5G 網(wǎng)絡(luò)切片在智慧港口的應(yīng)用研究

［董月滋 毛斌宏］

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，國家的交通運輸行業(yè)特別是碼頭行業(yè)的發(fā)展甚是迅猛。在碼頭系統(tǒng)發(fā)展的過程中，港口的運行效率以及碼頭的運行安全引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，而且，全球環(huán)境的變化特別是疫情后的新常態(tài)，港口管理面臨越來越多的挑戰(zhàn)，港口必須充分利用新技術(shù)來應(yīng)對新需求，故信息化、物流化及智能化的港口成為了碼頭建設(shè)的必然趨勢。

港口系統(tǒng)的業(yè)務(wù)場景極其復(fù)雜，運營管理面臨多方面的挑戰(zhàn)，其對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延、可靠性等要求差異很大，而5G能提供快速、安全、高可靠性的靈活定制化切片運營，即5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。依托于5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，智能港口的建設(shè)定能大大地提升港口生產(chǎn)質(zhì)量及效率，為實現(xiàn)“無人碼頭”打下基礎(chǔ)以及提供巨大的社會價值和經(jīng)濟價值。

本文主要是對智能港口和5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)進(jìn)行介紹說明，圍繞網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在智慧港口系統(tǒng)中的應(yīng)用做出研究，體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片在5G 網(wǎng)絡(luò)中扮演的關(guān)鍵角色。

2 智慧港口現(xiàn)狀分析

2.1 智慧港口概述

智慧港口，即數(shù)字化、自動化、物流可視化的港口，是以現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)備為基礎(chǔ)，對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)整合。智慧港口的核心應(yīng)用場景包括裝卸作業(yè)的遠(yuǎn)程控制、港口無人運輸、港區(qū)視頻監(jiān)控和AI 識別等。結(jié)合先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智慧港口可以實現(xiàn)低成本、綠色低碳、生產(chǎn)安全、服務(wù)便利的港口運營。

2.2 港口智能化發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

目前，我國的智慧港口發(fā)展處于剛起步階段，但在國家和政府的大力支持下，港口的智能化發(fā)展也得到了較大的改善和提高，近幾年來也在各大港口進(jìn)行技術(shù)試點及推廣。

一個典型的港口系統(tǒng)包含以下六大場景：船只進(jìn)出港口、岸橋裝卸貨、貨物水平運輸、堆場管理、集裝箱進(jìn)出港口和陸港聯(lián)運。圖1 說明了港口系統(tǒng)的各個流程之間的協(xié)作。

圖1 港口系統(tǒng)的場景流程協(xié)作圖

由于港口涉及的業(yè)務(wù)范圍及形態(tài)復(fù)雜多樣，港口系統(tǒng)在智能化發(fā)展的過程中也存在很多的問題。結(jié)合港口系統(tǒng)場景具體說明有以下幾點：

（1）部分場景下，例如船只和集裝箱進(jìn)出港口的時候需要進(jìn)行貨物檢查，港區(qū)需收集的信息量比較大，高清視頻等信號會有不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。

（2）貨物水平運輸?shù)葓鼍霸趥鹘y(tǒng)的港口中大多數(shù)是以人工駕駛運輸為主，我國港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量全球排名比較靠前，司機機械性重復(fù)工作導(dǎo)致疲勞駕駛的現(xiàn)象時常發(fā)生，港口的裝卸效率及人員安全得不到保證。

（3）岸橋場景下的作業(yè)屬于高空作業(yè)，依賴于遠(yuǎn)程操作，這其中涉及到高清視頻監(jiān)控，但現(xiàn)階段的高清視頻監(jiān)控依賴于有線光纖連接，其成本高，監(jiān)控點相對固定不靈活。貨物起吊過程的設(shè)備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回傳、數(shù)據(jù)實時分析、定位防碰撞等場景對帶寬的要求都很高，目前依賴的光纖接入不靈活，可移動性差。

