基于運營商專網(wǎng)的5G智慧港口解決方案

王東　張龍　程錦霞　肖善鵬

【摘? 要】港口碼頭是連接海路運輸和內(nèi)陸運輸?shù)闹匾獦屑~，港口行業(yè)致力于推進(jìn)全自動集裝箱碼頭系統(tǒng)建設(shè)。圍繞港口集裝箱裝卸生產(chǎn)核心業(yè)務(wù)，探索5G無線通信技術(shù)在核心業(yè)務(wù)中的合理應(yīng)用，實現(xiàn)港口降本增效需求。首先概述港口行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，接著分析港口的主要業(yè)務(wù)場景如軌道吊、橋吊遠(yuǎn)程駕駛、無人集卡遠(yuǎn)程調(diào)度、安防巡檢等，然后分析各業(yè)務(wù)場景目前的痛點以及對網(wǎng)絡(luò)的需求，最后提出基于運營商5G專網(wǎng)的智慧港口解決方案。

【關(guān)鍵詞】5G智慧港口;遠(yuǎn)程駕駛;安防巡檢;專網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.010? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）09-0053-04

引用格式：王東，張龍，程錦霞，等. 基于運營商專網(wǎng)的5G智慧港口解決方案[J]. 移動通信， 2019，43（9）： 53-56.

Smart Shipping Port Solution Based on Operators 5G Private Network

WANG Dong， ZHANG Long， CHENG Jinxia， XIAO Shanpeng

[Abstract]?Shipping port makes a tight connection between sea transportation and inland transportation. The significant strategic position of the port brings strong demand for advanced automated container terminal system.? This paper focuses on the application of 5G network to the core port scenario of container loading and unloading production， aiming at port cost reduction and efficiency increase. The paper firstly summarizes the development status of the port industry， and then analyzes the main business scenarios such as track cranes， bridge crane remote control and driving， remote schedule of unmanned container truck， security inspections， and then analyzes the current pain points of various business scenarios and demands for the network. Finally， a dedicated smart port solution is proposed based on the operators 5G private network.

[Key words]5G smart shipping port; remote control and driving; security inspection; private network

1? ?引言

1.1? 港口行業(yè)概況

由于中國“十三五”、“一帶一路”政策的利好，港口吞吐量、收入穩(wěn)步上升。根據(jù)交通運輸部發(fā)布的《2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示及相關(guān)公司年報顯示，中國億噸級港口有36個，總收入約1 500億，其中集裝箱碼頭收入在700億左右。生產(chǎn)用集裝箱泊位2萬多個，萬噸級以上泊位2 444個，位居世界第一。如表1所示，按吞吐量排序，目前在全球集裝箱吞吐量排名前10大港口中，中國占7席，分別是上海、深圳、寧波、香港、廣州、青島、天津。中國已成為世界上港口吞吐量和集裝箱吞吐量最多、增長速度最快的國家。

1.2? 生產(chǎn)運營智慧化、自動化需求迫切

近幾年，集裝箱船裝載能力的大幅增長帶來的不只是整體航運業(yè)運輸效率的提升，同時對港口碼頭的裝卸效率要求業(yè)越來越高。若碼頭效率并沒有隨之提升，就會造成船只和貨物在碼頭積壓。傳統(tǒng)碼頭在集裝箱全流程運輸環(huán)節(jié)都需要依靠人工現(xiàn)場生產(chǎn)，效率提升困難。為達(dá)到降本增效的目的，智慧化、自動化成為了港口發(fā)展的方向。當(dāng)前國內(nèi)已有廈門遠(yuǎn)海、青島前灣、上海洋山四期已新建集裝箱自動化碼頭，在軌道吊、橋吊、集卡車實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，向港口碼頭無人化發(fā)展。

對于自動化碼頭，通信手段目前采用有線光纖回傳或者非授權(quán)頻譜無線（LTE-U等）回傳實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化，痛點主要集中在光纖每年有約3%的損壞率，LTE-U成本高，帶寬、可靠性不足。因此自動化碼頭對自動化、智慧化的創(chuàng)新升級需求迫切[1]。

另一方面新建港口只是少數(shù)，承擔(dān)90%以上運力的港口是現(xiàn)有人工碼頭。人工碼頭的自動化是智慧港口發(fā)展重點，目前面臨的一大問題是如采用新建自動化港口的改造方案勢必會造成港口停工，致使運力、收入的下降。

