基于5G專網(wǎng)的智能化港口建設(shè)策略研究

吳國建 楊成偉

據(jù)《2020年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》中數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底我國萬噸級以上泊位共有2592個，內(nèi)河航道通航里程12.77萬公里，其中水路完成貨運量76.16億噸。世界前10大吞吐量港口中我國占有7個席位，因此對我國港口的智能化建設(shè)是刻不容緩的重要工作。作者以5G專網(wǎng)為核心技術(shù)構(gòu)建智能化港口，通過融合多種現(xiàn)代科技實現(xiàn)港口貨物調(diào)度的智能化、及時化、可控化、無人化以及安全化，提高現(xiàn)代科技在港口中的利用率，提升港口總體的工作效率。

（一）系統(tǒng)的組成

本設(shè)計采用5G技術(shù)的混合專網(wǎng)為整個智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)通信結(jié)構(gòu)，運用多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）技術(shù)組成智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的設(shè)計需要在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上保障系統(tǒng)具有短時與高效的能力，因此需要有5G技術(shù)的支撐才能夠?qū)崿F(xiàn)。而多接入邊緣計算的基礎(chǔ)層將由無線通信網(wǎng)絡(luò)與固定通信網(wǎng)絡(luò)所組成，其中無線通信網(wǎng)絡(luò)主要覆蓋港口的公網(wǎng)和以某種網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為基礎(chǔ)的專網(wǎng)。無線通信中的公網(wǎng)將實現(xiàn)智能終端維護的定時交互與推送功能，主要包括對各工作區(qū)域的巡檢跟蹤、統(tǒng)一用戶和維護調(diào)度命令的下發(fā)與提醒等，專網(wǎng)將實現(xiàn)激光掃描、流機以及特殊設(shè)備的專項控制與數(shù)據(jù)采集；固定通信網(wǎng)絡(luò)主要覆蓋港口下的各種機械設(shè)備和船只，收集現(xiàn)場各類傳感器采集的信號。在該架構(gòu)下多個堆場的邊緣計算基站能夠?qū)⒂绊懛秶碌臄?shù)據(jù)匯集到中心系統(tǒng)，實現(xiàn)小區(qū)域管理大區(qū)域統(tǒng)籌運維調(diào)度的目的。同時，架構(gòu)的組合可依據(jù)港口的實際業(yè)務(wù)流程和貨物吞吐能力為例進行組合與部署。在應(yīng)用管控層，需要利用云端技術(shù)實現(xiàn)多種多級的數(shù)據(jù)訪問與控制，通過該部分可以實現(xiàn)集團級的數(shù)據(jù)管控。此外，在各級系統(tǒng)下的網(wǎng)站中還可以利用虛擬資源平臺（Virtualized Infrastructure Manager，VIM）實現(xiàn)對系統(tǒng)軟件網(wǎng)絡(luò)配置平臺的自定義配置。通過該技術(shù)可實現(xiàn)港口下的無人駕駛與自動裝卸等操作的控制，即操作人員通過個人IP即可登錄對應(yīng)的操作設(shè)備，為單個或多個設(shè)備設(shè)計工作內(nèi)容。

（二）系統(tǒng)的功能

在安全風(fēng)險評估方面：VIM下主調(diào)度云平臺可通過資源場地劃分與權(quán)限管理的方式，實現(xiàn)對非虛擬化與虛擬化資源的拓撲、預(yù)警、告警、風(fēng)險評估等功能，并將收集且預(yù)處理的數(shù)據(jù)信息匯總成數(shù)據(jù)報表運用AI算法對數(shù)據(jù)進行分析核算，從而幫助港口調(diào)度人員實現(xiàn)對各廠區(qū)的潛在風(fēng)險評估。在數(shù)據(jù)接入方面，該系統(tǒng)可通過MEC的方式實現(xiàn)對接入口的分發(fā)與接入活動，信息將通過不同賬號實現(xiàn)及時的互通更新，方便各方對港口的實際情況進行了解規(guī)劃。同時，通過MEC方式可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分流，通過5G專網(wǎng)的方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)下發(fā)，緩解眾多數(shù)據(jù)流量分配與調(diào)度時的壓力，降低數(shù)據(jù)分發(fā)與調(diào)度命令的延時，提高對港口下無人駕駛設(shè)備的靈活操控性。針對上行數(shù)據(jù)可不通過本地網(wǎng)絡(luò)的處理即可實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)移動到核心網(wǎng)的目的，該過程需要在本地通過MEC平臺實現(xiàn)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的GTP解封裝，然后通過數(shù)據(jù)分流到目標本地網(wǎng)絡(luò)。針對下行數(shù)據(jù)即來自物聯(lián)網(wǎng)且非本地網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可運用MEC平臺將其傳輸?shù)蕉壔荆瑏碜员镜鼐W(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要通過MEC平臺的封裝后才能夠以S1-U數(shù)據(jù)形態(tài)傳輸?shù)蕉壔?。上述操作與功能皆需要5G通信技術(shù)的支持才能夠?qū)崿F(xiàn)。

