謝晚媖
力求邁向5G型別「智慧港口」，為現代化商港力持進步的必然趨勢
「5G」是第五代行動通訊技術之簡稱，全稱為5th generation mobile networks或5th generation wireless systems，相較於之前4G以下的網路系統，5G系統可提供更快的上傳、下載速度，並可提高系統容量和更大規模裝置，使原先的網際網路存取應用程式暨社交網路等，具有愈為宏大的功能。5G型行動網路之組成主要仍為移動站、基地台子系統和網路子系統3部分，惟因係應用「毫米波」（mmWave）等更高頻的無線電波和「載波聚合」（Carrier Aggregation，係聚合多個「小段載波」以達到更大的頻寬，目前最高已能將7個載波聚合，俾分別在上傳、下載中非對稱使用）方式，以促成更高效的資料傳送速率，並可增加「移動寬頻」（mobile broadband，在移動設備上使用的無線寬頻技術，移動寬頻的頻率係介於225MHz至3,700MHz之間），爰可支援更迅速的傳輸（註1）。
港務或航運業界近所致力發展的「智慧港口」，重要關鍵乃是必須結合5G的應用甫可奏功。該一領域的學者即指陳，智慧港口應經由物聯網、感測網、雲計算、決策分析優化等科技媒介的充分串合，才能順利進行廣泛連接、深度計算攸關港口作業調度的關鍵資訊，繼而完成港口傳輸鏈上的無縫連接與協調聯動，成為具智慧化功能的現代港口。上世紀底前，港口碼頭猶屬於人力密集性之作業，自動化程度低、人力費用占整體成本甚大比例；拜科技昌明之賜，自20餘年前起已得倚靠遠端控制技術以施展遙控作業，再逐步進展至數位化控制與自動化碼頭，如可藉著網路傳輸與視訊系統以施行控制，此等理想端賴有大頻寬、低延遲的無線化傳訊環境方可達成目標。
另有專家表示在5G技術的運用下，以往未能從事傳訊控制的設備，當前已得改為遙控之作為，既可大幅提升港口的工作效率，同時可利用自動化設備來撙節人事成本。5G環境所擁有超低延遲的特性，當可準確的傳送信號至起重機去吊運、裝卸貨櫃，而且透過5G世代以展開全流程、全監管、全監控和智慧港口的新紀元已是指日可待。基於全球的貿易主要是倚藉海運所完成，因此港口得謂是帶領全球經濟發展之領頭者，隨著時代進步與科技昌明，港口業務尤具毫不斂縮、與時俱進的趨勢。
復又按照「經濟合作暨發展組織」（Organisation for Economic Cooperation and Development，OECD）之估衡，全球港口的貨櫃裝卸量在2030年時，將近乎為2020年時的4倍、2050年更將增長至2020年時的5～6倍，而肩負航運貿易輸出入與物流運輸重任的商港，工作量必將逐年繁重，故而全球各大港口均戮力於優化升級，透過5G、物聯網（Internet of Things，IOT）、區塊鏈（Blockchain，註2）、人工智慧（Artificial Intelligence，AI）以及無人載具等智慧科技，使其可應用於「優化港埠營運系統」與「整合港口與物流鏈系統」等諸多系統，積極提升作業效率，轉型為功能廣泛的智慧型態港口。
因為科技的突飛猛進，以致在近30年以來全世界在生活上大幅步入電子化、數位化的智慧時代，不僅是「百年銳於千載」，更煞是「世代勝乎世紀」。大勢所趨之下，無論是個人生活或是各行各界的業務領域，皆受科技的引導而轉為愈益進步便利的層級，港埠的經營管理亦是此然。「智慧港口」正是由斯應運而生，乃在善用新興科技下使港口逐步成為可充分自動化並高效完成貨物裝卸、指引船舶入出港區的智慧港。此當中，足可作為媒介的科技，包括有Big data、AI、IOT以及資通訊科技（Information and Communication Technology，ICT）等。全球各個海洋國家，尤其是工商繁榮、科技進步者，已不乏得見推出智慧港口的方案及具體事例，西歐的荷蘭鹿特丹港、東南亞的新加坡港以及台灣的高雄港、基隆港等諸多商港，俱已邁進智慧港口之行列（註3）。
