“智慧長江”信息化建設(shè)需求和技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究

葉凡

（交通運(yùn)輸部長江通信管理局，湖北 武漢 430014）

1 研究背景

長江航務(wù)管理局2023 年工作會(huì)明確“131”“智慧長江”建設(shè)路徑，即構(gòu)建長江航運(yùn)信用管理體系；打造長江航運(yùn)智能管理平臺(tái)、綜合保障平臺(tái)和公共服務(wù)平臺(tái)；規(guī)范建設(shè)統(tǒng)一開放的長江航運(yùn)市場。

2 “智慧長江”信息化建設(shè)需求分析

本文將長江航運(yùn)水上業(yè)務(wù)應(yīng)用分為智慧海事、智慧船舶、智慧航道、船員用戶等四個(gè)主要場景，部分基于5G 的業(yè)務(wù)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)要求如表1。

表1 5G 智慧航運(yùn)應(yīng)用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)要求

3 “智慧長江”無線寬帶覆蓋實(shí)現(xiàn)方案分析

長江上游船只密度低，業(yè)務(wù)需求量較少，典型覆蓋需求為大覆蓋，低容量。三峽壩區(qū)典型覆蓋需求為中覆蓋，中容量。長江中游包括城市、港口等復(fù)雜場景，2B/2C 業(yè)務(wù)混合度高，典型覆蓋需求為大容量，小覆蓋。長江下游船只密度高，屬于大上行帶寬的業(yè)務(wù)場景，典型覆蓋需求為大覆蓋，大容量。

3.1 岸基基站高中低多頻組合實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋

長江中上游江面較窄，約2～4km，中下游入海口最寬處達(dá)10～20km；采用運(yùn)營商4.9G/2.6G/700M 等高中低頻段，高低頻協(xié)同搭配，結(jié)合超遠(yuǎn)覆蓋技術(shù)，覆蓋半徑可達(dá)2～50km。岸基基站垂直4 波束，可以兼顧水平和垂直立體覆蓋，滿足長江航道各高度終端接入需求。航道的站點(diǎn)規(guī)劃和仿真效果預(yù)測，需要經(jīng)過toG/toB/toC 混合業(yè)務(wù)目標(biāo)設(shè)定、智慧航道沿岸地圖精準(zhǔn)建模、江面仿真?zhèn)鞑ツＰ?、航道站點(diǎn)規(guī)劃、航道RF 參數(shù)規(guī)劃（包括站高、方位角、傾角、多站點(diǎn)協(xié)同RF 參數(shù)自動(dòng)尋優(yōu)）、航道用戶級(jí)toG/toB/toC 容量規(guī)劃等幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

3.2 微基站船+CPE 回傳的relay 覆蓋

岸基基站為主網(wǎng)，船舶及標(biāo)志船攜帶基站能力，進(jìn)行二級(jí)延伸組網(wǎng)。采用躉船大功率站+標(biāo)志船小功率站和岸基大功率站+標(biāo)志船小功率站覆蓋相結(jié)合的模式，大功率站和標(biāo)志船小功率站之間用CPE 回傳，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的功能，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)級(jí)聯(lián)（如圖1）。

圖1 兩級(jí)級(jí)聯(lián)覆蓋示意圖

3.3 方案建議

從內(nèi)河航運(yùn)覆蓋的特征來看，700M/2.6GHz 等中低頻段覆蓋半徑可達(dá)2～50km，保障的業(yè)務(wù)速率高達(dá)50-300Mbps，能夠滿足信號(hào)覆蓋和帶寬容量需求。同時(shí)，沿用運(yùn)營商大網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈，將極大降低端到端設(shè)備的建造成本。采用微基站船+CPE 回傳的relay 覆蓋方式存在設(shè)備可靠性、供電可靠性、傳輸可靠性的極大挑戰(zhàn)。

建議在長江主航道及重點(diǎn)港口、錨地等場景采用以岸基宏站為主，在長航駁船及沿江橋梁增加補(bǔ)點(diǎn)基站為輔，結(jié)合船載信號(hào)增強(qiáng)接收的方案，滿足船舶安全、海事執(zhí)法、智慧航道等生產(chǎn)性應(yīng)用的需求；在部分水上服務(wù)區(qū)、小型碼頭、支線等場景采用微基站船+CPE 回傳的relay 覆蓋方式，滿足船員購物、上網(wǎng)等服務(wù)型應(yīng)用的需求。

3.4 長江干線分場景的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分析

（1）城區(qū)航道。如武漢段，業(yè)務(wù)模型考慮每公里5 艘，每艘船需求6Mbps 計(jì)算，考慮海事執(zhí)法、航道巡檢、信息回傳等，每公里江面總的上行業(yè)務(wù)需求約15+6×5+8=53Mbps。并且在此場景ToB/ToC 業(yè)務(wù)混合度高，基站要兼顧江面ToB 用戶和岸邊ToC 用戶體驗(yàn)。

