5G对全球集装箱港口自动化发展的影响及应用

赵 毅，余 娟

(1.中国远洋海运集团有限公司 研究咨询中心，上海 200127； 2.中国移动(上海)产业研究院，上海 201206)

0 引 言

港口是水路货物运输的重要枢纽，提高其作业效率对于促进水路运输业高速发展而言至关重要。目前全球自动化港口的数量比较少，很多港口都面临着劳动力成本攀升、劳动强度大、工作环境恶劣和人力资源短缺等问题。在此情况下，降本增效，对港口实施自动化改造，逐渐成为全球港航业的共同诉求。近年来，人工智能(Artificial Intelligence，AI)、大数据、物联网(Internet of Things，IoT)、5G和自动驾驶等数字化技术的快速发展为港口自动化改造提供了新的动力，越来越多的集装箱港口开始通过自动化技术提高其生产率和工作效率，以此保持竞争优势[1]。当前我国正处在从航运大国迈向航运强国的时期，针对全自动化集装箱码头较少的现状，国家有关部门在《交通强国建设纲要》等一系列政策文件中明确提出建设基于5G、北斗和IoT等技术的信息基础设施，加大自动化集装箱码头操作系统的研发和推广应用力度，争取到2035年基本上建成集装箱枢纽港智能化系统[2]，打造世界一流港口，推动交通强国建设。

目前，有关如何利用5G等新一代信息技术推动集装箱港口自动化发展的研究还比较少。对此，本文在总结全球集装箱港口自动化发展现状的基础上，结合5G等关键技术的特点，提出集装箱港口结合5G技术进行自动化和智能化建设的关键应用方向，并给出建设新一代5G智慧港口方面的建议。

1 全球集装箱港口自动化发展现状和趋势

1.1 全球集装箱港口自动化发展现状

从1993年建成全球第一个自动化集装箱码头(荷兰鹿特丹港ECT码头)至今，集装箱码头自动化技术日趋成熟，现已成为全球各大港口关注的热点。从码头工艺模式和码头运输作业技术的先进性等角度看，全球自动化集装箱码头的发展历程可分为4个阶段[3]，具体如下。

1) 第一代自动化集装箱码头——荷兰鹿特丹港ECT码头。该码头于1993年投入运营，采用单小车半自动岸桥+自动导引车(Automated Guided Vehicle，AGV)模式，水平运输AGV由内燃机液压驱动，行驶线路为固定的圆形路线。

2) 第二代自动化集装箱码头——德国汉堡港CTA码头。该码头于2002年投入运营，采用双小车半自动岸桥+AGV+自动化轨道吊(Automated Rail Mounted Gantry, ARMG)模式，水平运输AGV由柴油发电机电力驱动(后升级为动力电池供电)，能耗高，污染大，行驶路线不固定，调控复杂。

3) 第三代自动化集装箱码头——荷兰鹿特丹港EUROMAX码头。该码头于2008年投入运营，采用第二代双小车半自动岸桥+AGV+ARMG模式，水平运输AGV由柴油发电机电力驱动，能耗高，污染大。

4) 第四代自动化集装箱码头——厦门远海码头、青岛前湾码头和上海洋山四期码头。这些码头于2016年投入运营，采用双小车半自动岸+AGV+ARMG+AGV伴侣模式，水平运输AGV由锂电池电力驱动，绿色环保，但存在电池续航充电的问题。洋山四期码头的AGV采用先进的无线跳频导航技术，自由灵活，但成本较高。

