面向智慧港口的5G融合組網(wǎng)方案研究

敖 婷

（中移（上海）信息通信科技有限公司，上海 201206）

0 引 言

港口作為一個(gè)國家或地區(qū)位于海岸的門戶，是綜合交通運(yùn)輸樞紐，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著舉足輕重的作用。在“工業(yè)4.0”和“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展的大時(shí)代背景下，港口也存在著進(jìn)行數(shù)字化、全自動(dòng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求。對(duì)此我國多次提出了要建設(shè)智慧化港口的政策和指導(dǎo)性意見，廣泛開展了港口智能化、數(shù)字化研究和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。

2019年11月6日，中國交通運(yùn)輸部聯(lián)合多部委印發(fā)了《關(guān)于建設(shè)世界一流港口的指導(dǎo)意見》，提出到2025年，世界一流港口建設(shè)取得重要進(jìn)展。2022年3月，交通運(yùn)輸部印發(fā)了《水運(yùn)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，提出了“強(qiáng)基優(yōu)能，打造高能級(jí)港口樞紐”等八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。2020年10月，IMT-2020（5G）推動(dòng)組發(fā)布了《智慧港口5G應(yīng)用》白皮書，系統(tǒng)總結(jié)了5G+智慧港口業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求和潛在的港口5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)。此外，中遠(yuǎn)海運(yùn)港口有限公司、中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司、中國移動(dòng)還聯(lián)合發(fā)布了《5G智慧港口實(shí)施方案和路線圖》，提出了5G智慧港口的定義和建設(shè)愿景。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也在2019年全面鋪開，截至2022年3月，中國移動(dòng)累計(jì)建設(shè)5G基站超80萬座，計(jì)劃2022年底5G基站數(shù)累計(jì)超過100萬站。通過充分發(fā)揮2.6 GHz/4.9 GHz容量優(yōu)勢(shì)和700 MHz覆蓋優(yōu)勢(shì)，多頻協(xié)同、高效部署，可以更進(jìn)一步提升重點(diǎn)區(qū)域（如交通樞紐、港口、車流量高的高速公路等）的5G網(wǎng)絡(luò)能力。

5G基本滿足了大部分垂直行業(yè)的各類差異化通信需求，如何利用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶動(dòng)港口朝著自動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字信息化方向快速發(fā)展，通信行業(yè)聯(lián)合交通運(yùn)輸行業(yè)共同進(jìn)行了相關(guān)方案技術(shù)上的研究和應(yīng)用實(shí)施上的探索。

1 智慧港口自動(dòng)化業(yè)務(wù)

1.1 5大關(guān)鍵業(yè)務(wù)

結(jié)合港口的船舶裝卸、水平運(yùn)輸、堆場(chǎng)裝卸等主要環(huán)節(jié)，可以為智慧港口梳理出以下幾大自動(dòng)化業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

1.1.1 船岸協(xié)同靠離泊

船和岸（港口）之間通過5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶及船上系統(tǒng)信息、船舶靠離泊全方位環(huán)境感知等信息的高速交互，實(shí)現(xiàn)船-船、船-岸之間的信息互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程控制和自主靠離泊，提高船舶航行的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性[1]。

1.1.2 港機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程遙控

借助5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延特性對(duì)港口的港機(jī)設(shè)備如岸邊集裝箱起重機(jī)、輪胎式集裝箱門式起重機(jī)、軌道式集裝箱門式起重機(jī)等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)港區(qū)垂直運(yùn)輸常態(tài)作業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。遠(yuǎn)程控制岸邊集裝箱起重機(jī)，將集裝箱從船上卸貨；在堆場(chǎng)中遠(yuǎn)程控制集裝箱門式起重機(jī)，將集裝箱裝在外集卡上（反向同理）[2]。

