淺析5G移動(dòng)通信技術(shù)在港口運(yùn)輸中的應(yīng)用

張杰

【摘要】? ? 當(dāng)下，我國(guó)5G的不斷發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)使其在各領(lǐng)域、各行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。5G在港口運(yùn)輸中的應(yīng)用旨在優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)工作模式，提高運(yùn)輸效率，降低單位成本，最終提升港口產(chǎn)值。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G技術(shù)? ? 港口? ? 應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其峰值理論傳輸速率可達(dá)10Gbit/s，比4G網(wǎng)絡(luò)快100倍以上。從1G到5G網(wǎng)絡(luò)，信息技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)速度的顯著提高，拓展了大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的發(fā)展空間，進(jìn)而逐步輻射到制造業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等領(lǐng)域。5G能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和有線的互聯(lián)網(wǎng)的徹底融合，其具有高速率、低延遲、支持大型連接的特征：采用毫米波頻段，10倍帶寬，傳輸速率更快;可將延遲減少至1毫秒及以下;每平方千米內(nèi)最多可支持100萬(wàn)個(gè)對(duì)象自由連接，最終實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。黨的十九大報(bào)告提出了“交通強(qiáng)國(guó)”的發(fā)展戰(zhàn)略，力爭(zhēng)在超高速鐵路、自動(dòng)駕駛、無(wú)人駕駛船舶、自動(dòng)化智能終端等戰(zhàn)略前沿技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)制高點(diǎn)。發(fā)展現(xiàn)代綜合運(yùn)輸系統(tǒng)的「十三五」規(guī)劃中提出，大力發(fā)展和提升運(yùn)輸設(shè)備和工具的智能化和自動(dòng)化水平，推動(dòng)建設(shè)全自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)。港口是水路交通樞紐，是“一帶一路”的重要節(jié)點(diǎn)，從航運(yùn)大國(guó)到航運(yùn)強(qiáng)國(guó)，中國(guó)港口普遍面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，港口智能化發(fā)展是決定港口未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。運(yùn)用好5G移動(dòng)通信技術(shù)將是港口運(yùn)輸業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的重要契機(jī)。

一、5G技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 基礎(chǔ)建設(shè)現(xiàn)狀

目前全球40個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)推出了70余張商用5G網(wǎng)絡(luò)。截至2020年3月底，全球123個(gè)國(guó)家和地區(qū)的381家運(yùn)營(yíng)商已宣布對(duì)5G進(jìn)行投資，增強(qiáng)把握數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新趨勢(shì)。其中40個(gè)國(guó)家和地區(qū)的70家運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)推出了一項(xiàng)或多項(xiàng)支持3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G服務(wù)。1根據(jù)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)分析，截至2035年，5G將創(chuàng)造13.2萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和2230萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。在全球范圍內(nèi)，數(shù)字化工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理應(yīng)用將是推動(dòng)5G技術(shù)不斷落地的應(yīng)有模式。

1.2 核心技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.高頻段傳輸。1G是模擬電路，2G是數(shù)字電路采用了專用集成電路。3G的通信標(biāo)準(zhǔn)將信息的傳輸率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，使得移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信成為主要功能，其標(biāo)稱的網(wǎng)速很高，但實(shí)際網(wǎng)速并不快。4G使用了扁平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少了端到端通信時(shí)信息轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，同時(shí)增加了基站之間光纖的帶寬，更利用了互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)融合，并應(yīng)用了云計(jì)算，但缺點(diǎn)是不支持多人同時(shí)上網(wǎng)，且繞過障礙物的能力不佳。為解決頻譜資源緊缺問題，5G采用高頻帶傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高速傳輸。高頻段傳輸具有帶寬適量、小規(guī)模設(shè)備、高頻段毫米波資源等優(yōu)勢(shì)，但是也存在傳播距離有限、穿透力差、環(huán)境適應(yīng)能力弱等劣勢(shì)。[1]因此，射頻器材與基站建設(shè)也將跟進(jìn)。

