雙5G通信技術(shù)在港口智能理貨系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

趙 萌，曲 濤

（山東港口科技集團(tuán)集團(tuán)煙臺(tái)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引 言

煙臺(tái)港集裝箱岸橋理貨作業(yè)由煙臺(tái)港外理公司和中聯(lián)理貨公司承擔(dān)，兩家公司仍在采用人工岸邊理貨的傳統(tǒng)方式。集裝箱碼頭作為一個(gè)勞動(dòng)密集型的行業(yè)，迫切需要通過引入新的技術(shù)，改變對(duì)現(xiàn)場人員數(shù)量和技能的要求。其中集裝箱碼頭的理貨作業(yè)是岸邊數(shù)量最多、工況最雜的崗位之一，理貨人員需要配合碼頭不間斷作業(yè)，風(fēng)吹日曬、作業(yè)機(jī)械繁雜，存在作業(yè)安全隱患，噪聲、尾氣、惡劣天氣等嚴(yán)重影響身心健康。所以，通過智能化改造實(shí)現(xiàn)理貨作業(yè)后撤成為傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)注重點(diǎn)。

在橋吊作業(yè)過程中，岸邊理貨員通過手持設(shè)備和紙質(zhì)登記，對(duì)集裝箱箱號(hào)、集裝箱殘損等信息進(jìn)行人工處理。人機(jī)處于同一作業(yè)環(huán)境，人員與機(jī)械交叉環(huán)境下，人員安全性難以保證。在岸邊理貨的過程中，人工需要繞車一周進(jìn)行確認(rèn)，平均一輛車至少需要1 min的時(shí)間。煙臺(tái)港的集裝箱理貨方式明顯落后，不能滿足實(shí)施煙臺(tái)港信息化建設(shè)要求，阻礙港口核心競爭力有效提升，所以，煙臺(tái)港“集裝箱智能化理貨系統(tǒng)”項(xiàng)目建設(shè)迫在眉睫、勢在必行。

不同于全自動(dòng)化碼頭，傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動(dòng)化改造既要考慮已有的投資，又要避免對(duì)業(yè)務(wù)連續(xù)性的影響。由于煙臺(tái)港國際集裝箱碼頭岸橋隨行電纜中不含光纖，岸橋移動(dòng)性較強(qiáng)，時(shí)常處于移動(dòng)中的狀態(tài)，且碼頭2.4 GHz、5.8 GHz網(wǎng)絡(luò)干擾嚴(yán)重。在這種狀態(tài)下，如何將岸橋上的視頻與生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，成為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸面臨的一個(gè)重大考驗(yàn)。面對(duì)如此大的改造難度，融合雙5G通信技術(shù)的智慧港口理貨系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。

作為經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要引擎，5G新一代通信技術(shù)突破了4G帶寬和時(shí)延有限、Wi-Fi不穩(wěn)定、光纖改造成本高的瓶頸制約，以其低時(shí)延、高帶寬和廣連接等特性，成功解決港口傳統(tǒng)碼頭無線網(wǎng)絡(luò)痛點(diǎn)需求。山東港口煙臺(tái)港集裝箱智能理貨系統(tǒng)，基于“專網(wǎng)5G+公網(wǎng)5G”雙5G通信方式，并同時(shí)部署了一套5.8G無線橋接通信作為備用鏈路，為傳統(tǒng)碼頭向自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1 雙5G技術(shù)應(yīng)用研究

港口地域廣闊，設(shè)備種類多、數(shù)量大，人員分散，高效溝通調(diào)度和全面的現(xiàn)場掌控是港口管理、提升效率的關(guān)鍵支撐手段。每年由于遠(yuǎn)程溝通不暢，現(xiàn)場異常狀況不能盡快全面了解掌握，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低、人力和時(shí)間成本的浪費(fèi)現(xiàn)象頻發(fā)。

1.1 智慧綠色港建設(shè)

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，給以往港區(qū)Wi-Fi、長期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evdution，LTE）、集群調(diào)度等多種網(wǎng)絡(luò)制式，語音調(diào)度和數(shù)據(jù)通信分別布設(shè)維護(hù)的現(xiàn)狀，提供了一個(gè)多網(wǎng)融合的新型綜合解決方案。借助最新的通信標(biāo)準(zhǔn)，5G無線通信可以為港口提供低時(shí)延、大帶寬、海量連接的高度可定制化網(wǎng)絡(luò)，使各種應(yīng)用應(yīng)用場景的不同網(wǎng)絡(luò)需求，都能在一張網(wǎng)絡(luò)上，通過邊緣計(jì)算、自有切片等方式，得以很好的支撐。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的定位功能可以讓服務(wù)端隨時(shí)獲得設(shè)備及人員的實(shí)時(shí)位置，給基于地圖的全面港區(qū)情況掌握、業(yè)務(wù)流程優(yōu)化、綜合調(diào)度提供高效的手段[4]。

