智慧港口管理信息系統研究

曹蘭娟CAO Lan-juan

（浙大寧波理工學院機電與能源工程學院，寧波 315100；武漢理工大學安全科學與應急管理學院，武漢 430070）

0 引言

港口在世界貿易中發揮著巨大的作用。而隨著時代的發展，傳統的港口管理模式已經無法適應大數據和人工智能等新技術的發展，港口運行方式亟待轉變。放眼世界，許多著名的世界港口都在競爭中尋求改變，如新加坡港、上海洋山港、寧波舟山港等。從智能化向智慧化的轉變是提高港口競爭力的重點，也是未來港口發展的主流方向。智慧化港口的建設對于突破傳統管理模式港口信息化、智能化、自動化水平低下，優化資源配置，形成連接各企業、各行業的全面的發展平臺等各個方面都具有重要的意義。

現今對于智慧港口的研究并不成熟，由于暫未形成統一的標準和完整體系，部分走在世界前列的港口結合了自身條件進行嘗試，形成了具有自身特色的管理模式。“一帶一路”國家級頂層合作倡議的發展，推動了港口發展目標及定位的轉變[1]。如今的這一行業開始將注意力放在5G、大數據、智能感知等技術上，并建立數字化、智能化的“智慧型”信息樞紐，力圖實現港口數字化建設“質”的轉變。

針對智慧港口這一概念，國內外學者都進行了研究。陶德馨[2]、袁玉祥[3]等認為智慧港口是通過信息物理系統來搭建基礎的框架，利用現代新型的信息處理技術如物聯網、云計算、大數據等保證信息通暢，以此實現物流供給方和需求方融入一體化系統，即港口集疏運一體化系統。羅本成[4]通過研究鹿特丹港的智慧港口落實情況，認為智慧港口不應單純依靠技術實現，還應通過服務模式的轉變提高業務水平，構建多層次、系統化的港口生態圈，給予客戶更好的用戶體驗。李紅等[5]總結了分析我國智慧港口建設中存在的問題，包括碼頭智能化改造成本高、集疏運信息互通不充分、港口服務模式與時代發展脫節、物流鏈上下游協同能力不高等問題,并對智慧港口未來的發展建設提出建議。

Molavi A[6]等提出了“港口智慧指數”（smart port index）的概念，構建包括組織、運營、環境、能源和安全五個方面的智能港口發展水平評估體系，為研究港口智慧化轉型情況提供了一個定量工具，并確定其當前運營的優勢和劣勢，以便持續改進。Alberto Rodrigo González[7]也提出了“港口智慧指數”，并依據此模型對西班牙各港口的智慧化水平進行了綜合評價。Botti A[8]提出將港口供應鏈重新定義為一種智能服務系統，以生產和服務為核心重塑港口供應鏈，建立了一個新的綜合框架，以更好地了解海港動態和創建有競爭力的港口供應鏈。除此之外，Sohaib Rana Muhammad[9]、Duran Claudia A[10]等還通過將5G、區塊鏈等新興技術應用于智慧港口建設，賦能港口智慧化轉變，提出了全新技術路線。

現今學者對于智慧港口的研究雖各自持有不同的觀點，但可以歸納為兩條路徑，第一條路是現代信息技術的應用，這也是“智慧化”港口的必經之路；二是重視港口的物流發展，圍繞供應鏈打造區域樞紐港。在國內，智慧港口的研究重點在于技術等的運用，如物聯網、云計算、大數據等信息技術在港口發展及管理中的應用，但鮮有關于傳統港口的轉型等問題的研究。國外在這一領域的研究側重點在于引領方向，如歐美、日本、新加坡等發達國家在建設新一代港口時注重綠色、低碳，力圖打造出可持續發展的港口。

1 相關概念界定

1.1 智慧港口的概念界定

智慧港口至今仍然沒有精確、統一的定義，它也被稱為智能港口或者是物聯網港口等。無論是國外還是國內，智慧港口最重要的部分是港口“智慧化”。“智慧”就是通過技術手段精細化管理港口生產作業，即在港口生產中利用現代信息技術，如物聯網、大數據、云計算等，提高港口物流效率、服務品質等，打造綠色、安全、高效的現代物流港口。

融合新一代信息技術與自動化技術的智慧港口，其本質實現信息化管理，如實現生產調度、貨運裝卸、設備運輸等工作聯動發展，以這種方式優化資源配置，實現港口綜合能力的大幅度提升。

