5G智慧港口行業(yè)應(yīng)用解決方案

方琰崴（中興通訊股份有限公司，江蘇南京 210012）

0 前言

當(dāng)代的港口經(jīng)營管理面臨多方面挑戰(zhàn)：生產(chǎn)作業(yè)效率較低，人工化、半自動化，作業(yè)分散、勞動密集、晝夜操作等造成數(shù)據(jù)統(tǒng)計困難，數(shù)據(jù)差錯率較高。由于缺乏統(tǒng)一的智能化管理平臺，當(dāng)前信息化管理系統(tǒng)存在諸多問題。有線通信、4G、Wi-Fi、集群等多種網(wǎng)絡(luò)和多種制式終端并存，建設(shè)及維護成本高，多終端操作復(fù)雜?；诠饫w的岸橋操控部署成本高，易纏繞；大量Wi-Fi 接入，AP 容易受環(huán)境干擾，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差?；?G系統(tǒng)的高清視頻監(jiān)控尤其遠(yuǎn)程駕駛、操控作業(yè)的視頻帶嚴(yán)重不足。

2019 年11 月1 日，三大運營商正式上線5G 商用套餐，這標(biāo)志我國正式進入5G 商用時代。5G 不但面向個人用戶提供傳統(tǒng)意義的電信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，更重要的是面向行業(yè)用戶提供快速、安全可靠的切片經(jīng)營，這為行業(yè)發(fā)展提供充分的信息化保障。5G 行業(yè)應(yīng)用涉及到眾多場景，5G 智慧港口是其中極為重要的組成部分。

智慧港口依托5G 構(gòu)建統(tǒng)一的無線接入網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一的業(yè)務(wù)平臺，實現(xiàn)無處不在的寬帶接入，解決環(huán)境監(jiān)控、高清視頻、海關(guān)作業(yè)、遠(yuǎn)程控制等多業(yè)務(wù)接入場景需要。搭建在5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的MEC 邊緣云平臺提供邊緣計算、存儲，并可靈活集成港區(qū)各種業(yè)務(wù)套件，實現(xiàn)智能質(zhì)量分析監(jiān)控、智能排產(chǎn)、實時控制決策等智能化、無人操控，提升港區(qū)生產(chǎn)質(zhì)量及效率。這為港口發(fā)展提供了巨大的社會價值和經(jīng)濟價值。

1 5G智慧港口的資源能力構(gòu)建

在5G智慧港口的建設(shè)中，電信運營商有多種定位選擇。如果運營商僅提供管道和切片，作為連接提供者參與5G 智慧港口建設(shè)，則運營簡單，運營商承擔(dān)的運營風(fēng)險小，但無法實現(xiàn)運營轉(zhuǎn)型，網(wǎng)絡(luò)投資回報小，港區(qū)企業(yè)缺乏智慧港口業(yè)務(wù)ICT 整合能力，不利于智慧港口行業(yè)發(fā)展；如果運營商作為業(yè)務(wù)集成者參與5G智慧港口建設(shè)，雖然業(yè)務(wù)集成能夠帶來新的服務(wù)收益，利潤較高，但作為業(yè)務(wù)繼承者，運營商需要對港口業(yè)務(wù)有充分的理解和把控能力，與港區(qū)和第三方服務(wù)商開展密切合作集采第三方業(yè)務(wù)，投入較大也比較復(fù)雜；如果運營商作為5G智慧港口的業(yè)務(wù)提供者參與進來，則需要深入了解和掌控港區(qū)業(yè)務(wù)，在充分保障港區(qū)的安全以及保密層級的情況下，滲透到具體業(yè)務(wù)運營中，這能夠?qū)崿F(xiàn)運營價值最大化，但也對運營商提出了很高的要求。