通過聚焦智慧綠色港建設(shè)，實(shí)施頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)，山東港口科技集團(tuán)煙臺(tái)有限公司在推動(dòng)信息技術(shù)與港口業(yè)務(wù)深度融合，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化發(fā)展，專業(yè)化經(jīng)營，培育核心優(yōu)勢方面與中國電信煙臺(tái)分公司一同建設(shè)了煙臺(tái)港5G專網(wǎng)。經(jīng)過雙方領(lǐng)導(dǎo)的密切溝通，在前期合作的基礎(chǔ)上，計(jì)劃擴(kuò)大合作規(guī)模，對(duì)煙臺(tái)港下屬其他港口進(jìn)行5G專網(wǎng)建設(shè)，并建成一張煙臺(tái)港口5G定制網(wǎng)。

煙臺(tái)港集裝箱智能理貨系統(tǒng)建設(shè)既是機(jī)遇更是一項(xiàng)信息化建設(shè)方面的挑戰(zhàn)，主要包括幾個(gè)方面。

（1）集裝箱碼頭現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)條件較差。煙臺(tái)港國際集裝箱碼頭岸橋隨行電纜中不含光纖，岸橋移動(dòng)性較強(qiáng)，時(shí)常處于移動(dòng)中的狀態(tài)，且碼頭2.4 GHz、5.8 GHz網(wǎng)絡(luò)干擾嚴(yán)重。

（2）與岸橋控制系統(tǒng)對(duì)接工作復(fù)雜。由于9臺(tái)岸橋建設(shè)投產(chǎn)時(shí)間不同，9臺(tái)岸橋“可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）”品牌型號(hào)各不相同。為實(shí)現(xiàn)9臺(tái)岸橋下的智能理貨，需要針對(duì)每臺(tái)岸橋PLC進(jìn)行對(duì)接開發(fā)。

（3）傳統(tǒng)人工碼頭作業(yè)靈活性高。碼頭公司在通過人工進(jìn)行裝卸船作業(yè)時(shí)靈活性極高。作業(yè)過程中存在集裝箱寄橋、集卡車雙向行駛等自動(dòng)化碼頭基本不會(huì)出現(xiàn)的作業(yè)模式。對(duì)智能理貨系統(tǒng)“地空一體化立體識(shí)別”的要求更加苛刻。

（4）理貨情況復(fù)雜。煙臺(tái)港集裝箱理貨工作內(nèi)外理分開，外理工作由煙臺(tái)中理外輪理貨有限公司負(fù)責(zé)、內(nèi)理工作由煙臺(tái)中聯(lián)理貨有限公司和碼頭公司共同負(fù)責(zé)。如何針對(duì)不同公司的使用需求、業(yè)務(wù)流程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

作為經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要引擎，5G新一代通信技術(shù)突破了4G帶寬和時(shí)延有限、Wi-Fi不穩(wěn)定、光纖改造成本高的瓶頸制約，以其低時(shí)延、高帶寬和廣連接等特性，成功解決港口傳統(tǒng)碼頭無線網(wǎng)絡(luò)痛點(diǎn)需求。相比港口現(xiàn)有光纖與無線通信技術(shù)建設(shè)和運(yùn)維成本高、穩(wěn)定性與可靠性差等問題，5G技術(shù)的低時(shí)延、高帶寬、高可靠、大容量等特性，在港口物聯(lián)網(wǎng)中有無可比擬的優(yōu)勢，不僅僅在于降低港區(qū)內(nèi)的線纜敷設(shè)成本，而且也能通過高可靠網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)覆蓋，讓港區(qū)內(nèi)的設(shè)備不受移動(dòng)限制，在各種場景中不間斷過渡，為港口解決好自動(dòng)化設(shè)備的通信問題提供了全新方案。5G技術(shù)在無人駕駛、機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制、智慧安防、應(yīng)急指揮、智能理貨等方面有著廣闊的應(yīng)用前景,在智慧碼頭的建設(shè)運(yùn)營中能夠充分發(fā)揮差異化性能優(yōu)勢,突破傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式的局限性,大幅提高碼頭智能化作業(yè)效率,為改造傳統(tǒng)人工碼頭注入新的創(chuàng)新型動(dòng)力[5]。

