基于運營商專網的5G智慧港口解決方案

王東　張龍　程錦霞　肖善鵬

【摘? 要】港口碼頭是連接海路運輸和內陸運輸的重要樞紐，港口行業致力于推進全自動集裝箱碼頭系統建設。圍繞港口集裝箱裝卸生產核心業務，探索5G無線通信技術在核心業務中的合理應用，實現港口降本增效需求。首先概述港口行業發展現狀，接著分析港口的主要業務場景如軌道吊、橋吊遠程駕駛、無人集卡遠程調度、安防巡檢等，然后分析各業務場景目前的痛點以及對網絡的需求，最后提出基于運營商5G專網的智慧港口解決方案。

【關鍵詞】5G智慧港口;遠程駕駛;安防巡檢;專網

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.010? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）09-0053-04

引用格式：王東，張龍，程錦霞，等. 基于運營商專網的5G智慧港口解決方案[J]. 移動通信， 2019，43（9）： 53-56.

Smart Shipping Port Solution Based on Operators 5G Private Network

WANG Dong， ZHANG Long， CHENG Jinxia， XIAO Shanpeng

[Abstract]?Shipping port makes a tight connection between sea transportation and inland transportation. The significant strategic position of the port brings strong demand for advanced automated container terminal system.? This paper focuses on the application of 5G network to the core port scenario of container loading and unloading production， aiming at port cost reduction and efficiency increase. The paper firstly summarizes the development status of the port industry， and then analyzes the main business scenarios such as track cranes， bridge crane remote control and driving， remote schedule of unmanned container truck， security inspections， and then analyzes the current pain points of various business scenarios and demands for the network. Finally， a dedicated smart port solution is proposed based on the operators 5G private network.

[Key words]5G smart shipping port; remote control and driving; security inspection; private network

1? ?引言

1.1? 港口行業概況

由于中國“十三五”、“一帶一路”政策的利好，港口吞吐量、收入穩步上升。根據交通運輸部發布的《2018年交通運輸行業發展統計公報》顯示及相關公司年報顯示，中國億噸級港口有36個，總收入約1 500億，其中集裝箱碼頭收入在700億左右。生產用集裝箱泊位2萬多個，萬噸級以上泊位2 444個，位居世界第一。如表1所示，按吞吐量排序，目前在全球集裝箱吞吐量排名前10大港口中，中國占7席，分別是上海、深圳、寧波、香港、廣州、青島、天津。中國已成為世界上港口吞吐量和集裝箱吞吐量最多、增長速度最快的國家。

1.2? 生產運營智慧化、自動化需求迫切

近幾年，集裝箱船裝載能力的大幅增長帶來的不只是整體航運業運輸效率的提升，同時對港口碼頭的裝卸效率要求業越來越高。若碼頭效率并沒有隨之提升，就會造成船只和貨物在碼頭積壓。傳統碼頭在集裝箱全流程運輸環節都需要依靠人工現場生產，效率提升困難。為達到降本增效的目的，智慧化、自動化成為了港口發展的方向。當前國內已有廈門遠海、青島前灣、上海洋山四期已新建集裝箱自動化碼頭，在軌道吊、橋吊、集卡車實現遠程控制，向港口碼頭無人化發展。

對于自動化碼頭，通信手段目前采用有線光纖回傳或者非授權頻譜無線（LTE-U等）回傳實現遠程自動化，痛點主要集中在光纖每年有約3%的損壞率，LTE-U成本高，帶寬、可靠性不足。因此自動化碼頭對自動化、智慧化的創新升級需求迫切[1]。

另一方面新建港口只是少數，承擔90%以上運力的港口是現有人工碼頭。人工碼頭的自動化是智慧港口發展重點，目前面臨的一大問題是如采用新建自動化港口的改造方案勢必會造成港口停工，致使運力、收入的下降。