2.設(shè)備之間通信。作為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備之間通信（D2D）能使兩個(gè)相同性質(zhì)的用戶之間建立起通信連接。每個(gè)用戶都能建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，且都具備發(fā)送和接收消息的能力，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)。用戶將得到一些硬件資源，包括信息存儲(chǔ)和處理、網(wǎng)絡(luò)連接等。[2]D2D具有較高的速度、良好的接入能力和數(shù)據(jù)處理能力，充分體現(xiàn)了移動(dòng)通信的優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)逐漸增多，以往以基站為傳輸中心的方式已不能滿足大量用戶對(duì)業(yè)務(wù)的要求。D2D的出現(xiàn)來(lái)滿足市場(chǎng)的需求，該技術(shù)可以利用基站來(lái)完成用戶之間的直接通信，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)連接的方式。

3.大規(guī)模天線陣列。4G網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)總的傳輸率超過了信道的總的帶寬，根據(jù)香農(nóng)第二定律，出錯(cuò)率是100%，結(jié)果就是在擁堵的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，每個(gè)人都不能發(fā)出信息。新型大規(guī)模天線陣正在經(jīng)歷從被動(dòng)到主動(dòng)、從二維到三維、從線性到平面再到立體模式的演變，頻譜利用率提高了10倍以上，這也是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。有源天線的引入，使基站能支持百余個(gè)協(xié)同天線，同時(shí)為十余個(gè)用戶提供服務(wù)。原來(lái)的一維線陣逐漸演變?yōu)槎S和三維天線陣，形成了一種新的三維多天線傳輸技術(shù)。它不僅支持多用戶功能，減少用戶之間的干擾，還結(jié)合了毫米波技術(shù)，提高了無(wú)線信號(hào)的覆蓋率，逐步實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的接入。

4.密集網(wǎng)絡(luò)。密集網(wǎng)絡(luò)采用不同的模式，以滿足用戶在任何狀態(tài)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度和資源的需求。它主要通過增加系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，分散各種業(yè)務(wù)，靈活部署來(lái)提高頻譜利用率。4G是一公里的范圍建一個(gè)基站，負(fù)責(zé)這方圓一公里范圍內(nèi)的手機(jī)和基站的通信，而5G的基站設(shè)計(jì)目標(biāo)是在百米的范圍內(nèi)，負(fù)責(zé)半徑為一百多米范圍內(nèi)的通信。為避免密集的網(wǎng)絡(luò)部署帶來(lái)的相互干擾，光纖的使用也將大幅度提高。用戶和基站通信的速率增加以及更多的IOT設(shè)備連接入網(wǎng)，使得基站之間的通訊占據(jù)了很大的帶寬資源，進(jìn)而影響用戶個(gè)體與基站的通信。未來(lái)將進(jìn)一步縮短基站之間的距離，增加高速率光纖接入，以滿足高密度、高速度的熱點(diǎn)場(chǎng)景，提升用戶體驗(yàn)。

5.新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。密集網(wǎng)絡(luò)使用不同的模式來(lái)確保用戶在任何狀態(tài)下都需要網(wǎng)絡(luò)速度和資源。它主要增加系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，分散各種業(yè)務(wù)，靈活部署，提高頻譜利用率。然而，密集的網(wǎng)絡(luò)部署也帶來(lái)了小區(qū)域內(nèi)信號(hào)的相互干擾，成為制約系統(tǒng)容量增長(zhǎng)的重要因素。5G網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)域是高頻帶，為了達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的性能，將在網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)地區(qū)部署宏觀網(wǎng)絡(luò)和微觀網(wǎng)絡(luò)。合理化分配基站資源，將每個(gè)微型基站的剩余資源用于數(shù)據(jù)傳輸。也能提升傳輸效率，低負(fù)荷時(shí)使剩余資源參與到傳輸中。高負(fù)荷時(shí)，運(yùn)用宏基站技術(shù)，使每個(gè)基站成為數(shù)據(jù)發(fā)射點(diǎn)分散傳輸，從而減輕單一基站的荷載，提高整體網(wǎng)絡(luò)的承載能力。