1.1.3 無人集卡自動(dòng)駕駛

借助5G網(wǎng)絡(luò)多連接的優(yōu)勢(shì)，港口生產(chǎn)管理系統(tǒng)根據(jù)碼頭運(yùn)輸任務(wù)對(duì)無人集卡下發(fā)自動(dòng)路徑規(guī)劃并進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，指導(dǎo)無人集卡自動(dòng)駕駛，對(duì)無人集卡進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。無人集卡根據(jù)調(diào)度任務(wù)指令自主駕駛，實(shí)現(xiàn)集裝箱從岸邊起重機(jī)到堆場(chǎng)起重機(jī)的集裝箱運(yùn)輸[3]。此時(shí)的無人集卡應(yīng)該具備L4級(jí)自動(dòng)駕駛等級(jí)，同時(shí)具備自動(dòng)導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、自動(dòng)識(shí)別以及自動(dòng)避讓等功能。

1.1.4 無人集卡遠(yuǎn)程遙控接管

借助5G網(wǎng)絡(luò)多連接、大帶寬、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)，在出行異常、路況異常等無人集卡無法繼續(xù)自動(dòng)駕駛的情況下，需要對(duì)無人集卡實(shí)施遠(yuǎn)程駕駛操作。通過單車狀態(tài)上傳、本地實(shí)施視頻上傳、遠(yuǎn)程指令下發(fā)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等系列操作和信息交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控駕駛艙對(duì)無人集卡的遠(yuǎn)程遙控駕駛操作。

1.1.5 智能理貨

借助5G網(wǎng)絡(luò)、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等多種信息通信領(lǐng)域技術(shù)（Information and Communications Technology，ICT）實(shí)現(xiàn)港口貨物裝卸理貨的自動(dòng)化流程，包括集裝箱、散裝貨及裝拆箱等理貨業(yè)務(wù)，需要支持多路高清攝像機(jī)獲取貨物外觀圖像回傳或作業(yè)數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入、理貨要素自動(dòng)識(shí)別與比對(duì)、貨物積載定位、貨物殘損鑒定、理貨結(jié)果實(shí)時(shí)同步與單證自動(dòng)生成等。

1.2 通信需求

港區(qū)關(guān)鍵自動(dòng)化業(yè)務(wù)均涉及到控制流業(yè)務(wù)與視頻監(jiān)視流業(yè)務(wù)，控制流對(duì)時(shí)延要求較高，視頻流業(yè)務(wù)對(duì)上行帶寬要求較高，具體如表1所示。

表1 港口業(yè)務(wù)的通信需求

2 智慧化港口的5G網(wǎng)絡(luò)融合

2.1 港口網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀

目前的港口系統(tǒng)多，通信方式也多，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基本還是有線方式，如以太網(wǎng)、光纖、波導(dǎo)管等，并結(jié)合部分Wi-Fi、無線專網(wǎng)來滿足基本的辦公、生產(chǎn)作業(yè)、業(yè)務(wù)管理等各方面需求。

對(duì)于傳統(tǒng)辦公、管理相關(guān)的業(yè)務(wù)基本用以太網(wǎng)、光纖、Wi-Fi等方式來建網(wǎng)，而對(duì)于一些具有一定移動(dòng)性的集裝箱碼頭等作業(yè)區(qū)域，初期也是通過光纖、波導(dǎo)管或無線專網(wǎng)等方式進(jìn)行通信。光纖通信雖然保證了可靠性和帶寬，但靈活性上卻受到了制約，只能在同一堆場(chǎng)操作，如果需要轉(zhuǎn)場(chǎng)，則需要人工協(xié)助，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且后期改造會(huì)嚴(yán)重影響作業(yè)生產(chǎn)。隨后，有的港口采用波導(dǎo)管加局部轉(zhuǎn)場(chǎng)無線覆蓋通信，其優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行電纜卷盤改造，轉(zhuǎn)場(chǎng)相對(duì)電纜卷盤靈活，缺點(diǎn)是需要在輪胎式門式起重機(jī)大車側(cè)面建設(shè)通信架用于固定的波導(dǎo)管架，對(duì)集場(chǎng)的道路交通有較大影響，同時(shí)土建改造和日后維護(hù)要求也很高。