（2）郊區(qū)航道。郊區(qū)場景空曠，ToC 用戶較少，場景需求主要是ToB 業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)考慮每公里3 艘船，每艘船需求按照6Mbps 計(jì)算，考慮海事與航道業(yè)務(wù)并發(fā)，江面總的上行業(yè)務(wù)需求約15+6×3+5=38Mbps。

可是，并沒有什么魚；他這才發(fā)現(xiàn)石頭里面有一條暗縫，那條魚已經(jīng)從那里鉆到了旁邊一個(gè)相連的大坑——坑里的水他一天一夜也舀不干。如果他早知道有這個(gè)暗縫，他一開始就會(huì)把它堵死，那條魚也就歸他所有了。他這樣想著，四肢無力地倒在潮濕的地上。起初，他只是輕輕地哭，過了一會(huì)，他就對著把他團(tuán)團(tuán)圍住的無情的荒原號(hào)陶大哭；后來，他又大聲抽噎了好久。

（3）山區(qū)航道。網(wǎng)絡(luò)需求主要是船舶ToB 業(yè)務(wù)。用戶相對城區(qū)航道分散，業(yè)務(wù)考慮每公里2 艘船舶，每艘船需求按照6Mbps 計(jì)算，考慮智慧海事與智慧航道業(yè)務(wù)并發(fā)，每公里上行容量需求15+6×2+5=32Mbps。

（4）局部熱點(diǎn)航道。局部熱點(diǎn)區(qū)域，用戶集中分布，容量需求高，以智慧錨地場景為例，每個(gè)錨地一般長2km，寬300m，ToB 業(yè)務(wù)可包含3 只海事船、120 只民用船只，區(qū)域內(nèi)ToB/ToC 混合場景，考慮業(yè)務(wù)并發(fā)，ToB 上行回傳帶寬需求超過200Mbps。

3.5 長江干線無線寬帶覆蓋的新技術(shù)

3.5.1 低空立體覆蓋

低空無人機(jī)具有明顯的上下行業(yè)務(wù)不對稱性。無人機(jī)應(yīng)用的上行要求從幾M 到上百M(fèi) 的速率，且隨著未來無人機(jī)高清視頻回傳要求的進(jìn)一步提升，蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無人機(jī)上行容量面臨較大挑戰(zhàn)，同時(shí)還需要考慮無人機(jī)上行帶來的干擾問題。5G 通過大帶寬，多天線精準(zhǔn)波束、高階調(diào)制、終端1T 變2T 等技術(shù)大幅提升了上行容量,同時(shí)在負(fù)載較高情況下(ToC 與ToB 共一張無線網(wǎng))，可以采用切片方式保障2B 上行業(yè)務(wù)需求。

3.5.2 5G 物聯(lián)網(wǎng)

RedCap 通過減少帶寬、減少M(fèi)IMO 層數(shù)以及放寬下行鏈路調(diào)制階數(shù)，從而降低基帶復(fù)雜性，減少所需接收分支的最小數(shù)量并允許在所有頻段中進(jìn)行半雙工(HD)操作，從而實(shí)現(xiàn)降低天線和射頻組件的材料成本。RedCap 在帶寬、功耗、天線設(shè)計(jì)和成本方面均介于eMBB 和LPWAN 之間，降低5G 部署和使用成本，加速5G 商用落地。

3.5.3 通感一體

通過部署4.9GHz 頻段通感一體基站，目前可對20公里內(nèi)船只的位置、速率、軌跡等系列數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，刷新率可達(dá)1 秒，并能檢測出未安裝GPS/BD 的船只信息。針對航運(yùn)場景，從距離、不同載重的船只進(jìn)行感知、分辨率、速率檢測、軌跡跟蹤等全面的感知能力驗(yàn)證。

3.5.4 5.5G 和6G 演進(jìn)

5.5G已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段，預(yù)計(jì)2025 年規(guī)模商用；6G 預(yù)計(jì)2026 年明確指標(biāo)定義，2028 年進(jìn)入試驗(yàn)階段，2030 年規(guī)模商用。6G 潛在應(yīng)用場景大部分在5.5G 中已包含，具有非常好的延續(xù)性。

4 長江航運(yùn)數(shù)智化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案分析

4.1 長江航運(yùn)大數(shù)據(jù)

接入北斗、AIS、CCTV、航標(biāo)定位、零排鉛封等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，清洗完善行政處罰等安全監(jiān)管數(shù)據(jù)，為長江海事智能管控平臺(tái)建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。初步實(shí)現(xiàn)“可視化”安全監(jiān)管?！耙粡垐D”集中展示各類監(jiān)管要素，實(shí)現(xiàn)危化品船舶抵港預(yù)警、船舶報(bào)港信息比對、超吃水預(yù)警、重點(diǎn)水域船舶流量監(jiān)測等相關(guān)功能，長江水上安全態(tài)勢一目了然。以實(shí)現(xiàn)對船舶、航道、航標(biāo)等航運(yùn)全要素“全面采集感知、多維可視化監(jiān)管、高效精準(zhǔn)實(shí)時(shí)服務(wù)”為方向，集道、標(biāo)、船、閘、橋、港為一體的電子航道圖/電子江圖 “一張圖”為底圖，建立智慧航運(yùn)業(yè)全面可視化感知監(jiān)管和航運(yùn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與發(fā)布平臺(tái)。

