基于5G SA網(wǎng)絡的智慧港口網(wǎng)絡部署方案研究

陳 云，劉之光，陶偉宜（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江杭州 310052）

1 概述

隨著工業(yè)發(fā)展演進到工業(yè)4.0（智能化時代），港口作為經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐，也在不斷地演進。傳統(tǒng)港口以傳統(tǒng)的貨物裝卸、堆存為主，主要發(fā)揮貨物集散轉運作用，相關增值服務很少，功能定位為貨物集散中心；現(xiàn)代港口具備使貨物增值的臨港物流、多式聯(lián)運、產(chǎn)業(yè)互動、特色口岸等服務功能以及全球資源配置樞紐，功能定位為物流服務中心和進出口中心；智慧港口則應用新一代數(shù)字通信技術為客戶提供高附加值、高敏捷性的綜合供應鏈服務，具有高度的智慧化、數(shù)字化發(fā)展水平，是港口發(fā)展的高級階段，是具有生產(chǎn)智能、管理智慧、服務柔性、保障有力等特征的智能化港口。

所謂教育信息化，就是指在教學過程中有效運用信息技術手段，將二者有機結合，以進一步開發(fā)和利用教育信息資源。教育信息化追求教學手段和教學方式的現(xiàn)代化與科技化，它具備協(xié)作性、多媒體化、共享性以及開放性等諸多特點，可以說根本轉變了傳統(tǒng)的小學教學方法和教學模式，是教育改革的重要一環(huán)。以小學教育信息化為例，不僅師生提供了更加優(yōu)質、多元和豐富的學習資源，也帶給學生一定的學習體驗，是素質教育全面實施的重要動力，也是教學效率和質量不斷提升的主要推動力。

隨著“一帶一路”倡議的實施，中國已經(jīng)成為第一貿(mào)易大國。截至2021年底，全球港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量前10 名的港口中，中國港口分別占8 席和7 席。但中國乃至全球港口智能化建設還處于初期階段，中國目前已建成10 座自動化集裝箱碼頭，有7 座自動化集裝箱碼頭在建。

控制有機相和水相的體積，得到不同的萃取相比，考察萃取相比的變化對銣鉀萃取效果的影響。t-BAMBP體積分數(shù)為30%，料液堿度為0.4 mol/L，常溫下萃取3 min。萃取相比試驗結果如圖4所示。

在全球港口面臨勞動力成本攀升、勞動力短缺難題的時候，通過自動化改造進行降本增效成為全球港口共同的訴求。5G 技術具有“低時延控制、大帶寬監(jiān)控、高可靠連接”優(yōu)勢，5G SA 網(wǎng)絡在港口的部署可以助力港口操作智能化和企業(yè)管理平臺化，提升港口運營效率，為港口自動化提供新的動力。

2 業(yè)務場景

2.1 場景概述

港口作業(yè)的主要流程如下（見圖2）。

圖1 港口作業(yè)區(qū)域分布

港口集裝箱碼頭作業(yè)區(qū)域分為裝卸作業(yè)、堆場作業(yè)和閘口作業(yè)三大區(qū)域。集裝箱在港口的流轉采用閘口—場橋—集卡—岸橋的工藝系統(tǒng)，涉及水平運輸和垂直運輸兩大類運輸系統(tǒng)（見圖1）。

圖2 港口作業(yè)流程

突出生態(tài)優(yōu)勢，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構，優(yōu)化提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，大力培育新興產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保和新能源等綠色產(chǎn)業(yè)，云南已成為全國外送清潔能源的第二大省份。云藥、云茶、云花等生物產(chǎn)業(yè)，多姿多彩、環(huán)境優(yōu)美、氣候宜人的生態(tài)旅游，水電、風電、太陽能等清潔能源成為云南又一張亮麗的名片。

初中數(shù)學教學不能僅局限于“講和聽”，要提高學生的主動性，注重數(shù)學思維的培養(yǎng)，并充分利用好信息技術，調(diào)動學生積極性、活躍課堂氣氛，讓學生養(yǎng)成良好習慣，并引導學生不斷總結適合自身的學習方式，善于發(fā)現(xiàn)生活中的數(shù)學問題，在不斷地解題和練習中總結和概括，提升綜合能力和數(shù)學思維。

b）集卡/AGV/跨運車將貨物運到堆場（水平運輸）。

c）場橋（軌道吊/輪胎吊）卸貨/裝貨到集卡（垂直運輸）。

d）進/出海關閘口（外集卡，水平運輸）。

譯文：The analysis is carried out according to the universal standard and general features of English abstracts,chiefly from the linguistic and the stylistic aspects.

