5G和物聯網在內河港口中的推廣及應用

榮 耀

(武漢港務集團有限公司，湖北 武漢 430014)

1 研究背景

5G的熱度從2019年開始興起，在兩年后卻熱度不再，究其原因主要是5G的應用場景不夠多。盡管現在新發行的手機基本都支持5G，套餐也可以免費從4G套餐升級，可謂價廉物美，但拿到5G手機后，很多用戶笑稱“買5G手機就是為了測網速，測完就可以關掉了”。這也說明了5G在民用普及的道路上還有很長一段路要走。目前武漢市已建設了大量5G基站，通過基站分布圖來看，基本上做到了市區無死角。如此龐大的建設量，高昂的運營成本和電費開銷也為運營商帶來很大壓力，因此如何將5G技術盡快廣泛的投入民用迫在眉睫。

2 5G和物聯網概念簡述

5G也就是第五代通信技術，是4G網絡的升級版，其通信波長為毫米級，具有超高速率、超低延時、超廣連接的優點。速率是4G網的五十倍，延遲只有4G的1/10。物聯網的概念比5G出現的更早一些。物聯網是通過網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接。典型物聯網分為感知層、網絡層、平臺層和應用層。兩者雖然出現的時間不同，但5G和物聯網之間的關系非常緊密。與其說發展5G是為了滿足人們日常通訊的需求，不如說5G是為物聯網而生。5G的三大應用場景(eMBB、mMTC、uRLLC)，其中有兩大都是物聯網場景。

目前物聯網在港口行業的試點應用較多。在國內,許多沿海港口已經開始運用物聯網技術加快智慧港口的建設，以提高作業效率，改進生產模式。物聯網通過與港口終端的連接，采集港口物流的相關信息和數據。運用各類傳感設備，通過北斗或GPS定位、視頻監控等物聯網技術，將港口物流系統、陸路客貨運輸、碼頭港口作業、堆場或園區倉儲作業、物流裝備等，經互聯網有機整合起來，提供各類監管和生產信息，為口岸管理部門和港航企業服務。通過對物聯網技術的應用實現“船、車、貨、場”多位一體。物流監控體系的全程覆蓋，能夠提升監管效率，緩解現場實際監管要求和人力資源不足之間的矛盾。

未來隨著5G的應用場景不斷增多，再加上人們對無線移動終端的高度依賴，人們在工作生活中隨時隨地主動地去創造數據，再配合AI人工智能、云計算、大數據等新技術，5G和物聯網將協同并進，未來萬物互聯的全新景象也將得以實現。

3 智慧港口簡述

在5G出現之前，一些早期的智慧港口建設主要是通過4G LTE組網。4G由于覆蓋范圍大，穿透力強，運維成本低，得到各大港口的青睞。場區TOS系統通過4G專網與移動終端、PDA等設備互聯；軌道式龍門吊使用光纖接入方式遠程控制RMG運行(光纖設置在電纜中心)；AGV的無人化主要是采用預埋鐵釘的方式進行導航。但是這樣的智慧港口仍然有局限性，比如RMG無法跨箱區移動；埋釘式AGV本質上還是依賴軌道，只能在預設路徑上行駛。軌道式設備還要考慮箱區下沉問題，場區的保養修復成本也比較高，并且在維修期間該場區無法作業。如果使用5G加上北斗或GPS定位，這些智能化設備便能脫離固定軌道，靈活行駛。因此RMG和AGV的升級版本，RTG和IGV才是未來智慧港口的首選。

參考華為《5G智慧港口白皮書》所述，并結合目前先進港口的特點，智慧港口應包含以下設備和系統：

(1)港區核心TOS系統結合ECS系統(港區大腦)，通過大數據分析和人工智能學習，以最優化的方案調配堆場設備，使其有條不紊地運轉，最大化的提高生產效率；

(2)龍門吊(RMG)、輪胎吊(RTG)、集卡(AGV或IGV)等起重或運輸設備實現無人化、自動化。即使生產作業繁忙，港口每個操作班也只需數人即可滿足生產運營；

(3)設置無人閘口，外集卡在進出港區時能做到崗亭無人值守，司機掃碼入場；提供網上預約、網上繳費、網上辦單窗口；設備交接單(EIR)、小提單(EDO)實現無紙化，使客戶享受到全過程電子通關；

(4)碼頭前沿配置智能理貨系統，無須理貨員現場作業，全程智能識別、驗箱；

(5)場區監控具備AI識別功能，如果出現行人入場或車輛超速現象，立即發出警報，保證港區安全。

港口作業所具備的一大特點就是嚴格按照流水線安排生產。港口一般采取24小時不間斷作業，因此需配置四個作業大班輪流執勤，夜班考慮到操作手疲勞的問題，在作業繁忙時甚至需要2人一臺機械輪換，耗費人力資源較大。因此港口迫切需要無人化、自動化設備來取代人工操作。此外，港口區域面積較大，非常依賴優良的網絡環境，因此港口也是5G發揮其特點的最佳舞臺。

4 存在的困難

陽邏港2004年開港運營，后續接連建設了二期、三期碼頭。岸線總長度約1500米，擁有12個泊位，設計吞吐量200萬TEU，屬于優良的深水碼頭。作為湖北省最大的水運口岸，承擔了湖北省大部分內外貿進出口任務。

作為長江中游最大的港口運營商，近年來陽邏港為了對標先進港口，向智慧物聯的方向邁進，從2019年開始實施港區智能化改造。為保證港區信號優良，2021年已布局建設了14個5G基站。但由于陽邏港是一個經營近二十年的老港，核心操作系統超期服役，無線網采用落后的2.4G WIFI，場區機械設備老舊，均不具備自動化作業能力，因此目前5G基站尚未正式投入生產運營，還需等待生產系統、裝卸設備的升級換代。