依港務營運業者於近年來之實務經驗得知，今際全球港口係面臨有經營管理、港區壅塞、人員安全與環保永續等亟待化解的要務，此等事項尚會互動牽引。諸如場區棧埠的壅塞不僅將會延遲裝卸作業，並將因為船舶停靠碼頭前引擎較長時間的空轉（船舶靠泊碼頭後可改從陸岸接電而關閉引擎），增加排放二氧化碳而對港內空氣造成污染、損及環境衛生；在經營管理上，則基於有限的運作空間，致使逾3/4的港口營運商幾乎皆將碼頭、港區的改善營運視為首要之變革大任；另據「歐洲海事安全局」（European Maritime Safety Agency，EMSA）近年來公布之資料顯示，近42%的海運傷亡、意外事故竟係發生於港區，顯示港口的確有加強維護人員安全之必要（註4）。
上述4大亟待化解之要務，實際上皆得倚由5G科技在港內的擴大應用而迎刃化解。譬如，若可迅速的在各工作環節下達指令，藉之革新經營並提升作業效率必可減少港區的壅塞，繼而減少船舶在繫泊完妥之前的排放廢氣而增進環保，工作人員亦可因為作業程序的穩定一致而增益標準化效果，同時著收固守安全的成效。5G通聯在各方面足可收致的裨益，實係「善莫多焉」！
建置有精準通聯設施之商港，始能迅速高效的引領船舶入出港區和完成作業
歐盟是最早萌生發展5G技術以優化核心港口的組織，歐盟委員會於2010年代期間所推出名為「Horizon 2020」（展望2020）之科技施行框架中，便將另一取名為「COREALIS」的「未來港口」計畫列入為重大方案，計畫執行期間係自2018年1月至2021年4月，運用經費累計有515萬歐元。該計畫之框架包羅有物聯網、流量管理、數據分析及新興5G網路在內的創新技術，以應對港口未來面臨的各種變化與挑戰，兼可改善城市環境。投入該一計畫的港口，計有比利時安特衛普港、希臘比雷埃夫斯港、西班牙瓦倫西亞港、義大利利沃諾港以及芬蘭哈米納科卡港等港口，不但可改善物流裝卸操作，並可減少船舶閒置時間與貨物待運時間，同時減少二氧化碳之排放。
依據歐盟於2020年提出的「電子化全球供應鏈世代物聯網解決方案」（Next-Generation IoT solutions for the Universal Supply chain，i-NGENIOUS），得應用次世代物聯網技術與加值數位化作為未來的供應鏈服務，涵蓋範圍為歐洲8個國家（計為德國、波蘭、芬蘭、法國、愛爾蘭、義大利、西班牙與盧森堡）及21個合作夥伴。並可透過AI技術和在於管理港區的訊息數據，進行物流排程之連貫工作與貨物船舶間之裝卸動作程序等，建立更為安全的工作環境並且提高作業效率（註5）。
復以義大利利沃諾（Livorno）港口藉由5G網路，以連接IoT設備所建構出的即時自動化應用為例，得經由光學雷達、行動應用程式、寬動態範圍移動偵測鏡頭（Wide Dynamic Range，WDR）等設施，識別追蹤區域內每個貨運物件的確切位置，而立即與資料庫系統結合，達到準確控制後續動作之目的，且得具體改善貨物運輸之自動化程度。其直接效益得提高在碼頭內操作貨物的可靠程度、減少所需的移動次數和堆場設備的總里程，同時減少港口堆場中的人員配置以及提高安全性，兼得及於一般貨物管理流程上的高度自動化等多項。
為歐洲最大商港的荷蘭鹿特丹港，則是與IBM、Cisco等公司密切合作，建置有完備的船舶航行聯網架構，係在整個港區長達42公里的海、陸兩邊側帶，裝設眾多而適量的感測器，據以蒐集有關潮汐、洋流、溫度、風速、水位、泊位及能見度等多種水文與氣候方面之可用性資訊，並整合成儀表型態之訊息且立即傳達至船長、領航人員暨相關港口經營管理單位，踐履安全、高效的港口營運。
從鹿特丹港口高層的說明當可得知，該港每年計有逾10萬艘船舶入出港區，猶在20世紀晚期每排定一艘貨櫃船停泊碼頭以卸貨，往往必須耗費數個小時方可告成事務；然而，日後若是藉著雲端物聯網以分析大數據當可快速的擬妥策略，排定船舶於最適當時間抵臨或離開港口，顯著縮減船舶等候時間，從而節省航運業者至為可觀的泊港費用，港口經營部門亦得因而避免塞港事件之釀發。鹿特丹港現已訂立於2025年落實「港內航運連網」（connected shipping）的目標，嗣後等待入港的船舶無須再倚恃引水人的代駛方能入港，各種船舶得遵循來自港內的指示或作好設定即可在港區水道自動航行，甚至得由船舶在港區內外自動航駛，此等需求乃是促成「自駕船」（Autonomous Surface Vehicle，又稱無人服務船或無人船）及早應世的有力動機之一。