当前，全球各大港口正在通过数字化和自动化技术改变以往的生产方式。根据麦肯锡(McKinsey)的调查：在世界最大的50个集装箱港口中，至少有25个即将启动升级改造计划，或计划在未来5 a内增加自动化设备[4]。随着半自动化集装箱码头的快速发展，全自动化集装箱码头技术的先进性逐渐突显。港口的数字化和自动化发展不仅能降低码头的用工成本，最大限度地减少人机接触，保障人员的安全，而且能实现港口的高效、安全生产运营。例如:2009年，韩国釜山新港湾尝试通过无人驾驶起重机和射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)读写器等自动化装备完成无人值守码头试验；2018年，码头运营商迪拜环球(DP World)推出了智能集装箱仓储系统，相比以往，仓储容量增加2倍，作业时间缩短近30%，大幅提升了码头的生产率。此外，为实现转型升级，全球各大港口纷纷采用信息化手段建立、更新自有的物流信息服务平台，不断拓展物流功能，使平台服务朝着一体化、多元化和数字化方向迅速发展，例如招商局集团的ePort港口社区平台、汉堡港Smart Port智慧港口物流平台、鹿特丹港Port Base平台和新加坡港Port Net平台等。

1.2 全球集装箱港口自动化发展趋势

1) 生产作业智慧化。当前港口业正面临提升生产作业效率、安全可靠性和经济效益等多方面的迫切需求。在建设交通强国、航运强国和世界一流港口等目标的指引下，将5G技术与区块链、AI、云计算、大数据、物联网和互联网+等新一代信息技术加速融合，有助于实现港口相关领域工作流程的再改造和业务协同管理创新[5]，实现港区自动驾驶、港机远程监控和智能理货等应用创新，提高港口的自动化和智能化水平，推动港航物流资源联动，构建差异化价值主张，打造新一代安全、高效、生态的智慧化港口。

2) 经营投资多元化。优化港口经营资产结构，整合、聚焦港口自动化和信息化业务，解决码头同业竞争问题，有助于港口实现降本增效。通过行业内并购重组和航运企业与港口运营商合作联营的模式，集中资源布局港口自动化业务，不断向产业链上游和下游延伸，有助于减少港口运营商直接资本的输出，在一定程度上实现多元化经营，并为客户提供更广泛、更全面、更智能的港口物流服务，寻找新的利润增长点。

3) 产业发展协同化。随着全球经济一体化和数字信息科技的快速发展，港口之间的竞争已逐渐变成全球网络与港口所处生态圈之间的竞争。在此背景下，同区域的港口和跨区域的港口可借助5G等新一代信息技术，打破传统的线性传递作业方式，变革传统的业务模式、管理模式和商业模式，基于信息共享实现开放协作、高度互联、数据化、智慧化的港口物流价值链，推动资源的整合和优化配置，减少物流链的总时间和总成本，打造全面感知、运营高效、安全可靠、智能绿色、开放创新的智慧港口产业链，通过开放与创新实现海运物流价值链上的互联互通(见图1)[6]。

图1 开放与创新实现海运物流价值链上的互联互通

综上所述，智慧港口能充分发挥差异化性能优势，突破传统发展模式的局限性，极大地提升港口自动化运营的效率。有研究机构预计，全球智慧港口市场规模将从2019年的17亿美元增长到2024年的53亿美元，预测期内的复合年增长率为25%。

2 5G智慧港口涉及的关键技术

2.1 5G技术

5G技术即第五代移动通信技术，是数字经济时代的一种通用技术，与4G技术相比，具有超高移动性、超大流量密度、超大连接数密度和超低能耗等特性(见表1)。

表1 5G与4G关键技术指标对比

5G主要有大流量移动宽带(eMBB)业务、低延时高可靠连接(uRLLC)业务和大规模物联网(mMTC)业务三大应用场景。

1) eMBB主要提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务方面的通信体验，适用于高速率、大带宽的eMBB业务，典型应用包括超高清视频、虚拟现实和增强现实等。

