針對5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)速率高、容量大、延時低的特點，探討5G技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用。在比較港口現(xiàn)有無線通信技術(shù)、分析5G技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，分析5G技術(shù)在無人駕駛、機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制、智慧安防、應(yīng)急指揮、智能理貨等方面的應(yīng)用，認(rèn)為5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智慧碼頭的建設(shè)運(yùn)營中能夠充分發(fā)揮差異化性能優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)方式的局限性，大幅提高自動化碼頭的運(yùn)營效率，為改造傳統(tǒng)人工碼頭注入新的創(chuàng)新型動力。
智慧港口是以現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備為基礎(chǔ)，以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能控制等新一代信息技術(shù)與港口業(yè)務(wù)深度融合為核心，以港口運(yùn)輸組織服務(wù)創(chuàng)新為動力，以完善的體制機(jī)制、法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、發(fā)展政策為保障，在更高層面上實現(xiàn)港口資源優(yōu)化配置，在更高境界上滿足多層次、敏捷化、高品質(zhì)港口運(yùn)輸服務(wù)要求的，具有生產(chǎn)智能、管理智慧、服務(wù)柔性、保障有力等鮮明特征的現(xiàn)代港口運(yùn)輸新業(yè)態(tài)。
智慧港口的特征包括全面感知、廣泛互聯(lián)、高度共享、自主裝卸、全方位可視、智能管控、智能決策、深度協(xié)同等。無線通信系統(tǒng)是智慧港口數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，是實現(xiàn)智慧港口全面感知、廣泛互聯(lián)的核心節(jié)點，智慧港口對無線通信連接有延時短、帶寬大、可靠性高的要求。在此，本文探討5G通信技術(shù)在智慧港口中的創(chuàng)新應(yīng)用。
1.1 港口現(xiàn)有無線通信技術(shù)比較
港口現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)主要包括無線語音通信系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)，本文主要探討港口無線數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)。目前，港口無線數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)主要采用400 MHz窄帶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、2.4 GHz無線局域網(wǎng)絡(luò)、TD-LTE寬帶集群通信網(wǎng)絡(luò)，由于400 MHz窄帶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用封閉技術(shù)，已逐步淘汰，根據(jù)現(xiàn)代化港口的無線數(shù)據(jù)傳輸實際需求，2.4 GHz無線局域網(wǎng)絡(luò)和TD-LTE寬帶集群通信網(wǎng)絡(luò)對比見表1。2.4 GHz無線局域網(wǎng)絡(luò)由于受其技術(shù)特性影響，存在覆蓋差、信號抗干擾差、承載業(yè)務(wù)有限、維護(hù)成本高等問題。TD-LTE寬帶集群通信網(wǎng)絡(luò)可解決智慧港區(qū)大部分的無線數(shù)據(jù)傳輸需求，但由于帶寬限制，無法滿足智慧港口無人駕駛集卡、機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制等大帶寬、低延時的無線數(shù)據(jù)傳輸需求。
1.2 5G技術(shù)特性
5G是第5代移動通信技術(shù)的簡稱，作為4G通信技術(shù)的延伸，具有速率高、容量大、延時低的特性，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的重要載體。5G技術(shù)綜合運(yùn)用大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、靈活雙工、全雙工、頻譜共享、先進(jìn)調(diào)制編碼、終端直通技術(shù)、全頻譜接入、新型多址、新型多載波等關(guān)鍵技術(shù)。此外，5G技術(shù)還采用全新的架構(gòu)解決方案（網(wǎng)絡(luò)切片），可允許在通用物理信息基礎(chǔ)設(shè)施上創(chuàng)建邏輯上獨立的網(wǎng)絡(luò)，能夠為特殊行業(yè)的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行量身定制。5G與4G關(guān)鍵性能指標(biāo)對比見表2。
國際電信聯(lián)盟（ITU）定義了5G的3大應(yīng)用場景為增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、海量物聯(lián)（mMTC）、高可靠低延時連接（uRLLC）。eMBB是以人為中心的應(yīng)用場景，集中表現(xiàn)為超高的傳輸數(shù)據(jù)速率、廣覆蓋下的移動性能保證等應(yīng)用場景；mMTC主要是滿足海量物聯(lián)的通信需求，面向以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景；uRLLC則基于5G技術(shù)低延時（1 ms）和高可靠（99.999%）的特性，主要面向智慧港口等垂直行業(yè)特殊應(yīng)用需求。5G業(yè)務(wù)場景模型見圖1。