日本在自駕船的研發領域尤有領先群倫之處，早即於2010年代末期發展出號稱全球自動航駛里程最長的「自駕船」，並且歷經不斷的測試改良而可迭增功能。此等自駕船的開發，是被納入於日本政府「策略性創新計畫」（Strategic Innovation Program）之環項。自動駕駛科技必須搭配港口的「自動靠泊系統」方可成事，後者是透過得與衛星定位技術相結合的RTK-GNSS技術，以及透過高精準度的定位數據，將船隻準確引導至指定的碼頭或泊位，以協助船員在船舶靠岸上的操作。在小型船隻的應用可順利無虞後，則可轉用於大型的商船，並可因應不同的商務需求而對客戶提供客製化服務，進而拓展宏遠的商業利益（註6）。
臺灣港務公司在此等領域實亦不遑多讓，業已啟動喚作「Trans-SMART」的智慧領航計畫，並期許藉由智慧科技營造成創新永續的現代化商港。在該計畫中，擁有7個重要的智慧港口轉型行動方案於內－－船舶操航智慧輔助系統、物聯網海氣象即時系統、智能港灣調度整合系統、海事機器人、港區智慧交通系統、智慧監控管理系統，以及自動化貨櫃碼頭。爾後，當可即時掌握港口的天候、水文多項訊息，經過智慧分析而對異常狀況提供警示，並可提供自動化指令以增進碼頭更有效的使用及港口作業效率。
另如區塊鏈技術則得讓物聯網裝置轉為資訊接收節點，像是若於貨櫃上方裝設感測器便可結合5G網路傳達訊息，感測器當可隨時監測貨物的實況以利管理者掌握，舉凡過往必須端賴人力審查且必須耗時良久之過程，當下只要經由區塊鏈技術則自貨物被裝進於貨櫃而至卸載的全部步驟，咸可經由系統瞭若指掌。如斯為之，非但貨櫃可愈易被追蹤控管，亦可增進不同部門之間的資訊流通共享，從而加速貨櫃移動作業並增進交易程序中的金流支付，同時及早完成稅務報關與審核，如於片刻之內便可倏即將航商的出貨與海關的通關作業處理完妥（註7）。
（待續）
附註
1、按「美國無線通訊產業協會」（Cellular Telecommunic ations Industry Association，CTIA）之界定－－「1G」僅擁有2.4kb/s的傳輸速率，但已突破早昔定點式撥打電話之限制；「2G」速率介於56～114kb/s之間，可實現語音通訊數位化，並透過手機上的小螢幕傳遞文字內容，開啟簡訊時代；「3G」因已擁有384kb/s速率，乃可讓使用者瀏覽網站與串流音樂；「4G」的連線速度則大幅提高至10～20Mb/s，不僅是大舉推動應用程式（App）的利器，並可更帶動社群網站的發展；「5G」的傳輸速度更可比4G快上10餘倍（理論上可達百倍），而更具高速（speed）、廣連（connections）和低延遲（latency）3項特性，後兩者對產業發展影響尤其顯著。
台灣國家實驗研究院「科技政策研究與資訊中心」表示，為提升5G覆蓋率及傳輸性能，除了持續利用既有的授權頻段以外，5G亦納入6GHz以下（Sub-6GHz）頻段與「毫米波」頻段，目前的4G技術則亦繼續發展並兼有6GHz以下頻段之互補技術，此舉得反映電信業者不致因為亟力發展5G而完全忽略4G。至於毫米波，係指波長為1～10毫米的電磁波，乃位於微波與遠紅外線相交疊的波長範圍，因此兼有2種波譜的特點，而遠紅外線則指在光譜上位於15～1,000µm區域的光波，仍屬於紅外線的波長範圍。
不過，由於5G高頻毫米波容易被干擾，因此需建置數量更多的基地台，甫能達到欲期的覆蓋率，並規劃日後可視需要於紅綠燈、路燈柱頂裝設5G微型基地台（small cell）以提高其密度，即智慧共桿效應，另述如註9。此外，5G微型基地台搭配縮小天線和「波束成形」（Beamforming，是一種使用傳感器陣列定向發送和接收信號的處理技術，使得某些角度的信號可獲得「相長干涉」，而若干角度的信號卻獲得「相消干涉」）乃可強化對特性方向發送訊號之發展，其技術瓶頸已獲得克服。