因此，新建自動化碼頭和傳統人工碼頭對智慧化、自動化創新需求，特別是通信手段的創新應用需求非常迫切。

2? ? 智慧港口業務場景及需求

集裝箱港口碼頭生產環節包括：水平運輸系統、垂直運輸系統和整體安防監控等系統，具體如圖1所示。

垂直運輸系統主要包含兩類大型港口機械設備：橋吊和軌道吊。其中橋吊實現集裝箱從船到岸裝卸;軌道吊實現集裝箱等貨物進行裝卸、理貨等操作。

水平運輸系統主要包含內集卡（港口內部集裝箱卡車）和AGV（自動引導小車），實現集裝箱在岸橋和堆場之前的運輸，其中堆場是指港口碼頭集裝箱堆砌的場地。

安防監控系統主要包含攝像頭、無人機等，實現港口安全監控、設備設施巡檢、海岸線巡檢等內容。

2.1? 橋吊、軌道吊遠程作業業務

當前90%以上橋吊、軌道吊為人工現場高空作業，工作環境惡劣、有一定技術門檻，導致港口招人困難，人工成本高。因此港口有迫切的遠程控制作業需求[2]，即多路攝像頭回傳碼頭現場信息，工人在遠程機房將控制信號傳輸給碼頭的橋吊和軌道吊進行裝卸作業。

部分新建港口通過光纖實現視頻回傳和控制信號下發，但痛點是軌道吊移動性強，有線部署困難、易磨損。對于大多數傳統碼頭，橋吊和軌道吊本身沒有部署有線，重新部署有線會破壞碼頭路面，導致停工，提升成本。

橋吊、軌道吊遠程作業業務需求主要包含：

（1）每個橋吊、軌道吊10～15路攝像頭高清視頻回傳到控制中心;

（2）本地控制中心工人根據現場實時視頻，向港機下發裝卸等實時控制信號;

（3）數據隔離需求，生產作業相關數據不出港區。

相應網絡指標要求如表2所示：

2.2? 無人集卡和AGV遠程調度

傳統港口卡車司機機械式勞作，容易造成疲勞駕駛、分神駕駛，影響碼頭作業效率和港口安全，將現有成熟卡車平臺改造成為無人集卡或AGV。自動化港口目前采用AGV完成運輸，通過地磁進行定位，利用LTE-U專網完成車輛遠程調度。

目前痛點是LTE-U容量不足、時延高、建設與維護成本高;地磁成本高、線路固定、二次鋪設影響生產。

無人集卡和AGV遠程調度業務需求如下：

（1）傳統港口運輸無人化;

（2）高精度定位;

（3）低時延高可靠的無線網絡。

無人集卡和AGV遠程調度網絡指標如表3所示。

2.3 安防監控

港口貨物、設備設施檢修，碼頭地面、空中一體化監控，需要減少人工投入，有無人機巡檢、地面監控等需求。

安防監控目前痛點是一些角落布線困難，Wi-Fi等技術容量不足、穩定性差，同時缺乏無人機巡檢實時回傳能力，業務指標如表3所示：

3? ?基于5G運營商專網的智慧港口解決方案

5G作為新一代移動通信技術，采用全新的網絡架構和mMIMO、邊緣計算、切片等多項關鍵技術[6]，具有1 Gbit·s-1以上的大帶寬高速率、毫秒級時延、超高密度連接等特點。5G是解決當前港口生產業務痛點的可行性技術。相比有線光纖，5G無線通信更靈活，一方面不需要港口停工布線，另一方面解決一些不宜布線的場景。相比Wi-Fi和LTE-U，容量、速率、穩定性等網絡性能更優[3-4]。

基于對智慧港口業務指標分析，可以發現因涉及生產運輸，港口行業對生產安全、數據自主掌控、成本可控要求嚴格，同時對通信網絡性能要求嚴格，如業務場景局域化、極低時延、極高可靠性、極高上行容量，其網絡性能需求與公眾大網存在明顯區別。因此需要向港口提供局域場景的5G無線專網端到端解決方案，即在港口覆蓋范圍內利用專用的網絡資源提供專有的服務。