2) mMTC主要面向物-物连接的以传感和数据采集为目标的应用场景，主要满足海量物联的通信需求，典型应用包括智慧城市和智能家居等。

3) uRLLC基于低时延和高可靠的特点，主要面向物-物连接的应用场景和垂直行业的特殊应用需求，例如工业自动化、无人机控制、智能驾驶控制等。

2.2 AI技术

AI是实现智慧港口必不可少的关键技术，在港口领域的前沿应用有基于神经形态工程学原理的智慧理货技术、基于无监督的深度生成模型的图像处理技术、基于大数据和深度学习的港口业务决策预测技术及基于深度神经网络学习和大数据的智能调度技术，是港口的核心决策部分。目前AI技术在港口的应用还处于初级阶段，主要集中在港口生产作业一线。随着AI技术的不断发展，图像识别能力和语音交互能力得到大幅提升，将该技术与5G技术相融合，有助于进一步提高港口业务的智能化程度，例如：将AI技术应用到港口的生产计划和调度中，实现码头智能泊位调度、智能场地规划和智能设备调度等；实现码头生产组织的智能化应用，最小化船舶在港时间、堆场操作和集装箱运输成本等，从而帮助港口运营方建立高效稳定的智能化运行体系。

2.3 边缘计算

边缘计算是指在靠近数据源或用户的地方提供计算、存储等方面的基础设施，并为边缘应用提供云服务和IT环境服务。相比集中部署的云计算服务，边缘计算能解决时延过长和汇聚流量过大等问题，为实时性和带宽密集型业务提供更好的支持；将5G技术与边缘计算相结合，能使传统码头打破原有的“单车智能”或“磁钉”方式；将高清地图和高精度定位与边缘计算相融合，能为无人驾驶提供可靠性高、成本低的方案，实现中心智能与边缘智能的有效结合。

2.4 大数据

5G技术能实现人与人、人与物、物与物的连接，海量的物联网数据和多样的用户数据能为智慧港口的顶层规划及运营管理提供精准、全面、实时、高价值的数据分析和决策支撑，助力智慧港口实现基础设施智能化、规划管理信息化、公共服务普惠化和决策运营科学化。智慧港口离不开大数据，没有数据，港口智慧化便无法实现。大数据的应用已催生DaaS(数据即服务)服务，其实时、快速的特性和预测能力为智慧港口的发展带来了新的契机，可实现深度的港口运营管理。大数据技术在港口的应用有基于多源图像聚类分析的港口异常行为监测技术、面向港口业务决策的压缩感知数据重构技术和基于多维度数据融合的港口交通流量预测技术等。

2.5 IoT技术

IoT是将射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等各种信息传感设备与互联网结合起来形成的巨大网络。应用IoT技术的目的是使所有物品都与网络相连接，系统可自动、实时地对物品进行识别、定位、追踪和监控，并触发相应的事件。5G技术的大规模IoT业务特性将成为推动IoT发展的动力，一旦技术条件成熟，IoT将能使相关垂直产业的发展速度得到大幅提升，比如智能制造、智能车联网和智能船联网等。港口IoT最前沿的应用有港口多源异构信息的实时协同感知技术，通过IoT等技术自动感知和采集船舶、货物及港口物流流转节点的状态等信息，作为智能化管理和智慧决策分析的基础数据[7]，构建面向AGV、集装箱卡车和船舶的车联网、船联网和路联网，以及面向集装箱全程监管的箱联网等。

2.6 高精度定位

定位精度是保证车联网业务安全的基本要素之一。随着基于蜂窝网络的车联网通信(C-V2X)服务从辅助驾驶发展到自动驾驶，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)或传感器等单一技术无法保证车辆在复杂环境下的高精度定位性能，一般需融合惯性导航技术、高清地图和蜂窝网联技术等提高定位精度和定位的稳定性。5G技术与北斗高精度定位技术的融合应用将为车联网提供可靠性更高、通信延迟更少的应用服务，可满足智慧港口典型业务应用场景的需求，例如：港口集卡、堆高机和塔吊的精确定位；复杂环境下作业人员的安全定位；结合码头高精度地图实现码头作业设备的精准位置可视化展示和动态跟踪等。

3 5G智慧港口的应用场景

作为连接水路运输与公路运输的重要物流枢纽节点，港口的自动化和智能化转型本质上是港口生产作业、管理和商业模式在5G等新一代信息技术的驱动下的深度变革和重构。5G将凭借超大带宽、超低延迟和海量连接等特性在港机远控、港口智能理货、港区自动驾驶、港口智能安防和司机行为管理等场景的信息感知、人机环境交互和控制决策执行应用中发挥关键作用。