運營商通常具備較強的平臺建設(shè)和運維能力，能較快推進業(yè)務(wù)拓展。如果電信運營商作為平臺使能者參與5G 智慧港口建設(shè)，則能夠充分體現(xiàn)運營商價值，且風(fēng)險也可控。綜合平衡運營商資源能力、投資收益以及客戶訴求，一般推薦電信運營商作為平臺使能者參與5G智慧港口的建設(shè)。

如圖1 所示，在5G 智慧港口業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，電信運營商、港區(qū)、設(shè)備商及服務(wù)提供商共同構(gòu)建業(yè)務(wù)價值鏈。港區(qū)和第三方服務(wù)商提供包括遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)、岸橋遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控中心在內(nèi)的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)并負(fù)責(zé)集成。港區(qū)擁有自己的數(shù)據(jù)中心，并采購專用終端設(shè)備，這些終端設(shè)備包括NB物聯(lián)終端、5G 智能手機、5G 行業(yè)CPE、5G 監(jiān)控攝像頭、5G 海關(guān)執(zhí)法終端、5G岸橋控制終端、自動導(dǎo)引車（AGV）等。

電信運營商提供無線基站、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，以及邊緣計算MEC、數(shù)據(jù)中臺、智慧港口行業(yè)套件等業(yè)務(wù)使能平臺，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)端到端連接，以及云平臺建設(shè)、維護。在交付上，電信運營商日常運營和維護網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)平臺，并培養(yǎng)行業(yè)生態(tài)。

圖1 智慧港口的資源建設(shè)架構(gòu)

在基礎(chǔ)運營方面，運營商能夠發(fā)掘行業(yè)理解力及機會點管理能力，從港口行業(yè)的宏觀洞察出發(fā)，理解港口整體業(yè)務(wù)、產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，識別港口數(shù)字化轉(zhuǎn)型及升級的需求。

在專業(yè)建設(shè)方面，運營商作為平臺使能者，具備不可替代的解決方案及商務(wù)設(shè)計能力，識別港口業(yè)務(wù)訴求，制訂5G 智慧港口行業(yè)解決方案及雙贏的商務(wù)預(yù)算、報價，牢固掌握商務(wù)定價權(quán)。

在營銷方面，運營商有多年的顧問式銷售隊伍，能夠站在行業(yè)角度及客戶利益的角度為客戶提供專業(yè)意見及解決方案，這是智慧港口業(yè)務(wù)價值鏈中其他角色所難以具備的。

2 5G智慧港口的業(yè)務(wù)組網(wǎng)和部署

3GPP 協(xié)議定義了5G 應(yīng)用的3 種主要場景：增強型移動寬帶（eMBB）業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)速率和轉(zhuǎn)發(fā)面帶寬要求較高，典型業(yè)務(wù)如超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)；低時延高可靠（uRLLC）業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)的端到端時延、安全性和可靠性要求較高，通常要求端到端時延小于5 ms，可靠性大于99.999%，典型業(yè)務(wù)如車聯(lián)網(wǎng)；大連接低功耗（mMTC）業(yè)務(wù)，滿足低功耗、海量連接的網(wǎng)絡(luò)需求。

圖2 5G智慧港口的業(yè)務(wù)組網(wǎng)和部署

如圖2 所示，5G 智慧港口基于eMBB 可以開展視頻監(jiān)控、海關(guān)執(zhí)法業(yè)務(wù)，基于mMTC可以開展溫度濕度監(jiān)控、靜電監(jiān)控、物流物品跟蹤等業(yè)務(wù)，基于eMBB 和uRLLC 可以開展自動駕駛、岸橋遠(yuǎn)程操控等業(yè)務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)根據(jù)場景的QoS、時延、安全性等需求，調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源分配端到端的切片，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)能力，按照實際需求對切片進行組合，基于5G網(wǎng)絡(luò)能夠虛擬出具備不同特性的多個邏輯子網(wǎng)。