基于運營商頻譜的5G專網提供端到端的智慧港口解決方案[8-9]，具體如圖2所示：

該方案主要包含終端層、網絡層（無線網絡+核心網）、業務層，涉及頻譜、站型、邊緣計算等關鍵技術。

終端層：港口行業應用多、終端形態復雜（如攝像頭、無人機、橋吊、軌道吊、無人集卡），跟據產業進展，前期利用CPE滿足各場景業務時延需求，后續面向軌道吊、無人集卡等場景，提供通用模組+網關等方式與傳統行業設備結合，運營商專網的優勢在于可以利用5G運營商生態，可以聚焦產業鏈，降低行業終端成本。

無線網：運營商5G頻譜資源豐富，目前主要包含2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz。面向數據隔離需求，生產設備如軌道吊、無人集卡、安防攝像頭等獨占部分或者全部5G頻率，與公眾用戶頻譜隔離，形成港口專網，滿足安全和可靠性要求。

結合第二章業務需求分析，港口上行帶寬需求大于等于150 Mbit·s-1/小區，需先使用2.6 GHz完成整體覆蓋[7]，利用4.9 GHz等頻譜完成補熱，小站完成補盲。

對于低時延需求，控制時延需少于等于20 ms，當前2.6 GHz采用5 ms幀結構，理論端到端時延滿足時延需求，如需更低的時延，可以利用更小的幀結構如2.5ms幀周期或者1 ms幀周期[5]。

核心網：基于港口數據隔離需求，向港口提供5G標準化的UPF或者MEC技術，用以實現用戶面下沉，同時實現傳輸時延降低。如客戶需求控制面同時下沉，則需研究核心網的下沉方案。

同時利用切片等技術向專網用戶提供網絡性能保障服務，利用邊緣計算向行業客戶提供平臺層應用服務[10]。

業務層：數據不出港區，直接接到港口的數據控制中心的遠程作業系統、遠程調度系統、安防系統等。

4? ?結束語

根據本文分析可知，港口戰略地位顯著，產業升級需求強、盈利能力強，且行業集中度高，智慧化、自動化是實現港口降本增效的最終方向。自動化生產流程的橋吊、軌道吊遠程作業、無人集卡/AGV自動駕駛、安防監控等環節都需要探索新的網絡通信方案助力。5G作為新一代移動通信技術，擁有超高帶寬、極低時延極高可靠等能力，與港口業務需求匹配對非常高，智慧港口是5G+垂直行業重要場景之一。基于運營商5G專網向港口提供極致的網絡服務，以滿足港口差異化的網絡需求，助力智慧港口自動化生產。

參考文獻：

[1] 馬巍巍. 對我國智慧港口建設的認識與思考[J]. 水運管理， 2018（1）： 4-6.

[2] 嚴新平，柳晨光. 智能航運系統的發展現狀與趨勢[J]. 智能系統學報， 2016，11（6）： 807-817.

[3] 3GPP. 3GPP TS 38.331： NR; Radio Resource Control （RRC） protocol specification[S]. 2019.

[4] 3GPP. 3GPP TS 23.501： System Architecture for the 5G System[S]. 2019.

[5] IMT-2020（5G）推進組. 低時延高可靠技術研究報告[R]. 2019.

[6] 3GPP. 3GPP TS 38.321： NR; Radio Resource Control （RRC） protocol specification[S]. 2019.

[7] IMT-2020（5G）推進組. 5G無線技術試驗進展及后續計劃[R]. 2019.

[8] IMT-2020（5G）推進組. 5G無線技術架構白皮書[S]. 2019.

[9] IMT-2020（5G）推進組. 5G網絡技術架構白皮書[S]. 2019.

[10] 黃強，李寧. 5G邊緣計算演進[J]. 郵電設計技術， 2018（11）： 68-73. ★