智慧港口 ——物联网时代的港口建设与发展

2009年8月7日，国务院总理温家宝在听取传感网发展情况汇报后说：“当计算机和互联网产业大规模发展时，我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”；11月3日，温家宝总理发表题为《让科技引领中国可持续发展》的重要讲话，在这次讲话中，物联网被列为国家五大新兴战略性产业之一；11月28日至29日，温家宝总理到上海、江苏考察时指出：“在巩固经济发展企稳向好势头的同时，要着手研究一些关系长远发展的事情，一定要下大力气攻克物联网技术这个难关"。 温家宝总理的接连表态，让物联网概念在这一年引起了国内各界的高度关注。 2010年3月5日，温家宝总理在《政府工作报告》中指出，在大力培育战略性新兴产业方面，要大力发展新能源、新材料、节能环保、生物医药、信息网络和高端制造产业。积极推进新能源汽车、“三网”融合取得实质性进展，加快物联网的研发应用。加大对战略性 新兴产业的投入和政策支持。 如果说2009年是物联网的中国元年，当它被写入《政府工作报告》时，也同时宣告2010年将成为物联网发展的关键一年。物联网就其本身来说，代表了下一代信息发展技术。可以预见，在未来十年、二十年里，随着各方面的共同努力，物联网技术会对中国整个经济起到积极推动作用。 “智慧地球”是IBM公司首席执行官彭明盛首次提出的新概念。通过装置在各类物体上实现物体与物体互相间的沟通和对话，使智能技术应用到生活的各个方面，如智慧的医疗、智慧的交通、智慧的电力、智慧的食品、智慧的货币、智慧的零售业、智慧的基础设施甚至智慧的城市，这使地球变得越来越智能化。可以想象，当物体被赋予智能，人类将真正有可能从资源的使用者变为资源的控制者和资源的守护者。 顾名思义，“智慧港口”运用物联网技术将广布于全球港口的装载设备、船舶、集装箱、车辆、仪表都连接到网中,使源头数据的采集大大提高，抄表员和堆场的工作人员的劳动负担大大降低，错误率也基本杜绝了，使港口工作管理人员把更多的注意力集中在生产管理上。而港口的生产流程会时时刻刻给物联网应用带来庞大的数据压力，因此，在“智慧港口”中，智能技术广泛用于物联网，港口生产中的物联网数据，经过人工智能算法的处理，就可以得到大量的分析结论，最终为港口管理、客户服务等方面提供可用的数据。

1. 物联网的定义 “物联网”(Internet of Things)，指的是将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，系统可以自动的、实时的对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。“物联网”是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。“物联网”概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。 “物联网”的概念是在1999年提出的，它的定义很简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。也就是说，物联网是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一个新技术。 2005年国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术(RFID)、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。 2008年3月在苏黎世举行了全球首个国际物联网会议“物联网2008”，探讨了“物联网”的新理念和新技术与如何将“物联网”推进发展的下个阶段。奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧的地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，阐明其短期和长期效益。奥巴马对此给予了积极的回应： “经济刺激资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去，毫无疑问，这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式”。此概念一经提出，即得到美国各界的高度关注，甚至有分析认为，IBM公司的这一构想极有可能上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。 2009年8月7日温家宝总理到无锡微纳传感网工程技术研发中心视察并就、发表了重要讲话。8月24日，中国移动总裁王建宙赴台首次发表公开演讲，提出了“物联网”理念。王建宙指出，通过装置在各类物体上的电子标签(RFID)，传感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。这种将物体联接起来的网络被称为“物联网”。王建宙同时指出，要真正建立一个有效的“物联网”，有两个重要因素。一是规模性，只有具备了规模，才能使物品的智能发挥作用；二是流动性，物品通常都不是静止的，而是处于运动的状态，必须保持物品在运动状态，甚至高速运动状态下都能随时实现对话。 综上所述，物联网包含两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