可以結(jié)合5G 系統(tǒng)部署以及實際業(yè)務(wù)需要合理開展智慧港口的業(yè)務(wù)部署，在部署初期，建議集中開展NB-IoT 物聯(lián)數(shù)據(jù)采集、海關(guān)執(zhí)法業(yè)務(wù)、港區(qū)視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)。

港口內(nèi)外有大量運輸集裝箱的半掛車，通常稱為集卡。在部署中期，可以逐步開展自動駕駛集卡遠(yuǎn)程控制和岸橋遠(yuǎn)程操控。進入發(fā)展成熟期，則可以規(guī)模部署車聯(lián)網(wǎng)，開展網(wǎng)路協(xié)同集卡自動駕駛以及港區(qū)其他創(chuàng)新業(yè)務(wù)。

3 智慧港口應(yīng)用解決方案

3.1 應(yīng)用場景

5G 智慧港口的應(yīng)用場景較為復(fù)雜，如表1 所示，這些典型業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延、可靠性等QoS能力要求也各不相同。

表1 智慧港口的場景和網(wǎng)絡(luò)能力要求

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集目前基于NB-IoT接入，可平滑升級到5G。當(dāng)前港區(qū)海關(guān)執(zhí)法主要是4G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Wi-Fi 模式，在部分場景如集裝箱內(nèi)、室內(nèi)往往信號不可靠，影響作業(yè)。在部署5G后，海關(guān)執(zhí)法可以攜帶5G 定制的客戶前置設(shè)備（CPE），終端連接CPE 進行執(zhí)法作業(yè)，實現(xiàn)隨處接入5G 寬帶網(wǎng)絡(luò)，并且通過切片實現(xiàn)服務(wù)等級（SLA）保障。

當(dāng)前園區(qū)高清視頻監(jiān)控通常采用光纖連接，部署成本高，監(jiān)控點固定。而5G 高清視頻監(jiān)控，隨時隨地低成本部署，且可實現(xiàn)移動監(jiān)控，MEC 智能化平臺實現(xiàn)視頻實時分析，提高港區(qū)生產(chǎn)安全水平。在商用初期，可采用CPE 匯接接入多路現(xiàn)有有線連接的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，同時對于可升級換代的監(jiān)控系統(tǒng)植入5G模組直接連接基站，未來全部攝像頭均內(nèi)置5G 模組，因此岸橋遠(yuǎn)程操控單路專線按照30M 帶寬及20 ms 時延指標(biāo)要求規(guī)劃。當(dāng)前岸橋遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要依賴于人工操作，部分岸橋已實現(xiàn)基于光纖通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控，但部署成本高且光纖易纏繞，影響作業(yè)。而5G提供上行50M 的帶寬和20 ms 以下低時延，完全滿足岸橋遠(yuǎn)程操控需求，可取代光纖系統(tǒng)。

當(dāng)前港區(qū)自動駕駛集卡的單車智能化成本較高，現(xiàn)有的車載視頻監(jiān)控帶寬不夠，遠(yuǎn)程操控不可靠。5G車載高清視頻監(jiān)控可以設(shè)置為1080P 高清甚至4K，可確保帶寬和時延，實現(xiàn)實時準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程操控集裝箱卡車運行，網(wǎng)路協(xié)同可降低自動化成本。除了eMBB 切片外，集卡部署還需要V2X（車對外界的信息交換）切片。

3.2 集卡解決方案與切片部署

集卡屬于5G車聯(lián)網(wǎng)綜合性業(yè)務(wù)，集卡運行需要實時監(jiān)測車內(nèi)外情況，故障時需遠(yuǎn)程接管，需要集中調(diào)度。集卡的路徑規(guī)劃需要有車對車（V2V）、車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對行人（）等的高可靠+低時延業(yè)務(wù)，如車隊編隊行駛、車輛防撞等，也需要提供車對網(wǎng)絡(luò)（V2N）的高帶寬業(yè)務(wù)，如高清地圖更新下載。如表2所示，不同場景有不同的網(wǎng)絡(luò)能力需求，需要申請不同的切片組合。