智慧港口與傳統港口所提供的服務相差無幾，都與物流有關，但是他們的生產模式和最終產生的效益卻大不相同。傳統港口屬于勞動密集型產業，要求大量勞動力，但是對勞動者的要求并不高。智慧港口更依賴現代新技術，但對勞動者本身的知識水平、技術水平有較高的要求。智慧港口的出現離不開信息技術的支持，同時在服務和未來發展上更具優勢。與之相比，傳統港口的科技創新僅局限于某特定工藝的進步，而不會像智慧港口一樣追求港口智能化管理，即全方位的創新。在經濟效益和社會生態效益方面，傳統港口所產生的效益較低，相比之下智慧港口的效益更高，也更符合目前國家所提出的綠色、低碳、可持續發展理念。

1.2 智慧港口管理信息系統的概念界定

智慧港口信息管理系統是港口邁向智慧化的最重要也是最基礎的一步，是以港口企業為主導，通過存儲設備、服務器、無線射頻識別技術、網絡通信設備等硬件的支持，構建起的應用物聯網、大數據、云計算等技術進行信息的收集、傳輸、加工、儲存、更新、拓展和維護的系統。智慧港口信息管理系統應滿足以下幾個基本原則：

一是既要有實用性又要有先進性，在滿足港口及其相關產業的需求這一前提下，通過簡潔的系統設置保證操作簡單、功能實用，同時借鑒國內外先進的港口管理理念和作業流程，采用相對成熟的新技術提高系統工作效率；

二是確保其可擴展和易維護性，遵循“設計統一，發展預留，合理預算，分步建設”的原則，設置靈活接口，充分預估未來業務發展走向，在預算限制下盡可能適應不同業務發展和變更；

三是高效性原則，系統需要滿足港口高強度的生產需要，即系統需可適應不間斷的高效工作，保證無論港口處于空閑期或高峰期，此管理系統都能夠滿足當前的業務需求。

2 智慧港口管理信息系統方案設計

2.1 智慧港口管理信息系統的基本框架構建

以生產需求和客戶需求為導向是智慧港口管理信息系統的核心，包括生產經營、智慧管控、智慧服務等方面，重點要建立物流供應鏈服務云平臺、智慧大數據客戶服務平臺、智慧碼頭平臺和數據處理中心等“四位一體”的智慧港口管理信息系統，其總體框架如圖1 所示。

①物流供應鏈服務云平臺：為港口貨物運輸、公路、鐵路、航運、口岸、政府、社會公眾等用戶提供準確便捷的信息服務，為政府間協作、港口經營管理、港口生產管理、企業客戶關系和領導決策提供了智能化基礎。

②智慧碼頭平臺：建立全新物流運作模式，通過“一單制”的物流服務，推進發展智能化、無紙化港口，提高工作和物流效率，推動港口內智能化物流調度管理的落地；通過智慧碼頭平臺，推進港區內各生產系統、服務系統的統一調度水平，實現港區內信息系統一體化。

③大數據客戶服務平臺：通過搭建智能設備連接網絡，借助即時通訊及智能監控技術優勢賦能，整合港口海量數據資源，客戶可以在智能終端通過內嵌的數據分析系統獲得便捷直觀的可視化信息查詢服務；同時，平臺支持推送業務定制、網上業務辦理和業務實時跟蹤，對多元化的客戶需求提供全面保障。

④云計算數據中心：集成虛擬化、云計算、云安全和異地災備技術，對港口數據交互、系統運行、核心算力提供保障，為供應鏈服務云平臺、智慧碼頭平臺、大數據客戶服務平臺提供信息基礎架構，支持港區物流、資金流、業務流、信息流的綜合流轉和協同優化，實現海量信息收集和管理的集中化。

2.2 物流供應鏈服務云平臺設計

物流供應鏈服務云平臺的建設是一個復雜的系統工程，需要長期資金、人力、物力投入。與標準的物聯網體系的應用層相對應，物流供應鏈服務平臺是智慧港口體系中智能化服務的直觀體現，平臺建設的優劣直接影響著各類用戶的感受，決定著智慧港口管理信息系統的建設的成敗。

平臺分為內部網絡和外部網絡，內外網之間通過權限管理進行信息共享和信息交互，各系統框架和箱相應系統功能如圖2 所示。其中，內部網絡的主要使用對象為港口經營部門、業務部門和生產部門，通過平臺對行業相關信息進行收集處置，為港口生產決策提供參考；外部網絡的主要使用者為與物流鏈相關的各類用戶，其可通過云平臺門戶網站（港口客戶端）實施了解貨物狀態、裝卸情況和貨物供應情況的最新動態。