二、5G移動(dòng)通信技術(shù)在港口中的應(yīng)用

2.1 我國(guó)港口發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)是航運(yùn)大國(guó)，目前有沿海港口150余個(gè)，生產(chǎn)用集裝箱泊位2萬(wàn)余個(gè)，其中萬(wàn)噸級(jí)以上泊位2400余個(gè)，穩(wěn)居世界第一;全球集裝箱吞吐量前10的港口中，中國(guó)占6席2。2021年1月21日，交通運(yùn)輸部公布了2020年港口貨物、集裝箱吞吐量數(shù)據(jù)。全國(guó)港口完成貨物吞吐量1454911萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)4.3%;完成集裝箱吞吐量26430萬(wàn)TEU，同比增長(zhǎng)1.2%。3港口成為我國(guó)貨物進(jìn)出口的重要門戶，是帶動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的牽引帶。

2.2 5G技術(shù)在港口中的應(yīng)用

1.遠(yuǎn)程控制。港口裝卸需要岸橋和場(chǎng)橋?qū)崿F(xiàn)集裝箱從船到岸以及堆場(chǎng)內(nèi)的裝卸，目前主要采用人工現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)實(shí)現(xiàn)裝卸工作，具備遠(yuǎn)程控制需求;部分新建港口場(chǎng)橋使用光纖部署，由于光纖易磨損，改造升級(jí)成本高、難度大;少數(shù)信息化港口采用WiFi或非授權(quán)頻譜，但可靠性、時(shí)延、速率等性能欠佳。[3]港口裝卸遙控是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景之一，它能充分利用5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延遲、支持大型連接的特征，實(shí)現(xiàn)碼頭橋梁、現(xiàn)場(chǎng)橋梁遙控及高畫質(zhì)影像傳輸?shù)膽?yīng)用需要。

2.智能理貨。傳統(tǒng)的計(jì)量工作需要人工采集外部信息，通過對(duì)講機(jī)傳輸，惡劣的工作條件容易造成人為誤差和不必要的人員傷亡。目前，通過在碼頭橋梁部署高清晰度球機(jī)，利用5G的大帶寬實(shí)現(xiàn)多通道高畫質(zhì)影像的實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)在邊緣云上部署一個(gè)可視化AI服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)集裝箱編號(hào)的自動(dòng)識(shí)別、集裝箱損壞識(shí)別、集裝箱位置識(shí)別。

3.無(wú)人運(yùn)輸系統(tǒng)。傳統(tǒng)的港口卡車靠人工駕駛，駕駛員機(jī)械化作業(yè)，容易造成疲勞駕駛，影響運(yùn)輸效率和安全，產(chǎn)生較高的運(yùn)輸成本。我國(guó)部分港口已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一定程度的自動(dòng)化，通過地磁固定線路，并通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制信息的傳輸。但上述方式存在地磁成本高、性能差的缺點(diǎn)。港口無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)是5G技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用方案之一。5G高速率、低延遲、支持大型連接的特征，結(jié)合高精度定位和車路協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)置式卡車自動(dòng)駕駛和實(shí)時(shí)傳輸。相對(duì)于相對(duì)簡(jiǎn)單的港口運(yùn)輸環(huán)境，自動(dòng)駕駛更易于實(shí)現(xiàn)。

4.倉(cāng)儲(chǔ)裝配、調(diào)度管理、智能配送。在倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)和遠(yuǎn)程駕駛、集裝箱的智能調(diào)度中，5G的低延遲和支持大型連接的特性尤為重要。目前，上海京東物流和山東博昌已成為我國(guó)典型的5G智能物流示范園區(qū)，通過運(yùn)用智能AI、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛儀等物流技術(shù)和產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)高智能化、能自主決策的綜合物流系統(tǒng)。無(wú)人駕駛車輛可以自動(dòng)計(jì)算進(jìn)入路徑并匹配相應(yīng)的停車空間。無(wú)人駕駛重型卡車、輕型卡車、巡檢機(jī)器人均可調(diào)度，基于5G網(wǎng)絡(luò)園區(qū)防空聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人、車輛的管理、園區(qū)異常預(yù)警和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控。[4]公園還利用5G實(shí)現(xiàn)云倉(cāng)儲(chǔ)，自動(dòng)識(shí)別倉(cāng)庫(kù)貨物量，自動(dòng)匹配的車輛，合理規(guī)劃路線，并利用AI機(jī)器人實(shí)現(xiàn)包裹的跟蹤和全過程的監(jiān)控，并通過視頻記錄存儲(chǔ)。