3.1 港机远控

实现港口自动化装卸作业既是智慧港口建设的重要目标之一，又是决定港口未来竞争力和经济效益的重要因素，包括码头装卸、水平运输、堆场堆存作业和集疏运作业等多个环节的信息自动采集和集成控制。目前我国港口90%以上的龙门吊(轮胎吊、轨道吊)都需人工现场高空作业，工作环境恶劣，人工成本较高，装卸效率有限，因此港口作业对港机远程控制有强烈的需求。但是，港机远程控制操作对通信网络的时延和带宽等性能有较高的要求，传统的光纤和4G技术基本上无法满足该要求。在此情况下，借助超低时延、超大带宽的5G网络和高清摄像机等辅助设备，将港机的视频等信息发送给码头远程操控中心，由操控中心通过网络将控制命令发送给港机，实现对港机的远程自动化控制和高清视频监控，能极大地改善港机设备操控员的作业环境，降低安全风险，提高作业效率。图2为港机远控作业实景。

3.2 港口智能理货

港口智能理货是指智能化完成集装箱箱号核准、箱数统计、残损判断、验封和施封等工作。传统的理货方式需人工在室外手动采集信息，并通过对讲机等方式传送理货结果，不仅工作环境恶劣、劳动强度大，而且存在成本高、效率低和安全无保障等问题。智能理货借助5G通信网络，利用高清摄像机实时回传港区场桥、岸桥和闸口等理货节点的高清视频流信息，同时利用AI视觉分析识别、云计算和大数据分析等技术进行集装箱箱号自动识别、箱体残损鉴别、箱位判断和装卸作业全方位监控，并通过后端业务平台实现数据核销、智能验残、查询追溯和统计分析等功能，达到更安全、高效、精确、经济地智能理货的目的。图3为港口集装箱智能理货实景。

图2 港机远控作业实景

图3 港口集装箱智能理货实景

3.3 港区自动驾驶

港口是劳动密集型产业区域，一般全天24 h作业，集卡驾驶员的工作强度较大，疲劳驾驶现象突出，存在安全隐患；同时，集卡驾驶员的培养周期较长，人才较为短缺。若通过传统铺设磁钉的方式实现无人AGV集装箱运输，需在前期铺设磁钉和磁带等导航设备，成本高，耗时长。港口相对封闭，运行车辆相对规则，是自动驾驶重要的应用场景，对信号传输、协同互通和定位精度等的要求较高，需融合应用高精度定位、车路协同和5G等技术。5G-V2X通信技术与高精度定位、AI、仿真、自动驾驶和感知技术等技术相融合，能有效建立车-车/车-路低时延、高可靠的数据交互通路，精准规划和监测车辆行驶路径，减小单车智能实现的难度，降低港区自动驾驶单车智能化改造的成本，实现港区集卡自动驾驶和AGV小车自动驾驶等应用。图4为港区AGV自动驾驶实景。

3.4 港口智能安防

智慧港口需实现对生产运营全过程的安全监控，包括对装卸设备、港口人员、车辆、船舶和货物等目标进行实时跟踪和监测，满足海事、海关、检疫、武警、环保、应急、港口调度和港口安防等方面的信息获取与共享需求。5G具有超大带宽特性，能实现港区多路高清监控视频回传，结合高精度定位能力，监督作业人员作业的规范性；在车辆经过的关键点位架设卡口设备，能实现对港区车辆的远程监督调度、超速报警、逆行分析和定位追踪等；5G与无人机和高清摄像机相结合，能对港口关键基础设施、电力线路和环境等进行超视距实时密集巡检和安防；5G与增强现实(Augmented Reality，AR)技术全景摄像机相结合，能实现对全港区视频监控系统的监管和应急处置；5G与8K和虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术相结合，能构建港区实景立体作战指挥平台，完成港区作业线实时指挥和作业方式调整等，形成港区集成一体化智能综合安防解决方案。图5为港口无人机巡检实景。