表2 智慧港口集卡的切片解決方案

3GPP 定義了4 種非公用網(wǎng)絡(luò)（NPN），包括3 種非獨立組網(wǎng)的公眾網(wǎng)絡(luò)集成NPN（PNI-NPN），和1 種獨立NPN（SNPN）。集卡網(wǎng)絡(luò)部署都屬于非獨立組網(wǎng)的NPN網(wǎng)絡(luò)PNI-NPN。

如圖3 所示，信息服務(wù)類業(yè)務(wù)，包括精度地圖下載、信號燈配時提醒、周邊服務(wù)信息推送，需要部署eMBB 和mMTC 切片。港口的核心數(shù)據(jù)中心部署策略控制功能（PCF）、會話管理功能（SMF）以及統(tǒng)一用戶數(shù)據(jù)管理（UDM）、接入和移動管理功能（AMF）等其他5G 網(wǎng)元，僅用戶面功能（UPF）部署在港口的邊緣數(shù)據(jù)中心。

圖3 智慧港口集裝箱卡車的切片部署

高精度協(xié)同類業(yè)務(wù)包括車隊編隊行駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛、自動泊車入位，需要結(jié)合邊緣計算MEC 部署V2X 切片。交通安全類業(yè)務(wù)包括交叉路碰撞預(yù)警、前后車事故預(yù)警、路側(cè)異常預(yù)警，需要結(jié)合MEC 部署V2X 切片。交通效率類業(yè)務(wù)包括道路車速引導(dǎo)、車輛路徑優(yōu)化、道路流量優(yōu)化，需要結(jié)合MEC 部署V2X 切片和eMBB切片。這3類業(yè)務(wù)，港口的核心數(shù)據(jù)中心部署PCF 以及其他UDM、AMF 等5G 網(wǎng)元，而SMF 與UPF一起部署到港口的邊緣數(shù)據(jù)中心。集卡車輛移動過程中，還可能發(fā)生跨邊緣數(shù)據(jù)中心的場景，因此需開啟N16a接口，以便港口的不同邊緣數(shù)據(jù)中心的SMF 之間進行互通。

5G 智慧港口的集卡運營，有助于提升效率，只需要少量熟練操作人員即可通過操作平臺監(jiān)控多輛車的運行狀況及接管，同時，將智能車的部分智能提升到云端，減少單車成本。

4 智慧港口的盈利模式

電信運營商的盈利來自于多方面。從業(yè)務(wù)流向看，電信運營商集成第三方港口服務(wù)業(yè)務(wù)，通過平臺及網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一向港區(qū)提供智慧港口業(yè)務(wù)。從資金流向來看，運營商向第三方服務(wù)商及港區(qū)收取平臺集成服務(wù)費，并向港區(qū)收取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費。而第三方服務(wù)商向港區(qū)收取業(yè)務(wù)服務(wù)費。同時港區(qū)還有普通個人移動業(yè)務(wù)，盡管不屬于2B（To Business）行業(yè)應(yīng)用收入，但作為2C（To Customer）業(yè)務(wù)可以計入運營商在港區(qū)的整體收入。

作為平臺使能提供商，電信運營商收入的主要構(gòu)成包括網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)、平臺使能服務(wù)和個人移動業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)費包括各種接入服務(wù)如環(huán)境監(jiān)測、海關(guān)執(zhí)法、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等各種接入服務(wù)業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)組成較多，包括環(huán)境監(jiān)控、高清視頻監(jiān)控、海關(guān)執(zhí)法作業(yè)、自動駕駛重卡、岸橋遠(yuǎn)程操控等。其中環(huán)境監(jiān)控包括港區(qū)溫度、濕度監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，自動駕駛重卡主要針對自動集卡特殊狀況下的遠(yuǎn)程駕駛場景，需要高清視頻傳送及低時延高可靠操控，建議采用10M 低時延專線。岸橋遠(yuǎn)程控制需要eMBB、uRLLC 等較高級別收費標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以實際接入數(shù)計量，并采取切片生命周期、SIM 卡發(fā)放等輔助保障收費，每個岸橋需要大量4K 高清攝像頭輔助控制，建議岸橋搭建20路30M 專線，隨著應(yīng)用場景豐富和接入數(shù)增長，網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)收入快速增長，而岸橋業(yè)務(wù)是網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)最大的收入來源，占據(jù)80%以上份額。