5.無(wú)人機(jī)巡檢。目前，人工檢測(cè)工作滯后，地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)覆蓋范圍有限。5G的高速度傳輸實(shí)現(xiàn)了高畫質(zhì)影像的實(shí)時(shí)傳回，更加實(shí)時(shí)、高效、靈活。5G無(wú)人機(jī)具有操作簡(jiǎn)單、效率高、成本低三大特性，能夠支持較多的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)端到端解決方案。無(wú)人機(jī)使用5G技術(shù)不僅是無(wú)人機(jī)的改變，也是指揮系統(tǒng)和管理模式的改變。AI的應(yīng)用進(jìn)一步提高了巡邏的性能，而無(wú)人機(jī)的應(yīng)用可以較大程度降低勞動(dòng)力成本，進(jìn)而降低生產(chǎn)運(yùn)輸成本。對(duì)于高空作業(yè)、危險(xiǎn)品存儲(chǔ)管理，港口環(huán)境巡視也是無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍，不僅可以降低人工成本、避免作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，還能提高檢查覆蓋面，通過定時(shí)、規(guī)劃路線的方式實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)死角檢查，提高檢查質(zhì)量。此外，無(wú)人機(jī)還可以與高清變焦攝像機(jī)、激光雷達(dá)等相結(jié)合。通過5G網(wǎng)絡(luò)將視頻傳輸?shù)椒?wù)器，用戶根據(jù)需求在線查看或下載慢速檢查影像，云技術(shù)能夠支持大容量的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滾動(dòng)刪除原有信息。5G網(wǎng)絡(luò)高速率、低遲延能夠使監(jiān)控畫面更加清晰，高帶寬使多個(gè)設(shè)備同時(shí)運(yùn)行仍能保質(zhì)保量完成監(jiān)控，進(jìn)而減少錯(cuò)錄和漏點(diǎn)的誤差，提升監(jiān)控密集度。

6.船舶調(diào)度。國(guó)內(nèi)外船舶進(jìn)港，由于外來(lái)駕駛員對(duì)淺水域的水文地貌不甚了解，為避免發(fā)生擱淺等意外事件，引航員帶路的工作必不可少。引航員的作用是指引船舶安全航行、靠離碼頭或通過船閘。船舶通常距離碼頭30-40海里外即需要引航員登船。船長(zhǎng)需要語(yǔ)音指引、數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)通訊引導(dǎo)外來(lái)船只進(jìn)港，人員和交通成本均較高。5G技術(shù)可以支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)、水文檢測(cè)、視頻溝通。無(wú)人機(jī)引航也能起到輔助引航作用，提高工作效率和引航的精準(zhǔn)度，甚至在將來(lái)無(wú)人機(jī)能夠替代人工引航的角色。

三、結(jié)束語(yǔ)

5G網(wǎng)絡(luò)致力于將各種網(wǎng)絡(luò)融合，降低單位信息傳輸成本，順應(yīng)當(dāng)下社會(huì)發(fā)展和技術(shù)革新的需要，促使萬(wàn)物互聯(lián)成為可能，它將深刻地影響和改變港口現(xiàn)有的生產(chǎn)方式，逐步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)工作模式，提高運(yùn)輸效率，降低單位成本，實(shí)現(xiàn)港口運(yùn)輸生產(chǎn)力的巨大提高。建設(shè)智能港口，打造智能航運(yùn)，需要5G技術(shù)的不斷探索應(yīng)用，不斷推進(jìn)信息化技術(shù)與港口的深度融合，最終讓科技為我國(guó)港口發(fā)展賦能。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]劉耕，蘇郁.5G賦能：行業(yè)應(yīng)用與創(chuàng)新[M]. 北京：人民郵電出版社，2020.01：23-25

[2]王良民.《虛擬網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)》[M]. 北京：人民郵電出版社，2019.04：378-379.

[3]李正茂.《5G+：5G如果改變社會(huì)》[M]. 北京：中信出版集團(tuán)，2019.08：442-443

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