1.2 專網(wǎng)5G+公網(wǎng)5G”雙5G通信方式

為解決港口岸橋數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，山東港口煙臺(tái)港與山東港口科技集團(tuán)煙臺(tái)公司共同攜手聯(lián)通、電信等運(yùn)營商，打造了一套高質(zhì)量、大帶寬、高穩(wěn)定的5G傳輸網(wǎng)絡(luò)。5G是一場通信領(lǐng)域的重要變革，它有著傳統(tǒng)通信無可比擬的信號(hào)傳輸速度，然而高頻傳輸意味著信號(hào)容易受到外界干擾，造成嚴(yán)重的信號(hào)衰減。為了充分發(fā)揮5G建設(shè)的效果，山東港口科技集團(tuán)煙臺(tái)公司組織技術(shù)人員充分論證5G基站建設(shè)方案，進(jìn)行實(shí)地勘察，優(yōu)化基站選址，在多個(gè)備選地址進(jìn)行了實(shí)地測試，經(jīng)過技術(shù)人員在碼頭一線的日夜奮戰(zhàn)，在集裝箱智能理貨項(xiàng)目設(shè)備安裝調(diào)試前順利完成了基站的搭建，完成了集裝箱岸橋、場橋等作業(yè)區(qū)域的5G信號(hào)全覆蓋，最終5G信號(hào)傳輸測試效果優(yōu)于預(yù)期。未來規(guī)劃實(shí)現(xiàn)煙臺(tái)港五大港區(qū)的5G信號(hào)全覆蓋，搭建港區(qū)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，服務(wù)港區(qū)綠色智慧應(yīng)用。

從5G的技術(shù)特性以及目前的應(yīng)用測試來看，5G通信技術(shù)可以較好地解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐袋c(diǎn)問題，特別是5G的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶為同時(shí)滿足智能理貨和岸橋遠(yuǎn)程控制所需要的高帶寬提供技術(shù)支撐，同時(shí)，5G高可靠低延時(shí)連接可為傳統(tǒng)岸橋的遠(yuǎn)程控制改造提供經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。在港口信息化建設(shè)中，5G技術(shù)帶來的人工成本和效率優(yōu)勢，使其在傳統(tǒng)碼頭的應(yīng)用成為一種趨勢，也為傳統(tǒng)理貨系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化升級(jí)帶來了新的技術(shù)變革。煙臺(tái)港集裝箱智能理貨系統(tǒng)成功應(yīng)用了基于“專網(wǎng)5G+公網(wǎng)5G”雙5G通信方式，為傳統(tǒng)碼頭向自動(dòng)化和智能化轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

（1）專網(wǎng)5G，順暢連接。集裝箱智能理貨系統(tǒng)專網(wǎng)5G方案，在煙臺(tái)港數(shù)據(jù)機(jī)房部署了中國電信的5G邊緣計(jì)算核心設(shè)備，在煙臺(tái)港國際集裝箱碼頭作業(yè)區(qū)建設(shè)了多個(gè)5G基站。通過在每臺(tái)岸橋上安裝一個(gè)5G CPE設(shè)備，將岸橋上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為5G信號(hào)，經(jīng)過專網(wǎng)5G數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)綗熍_(tái)港數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)，完成對(duì)岸橋處數(shù)據(jù)的采集與提取。

（2）公網(wǎng)5G，互聯(lián)互通。集裝箱智能理貨系統(tǒng)公網(wǎng)5G方案，在不同岸橋上安裝一定數(shù)量的5G高清攝像頭，攝像頭里插有5G流量卡，直接連接附近中國聯(lián)通5G基站，視頻及生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綗熍_(tái)港數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)，完成對(duì)岸橋處數(shù)據(jù)的采集與提取。

基于雙5G通信的集裝箱智能理貨系統(tǒng)，通過視頻流捕獲機(jī)械設(shè)備吊具和集裝箱的動(dòng)態(tài)位置，對(duì)集裝箱號(hào)、箱位、車號(hào)等相關(guān)信息進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合碼頭生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與海關(guān)系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互共享。

2 煙臺(tái)港5G組網(wǎng)方案及創(chuàng)新點(diǎn)

煙臺(tái)港5G組網(wǎng)方案如圖1所示。

圖1 煙臺(tái)港5G組網(wǎng)方案

2.1 煙臺(tái)港5G組網(wǎng)