①內部網絡：負責生產進程、業務電鍍和港口資源信息的集中保存，主要使用者為港口內部人員，包括營部門、業務部門和生產部門等。中控管理員以各類智能傳感器收集的數據為依據，掌握港區作業情況，綜合研判后下達指令。

②大數據決策支持功能：核心為港口云計算數據中心，在對港區各關鍵節點的生產、物流大量數據抽樣采集、處理加工和運算分析的基礎上，實現港區基礎資料、船舶相關情況、預到、錨地、離港、在港、計劃等業務線的信息化管理、網格化管理，通過智能分析系統挖掘節點數據的潛在價值，以圖形化界面和可視化數據為港口業務經營、市場預期等職能提供統計分析工具。

③外部網絡：負責點對點提供相關貨物信息，包括物流狀態、裝卸情況、貨源供應等。主要使用者為物流鏈相關用戶，其可通過PC、手機客戶端登錄用戶界面，查詢貨運最新信息。

④系統管理：包括用戶管理、文件管理和安全管理。用戶管理是根據管理信息系統預設的管理權限，對用戶進行分類梳理，確定相應的平臺權限；文件管理是將各類各型文件統一為標準格式，通過數據交互的方式向用戶推送，系統通過識別用戶類型，將相關文件轉壞為各類用戶所需的信息形式；安全管理實則是通過采取相關措施，檢查漏洞、抵抗外界攻擊、確保數據不丟失，保障系統的安全運行。

⑤系統傳輸優化：統一系統內部傳輸保準，保障數據傳輸過程中的流暢性和準確性。

2.3 智能碼頭平臺設計

為響應國家減碳增效“3060”目標，降低港口企業貨物運輸環節的費用，在物流供應鏈服務云平臺完成設計后，應從實現碼頭安全便捷、高效節能的目標入手，著力構建基于工業自動化、應用物聯網和人工智能等高新技術的智能碼頭平臺。

結合港口實際，智能碼頭平臺的設計可以分為港區智能調度系統、碼頭智能化作業系統、港口安全監管及應急指揮系統、生產調度指揮中心四部分。總體框架如圖3所示。

①港區智能調度系統：包括業務手續、貨物調度計劃、集疏港、船代信息及各下屬港區（節點）生產信息等業務，涉及計劃管理、港區管理、船舶管理、裝船寫實、車輛管理、卸車寫實、場地管理、設備管理、氣象和水文預報信息發布等主要功能，通過生產動態可視化、中控調度臺、報表中心等展現方式，實現遠程動態調度指揮、裝卸船裝卸車現場監測、重點區域視頻監測、重點設備狀態監測、庫場可視化管理，便于管理人員動態掌握生產運輸狀態，高效進行生產排期、指揮調度工作，提升安全等級。

②碼頭智能化作業系統：包括貨物進出管理、貨物場存管理、裝箱管理、船只自動泊位、自主裝卸、查詢統計等子模塊，對作業情況進行“兩全兩化”管理，即生產全過程自動化、管理全過程透明化，借鑒國內外學者研究和港口實踐經驗，對港口裝卸流程進行優化，科學減少操作人員操作環節數量，形成碼頭智能化創新模式，實現碼頭作業的標準化，智能化；構建智能閘口管理系統，通過物聯網、北斗定位等技術手段，對閘口狀態、車輛運輸狀態、集疏貨物進行智能化管理，實現港口內人員、船舶、車輛、貨物的信息共享。

③港口安全監管及應急指揮系統：對港口安全實施“預防、準備、響應、恢復”全過程管理，具體包括港區例行安全教育、安全巡檢、安全監測預警、危險源風險主動識別、突發事件應急處置、應急指揮通信、應急通信、應急保障等功能，降低貨物在途風險，減少車輛裝配時間，提高業務效率，從而奠定港區安全基礎。

④生產調度指揮中心：對現有生產調度指揮中心進行“多調合一”式改造，及在一個平臺上整合各項調度功能，推進統一指揮的港口生產、多線程并行調度管控、多級調度流程智能化，實現生產調度指揮中心包括總部調度、現場調度、下屬公司的三級協同調度機制。

