運輸設備，隨著技術的進一步成熟，相信未來會成為越來越多集裝箱港口智慧化改造的選擇。

此外，5G網絡的海量連接、低時延等特點可實現一人遠程操控多設備，將減少交通出行成本與人力成本；更方便的無紙化辦公將節約林木資源，減少紙張浪費；在5G網絡部署初期可開展集卡遠程控制以提高道路交通安全性，進入發展成熟期后可考慮規模部署車聯網及港區其他創新業務[17]。

3.2 “5G+安全港口”發展建議

安全事故的發生必定有著一定的因果關系。要保證港口安全需要防止人的不安全行為，消除物的不安全狀態，保障資金鏈的正常流轉，即保證港口工人、設備、貨物、資金的安全。對此，“5G+安全港口”主要包含航運金融安全和港口作業安全兩方面。在航運金融安全方面，航運業屬于資本密集型產業，智慧港口的建設投資額度大，若要實現智慧港口快速賦能增效，將來可利用5G+區塊鏈技術對交易過程中的海量金融數據實時計算對賬并分析決策，使智慧港口運營過程中的航運金融風險管控變為可能。在港口作業安全方面，5G技術有望改變現有港口安全生產的諸多問題，如5G設備在線安全健康監測、港區5G全景視頻監控、5G港口人員、車輛的安全定位等。以5G設備在線安全監測為例，其系統架構主要由信息采集處理終端、移動端模塊、Web程序應用模塊以及接口服務模塊4個部分組成。5G設備在線安全監測的工作原理主要是通過為每臺港口設備安裝智慧港口設備管理終端，自動記錄和上傳港區設備的運行數據，在經過后臺程序自動解析、編譯后還原各設備的工作狀態、運行狀態(例如開機、待機、工作、關機和故障等)、健康狀態(包括搶修性維修、預防性維修、預防性保養等)、設備運行日志(例如設備開機時間、工作時間、設備運維責任人、工作量等)。5G網絡的助力可實現對以上重要監測數據的及時回傳，實時、動態地掌握港區設備使用情況，及時避免設備的“帶病”工作情況的發生，保證港區設備的安全運行。

3.3 “5G+智能港口”發展建議

5G與智能港口的結合可幫助港口快速對航運市場變化做出反應，提高港口柔性化服務水平，更好滿足運輸市場對港口差異化的需求。

(1)5G+智能理貨。

傳統的集裝箱理貨主要由工人現場拍照，通過無線網絡和對講機等將箱號、箱損情況向上級匯報，不僅效率低、成本高且作業環境艱苦。5G與智能理貨的結合可借助5G低延時、高清視頻回傳的特點，借助AI識別和大數據等技術和智能理貨信息平臺實現對集裝箱吊裝過程中的實時監控和理貨數據的精準核查統計。

(2)5G+智能操控。

相較之前需要依賴有著豐富經驗的操作員的港機作業，5G+智能操控可實現遠程在線辦公，將體力勞動轉變為腦力勞動。智能操控可降低港區作業對天氣環境的要求，在人工智能的指引下，對工人的熟練程度也相應降低。超低時延是5G的一大特點，借助5G超高清視頻回傳，港機作業可由原來的線下1對1作業模式變為線上1對多作業模式，作業效率大大提高。

(3)5G+智能駕駛。

目前傳統集裝箱港口的水平運輸主要依靠人工集卡，工作強度較大存在安全隱患；智慧港口的水平運輸大部分依靠自主導引小車(AGV)和鋪設于地面之下的磁釘，同樣有著鋪設成本巨大，港口改造復雜的痛點。5G是智能駕駛商業化落地的首要條件[18]，5G+智能駕駛是融合5G-V2X通信、車路協同、AI、網絡切片、物流仿真等技術，建立低時延、高通量、高精準定位的數據交互通路[19]。未來可從以下方面推進實施：一是提高5G網絡覆蓋范圍，二是加強復合型人才培養；三是加快智能駕駛基礎設施建設；四是解決網絡安全問題；五是加快跨行業標準體系建設；六是政府有關部門出臺政策支持,加快重點關鍵性技術的提升。

(4)5G+智能制造。

5G+智能制造在航運領域的突出貢獻在于使造船公司、制箱企業的智能化管理變為可能。通過5G云傳輸，企業可與橫向的多個企業實現點對點通信，打通企業供應鏈上下游阻斷。通過VR和AR技術在線協同設計，縮短產品生產周期。更好的人機交互體驗可使企業投資配備更多的智能化設備，降低人工成本和管理成本。

4 結語

隨著信息化水平的不斷提高，智慧港口的建設將彌補我國港口軟實力不足的現狀。當前，我國5G與智慧港口的建設皆處于未成熟階段。本文以5G智慧港口內涵為切入點，深入分析智慧港口的發展特點并提出發展建議，對我國傳統港口的轉型升級具有一定的借鑒意義。在全球航運經濟不景氣的背景下，“5G+智慧港口”為傳統港口的轉型升級提供了新的發展思路。

隨著全球氣候變化、限硫令的實施以及勞動力成本不斷上升等多方面因素，加之新冠肺炎影響下國際貿易形式不樂觀的市場挑戰，港口智慧化建設仍面臨多種挑戰。在“5G+智慧港口”方面，現階段國內外都缺乏成熟的商業模式，在運營資費、資產歸屬、產業鏈的上下合作等多方面還不清晰，我國政府及港航企業要把握機遇，及時做好“5G+智慧港口”規劃布局，重視研發關鍵技術，追求核心技術國產化，在“十三五”智慧港口示范工程建設基礎上，進一步引導和推動智慧港口建設。未來，推動5G+智慧港口業務從試驗到商用，建設綠色、安全、高效的多層次智慧化港口將是各港口努力的方向。