5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實現(xiàn)毫秒級延時的工業(yè)控制信號和多路數(shù)高清攝像頭視頻數(shù)據(jù)的混合承載，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智慧碼頭的建設(shè)運(yùn)營中能夠充分發(fā)揮差異化性能優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)方式的局限性，大幅提升自動化碼頭的運(yùn)營效率，為改造傳統(tǒng)人工碼頭注入新的創(chuàng)新動力。
1.3 建設(shè)5G智慧港口的意義
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創(chuàng)新性。目前，國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在港口的全面商業(yè)應(yīng)用尚處于起步階段，5G通信技術(shù)在智慧港口的創(chuàng)新應(yīng)用研究以及建設(shè)5G智慧港口將具有里程碑式的意義。
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可復(fù)制性。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智慧港口的融合發(fā)展將探索研究5G智慧港口行業(yè)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)各方5G應(yīng)用交流和深度合作，推進(jìn)5G智慧港口建設(shè)，提升港口信息化水平，促進(jìn)5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動5G智慧港口相關(guān)技術(shù)成果在國內(nèi)和全球港口的可復(fù)制應(yīng)用。
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提質(zhì)增效。5G技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用場景主要包括無人駕駛、機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制、無人機(jī)、應(yīng)急演練和應(yīng)急指揮等。5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等多種技術(shù)創(chuàng)新融合，將助力智慧港口的提質(zhì)增效和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
根據(jù)智慧港口業(yè)務(wù)特性以及對傳輸數(shù)率、時延的要求，5G通信技術(shù)在智慧港口的應(yīng)用主要包括無人駕駛、機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制、智慧安防、應(yīng)急指揮等。
2.1 無人駕駛
針對智慧港口相對封閉的應(yīng)用場景，基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)速率高、容量大、延時低的特性，結(jié)合MEC技術(shù)、車輛自動駕駛技術(shù)、智能傳感技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)智慧港口無人駕駛集卡遠(yuǎn)程遙控指令的高速發(fā)送，以及在異常情況下人工遠(yuǎn)程遙控?zé)o人駕駛集卡的需求，從而實現(xiàn)L4級自動駕駛、自動導(dǎo)引、精準(zhǔn)泊車、自動裝載等集卡功能并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集、模型優(yōu)化。無人駕駛集卡與岸橋、場橋機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)控實現(xiàn)無縫銜接，通過應(yīng)用無人駕駛實現(xiàn)水平運(yùn)輸自動化，進(jìn)而實現(xiàn)碼頭全自動化作業(yè)。
無人駕駛集卡遠(yuǎn)程遙控方案見圖2。無人駕駛集卡在智慧港口的應(yīng)用，可在雨雪、夜間等特殊工況下，保持深度感知和精準(zhǔn)有效，實現(xiàn)全天候作業(yè)，提高作業(yè)效率，減少人員配置，降低人的不安全因素，提高安全性。主要操作流程如下：
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遠(yuǎn)程操作員根據(jù)全景顯示屏和本地操作臺顯示的車輛信息，通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送操作命令到本地MEC。
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MEC將操作指令發(fā)送到車輛最近的5G基站，再發(fā)送至車載CPE。
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車輛終端通過5G網(wǎng)絡(luò)接收到指令后，按照指令控制車輛轉(zhuǎn)向、剎車、前進(jìn)等。
2.2 機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制
在智慧港口建設(shè)運(yùn)營過程中，岸橋和場橋遠(yuǎn)程控制可以大幅減少操作環(huán)節(jié)人力資源需求，降低經(jīng)營成本，提高作業(yè)效率和生產(chǎn)安全，改善操作人員作業(yè)環(huán)境。岸橋和場橋遠(yuǎn)程控制的通信系統(tǒng)要滿足控制信息和多路視頻信息同步、可靠傳輸。目前，傳統(tǒng)港口的岸橋和場橋遠(yuǎn)程控制的通信系統(tǒng)僅能依靠光纖網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，不僅存在單點故障風(fēng)險，而且無法滿足輪胎式龍門吊遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)的傳輸需求。