傳統(tǒng)/現(xiàn)代港口作業(yè)方式主要存在如下問題。

a）運營效率問題。港口的重要基礎設備包括碼頭泊位、作業(yè)機械、堆場、倉庫、航道和錨地等，設施的利用程度直接影響港口的整體運營效率，港口基礎設施利用越充分，港口效率就越高，這帶來了365×24 h不間斷作業(yè)的要求。

b）人工成本問題。岸橋吊/龍門吊/集卡等設備，24 h 作業(yè)要求有3 名作業(yè)人員輪換，對作業(yè)人員數(shù)量需求大；龍門吊司機技能要求高，培訓時間長，是特殊工種，作業(yè)人員招工難度高。近年來一些港口企業(yè)的平均年人工成本的增長幅度超過10%，占總成本的比例達到了1/3。

c）安全問題。港口為臨海環(huán)境，氣候條件較惡劣；作業(yè)人員需在30 m 高的龍門吊操控室連續(xù)作業(yè)；作業(yè)人員需長期低頭作業(yè)，極易疲勞。以上各種風險因素容易造成安全問題，從而影響港口運營。

每個實訓模塊可配備實訓提升項目，就是教師考慮到學生的知識水平和學習素質方面存在差異，設置拓展和課外的任務，引導學生鞏固已學的知識，對新知識進行運用。這些任務可以讓學生通過互助的方式來完成，發(fā)揮各個階段學生的主動性和積極性。

2.2 主要場景

基于以上分析，智慧港口現(xiàn)階段最主要的訴求為：降低勞動強度，降低人工成本；提高生產(chǎn)安全，改善工作環(huán)境；減少天氣因素影響，全天候24 h 作業(yè)。結合港口的作業(yè)流程，將5G 引入智慧港口的建設中，主要應用場景如下。

a）垂直運輸系統(tǒng)遠程控制：岸橋遠控，場橋遠控（龍門吊）。

b）水平運輸系統(tǒng)自動駕駛：AGV，無人駕駛內(nèi)集卡。

本文主要研究5G 引入垂直運輸系統(tǒng)遠程控制的解決方案。

本文使用層次分析法評價各個員工對民營企業(yè)社會責任滿意度集因素的權重，以及一級、二級準則層的權重，具體結果可參見表3 所示。

2.3 業(yè)務需求

業(yè)務實現(xiàn)方式：靜態(tài)IP 地址+QoS。采用靜態(tài)IPv4設計，在開卡時綁定特定IPv4 地址，終端每次激活會話后IP 地址固定不變，方便港區(qū)內(nèi)遠程控制服務器根據(jù)IP地址與終端進行業(yè)務交互。

港口龍門吊遠程控制業(yè)務的典型示意如圖3 所示。

為了衡量解的優(yōu)劣,精英檔案策略引入了密集距離概念,通過刪除密集距離較小的解即處在密集位置的解,以限制檔案的成員數(shù)量。而且通過比例選擇的方法為每個粒子選取全局最優(yōu),即Pareto最優(yōu)解中存在的密集距離越大的解會有更大的概率被選為全局最優(yōu)的粒子。

圖3 港口龍門吊遠程控制業(yè)務示意

位于港口中控室（遠程控制中心）的操作人員獲取碼頭運營系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)度任務后，根據(jù)堆場現(xiàn)場龍門吊實時回傳的高清視頻了解周邊狀況，通過操縱桿的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）來遠程實時控制龍門吊及其抓手的移動操作、抓手抓取/放開等操作，實現(xiàn)集裝箱的堆放與轉運。

a）貨船到岸，通過岸橋裝卸（垂直運輸）。

2.3.2 網(wǎng)絡需求

龍門吊遠控對5G 專網(wǎng)的網(wǎng)絡需求主要是控制命令的下發(fā)及10～12 路攝像頭視頻回傳，具體指標要求如下。

a）PLC：下行速率為100 kbit/s；時延及可靠性為30 ms@99.99%。

在電氣工程中，首先要做的是確定電氣工程中電壓等級的選擇，以獲得節(jié)能效果。例如，當前通用電氣工程中的中壓配電電壓為10kV或者20kV，低壓配電電壓為220V或380V[6]。對于電壓的選擇，需要進行全面考量。電壓選擇與許多因素有關：一是國家電網(wǎng)在當?shù)氐墓╇娫O備的特點；二是電氣工程中的電源電路數(shù)量；三是電力用戶的計算電壓容量；四是電氣工程所在地區(qū)的發(fā)展水平。高壓電網(wǎng)和低壓電網(wǎng)在選擇時也有不同：選擇低壓配電網(wǎng)的情況是用戶的電力用于低功耗；選用高壓配電網(wǎng)的情況是用戶的計算能力，電氣設備，單電源儀表電源的距離和計算負荷超過一定的范圍內(nèi)。在電壓選擇過程中，需要參考上述要求選擇正確的電壓以避免浪費。