2、區塊鏈主要是將資料分別儲存在不同的雲端上，計算和儲存都是分散式者，其每個節點都需要自我驗證、傳遞和管理。去中心化的核心宗旨，可讓使用者無須依靠管理機構和硬體設施，便可達到資料共享性。
3、以荷蘭鹿特丹港務局提出之智慧港口4個發展階段的規劃藍圖為例－－其港口發展進程的第1階段為「港口各項資訊數位化」，第2、3階段各是「港口系統整合」和「物流鏈整合」，第4階段則是「全球物流鏈的連結」。綜言之，係透過整合港、城之間的智慧交通系統，使得港、市的運輸和聯外交通愈加的順暢。東亞國家在此等方面的表現，實也不遑多讓於歐洲國家，例如台灣的各大國際商港，已在訂名為「Trans-SMART」（Transform Sustainable, Modern and Advanced ports with Revolutionary Technology）的方案下，陸續推展港埠的智慧科技，建構台灣港口整體發展藍圖，使「港群」得更高效、更方便的運行。港務公司高層主管表示，台灣的港群業已設置有專屬的航港資料庫，得以之為基礎同時導入智能科技，善加運用大數據來從事分析，創發為營運愈便捷、效率愈高超的現代化港口。
4、復以義大利的利沃諾港作說明，自經由5G網路所建構出的數位自動化起，已具體改善貨櫃運作流程中的場站運輸及「關鍵績效指標」（Key Performance Indicators，KPI），不僅翌年間的船舶作業完成時間減少了13%（如堆高機使用時間便減少約17%），而且在減碳方面也獲有8.25%的收效。每年並可節省約6,000萬美元之營運成本，此一案例亦足可印證智慧港口確可保障永續經營，以及與作業人員安全攸關的直接、間接效益。
5、COREALIS未來港口計畫及iNGENIOUS方案的主要發展服務項目，涵蓋有即時自動化港口（Real Time Port，RTPORT）、貨櫃碼頭作業模擬程式（PORTMOD）、資產維護預測（COREALIS Predictor）、貨物流優化服務（COREALIS Cargo Flow Optimizer）、綠色卡車服務（Green Truck initiative）以及供應鏈整合，不僅得與5G技術連接俾力行港口機械的遠端控制，尚可透過虛擬實境與擴增實境等觸覺設備，來提高機械操作的安全性。以貨櫃碼頭作業模擬程式為例，可經由5G網路實施貨運終端即時控制系統，模擬程式則參照貨運站位置、路徑，配合貨櫃站作業系統而模擬出最佳運行路線。
6、日本郵船株式會社（NYK），早從2016年起即投入船舶自動化導航的研究，亦透過研究人工智慧（AI）協助自主航行的推動，因為其不遺餘力的努力，並且已於2019年9月中旬，在各界原本並不知悉、了無預期之下，應用由其與JAMSTEC共同開發的「Sherpa System for Real navigation system」（SSR）船舶導航系統，名為「Iris Leader」號之大型商船上完成了自主航行與靠泊的測試。日本郵船公司表示，其之完成全球首次船舶自動駕駛測試，乃是依據國際海事組織（IMO）發布的「海上自主水面船舶」之試航暫行指南（Interim Guide）和「船舶避撞規則」以進行測試，故得符於國際規範。其所締創之重大成果足可顯示日本在MASS（Maritime Autonomous Surface Ship，即海上自駕船）的研發上，當已遙遙領先諸多海洋大國，日後並將日新又新的力求精進。
7、臺灣港務公司的網路系統亦得結合關貿網路，發展有「智慧港埠區塊鏈與e港通服務平台」，係透過區塊鏈的安全性與即時效度，創造整合貨流、財務、通關、貿易等資訊流的共用機制，還可與資訊交換過程之外的協力業者如金融、保險事業相併合，以促進繁複交易過程的扁平化與增效。
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