（4）港區(qū)內(nèi)的各項指標(biāo)（或設(shè)備）監(jiān)測，比如溫度、濕度測、靜電等指標(biāo)（或港區(qū)內(nèi)的水管、垃圾回收站等設(shè)備），傳統(tǒng)港區(qū)的指標(biāo)檢測主要是通過人工使用儀器對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，效率極低，還可能出現(xiàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的情況。

3 5G 網(wǎng)絡(luò)切片在智慧港口系統(tǒng)的典型應(yīng)用

3.1 5G 網(wǎng)絡(luò)切片概念

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，5G 網(wǎng)絡(luò)面向垂直行業(yè)客戶提供各種支撐能力。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義了5G 網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場景：增強型移動寬帶服務(wù)（eMBB）、超可靠低時延通信服務(wù)（uRLLC）、海量機器通信服務(wù)（mMTC）。5G 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)于4G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一在于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。切片，通俗一點的意思就是將一張網(wǎng)切割成多片，不同的片負(fù)責(zé)不同的場景處理，片與片之間是獨立的。5G 網(wǎng)絡(luò)切片從本質(zhì)上理解是按需定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)切片端到端架構(gòu)

切片也是網(wǎng)絡(luò)，是端到端的網(wǎng)絡(luò)，3GPP 定義的5G網(wǎng)絡(luò)切片端到端架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 5G 網(wǎng)絡(luò)切片端到端架構(gòu)圖

5G 網(wǎng)絡(luò)切片端到端架構(gòu)涉及關(guān)鍵網(wǎng)元功能主要包含CSMF（Communication Sevice Management Function，通信服務(wù)管理功能）、NSMF（Network Slice Management Function，網(wǎng)絡(luò)切片管理功能）和NSSMF（Network Slice Subnet Management Function，網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能）。用戶通過訂購切片業(yè)務(wù)，然后CSMF 將訂單業(yè)務(wù)需求轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)需求并流轉(zhuǎn)到NSMF根據(jù)需求對SLA（Service-Level Agreement，服務(wù)等級協(xié)議）進(jìn)行端到端分段拆解，隨之將對子域/子網(wǎng)的部署需求傳遞到NSSMF，NSSMF 對子域/子網(wǎng)的切片進(jìn)行管理與設(shè)計，最終將具備的能力上報給NSMF。CSMF 到NSMF 再到NSSMF，實現(xiàn)跨RAN、TN、CN 的端到端網(wǎng)絡(luò)切片的縱向協(xié)同，為5G 三大場景橫向切片提供能力，使得不同場景的業(yè)務(wù)在不同的切片上得以實現(xiàn)。

3.3 5G 網(wǎng)絡(luò)切片在智慧港口系統(tǒng)中的應(yīng)用

智慧港口的主要組成元素有人、車、貨物和船，其業(yè)務(wù)場景多而復(fù)雜，不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的能力要求不同，體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的帶寬、可靠性、時延等Qos 能力，如表1 所示。

表1 智慧港口業(yè)務(wù)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)能力要求表

針對2.2 章節(jié)所提到的智慧港口現(xiàn)狀問題，結(jié)合表1的不同業(yè)務(wù)所需網(wǎng)絡(luò)能力要求不同，給出以下幾種切片應(yīng)用：

（1）高清視頻監(jiān)控及AI 識別：高清視頻是典型的eMBB 類應(yīng)用，高清視頻類切片場景對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)能力表如表2 所示。港區(qū)的人、車、船只和貨物的信息量比較大，其中涉及到貨物ID、人臉信息、車牌號信息。港區(qū)內(nèi)的智能理貨、智能巡檢等環(huán)節(jié)需要同時連接多個設(shè)備、工具和用戶，而5G 技術(shù)具有更大的網(wǎng)絡(luò)切片容量，可為特定應(yīng)用提供專用的帶寬量，大帶寬的切片應(yīng)用可以使得數(shù)據(jù)傳輸速率加快，允許用戶能夠?qū)碜远鄠€來源的監(jiān)控錄像及時上傳到云端存儲平臺，云視頻存儲監(jiān)控結(jié)合AI 進(jìn)行實時的視頻智能分析，比如智能識別員工的工作合規(guī)情況（可判斷員工是否佩戴安全帽、是否疲勞駕駛等），大帶寬的5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供不間斷的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，不僅提高了工作效率還保障了港區(qū)的安全。