平臺使能服務(wù)費包括云平臺服務(wù)費、MEC 流量帶寬費、MEC 計算資源費、MEC 存儲資源費等，其中云平臺服務(wù)費包含各種數(shù)據(jù)中臺和行業(yè)套件服務(wù)費，按年確定整體收費標(biāo)準(zhǔn)，一般采用軟硬件license 授權(quán)來保障收費。MEC 流量帶寬費按照每1 Gbit/s 吞吐能力為一個單位，而帶寬計算以岸橋監(jiān)控（單線25～30M）和集卡監(jiān)控（單線5～10M）的帶寬為主體。MEC 計算資源費按照每CPU/GPU 個數(shù)收費，每套服務(wù)器按照100 個CPU 配置計算，MEC 存儲資源費按照每100 GB存儲單位收費，假定前3 年逐年增加后續(xù)趨于穩(wěn)定。個人移動業(yè)務(wù)則按照5G平均ARPU值計算。

通過投資回報率（ROI）分析建模計算，電信運營商投資5G 智慧港口的網(wǎng)絡(luò)CAPEX 投資主要集中在初期的3 年。在CAPEX 中，基站設(shè)備占據(jù)約70%的成本。每年OPEX保持平穩(wěn)，其中電費占據(jù)最大比例。

由于前期網(wǎng)絡(luò)投資支出較大，運營的前2～3 年通?，F(xiàn)金流為負(fù)值，預(yù)計接下來轉(zhuǎn)正，運營5年左右累計現(xiàn)金流轉(zhuǎn)正。隨著收入的穩(wěn)定和持續(xù)，投資的回收價值逐步提高，可以獲得較為可觀的中長期投資價值。當(dāng)前預(yù)測的收入主要是基于可預(yù)見的中短期業(yè)務(wù)應(yīng)用，從凈現(xiàn)值（NPV）等評估企業(yè)投資價值的關(guān)鍵財務(wù)指標(biāo)來預(yù)測，5G 智慧港口投資回報主要財務(wù)指標(biāo)比較理想。由于受國內(nèi)外貿(mào)易往來影響，收入預(yù)測的資費模式存在諸多不確定因素。

5 總結(jié)和展望

2015 年5 月，國務(wù)院印發(fā)了部署全面推進實施制造強國的戰(zhàn)略文件《中國制造2025》，這是中國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)，推動我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)變。作為生產(chǎn)、倉儲、物流轉(zhuǎn)運過程中的重要環(huán)節(jié)，港口的發(fā)展和運營已經(jīng)進入數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期。5G 網(wǎng)絡(luò)在智慧港口的建設(shè)運行中，能夠充分發(fā)揮差異化性能優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)方式的局限性，極大提升自動化碼頭的運營效率，為改造傳統(tǒng)人工碼頭注入新動力，引發(fā)新一輪“碼頭革命”。

電信運營商應(yīng)該充分利用5G網(wǎng)絡(luò)和平臺基礎(chǔ)，一方面把智慧港口的成功探索，快速復(fù)制到其他港口或行業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)商業(yè)模式的快速復(fù)制，另外一方面大力拓展智慧港口更多的創(chuàng)新應(yīng)用，極大提升港口生產(chǎn)效率，為實現(xiàn)“無人港口”打下基礎(chǔ)，體現(xiàn)社會價值，實現(xiàn)未來長期更大收益。