此外，5G如果要在陽邏港全面推廣也不得不考慮信號穿透和運營成本問題，畢竟集裝箱采用金屬制作，箱子最高可以堆到6層約18m高，這對于5G信號的傳遞將會帶來巨大阻礙；如果密集鋪設，每個角落均放置基站，又會導致運營成本增高，而陽邏港目前年吞吐量不足上海港的1/20，全面采用5G加智慧物聯只會造成重資產投入過多，給企業帶來經濟負擔。

5 解決方案

港口生產活動中存在“作業路”的概念。作業路實際上是以岸橋為起點，閘口為終點的流水線。在裝卸作業中，卸船流程是指船上箱子通過內集卡卸到堆場，外集卡再將堆場箱子通過閘口運出場外；裝船流程正好相反，是由外集卡將箱子從閘口運進堆場，再通過內集卡裝箱上船出口。其中參與生產的人員和設備包括：計劃員、調度員、岸橋、理貨員、閘口、外集卡、內集卡、龍門吊、堆高機等，而其中閘口、內集卡、龍門吊、理貨目前可以實現無人化，像計劃員和調度員則可以適當減少。

按照目前陽邏港人員配置，每條作業路至少需要1個中控員、0.5個計劃員(1個計劃員管理兩條作業路)、1個理貨員、1個閘口管理員、3個集卡駕駛員(隨作業繁忙程度適當增減)、2個龍門吊駕駛員、1個岸橋駕駛員。若智能化設備完全投入使用，每條作業路大概可以減少人員配置至2人即可，即1人負責下發計劃，1人負責總調度，其余參與生產作業的設備全部無人化。并且這還是按單條作業路來計算，如果是多條作業路共同參與作業，理論上5條作業路只需要1個計劃員、2個調度員即可滿足生產。也就是說，隨著港區規模的擴大，作業路的增多，生產作業人員的占比還可以進一步縮小。如果5G和物聯網進一步成熟和推廣，甚至計劃員和調度員都可以不必現場辦公，堆場實現零人作業，只需預留一些現場安全員和工程師運維即可。

由于智慧港口需要ECS系統參與調度，該系統具備智能算法，可以代替調度員多線程調配智能化設備。如果僅改造一條作業路無法體現ECS智能化的優勢，除了減少若干駕駛員，生產效率并不會有明顯提升。但如果是兩條作業路，并且是一卸一裝，那么就可以有效發揮智慧物聯的優勢，在裝卸循環作業的流程下，可以有效降低內集卡的空載率。其運作方式為剛完成卸船作業的AGV，會立刻投入裝船作業中；裝船完成后，AGV一旦處于空載狀態又會立刻投入至卸船作業，以此往復循環，使AGV不間斷的參與裝卸。經測算效率提升約30%。因此推薦在初步實施智慧港改造時至少改造兩條以上作業路為宜。

圍繞一裝一卸兩條作業路展開，堆場可設置四個集裝箱箱區，包括：兩個進口箱區、兩個出口箱區；遠控RMG至少每個箱區設置1臺，共計4臺；無人AGV安排至少3臺；設置一進一出兩條無人閘口；岸邊加裝智能理貨系統。為保證5G信號通暢無阻擋，道路經緯線交叉口設置5G基站。為了最大化地利用5G的信號覆蓋，每隔一條道設置一根基站。具體效果如圖1所示。

圖1 智慧港口雙作業路堆場

按照上圖建設方案，除開基站建設費用外，一次性投資成本大約為1500萬元，每年可節省人力成本約700萬元，生產效率提升所帶來的成本減少約300萬元，算上建設期一般需要不到3年即可回本。若算上基站建設費用則需要約4～5年才能回本。

綜上所述，智慧港口在建設初期雖然需要較大的一次性投入，但隨著操作人員的大量減少，碼頭作業的效率提升，短期內回本是可行的。改造老港口成為智慧港口，此期間同時還要考慮原港口持續生產的問題，因此最好是將部分作業路和箱區拿來作試點建設，將參與智能化建設的堆場與其他堆場進行隔離，保證其他堆場能夠正常作業。在建設完成并運營一段時間后，收支達到基本平衡再逐步擴大建設范圍。

6 未來展望

由于內河港口整體條件和營商環境相較沿海港口較差，若要全面推廣5G和智慧物聯項目還需要國家政策的大力扶持。除資金扶持外，還需要對港口惡性競爭進行有效遏制，減少私人碼頭參與經營，避免其擾亂市場環境。在此期間，智慧港口和傳統港口將在很長時間里同時運行。通過技術的不斷迭代升級和廣泛應用，有效降低5G和智能化設備的成本，最終實現內河港口5G全覆蓋，堆場設備全互聯。

想象一下，也許在不久的將來，港口工作人員只需要通過移動終端(PC、平板、手機、VR設備等)便可實時掌握整個港口的動態和作業情況。管理港口逐漸變得像管理智能家居那樣簡單。電子車牌、視頻監控、智能卡口識別、EDI等技術，推動倉庫智能化、堆場智能化，實現進出監管場所關口的車輛、集裝箱、貨物等的全過程智能化、可視化監管；在物流園區保稅、進口拆箱、出口拼箱等單個監管場所及多個監管場所間自由順暢地流動保稅貨物物流，為支撐區港的聯動提供信息。5G的到來對港口行業的影響就是，幫助港口突破現有的瓶頸，借助物聯網將港口帶入更大的平臺，更多的想象空間。