4.2 長江航運(yùn)輔助決策

航運(yùn)大數(shù)據(jù)輔助決策是基于相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訓(xùn)練長江航運(yùn)大模型，通過生成式人工智能實(shí)現(xiàn)數(shù)字航道“一張圖”、水上交通安全“一張圖”、應(yīng)急搜救指揮“一張圖”，通過數(shù)字可視化平臺(tái)全面掌握水上各類情況，并且針對重要數(shù)據(jù)信息可以進(jìn)行下鉆挖掘詳細(xì)數(shù)據(jù)。同時(shí)基于相關(guān)水運(yùn)業(yè)務(wù)的不同場景維度數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與業(yè)務(wù)挖掘，實(shí)時(shí)渲染技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與輸出，可直觀展現(xiàn)各種水上要素現(xiàn)狀、整體分布與發(fā)展態(tài)勢等，從而對重點(diǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)和航運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)展現(xiàn)。

4.3 長江航運(yùn)元宇宙

4.3.1 數(shù)字孿生智能航運(yùn)

通過長江航運(yùn)大數(shù)據(jù)治理、長江水上交通建模和仿真等，全面構(gòu)建數(shù)字孿生長江航運(yùn)體系架構(gòu)，包括5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)感知、智能終端、算力網(wǎng)絡(luò)、高精定位、高精航道圖。以用促建，推進(jìn)智慧海事、智慧航道、智慧船舶、智慧港口物流等上層應(yīng)用。

4.3.2 數(shù)字原生“智慧長江”

以長江航運(yùn)信息化底座為基礎(chǔ)，全面整合長江干線涉水企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，基于統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)，以多維數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和推理，運(yùn)用多模態(tài)大模型的自監(jiān)督學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、對抗學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字世界中跨行業(yè)、跨時(shí)間、跨空間自動(dòng)建立新的聯(lián)系、發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律、創(chuàng)造新的產(chǎn)品、構(gòu)建新的模式、提供新的服務(wù)。

5 “智慧長江”信息化建設(shè)推進(jìn)思路

一是加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。將5G、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、高精度定位等技術(shù)與航運(yùn)業(yè)深度融合，構(gòu)建陸?？仗煲惑w化監(jiān)管平臺(tái)。二是加強(qiáng)建設(shè)需求分析和功能規(guī)劃。統(tǒng)籌當(dāng)前業(yè)務(wù)上線需求和未來業(yè)務(wù)上線規(guī)劃，設(shè)計(jì)一張彈性擴(kuò)容的網(wǎng)絡(luò)，并考慮無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)、終端等領(lǐng)域。三是加強(qiáng)開放生態(tài)構(gòu)建和資源整合。長航&公網(wǎng)運(yùn)營商&設(shè)備制造商共同推動(dòng)多家通信設(shè)備提供商加入到5G 陣營中，一起推動(dòng)5G 智慧航運(yùn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷豐富5G 產(chǎn)業(yè)生態(tài)。四是積極打造服務(wù)品牌。拉通航運(yùn)、船舶、港口、能源行業(yè)的信息化需求，打造電化長江生態(tài)品牌；加強(qiáng)與電信運(yùn)營商合作，打造“長江新鏈”寬帶傳輸?shù)鬃?；統(tǒng)籌推進(jìn)業(yè)務(wù)融合、技術(shù)融合、數(shù)據(jù)融合，利用數(shù)字化放大、疊加、倍增作用，為長江航運(yùn)智能化筑牢數(shù)據(jù)應(yīng)用底座；加大對低空立體覆蓋、5G 物聯(lián)網(wǎng)、通感一體、5.5G 和6G 演進(jìn)等信息技術(shù)的試點(diǎn)和應(yīng)用，積極推進(jìn)與運(yùn)營商、航運(yùn)企業(yè)、能源企業(yè)的融合創(chuàng)新。五是全面擴(kuò)大服務(wù)場景。5G 網(wǎng)絡(luò)兼顧專網(wǎng)的功能同時(shí)服務(wù)相關(guān)的政府單位、企業(yè)和個(gè)人用戶，通過為大眾提供5G 及相關(guān)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，可創(chuàng)造巨大社會(huì)價(jià)值。

6 結(jié)束語

“智慧長江”的信息化建設(shè)不僅需要航運(yùn)行業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)的科學(xué)規(guī)劃和技術(shù)指導(dǎo)，還要依靠相關(guān)行業(yè)人士的不斷努力，共同促進(jìn)航運(yùn)行業(yè)同其他行業(yè)間的交叉融合，全面推動(dòng)“智慧長江”信息化的發(fā)展和進(jìn)步。