b）2K 攝像頭：上行速率為60 Mbit/s；時延及可靠性為50 ms@99.9%。

c）普通攝像頭：上行速率為40 Mbit/s；時延及可靠性為50 ms@99.9%。

若把英語例句中的主謂語結構不加以轉換，直譯成“1919年的五四運動目睹了新紅學的開端……”，就會造成譯文不太符合漢語中“以人為主”的思維，顯得佶屈聱牙，因此這里在翻譯時對英語原文進行了一些處理，將該句中的主謂語結構轉換成了漢語中的狀語，使得譯文更加切合漢語思維，如此，中國讀者讀起來便不會覺得拗口了。

2.3.3 組網(wǎng)方案

目前港口場橋等港機設備采用L2/L3 協(xié)議混傳（控制信號采用Profinet/S7等協(xié)議，視頻信號采用TCP/UDP/IP 協(xié)議），采用5G 專網(wǎng)來承載遠控信號時，需要在5G 接入的CPE 前端新增AR 路由器建立層二或層三隧道。同時還需從信號傳輸、時延以及可靠性等維度來考慮組網(wǎng)方案。

a）信號傳輸考慮：為降低控制信號時延，避免影響港機遠控效果，組網(wǎng)方案中監(jiān)控視頻和控制信號通過不同的隧道進行分離傳輸。

b）時延考慮：5G 場吊遠控方案通過UPF 下沉到港區(qū)進行部署，降低PLC 控制信號端到端時延。同時，無線空口采用RB（Resource Block）預留及低IBLER（Initial Block Error Rate）方案，以優(yōu)化時延及提升低時延穩(wěn)定性。

鉀是肥力三要素之一，不僅是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，而且在生物物理和生物化學方面有重要作用，對植物體內(nèi)同化產(chǎn)物的運輸和能量轉變，也有促進作用[13]。

這就相當于將被測物體人為移動至質心與(r0，θ0)重合處重建，當Δξ=ξi時，相當于將被測物體質心移動至原點。

港區(qū)內(nèi)設置1 對入駐A 設備，與上聯(lián)STN-B 按規(guī)范組接入環(huán)，與DCGW通過trunk口對接。

a）采用SA 專網(wǎng)方式進行組網(wǎng)，根據(jù)港口容量需求，建設若干個站點和小區(qū)；AAU 均部署在碼頭內(nèi)的燈桿上，BBU部署在碼頭內(nèi)機房。

3 網(wǎng)絡解決方案

3.1 總體組網(wǎng)方案

基于運營商省級集中部署的5GC 進行5G 核心網(wǎng)信令承載，港區(qū)內(nèi)遠控數(shù)據(jù)通過CPE 上聯(lián)到5G 基站，港區(qū)下沉UPF進行港區(qū)數(shù)據(jù)就近分流卸載，通過N6接口訪問港口遠程控制系統(tǒng)?；谌萘亢透采w要求進行無線網(wǎng)絡設計，通過空口時延優(yōu)化、UPF下沉實現(xiàn)超低時延（見圖5）。

圖5 總體組網(wǎng)架構

3.2 網(wǎng)絡解決方案

3.2.1 無線解決方案

5G龍門吊遠控組網(wǎng)方案如圖4所示。

b）無線頻段采用3.5 GHz+3.6 GHz 雙頻組網(wǎng)，3.5 GHz（7D3U）小區(qū)單用戶上行雙流理論峰值約為378 Mbit/s；考慮多用戶接入和碼頭業(yè)務場景，單小區(qū)上行容量按240 Mbit/s 規(guī)劃，雙載波組網(wǎng)上行容量可超過400 Mbit/s，能夠滿足客戶業(yè)務需求。

c）專網(wǎng)基站采用CRAN 方式組網(wǎng)，前傳網(wǎng)采用雙eCPRI口連接，滿足容量和備份需求。

d）為了實現(xiàn)高可靠、低時延，開啟上行預調(diào)度，調(diào)整預調(diào)度時長和資源大小，以保證端到端時延控制在30 ms以內(nèi)。

3.2.2 核心網(wǎng)解決方案

部署方案：UPF 下沉至港區(qū)機房，數(shù)據(jù)不出港區(qū)，滿足低時延業(yè)務需求；同時也減少了港區(qū)攝像頭視頻流量對骨干承載網(wǎng)資源的占用。