2.4 大數據客戶服務平臺設計

大數據客戶服務平臺是智慧港口管理信息系統的核心，負責港口各項數據的匯總、整理、分析，并將整合的數據信息轉化為相關方所需的內容以輔助決策，主要功能包括策略評估、港口作業量預測、作業時間規劃、資源配置、制定最優生產計劃、實施調度控制等。大數據客戶服務平臺的結構如圖4 所示。

大數據客戶服務平臺利用智能監控設備、即時通訊、物聯網技術，由物流供應鏈服務云平臺、港口云計算數據中心、智慧碼頭平臺收集信息，構建數據處理、分析、訪問的三級數據整合反饋。管理人員可通過平臺全面掌握港口各方面情況，為企業決策提供支持；港口客戶可通過平臺隨時隨地查詢貨物信息、溝通業務詳情，實時業務辦理。

2.5 云計算數據中心設計

港口云計算數據中心在智慧港口的功能框架中屬于數據分析層，集成虛擬化、云計算、云安全和異地災備技術，對港口數據交互、系統運行、核心算力提供保障，為供應鏈服務云平臺、智慧碼頭平臺、大數據客戶服務平臺提供信息基礎架構。

港口云計算數據中心應著重從云端骨干網絡、高密度低成本服務器、高性能計算機、高容量存儲設備入手構建，包括基礎設施服務層和平臺服務層。基礎設施服務層包括硬件設施（服務器、存儲設備等）和資源管理環境（計算、存儲和網絡虛擬化）；平臺服務層通過提供WEB 開發工具、運營維護等服務，支持應用接入、應用監管和租戶動態租用等模塊。港口云計算數據中心框架如圖5 所示。

3 案例分析——以寧波舟山港為例

港口行業的發展離不開智慧港口項目的落地。“十三五”期間，我國港口行業智慧化轉型取得了關鍵成果，不少企業圍繞以智能化、數字化為基礎的物流供應鏈管理平臺、業務經營平臺和客戶服務平臺，布局以生產需求和客戶需求為架構的基礎信息化建設。其中，走在全國前列的便是寧波舟山港。寧波舟山港早在2011 年便確立了以建設“智慧海港”為主體目標，通過信息化技術帶動港口各板塊、全流程方面的深入改革，聚焦于管理高效化、服務便捷化、運營透明化，解決傳統港口中存在的內外交互、上下貫通、板塊協同等難題，實現內提效、外增值，實現硬件與軟件、生產與服務、運營與管理全面引領國際一流[11]。借助智慧港口的提質增效，2021 年，寧波舟山港貨物吞吐量達12.24 億噸，連續13 年位居全球第一[12]。

寧波舟山港的智慧化改造取得了突出的成績，具有較強的現實意義，也為其他港口向智慧港口邁進提供了寶貴經驗。

①有效提高港口運營效率，是港口智慧轉型的強心劑。傳統港口受歷史原因影響，員工人數遠遠高于新一代智慧港口[13]，人均創造價值偏低，通過智慧港口轉型，一方面可以對港口裝卸流程進行優化，減少操作環節，從而節約人力資源成本；另一方面，智慧港口管理信息系統的三級協同調度機制可以大幅減少裝卸船、裝卸車和在途時間，提升港口作業效率。

②大幅增加客戶滿意度，是港口可持續發展的壓艙石。通過大數據客戶服務平臺，買賣雙方節約了大量溝通成本，可在線上實現電子簽約、貨物裝卸監控、堆存庫存監控，便于客戶實時掌握了解運輸進度，為雙方合作打下信任基礎，其貨物通關流程也大幅簡化，可實現網上手續報送審批“一單通關”；對船東而言，碼頭智能化作業系統提供的船只自動泊位和自主裝卸業務可以節約大量等待時間，提高船只周轉率。

③全面建設核心競爭力，是港口發展方向的指南針。隨著疫情的蔓延，海運行業整體低迷，很多港口已經開始用低價策略吸引用戶，港口間的服務和運用管理差異越來越小，引發行業惡性競爭，制約著傳統港口的發展。通過智慧港口信息管理系統的落地實施，提升港口經營服務品質，向著建設生產需求和客戶需求為導向的智慧港口邁進，實現差異化競爭，滿足客戶多樣化需求，提高港口核心競爭力。

4 結語

智慧港口的建設是一項復雜的系統工程，需要長期資金、人力、物力投入，但其收益也無疑是豐厚且持久的。在國家供給側結構性改革和碳達峰與碳中和“3060”目標時代背景下，傳統港口向智慧港口轉型的關鍵時期已經到來，希望行業和企業抓住這次來之不易“機會之窗”。