將各港區(qū)基站STN-A設(shè)備部署在港區(qū)內(nèi)機(jī)房，芝罘灣港區(qū)側(cè)移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）設(shè)備、STN-A及STN-B設(shè)備部署在煙臺(tái)港數(shù)據(jù)中心機(jī)房，基站經(jīng)STN-A（傳輸設(shè)備）傳輸?shù)街ヮ窞掣蹍^(qū)STN-B設(shè)備進(jìn)行信令和用戶認(rèn)證處理，數(shù)據(jù)卡經(jīng)認(rèn)證后通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)直接下沉到煙臺(tái)港數(shù)據(jù)中心機(jī)房，形成煙臺(tái)港5G企業(yè)專網(wǎng)。

2.2 煙臺(tái)港集團(tuán)5G定制網(wǎng)組網(wǎng)

（1）無線網(wǎng)，各個(gè)港口無線網(wǎng)方案與煙臺(tái)港保持不變，5G基站上聯(lián)STN-A設(shè)備，A上聯(lián)STN-B設(shè)備。

（2）核心網(wǎng)業(yè)務(wù)流方案。通過電信大網(wǎng)直接指向海港機(jī)房核心網(wǎng)設(shè)備。該方案中，業(yè)務(wù)流均在煙臺(tái)市范圍內(nèi)，流轉(zhuǎn)于煙臺(tái)電信承載網(wǎng)中，承載網(wǎng)各接口均為10G/100G接口。

通過各港口用戶端機(jī)房新增STN-A設(shè)備，海港機(jī)房新增STN-B設(shè)備，利用煙臺(tái)港SDH傳輸設(shè)備到海港核心網(wǎng)設(shè)備。該方案中，與大網(wǎng)相關(guān)的STN-A/B 核心設(shè)備均放置于各港口機(jī)房，A/B之間的承載網(wǎng)為煙臺(tái)港SDH網(wǎng)絡(luò)。端口帶寬受限于同步數(shù)字體系（Symchronous Digital Hierarchy，SDH）網(wǎng)絡(luò)分配帶寬，可能存在端口容量不足情況。

2.3 研究結(jié)果

煙臺(tái)港集裝箱智能理貨項(xiàng)目中9臺(tái)岸橋無隨行光纜，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無法通過有線的方式進(jìn)行回傳?？萍技瘓F(tuán)煙臺(tái)公司利用5G傳輸通道實(shí)現(xiàn)了9臺(tái)岸橋100路高清視頻信號(hào)通過9個(gè)客戶前端設(shè)備（Customer Premise Equiome，CPE）回傳到外理智能理貨中控室，監(jiān)控視頻畫面清晰，無卡頓，攝像機(jī)多角度旋轉(zhuǎn)控制流暢、無延遲，同時(shí)岸橋端理貨識(shí)別數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，最終完成煙臺(tái)港集裝箱岸邊理貨無人化。

2.4 技術(shù)創(chuàng)新程度

5G的高帶寬、低時(shí)延、廣連接的特性能夠滿足港口自動(dòng)化、智能化需求，助力港口數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型。5G智慧港口是應(yīng)用5G技術(shù)為港口提供包括遠(yuǎn)程高清監(jiān)控、貨船人工智能分析、高精度定位、智能網(wǎng)聯(lián)駕駛等場景化應(yīng)用的整體解決方案，助力港口操作智能化、物流服務(wù)電商化、企業(yè)管理平臺(tái)化，提升港口運(yùn)營效率，推動(dòng)建設(shè)“綠色、低碳、智慧”型港口。

煙臺(tái)港智能理貨項(xiàng)目作為煙臺(tái)港第一個(gè)5G試點(diǎn)項(xiàng)目，已正式投入使用，用戶反映良好。

3 結(jié) 論

山東港口煙臺(tái)港聯(lián)合通用公司和山東港口煙臺(tái)龍口港提出5G基站和組網(wǎng)需求，主要涉及視頻采集、AI分析、數(shù)據(jù)采集等方面應(yīng)用。該項(xiàng)目通過雙5G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互、視頻畫面的實(shí)時(shí)回傳，從而完成第三方理貨公正監(jiān)測、取證的工藝流程。截止目前，智能理貨系統(tǒng)已完成超過40萬標(biāo)箱的理貨作業(yè)。因此該項(xiàng)研究具有廣泛推廣價(jià)值。