因此，綜合考慮港區(qū)的各個(gè)應(yīng)用業(yè)務(wù)以及不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署、安全、覆蓋、工況、運(yùn)維和運(yùn)營等各個(gè)方面，基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)形成一套統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)解決方案，將港口網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，符合智慧化港口的發(fā)展方向。

2.2 面向港口的5G融合組網(wǎng)方案

港口自動(dòng)化最為典型的2大業(yè)務(wù)是無人集卡的水平運(yùn)輸以及港機(jī)設(shè)備的垂直運(yùn)輸。遠(yuǎn)程控制場(chǎng)景業(yè)務(wù)流程復(fù)雜，涉及大量的交互數(shù)據(jù)，如控制數(shù)據(jù)流和視頻流等，其中控制流有很高的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求，而視頻流則需要網(wǎng)絡(luò)上行超強(qiáng)帶寬的保證，因此對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、上行帶寬提出了非常高的要求[4]。

港區(qū)內(nèi)的融合網(wǎng)絡(luò)包括了港區(qū)網(wǎng)、5G移動(dòng)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心以及遠(yuǎn)控中心。其中，港區(qū)網(wǎng)主要是用于為港區(qū)業(yè)務(wù)提供交通、環(huán)境等的感知，可以采用Wi-Fi等通信鏈路，實(shí)現(xiàn)路側(cè)數(shù)據(jù)到機(jī)房核心交換機(jī)的匯聚，云平臺(tái)對(duì)全域感知數(shù)據(jù)的分析處理。5G移動(dòng)網(wǎng)主要用于支持各類有移動(dòng)需求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，港區(qū)管理系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡(luò)收集無人集卡車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、采集的視頻數(shù)據(jù)等。同時(shí)，港區(qū)管理系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡(luò)為港區(qū)移動(dòng)設(shè)備（如港機(jī)起重機(jī)、無人集卡等）提供相應(yīng)的服務(wù)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)中心位于港口機(jī)房大樓，是港口正常運(yùn)轉(zhuǎn)的中樞所在，主要用于生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲(chǔ)，并協(xié)同港區(qū)網(wǎng)和5G移動(dòng)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信，確保任務(wù)的正常開展。遠(yuǎn)控中心配備各類工業(yè)控制器、遠(yuǎn)控系統(tǒng)、顯示器和操作臺(tái)，主要用于生產(chǎn)作業(yè)的遠(yuǎn)程遙控。部署在港區(qū)內(nèi)可以降低時(shí)延，和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，接收來自港區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施采集的各類交通、環(huán)境數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程控制港區(qū)移動(dòng)設(shè)備提供依據(jù)和支撐。

為了將港區(qū)網(wǎng)和5G移動(dòng)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層面互連，利用5G網(wǎng)絡(luò)控制面與數(shù)據(jù)面的分離特性，將5G數(shù)據(jù)用戶面功能（User Plane Function，UPF）下沉到港區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，一方面可以保證數(shù)據(jù)不出園區(qū)，另一方面可以降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，滿足了港區(qū)實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)需求[5]。在本港區(qū)融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，通過UPF，港區(qū)移動(dòng)設(shè)備的相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以由5G信號(hào)直接接入港口的管理系統(tǒng)中。同時(shí)，為了能更高效地將港區(qū)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入5G移動(dòng)網(wǎng)的業(yè)務(wù)層面，建議在港區(qū)網(wǎng)中引入路側(cè)計(jì)算網(wǎng)元，將港口的各類感知監(jiān)測(cè)設(shè)備、管控設(shè)備等接入該路側(cè)計(jì)算網(wǎng)元中，通過港區(qū)網(wǎng)將該路側(cè)計(jì)算設(shè)備接入到港區(qū)的數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)中。這里部署的路側(cè)計(jì)算設(shè)備可以接近監(jiān)測(cè)設(shè)備側(cè)，采用分布部署的方式，重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)部署。此外，也可以靠近港區(qū)數(shù)據(jù)中心側(cè)，提前對(duì)進(jìn)入到數(shù)據(jù)中心的海量感知數(shù)據(jù)過濾清洗，確保數(shù)據(jù)的安全性和有效性。