分流方案：針對港區(qū)內(nèi)專網(wǎng)業(yè)務，規(guī)劃1個專用切片進行港區(qū)專網(wǎng)業(yè)務和公眾公網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)的隔離。不同類型5G 終端接入5G 基站后，將公網(wǎng)業(yè)務和專網(wǎng)業(yè)務映射到不同切片。港區(qū)內(nèi)用戶終端附著激活后由省中心SMF 根據(jù)“S-NSSAI+園區(qū)DNN”選擇下沉至港區(qū)UPF 作為主錨點，對港區(qū)業(yè)務進行本地流量卸載，保證港區(qū)用戶業(yè)務真正不出園區(qū)。

2.3.1 作業(yè)流程

通過港區(qū)遠控業(yè)務需求分析，在港區(qū)的這個專用切片內(nèi)，監(jiān)控攝像頭業(yè)務簽約默認5QI=9，PLC 遠程控制對交互實時性要求高，優(yōu)先級相對高，簽約5QI=6。

3.2.3 承載網(wǎng)解決方案

c）可靠性考慮：龍門吊業(yè)務為港口核心作業(yè)流程之一，對5G 網(wǎng)絡可靠性要求很高，可部署終端雙發(fā)選收方案來保證5G鏈路傳輸可靠性及低時延穩(wěn)定性。

入駐A 與STN-B 之間配置主備L2 PW 隧道，在STN-B上做L2+L3終結。

DCGW 與港區(qū)遠程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通過10GE 光纖拉通，實現(xiàn)N6流量不出港區(qū)（見圖6）。

圖6 承載組網(wǎng)架構

3.2.4 終端（CPE）解決方案

如圖7 所示，對龍門吊PLC 遠控數(shù)據(jù)采取空口鏈路級保護技術——雙發(fā)選收，支持雙發(fā)選收的終端（CPE）將PLC 流數(shù)據(jù)包復制之后，把原始包和復制包通過2 條無線空口鏈路同時上傳，所有的數(shù)據(jù)包送到UPF，由UPF處部署的網(wǎng)關功能對數(shù)據(jù)包進行緩存、排序、去重復操作，恢復原始的數(shù)據(jù)流。以實現(xiàn)先到的數(shù)據(jù)包先處理，后到的數(shù)據(jù)包則丟棄，從而解決丟包跳控問題，在保障業(yè)務高可靠運行的同時保障業(yè)務低時延。

圖7 終端雙發(fā)選收解決方案

由于龍門吊PLC 遠控數(shù)據(jù)流量較小，雖然占用了2 條空口鏈路進行數(shù)據(jù)包傳輸，但對基站整體帶寬的占用影響不大，且在現(xiàn)場采用雙發(fā)選收方式后進行測試，全程無丟包現(xiàn)象及跳控現(xiàn)象，能滿足PLC 遠程控制的需求。

3.3 業(yè)務測試情況

5G+智慧港口場景除了關注覆蓋等性能指標外，更加聚焦業(yè)務的可用性，包括容量和業(yè)務質量等。

3.3.1 覆蓋測試

測試結果顯示，整個港口區(qū)域無線覆蓋率達到99.97%，平均SINR 為14.5 dB，其中RSRP 大于-85 dBm 以上的比例達到99.48%，SINR 大于5 dB 以上的比例達到92.8%，整個港區(qū)達到優(yōu)質覆蓋。

3.3.2 容量測試

在港口各區(qū)域內(nèi)選擇多個點位進行測試，4 臺終端同時做FTP 上行業(yè)務，保持1 min 以上，取4 臺終端的平均速率為該點位速率。經(jīng)測試，各區(qū)域單用戶帶寬和總帶寬需求都滿足港口各業(yè)務上行容量需求。

3.3.3 時延測試

“昆北”陰平聲字“家”的唱調(diào)（《紫釵記·折柳》【寄生草】“可笑自家”，761），該單字唱調(diào)的過腔是。其中的即第一節(jié)級音性過腔，即第二節(jié)主調(diào)性過腔，由此構成的也是“級音+主調(diào)”兩節(jié)型過腔。

在港區(qū)各區(qū)域測試的平均時延為26 ms，滿足港區(qū)遠程控制小于30 ms的時延要求。

4 結束語

本文研究的某碼頭智慧港口5G SA 網(wǎng)絡部署方案，基于5G+智慧港口行業(yè)應用場景，構建5G+網(wǎng)絡切片專網(wǎng)，融合5G 龍門吊遠控、5G 智能集卡等典型應用，形成滿足智慧港口應用需求的5G SA網(wǎng)絡方案，樹立了5G 智慧港口行業(yè)應用示范標桿。在現(xiàn)階段智慧港口融合應用平臺成熟運營的基礎上，未來還可以融合智能理貨、360°作業(yè)綜合調(diào)度等典型應用。