敖 婷

（中移（上海）信息通信科技有限公司，上海 201206）

0 引 言

港口作為一個國家或地區(qū)位于海岸的門戶，是綜合交通運輸樞紐，對經濟發(fā)展起著舉足輕重的作用。在“工業(yè)4.0”和“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展的大時代背景下，港口也存在著進行數(shù)字化、全自動轉型升級的迫切需求。對此我國多次提出了要建設智慧化港口的政策和指導性意見，廣泛開展了港口智能化、數(shù)字化研究和標準體系建設。

2019年11月6日，中國交通運輸部聯(lián)合多部委印發(fā)了《關于建設世界一流港口的指導意見》，提出到2025年，世界一流港口建設取得重要進展。2022年3月，交通運輸部印發(fā)了《水運“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，提出了“強基優(yōu)能，打造高能級港口樞紐”等八項重點任務。2020年10月，IMT-2020（5G）推動組發(fā)布了《智慧港口5G應用》白皮書，系統(tǒng)總結了5G+智慧港口業(yè)務場景需求和潛在的港口5G網(wǎng)絡切片架構。此外，中遠海運港口有限公司、中遠海運科技股份有限公司、中國移動還聯(lián)合發(fā)布了《5G智慧港口實施方案和路線圖》，提出了5G智慧港口的定義和建設愿景。

隨著5G網(wǎng)絡技術的發(fā)展，5G網(wǎng)絡的建設也在2019年全面鋪開，截至2022年3月，中國移動累計建設5G基站超80萬座，計劃2022年底5G基站數(shù)累計超過100萬站。通過充分發(fā)揮2.6 GHz/4.9 GHz容量優(yōu)勢和700 MHz覆蓋優(yōu)勢，多頻協(xié)同、高效部署，可以更進一步提升重點區(qū)域（如交通樞紐、港口、車流量高的高速公路等）的5G網(wǎng)絡能力。

5G基本滿足了大部分垂直行業(yè)的各類差異化通信需求，如何利用5G網(wǎng)絡技術帶動港口朝著自動化、網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字信息化方向快速發(fā)展，通信行業(yè)聯(lián)合交通運輸行業(yè)共同進行了相關方案技術上的研究和應用實施上的探索。

1 智慧港口自動化業(yè)務

1.1 5大關鍵業(yè)務

結合港口的船舶裝卸、水平運輸、堆場裝卸等主要環(huán)節(jié)，可以為智慧港口梳理出以下幾大自動化業(yè)務場景。

1.1.1 船岸協(xié)同靠離泊

船和岸（港口）之間通過5G通信技術實現(xiàn)船舶及船上系統(tǒng)信息、船舶靠離泊全方位環(huán)境感知等信息的高速交互，實現(xiàn)船-船、船-岸之間的信息互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)船舶的遠程控制和自主靠離泊，提高船舶航行的安全性、經濟性以及環(huán)保性[1]。

1.1.2 港機設備遠程遙控

借助5G網(wǎng)絡低時延特性對港口的港機設備如岸邊集裝箱起重機、輪胎式集裝箱門式起重機、軌道式集裝箱門式起重機等進行遠程控制，從而實現(xiàn)港區(qū)垂直運輸常態(tài)作業(yè)的業(yè)務應用。遠程控制岸邊集裝箱起重機，將集裝箱從船上卸貨；在堆場中遠程控制集裝箱門式起重機，將集裝箱裝在外集卡上（反向同理）[2]。

1.1.3 無人集卡自動駕駛

借助5G網(wǎng)絡多連接的優(yōu)勢，港口生產管理系統(tǒng)根據(jù)碼頭運輸任務對無人集卡下發(fā)自動路徑規(guī)劃并進行任務調度，指導無人集卡自動駕駛，對無人集卡進行遠程實時監(jiān)控。無人集卡根據(jù)調度任務指令自主駕駛，實現(xiàn)集裝箱從岸邊起重機到堆場起重機的集裝箱運輸[3]。此時的無人集卡應該具備L4級自動駕駛等級，同時具備自動導航、精準定位、自動識別以及自動避讓等功能。

1.1.4 無人集卡遠程遙控接管

借助5G網(wǎng)絡多連接、大帶寬、低時延等優(yōu)勢，在出行異常、路況異常等無人集卡無法繼續(xù)自動駕駛的情況下，需要對無人集卡實施遠程駕駛操作。通過單車狀態(tài)上傳、本地實施視頻上傳、遠程指令下發(fā)、遠程實時控制等系列操作和信息交互，實現(xiàn)遠程遙控駕駛艙對無人集卡的遠程遙控駕駛操作。