2. 港口物联网的应用现状 从整个国际港口的发展历程来讲，按照联合国贸发会对港口发展的定义和阶段的划分，“智慧港口”应该是在第四代港口基础上的产物。按照联合国贸发会对整个港口的分类，现在港口的发展一共分四个阶段。当然现在也有人提出第五代港口。第一代港口最简单，就是两个功能：船舶靠泊、货物装卸。第二代港口是在这个基础上加了一些商贸和专业化功能。码头分为了集装箱码头、原油码头、散杂货码头等一些专业化码头。后来发展到第三代港口，就是在原有的基础上增加了物流和金融方面的东西。第三代港口基本上是以港口为物流中心，就是除了原有的临港产业、临港工业，又增加了一些物流的功能。第四代港口，是从21世纪开始，在物流基础上，不把港口看成一个物流中心，而是把港口看作供应链上的一个节点，从整个供应链的基础上来看港口的功能，涉及到的包括物联网、服务、技术等各个方面的创新。 “智慧港口”的这个概念，以及对“智慧港口”的追求，是我国港口发展的目标。目前我国大多数港口还处于第二代向第三代转变的过程。在港口生产管理方面较为典型的物联网应用包括：集装箱电子标签、电子铅封、港口设备运行状态监控、工程设备资产管理、无线自动抄表等。 在借鉴、跟踪发达国家发展经验的基础上，我国对物联网在集装箱码头方面的应用研究逐渐有所创新。参与这方面研究的包括交通运输部水运科学研究院、全国集装箱标准化技术委员会、上海国际港务（集团）股份有限公司、中国国际海运集装箱（集团）股份有限公司、中国远洋运输（集团）等科研机构和企业，研究取得了一些阶段性成果，其中，由交通运输部水运科学研究院牵头，与多家单位合作获得的针对无源电子标签的“集装箱电子标签”研 究成果，已经在重庆港寸滩港区得到卓有成效的应用，该项目实现了物联网技术在集装箱码头中的应用，并具有智能港口的雏形

2.1 集装箱电子标签 近年来，集装箱运输不断发展，并发挥自身的优势成为世界货物运输最主要的方式。根 据海关的统计，世界上90%的货物由集装箱运输，在美国，差不多一半的进口货物（按价 值计算）是使用集装箱船运抵的。每年约有700 万TEU 的集装箱货物在美国各港口卸货。 但是，随着世界海运的发展，对货物运输的实时性、可控性和安全性的要求越来越高，现在 集装箱运输系统存在的缺陷，如无法实现实时作业、无法随时获知货物的情况、无法实时确 定集装箱在整条供应链中所处的位置等，也越来越多地制约了世界海运的蓬勃发展。 所谓智能集装箱通常是在设备的外部和内部均使用或者加装多个主动RFID 产品（主动 式电子标签内部自带电池，工作可靠性高，信号传送距离远。在结合GPS 技术后，能在集 装箱状态发生变化时实时将状态变化发生的时间、地点以及周围的环境信息传输到货主或管 理人员的机器上去，实现集装箱的实时跟踪），包括一张电子封条，一张传感器封条，这些 标签可以贴在运输货物的集装箱上，而这些标签能够随时将集装箱的一些关键信息如位置、 安全状况、灯光、温度和湿度的变化传给读取器网络，读取器网络收集、过滤获得RFID 的 信息，并将有效信息输送到TSS 系统（Transportation Security System 交通安全信息系统）。 发货人通过TSS 系统，就可以实现货物的追踪，了解货物的及时方位、状态和安全状况。 智能集装箱系统目前还没有真正广泛应用，如想在海运行业内推广，还要进行现有系 统集装箱改造，新设备加装，技术网络构建等诸多步骤的努力。现在以在门到门运输模式下， 对现有系统加装RFID设备的简单模式为例，说明智能集装箱系统的作业流程（见图1）。

图1 智能集装箱系统的作业流程图 1、发货人端 在发货人端，出口集装箱装箱完成作业后，须在集装箱上加装RFID电子标签并以手持 终端机启动RFID电子标签，再由集装箱运输公司将集装箱运往码头集装箱堆场。 2、集装箱装船港 待集装箱进入港口后，系统透过RFID读取器实时记录集装箱到达的时间与集装箱的安 全状态，并适时将信息以GPRS传输方式传送至TSS系统。同时，必须通过网络登录事先预 设的账户，并在TSS系统上维护测试集装箱的舱单资料。 集装箱进场信息经过码头集装箱场的港口管理系统确认后，集装箱场的集装箱监控作业 就开始由RFID监控读取器进行全程监控。当集装箱开始装船作业时，架设在船边的龙门起 重机上的RFID读取器记载集装箱装船作业的时间，同时确认该集装箱的安全状态，确保装船的集装箱为安全状态，之后集装箱船即经海运路线驶往目的港。 3、集装箱卸船港

发货人端 装船港 卸船港 收获人端 TSS 系统