（一）吊裝及遠程調(diào)度

現(xiàn)階段的港口迫切需要通過多路攝像頭回傳技術(shù)設(shè)計的自動裝卸設(shè)備與無人駕駛設(shè)備等，使工人能夠在機房通過遠程控制系統(tǒng)的方式實現(xiàn)對吊裝設(shè)備的遠程控制，提高吊裝的精準性與時效性。本著不破壞原有港口建設(shè)的目的對智能化港口系統(tǒng)進行鋪設(shè)需要面臨以下幾點問題：第一，部分新建港口的通信方式以光纖實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的回傳與下發(fā)，但是在軌道吊安全設(shè)計方面需要面對有線部署困難、光纖易磨損等問題；而對于沒有部署有線通信設(shè)備的橋吊或軌道則需要解決安裝破壞路面的問題。第二，自動裝卸和無人駕駛等設(shè)備的應(yīng)用都需要保障極低的延時，即安裝在設(shè)備上的高清攝像頭傳輸?shù)乃俾什荒苡醒訒r，因此港口的智能化改革需要較高的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。自動裝卸作業(yè)設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)指標的要求如下：上行速率在（30 Mb·s-1）/臺～（40 Mb·s-1）/臺之間，下行速率不低于128Kb·s-1/臺，視頻回傳最大延時≤40ms，下行控制最大延時≤18ms。

（二）安防監(jiān)控

在現(xiàn)階段港口對貨物與設(shè)備的安防監(jiān)控方面，需要通過科學(xué)的智能監(jiān)控系統(tǒng)降低監(jiān)控設(shè)備的占地面積與人工的投入，同時還要解決原有監(jiān)控系統(tǒng)存在監(jiān)控盲區(qū)和監(jiān)控遮擋等問題。因此在該系統(tǒng)中需要解決港口安防監(jiān)控的布線問題，因港口遮擋物較多且較為集中，所以無法使用無線通信進行各視頻監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。同樣，應(yīng)用無人機進行監(jiān)控也會存在較多的實際問題，因此現(xiàn)階段港口需要一 種更科學(xué)合理的安防監(jiān)控技術(shù)來解決上述問題。安防監(jiān)控對網(wǎng)絡(luò)指標的要求，如表1所示。

（一）智能運維

為解決港口自動裝卸設(shè)備下重要傳動設(shè)備在惡劣天氣中可能遇到的各種，將利用上述以5G為基礎(chǔ)的云網(wǎng)絡(luò)信息采集設(shè)備，通過邊緣計算對過濾特征數(shù)據(jù)進行提取，并將系統(tǒng)中智能預(yù)測運維技術(shù)使用到該設(shè)備當(dāng)中。通過該設(shè)計可以將自動裝卸設(shè)備下的傳動裝置實時信息及時傳輸?shù)竭\維調(diào)度中心，通過故障數(shù)據(jù)的可視化指導(dǎo)維保人員對精細部件的維修，從而提高港口設(shè)備的故障檢修速率。運維調(diào)度中該智能系統(tǒng)可以在不破壞基礎(chǔ)的情況下，實現(xiàn)各工作單位、傾角儀以及編碼器等精細化設(shè)備的位姿定位。以港口的堆料機為例，通過結(jié)合類機器人的運動學(xué)和擬運動學(xué)建模計算，實現(xiàn)設(shè)備無人駕駛的路線模擬與動作模擬，基于運動學(xué)建模，見式（1）所示。

（二）智能監(jiān)控

通過多接入邊緣計算法實現(xiàn)港口智能監(jiān)控的二級基站設(shè)計，將港口分為幾個主要工作區(qū)，實際監(jiān)控數(shù)據(jù)將直接上傳至二級基站，由二級系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，即對視頻中一些靜態(tài)數(shù)據(jù)、相對靜止的無用視頻數(shù)據(jù)進行剪輯存檔，以降低監(jiān)控視頻回傳對整個系統(tǒng)帶寬的占用，提高系統(tǒng)對無人駕駛以及自動裝卸設(shè)備的靈活控制。從整個系統(tǒng)設(shè)計的角度可以得出，本系統(tǒng)在5G技術(shù)的加持下能夠解決港口海量數(shù)據(jù)調(diào)用與存儲帶來的技術(shù)瓶頸，是實現(xiàn)港口進一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)。

通過5G專網(wǎng)技術(shù)與多接入邊緣算法的融合設(shè)計可以基本解決目前我國港口出現(xiàn)一些問題，并且通過5G技術(shù)的支撐可以使自動吊裝、無人安防以及無人駕駛等技術(shù)全面應(yīng)用在我國港口建設(shè)當(dāng)中，提高港口日均集裝箱的吞吐量與貨物調(diào)度速率，降低工人工作發(fā)生安全事故的概率與企業(yè)對該方面的投資。在未來基于5G技術(shù)設(shè)計的智能化港口系統(tǒng)，無人駕駛與自動化裝卸技術(shù)將是港口發(fā)展的必經(jīng)階段，同時也是目前提高港口經(jīng)濟效益的有效方法。

作者單位：華信咨詢設(shè)計研究院有限公司