基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)速率高、容量大、延時低的特性，借助“端到端”的5G網(wǎng)絡(luò)部署，岸橋、場橋與遠(yuǎn)程控制中心的數(shù)據(jù)連接采用“5G+有線組網(wǎng)”方式，能夠提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃院挽`活性，結(jié)合碼頭操作管理系統(tǒng)、岸橋自動控制系統(tǒng)、場橋自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)岸橋和場橋遠(yuǎn)程控制操作。岸橋遠(yuǎn)程控制示意圖見圖3，場橋遠(yuǎn)程控制示意圖見圖4。
2.3 智慧安防
智慧安防系統(tǒng)是智慧港口的重要組成部分之一，通過在碼頭泊位、堆場、閘口、道路、查驗區(qū)等區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)對岸橋、場橋、人員、車輛、集裝箱和邊界的實時視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和應(yīng)急處置。
目前，港口大部分視頻監(jiān)控前端設(shè)備可通過港口光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，但對于不具備有線網(wǎng)絡(luò)接入條件的區(qū)域，可采用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，5G通信技術(shù)超過10Gbit/s的高速傳輸速率和毫秒級時延將有效提升碼頭視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸速度，實現(xiàn)智慧安防的實時遠(yuǎn)程控制、提前預(yù)警和快速響應(yīng)處置。
2.4 應(yīng)急指揮
依托5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在其速率高、容量大、延時低等優(yōu)勢的助力下，將無人機(jī)、布控球等前端設(shè)備實時拍攝的高清視頻回傳到智慧港口應(yīng)急指揮調(diào)度中心，實現(xiàn)碼頭實景與大屏視頻畫面同步，大幅提高碼頭指揮調(diào)度人員對港區(qū)現(xiàn)場突發(fā)情況的觀察和判斷能力，提升決策和執(zhí)行效率。同時，智慧港口應(yīng)急調(diào)度人員可通過5G網(wǎng)絡(luò)對無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時操控和遠(yuǎn)程喊話，從而提高應(yīng)急指揮管理調(diào)度的扁平化、立體化水平以及提升應(yīng)急指揮工作效率。智慧港口應(yīng)急指揮應(yīng)用示意圖見圖5。
2.5 智能理貨
當(dāng)前，遠(yuǎn)程控制岸橋、自動化場橋、AGV、無人集卡、自動化閘口等先進(jìn)的自動化和智能化技術(shù)已經(jīng)成為全自動化碼頭的標(biāo)配。在自動化碼頭中，這些技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)出的人工成本和效率優(yōu)勢，使得自動化技術(shù)在傳統(tǒng)碼頭的應(yīng)用成為一種趨勢。其中，傳統(tǒng)理貨系統(tǒng)的智能化、自動化升級已經(jīng)在國內(nèi)眾多碼頭得到應(yīng)用。智能理貨系統(tǒng)架構(gòu)見圖6。
智能理貨系統(tǒng)主要分為前端識別系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和后端管理系統(tǒng)。從實施情況來看，前端識別系統(tǒng)和后端管理系統(tǒng)只是技術(shù)層面實現(xiàn)方式的差別，并不會成為瓶頸。傳輸系統(tǒng)是部署智能理貨系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)。傳統(tǒng)碼頭的岸橋多數(shù)都沒有光纖，只能通過無線網(wǎng)絡(luò)將前端識別系統(tǒng)的信號傳到后端。岸橋智能理貨無線網(wǎng)絡(luò)部署見圖7。
從實際的運(yùn)行來看，無線AP方案的局限性主要表現(xiàn)在以下3個方面：
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由于無線AP漫游特性的限制，岸橋在移動過程中依然會出現(xiàn)切換時“丟包”的現(xiàn)象。
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無線AP的維護(hù)會給碼頭帶來成本的增加。
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無線AP帶寬無法同時承載岸橋理貨和岸橋遠(yuǎn)程控制的改造業(yè)務(wù)需求。
從5G的技術(shù)特性以及目前的行業(yè)應(yīng)用測試來看，5G通信技術(shù)可以較好地解決以上問題。特別是5G的增強(qiáng)移動寬帶為同時滿足智能理貨和岸橋遠(yuǎn)程控制所需要的高帶寬提供技術(shù)支撐，目前從國內(nèi)非獨立組網(wǎng)（NSA）架構(gòu)下的實測速度已經(jīng)可以達(dá)1.2 Gbit/s，華為和高通的5G終端在實驗室環(huán)境下已經(jīng)分別可以達(dá)到5 Gbit/s和7 Gbit/s。同時，5G高可靠低延時連接可為傳統(tǒng)岸橋的遠(yuǎn)程控制改造提供經(jīng)濟(jì)有效的解決方案?；?G網(wǎng)絡(luò)的岸橋智能理貨系統(tǒng)架構(gòu)見圖8。
5G網(wǎng)絡(luò)的部署、優(yōu)化和日常維護(hù)由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商負(fù)責(zé)。碼頭專注于5G的應(yīng)用，可通過定制5G接入終端的方式在每臺岸橋上安裝定制的5G工業(yè)路由器，將岸橋上的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶蠖斯芾砥脚_。