引入路側(cè)計(jì)算網(wǎng)元主要對(duì)接入數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算分析，可以提供更高精度和更可靠的融合感知結(jié)果，完成目標(biāo)的識(shí)別、分類、追蹤以及軌跡拼接等，并將相關(guān)計(jì)算結(jié)果以結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形式上傳至港區(qū)管理系統(tǒng)。

路側(cè)計(jì)算網(wǎng)元上傳給港區(qū)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的感知數(shù)據(jù)主要包括了港區(qū)內(nèi)的車輛數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、道路狀態(tài)數(shù)據(jù)、交通事件數(shù)據(jù)以及交通態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)等。港區(qū)管理系統(tǒng)從路側(cè)計(jì)算設(shè)備融合感知的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、無人集卡上報(bào)的車輛狀態(tài)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)合對(duì)港區(qū)環(huán)境的感知獲取，根據(jù)港區(qū)或港口集團(tuán)下發(fā)的裝、卸貨調(diào)度任務(wù)，解析為對(duì)應(yīng)的任務(wù)動(dòng)作指令，如5G通信網(wǎng)絡(luò)給港區(qū)移動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備（無人集卡、港機(jī)）下發(fā)路徑規(guī)劃、線路指引、操作指引和遠(yuǎn)程遙控駕駛等相關(guān)控制信息指令。

2.3 實(shí)現(xiàn)“1+1＞2”

通過本融合組網(wǎng)方案，可以充分利用港口網(wǎng)的各類信息數(shù)據(jù)，處理分析后通過5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)再服務(wù)于港口的各類自動(dòng)化業(yè)務(wù)。該方案可以充分利用現(xiàn)有港口網(wǎng)資源，避免港區(qū)內(nèi)大量基礎(chǔ)設(shè)施重復(fù)建設(shè)。由于充分利用了港區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施及其相關(guān)數(shù)據(jù)采集，依托港區(qū)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，在很大程度上減少了對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)上行帶寬的需求，避免了因上行帶寬不足導(dǎo)致港區(qū)遠(yuǎn)控業(yè)務(wù)無法實(shí)施的問題。部分功能需求（如感知、計(jì)算等）轉(zhuǎn)移到了港區(qū)側(cè)，盡可能降低了對(duì)港區(qū)移動(dòng)生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備的配置要求，降低了設(shè)備成本。此外，提高整體港口通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，幫助港口設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)同步協(xié)調(diào)，提升港口作業(yè)效率和智能化水平。

3 結(jié) 論

鑒于港口業(yè)務(wù)的多樣性、復(fù)雜性，在對(duì)港口進(jìn)行自動(dòng)化改造的過程中，除了需要應(yīng)用5G移動(dòng)通信技術(shù)外，還要結(jié)合高清地圖、高精定位、北斗、大數(shù)據(jù)、人工智能等多種技術(shù)，因此智慧港口的發(fā)展必然是階段式、分步驟的。基于5G新基建，與港區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、港口運(yùn)輸業(yè)務(wù)深度融合，實(shí)現(xiàn)港口資源的最優(yōu)化配置，符合港口向著信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化方向轉(zhuǎn)型的需要，也是智慧港口演進(jìn)過程的必經(jīng)之路。在后續(xù)智慧港口網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)該更加聚焦港口運(yùn)營、生產(chǎn)、安全、綠色等業(yè)務(wù)需求的細(xì)化，進(jìn)一步打造ICT技術(shù)和港口生產(chǎn)經(jīng)營發(fā)展的深度融合，從而為不同業(yè)務(wù)提供更加精準(zhǔn)、高效的定制化通信服務(wù)。