图4 港区AGV自动驾驶实景

图5 港口无人机巡检实景

3.5 司机行为管理

港口集装箱卡车司机和桥吊司机等工作人员的任务繁重，加上港区的工作环境较为恶劣，司机疲劳驾驶的情况经常出现，这不仅危胁到司机自身的安全，而且会给港口带来经济损失。因此，需通过信息化手段辅助有关单位对司机的行为进行监督和管理。5G技术结合AI视觉识别技术和高精度动态厘米级别定位技术，能对行驶线路、位置信息、关联司机和排班计划等进行有效管理，防止港口司机出现擅自离岗、危险驾驶和非法作业等情况，同时提供生产作业增强辅助，在保障安全的情况下大幅提升港口的产能，从而达到提高港口经济效益的目的。

4 建设5G智慧港口的对策建议

1) 制定专项产业规划和配套标准规范。贯彻落实《交通强国建设纲要》《数字交通发展规划纲要》和《智能航运发展指导意见》等文件对加快推动自动化码头、智能船舶、港口自动化作业和集疏运调度建设等方面的要求，制定专项产业发展规划，加速5G智慧港口布局，加快产业化进程，推动5G在港口行业的创新示范应用。同时，加快制定与5G智慧港口配套的技术标准、管理标准、检验标准、安全标准和评价标准等，实现5G智慧港口产业快速、健康发展。

2) 开展跨平台、跨技术领域的协同研究。密切关注全球集装箱港口产业的发展需求和科技动态，结合全球5G智慧港口建设的实践案例，针对5G智慧港口建设中的关键技术和突出问题，组织开展5G智慧港口前瞻性研究，包括5G、移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)、AGV自动驾驶(车路协同)和高精度定位等跨平台、跨技术领域的协同研究，持续提升集装箱港口码头装卸、物流运输和安全监管等方面的自动化、智能化水平，做好充分的准备(包括技术成果、组织理念和商业模式等)，不断探索5G技术的应用，推动5G智慧港口可持续发展。

3) 推动技术和成果在全球港口的应用。深入开展示范试点应用，在已成功试点的5G港机远程控制、智能理货和司机行为管理等创新应用的基础上，加速推进5G网络覆盖，以试带用，形成技术、标准、产业和应用的良性循环。同时，港航企业与移动通信运营商等各方联合开展技术攻关，加强技术成果分享，促进5G的应用交流与深度合作，以及5G智慧港口相关技术在国内外集装箱港口的可复制性应用，提升港口的数字化和智能化水平。

4) 构建联创产业基金和生态孵化体系。港航企业应联合通信、信息和数字技术等行业的领军企业，积极引入战略合作伙伴，进一步扩大合作范围，创新商业合作模式，合力突破核心技术的发展障碍。联合社会多方创新力量，通过股权投资等方式深化产融结合，打造5G智慧港口生态和创新创业孵化器。充分发挥企业引导和外部社会资金投入的作用，全面构建5G智慧港口的联创产业基金，重点聚焦核心技术和重点应用领域，提供产业创新资本支持。通过召开5G智慧港口论坛、组织应用征集大赛和科研成果转化激励等方式营造5G智慧港口应用生态体系。

5 结 语

随着5G与其他新一代信息技术的深化融合，未来港口(尤其是集装箱港口)的自动化发展将以5G和AI等关键技术为切入点，逐步实现以港机远程控制、港口智能理货、港区自动驾驶和港口智能安防等为代表的新一代智慧港口应用，全球智慧港口信息链、产业链和价值链将进一步被打通，全球集装箱港口的业务模式、生产运营模式和商务模式等将得到颠覆性变革。本文的分析可为全球集装箱港口自动化发展运用5G技术提供参考，有助于理解5G与集装箱港口高度融合是产业发展的趋势，能推动新一代自动化港口的发展。