因此，新建自動化碼頭和傳統(tǒng)人工碼頭對智慧化、自動化創(chuàng)新需求，特別是通信手段的創(chuàng)新應(yīng)用需求非常迫切。

2? ? 智慧港口業(yè)務(wù)場景及需求

集裝箱港口碼頭生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括：水平運輸系統(tǒng)、垂直運輸系統(tǒng)和整體安防監(jiān)控等系統(tǒng)，具體如圖1所示。

垂直運輸系統(tǒng)主要包含兩類大型港口機(jī)械設(shè)備：橋吊和軌道吊。其中橋吊實現(xiàn)集裝箱從船到岸裝卸;軌道吊實現(xiàn)集裝箱等貨物進(jìn)行裝卸、理貨等操作。

水平運輸系統(tǒng)主要包含內(nèi)集卡（港口內(nèi)部集裝箱卡車）和AGV（自動引導(dǎo)小車），實現(xiàn)集裝箱在岸橋和堆場之前的運輸，其中堆場是指港口碼頭集裝箱堆砌的場地。

安防監(jiān)控系統(tǒng)主要包含攝像頭、無人機(jī)等，實現(xiàn)港口安全監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施巡檢、海岸線巡檢等內(nèi)容。

2.1? 橋吊、軌道吊遠(yuǎn)程作業(yè)業(yè)務(wù)

當(dāng)前90%以上橋吊、軌道吊為人工現(xiàn)場高空作業(yè)，工作環(huán)境惡劣、有一定技術(shù)門檻，導(dǎo)致港口招人困難，人工成本高。因此港口有迫切的遠(yuǎn)程控制作業(yè)需求[2]，即多路攝像頭回傳碼頭現(xiàn)場信息，工人在遠(yuǎn)程機(jī)房將控制信號傳輸給碼頭的橋吊和軌道吊進(jìn)行裝卸作業(yè)。

部分新建港口通過光纖實現(xiàn)視頻回傳和控制信號下發(fā)，但痛點是軌道吊移動性強(qiáng)，有線部署困難、易磨損。對于大多數(shù)傳統(tǒng)碼頭，橋吊和軌道吊本身沒有部署有線，重新部署有線會破壞碼頭路面，導(dǎo)致停工，提升成本。

橋吊、軌道吊遠(yuǎn)程作業(yè)業(yè)務(wù)需求主要包含：

（1）每個橋吊、軌道吊10～15路攝像頭高清視頻回傳到控制中心;

（2）本地控制中心工人根據(jù)現(xiàn)場實時視頻，向港機(jī)下發(fā)裝卸等實時控制信號;

（3）數(shù)據(jù)隔離需求，生產(chǎn)作業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)不出港區(qū)。

相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求如表2所示：

2.2? 無人集卡和AGV遠(yuǎn)程調(diào)度

傳統(tǒng)港口卡車司機(jī)機(jī)械式勞作，容易造成疲勞駕駛、分神駕駛，影響碼頭作業(yè)效率和港口安全，將現(xiàn)有成熟卡車平臺改造成為無人集卡或AGV。自動化港口目前采用AGV完成運輸，通過地磁進(jìn)行定位，利用LTE-U專網(wǎng)完成車輛遠(yuǎn)程調(diào)度。

目前痛點是LTE-U容量不足、時延高、建設(shè)與維護(hù)成本高;地磁成本高、線路固定、二次鋪設(shè)影響生產(chǎn)。

無人集卡和AGV遠(yuǎn)程調(diào)度業(yè)務(wù)需求如下：

（1）傳統(tǒng)港口運輸無人化;

（2）高精度定位;

（3）低時延高可靠的無線網(wǎng)絡(luò)。

無人集卡和AGV遠(yuǎn)程調(diào)度網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)如表3所示。

2.3 安防監(jiān)控

港口貨物、設(shè)備設(shè)施檢修，碼頭地面、空中一體化監(jiān)控，需要減少人工投入，有無人機(jī)巡檢、地面監(jiān)控等需求。

安防監(jiān)控目前痛點是一些角落布線困難，Wi-Fi等技術(shù)容量不足、穩(wěn)定性差，同時缺乏無人機(jī)巡檢實時回傳能力，業(yè)務(wù)指標(biāo)如表3所示：

3? ?基于5G運營商專網(wǎng)的智慧港口解決方案

5G作為新一代移動通信技術(shù)，采用全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和mMIMO、邊緣計算、切片等多項關(guān)鍵技術(shù)[6]，具有1 Gbit·s-1以上的大帶寬高速率、毫秒級時延、超高密度連接等特點。5G是解決當(dāng)前港口生產(chǎn)業(yè)務(wù)痛點的可行性技術(shù)。相比有線光纖，5G無線通信更靈活，一方面不需要港口停工布線，另一方面解決一些不宜布線的場景。相比Wi-Fi和LTE-U，容量、速率、穩(wěn)定性等網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)[3-4]。