表2 高清視頻類切片場景的網(wǎng)絡(luò)能力表

（2）港口集卡無人駕駛：港口的集卡無人駕駛在智慧港口系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色。無人駕駛是V2X切片，是uRLLC 場景的典型應(yīng)用，其中環(huán)節(jié)包括車車通信V2V、車路協(xié)同V2I、車人協(xié)同V2P 以及地圖視頻V2N，它們各自對網(wǎng)絡(luò)的能力要求如表3 所示。由表中數(shù)據(jù)可知，無人駕駛對時延要求極高，需要車跟任意物體進(jìn)行智能交互，才得以避免事故產(chǎn)生。

表3 V2X 切片場景的網(wǎng)絡(luò)能力需求表

（3）港區(qū)指標(biāo)（或設(shè)備）監(jiān)測切片：港區(qū)內(nèi)設(shè)備及各項環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測是mMTC 場景的應(yīng)用，即大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，港區(qū)內(nèi)的終端分布范圍廣、數(shù)量眾多，對網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)要求很高，需具備超千億連接的支持能力。

4 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在港口的應(yīng)用進(jìn)展

上述的三個港口場景切片，能有效滿足港口系統(tǒng)的多元化業(yè)務(wù)需求?；?G 網(wǎng)絡(luò)切片的智慧港口業(yè)務(wù)在國內(nèi)廈門威海、青島前灣、寧波舟山等大型港口均有部分場景得以成功上線，比如集裝箱自動化碼頭、岸橋遠(yuǎn)程控制等場景也已投入正常運營。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)場實測業(yè)務(wù)端到端的時延可靠性高，穩(wěn)定在8 ms 左右，相比于使用4G 網(wǎng)絡(luò)、光纖等通信方式的傳統(tǒng)港口系統(tǒng)，不限于帶寬壓力的現(xiàn)代智能港口業(yè)務(wù)時延有大幅度提高，進(jìn)而提升港口作業(yè)效率和降低運營成本。港口集卡無人駕駛的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于人工成本的降低，無人駕駛帶來的技術(shù)和經(jīng)濟效益也是很可觀的，可以吸引自動駕駛科技公司的加入從而帶來更多的資本投入，呼應(yīng)“數(shù)字強國”、“交通強國”、“新基建”建設(shè)，助力世界一流港口建設(shè)。除此之外，基于5G 網(wǎng)絡(luò)及V2X 技術(shù)的港口集卡無人駕駛技術(shù)的逐步成熟，包括系統(tǒng)、算法、識別、精確定位等在未來給其他領(lǐng)域的無人駕駛帶來寶貴的實踐經(jīng)驗。

5 結(jié)語

高清視頻監(jiān)控及AI 識別、港口集卡無人駕駛和港區(qū)指標(biāo)（或設(shè)備）監(jiān)測三種切片響應(yīng)5G 的eMBB、uRLLC和mMTC 三大場景，有效解決傳統(tǒng)港口人為機械性作業(yè)、作業(yè)效率低和運營成本高等問題。大帶寬、低時延、廣連接的5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的可充分滿足智慧港口對網(wǎng)絡(luò)能力的多元化需求。港口的智能化發(fā)展和運營已成為推動我國從大國走向強國的重要因素，5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在智慧港口的建設(shè)中扮演著極其重要的角色。目前5G 切片技術(shù)在智慧港口的業(yè)務(wù)場景中的應(yīng)用仍處于初步實踐中，亟需產(chǎn)業(yè)界共同探討，結(jié)合實際對問題進(jìn)行改善，體現(xiàn)社會價值，讓更多的行業(yè)受益于5G，實現(xiàn)未來長期更大的收益。