基于對智慧港口業(yè)務(wù)指標(biāo)分析，可以發(fā)現(xiàn)因涉及生產(chǎn)運輸，港口行業(yè)對生產(chǎn)安全、數(shù)據(jù)自主掌控、成本可控要求嚴(yán)格，同時對通信網(wǎng)絡(luò)性能要求嚴(yán)格，如業(yè)務(wù)場景局域化、極低時延、極高可靠性、極高上行容量，其網(wǎng)絡(luò)性能需求與公眾大網(wǎng)存在明顯區(qū)別。因此需要向港口提供局域場景的5G無線專網(wǎng)端到端解決方案，即在港口覆蓋范圍內(nèi)利用專用的網(wǎng)絡(luò)資源提供專有的服務(wù)。

基于運營商頻譜的5G專網(wǎng)提供端到端的智慧港口解決方案[8-9]，具體如圖2所示：

該方案主要包含終端層、網(wǎng)絡(luò)層（無線網(wǎng)絡(luò)+核心網(wǎng)）、業(yè)務(wù)層，涉及頻譜、站型、邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)。

終端層：港口行業(yè)應(yīng)用多、終端形態(tài)復(fù)雜（如攝像頭、無人機(jī)、橋吊、軌道吊、無人集卡），跟據(jù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，前期利用CPE滿足各場景業(yè)務(wù)時延需求，后續(xù)面向軌道吊、無人集卡等場景，提供通用模組+網(wǎng)關(guān)等方式與傳統(tǒng)行業(yè)設(shè)備結(jié)合，運營商專網(wǎng)的優(yōu)勢在于可以利用5G運營商生態(tài)，可以聚焦產(chǎn)業(yè)鏈，降低行業(yè)終端成本。

無線網(wǎng)：運營商5G頻譜資源豐富，目前主要包含2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz。面向數(shù)據(jù)隔離需求，生產(chǎn)設(shè)備如軌道吊、無人集卡、安防攝像頭等獨占部分或者全部5G頻率，與公眾用戶頻譜隔離，形成港口專網(wǎng)，滿足安全和可靠性要求。

結(jié)合第二章業(yè)務(wù)需求分析，港口上行帶寬需求大于等于150 Mbit·s-1/小區(qū)，需先使用2.6 GHz完成整體覆蓋[7]，利用4.9 GHz等頻譜完成補(bǔ)熱，小站完成補(bǔ)盲。

對于低時延需求，控制時延需少于等于20 ms，當(dāng)前2.6 GHz采用5 ms幀結(jié)構(gòu)，理論端到端時延滿足時延需求，如需更低的時延，可以利用更小的幀結(jié)構(gòu)如2.5ms幀周期或者1 ms幀周期[5]。

核心網(wǎng)：基于港口數(shù)據(jù)隔離需求，向港口提供5G標(biāo)準(zhǔn)化的UPF或者M(jìn)EC技術(shù)，用以實現(xiàn)用戶面下沉，同時實現(xiàn)傳輸時延降低。如客戶需求控制面同時下沉，則需研究核心網(wǎng)的下沉方案。

同時利用切片等技術(shù)向?qū)＞W(wǎng)用戶提供網(wǎng)絡(luò)性能保障服務(wù)，利用邊緣計算向行業(yè)客戶提供平臺層應(yīng)用服務(wù)[10]。

業(yè)務(wù)層：數(shù)據(jù)不出港區(qū)，直接接到港口的數(shù)據(jù)控制中心的遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程調(diào)度系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等。

4? ?結(jié)束語

根據(jù)本文分析可知，港口戰(zhàn)略地位顯著，產(chǎn)業(yè)升級需求強(qiáng)、盈利能力強(qiáng)，且行業(yè)集中度高，智慧化、自動化是實現(xiàn)港口降本增效的最終方向。自動化生產(chǎn)流程的橋吊、軌道吊遠(yuǎn)程作業(yè)、無人集卡/AGV自動駕駛、安防監(jiān)控等環(huán)節(jié)都需要探索新的網(wǎng)絡(luò)通信方案助力。5G作為新一代移動通信技術(shù)，擁有超高帶寬、極低時延極高可靠等能力，與港口業(yè)務(wù)需求匹配對非常高，智慧港口是5G+垂直行業(yè)重要場景之一?；谶\營商5G專網(wǎng)向港口提供極致的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足港口差異化的網(wǎng)絡(luò)需求，助力智慧港口自動化生產(chǎn)。

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