1.1.5 智能理貨

借助5G網(wǎng)絡、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等多種信息通信領域技術（Information and Communications Technology，ICT）實現(xiàn)港口貨物裝卸理貨的自動化流程，包括集裝箱、散裝貨及裝拆箱等理貨業(yè)務，需要支持多路高清攝像機獲取貨物外觀圖像回傳或作業(yè)數(shù)據(jù)自動導入、理貨要素自動識別與比對、貨物積載定位、貨物殘損鑒定、理貨結果實時同步與單證自動生成等。

1.2 通信需求

港區(qū)關鍵自動化業(yè)務均涉及到控制流業(yè)務與視頻監(jiān)視流業(yè)務，控制流對時延要求較高，視頻流業(yè)務對上行帶寬要求較高，具體如表1所示。

表1 港口業(yè)務的通信需求

2 智慧化港口的5G網(wǎng)絡融合

2.1 港口網(wǎng)絡建設現(xiàn)狀

目前的港口系統(tǒng)多，通信方式也多，網(wǎng)絡建設基本還是有線方式，如以太網(wǎng)、光纖、波導管等，并結合部分Wi-Fi、無線專網(wǎng)來滿足基本的辦公、生產作業(yè)、業(yè)務管理等各方面需求。

對于傳統(tǒng)辦公、管理相關的業(yè)務基本用以太網(wǎng)、光纖、Wi-Fi等方式來建網(wǎng)，而對于一些具有一定移動性的集裝箱碼頭等作業(yè)區(qū)域，初期也是通過光纖、波導管或無線專網(wǎng)等方式進行通信。光纖通信雖然保證了可靠性和帶寬，但靈活性上卻受到了制約，只能在同一堆場操作，如果需要轉場，則需要人工協(xié)助，費時費力，并且后期改造會嚴重影響作業(yè)生產。隨后，有的港口采用波導管加局部轉場無線覆蓋通信，其優(yōu)點是不需要進行電纜卷盤改造，轉場相對電纜卷盤靈活，缺點是需要在輪胎式門式起重機大車側面建設通信架用于固定的波導管架，對集場的道路交通有較大影響，同時土建改造和日后維護要求也很高。

因此，綜合考慮港區(qū)的各個應用業(yè)務以及不同網(wǎng)絡規(guī)劃部署、安全、覆蓋、工況、運維和運營等各個方面，基于移動網(wǎng)絡形成一套統(tǒng)一的網(wǎng)絡解決方案，將港口網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡進行融合，符合智慧化港口的發(fā)展方向。

2.2 面向港口的5G融合組網(wǎng)方案

港口自動化最為典型的2大業(yè)務是無人集卡的水平運輸以及港機設備的垂直運輸。遠程控制場景業(yè)務流程復雜，涉及大量的交互數(shù)據(jù)，如控制數(shù)據(jù)流和視頻流等，其中控制流有很高的網(wǎng)絡時延要求，而視頻流則需要網(wǎng)絡上行超強帶寬的保證，因此對5G網(wǎng)絡的時延、上行帶寬提出了非常高的要求[4]。

港區(qū)內的融合網(wǎng)絡包括了港區(qū)網(wǎng)、5G移動網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心以及遠控中心。其中，港區(qū)網(wǎng)主要是用于為港區(qū)業(yè)務提供交通、環(huán)境等的感知，可以采用Wi-Fi等通信鏈路，實現(xiàn)路側數(shù)據(jù)到機房核心交換機的匯聚，云平臺對全域感知數(shù)據(jù)的分析處理。5G移動網(wǎng)主要用于支持各類有移動需求的業(yè)務場景，港區(qū)管理系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡收集無人集卡車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、采集的視頻數(shù)據(jù)等。同時，港區(qū)管理系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡為港區(qū)移動設備（如港機起重機、無人集卡等）提供相應的服務數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)中心位于港口機房大樓，是港口正常運轉的中樞所在，主要用于生產作業(yè)數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲，并協(xié)同港區(qū)網(wǎng)和5G移動網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信，確保任務的正常開展。遠控中心配備各類工業(yè)控制器、遠控系統(tǒng)、顯示器和操作臺，主要用于生產作業(yè)的遠程遙控。部署在港區(qū)內可以降低時延，和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，接收來自港區(qū)基礎設施采集的各類交通、環(huán)境數(shù)據(jù)，為遠程控制港區(qū)移動設備提供依據(jù)和支撐。

為了將港區(qū)網(wǎng)和5G移動網(wǎng)在網(wǎng)絡層面互連，利用5G網(wǎng)絡控制面與數(shù)據(jù)面的分離特性，將5G數(shù)據(jù)用戶面功能（User Plane Function，UPF）下沉到港區(qū)網(wǎng)絡內，一方面可以保證數(shù)據(jù)不出園區(qū)，另一方面可以降低數(shù)據(jù)傳輸時延，滿足了港區(qū)實時性要求高的業(yè)務需求[5]。在本港區(qū)融合網(wǎng)絡架構中，通過UPF，港區(qū)移動設備的相關業(yè)務數(shù)據(jù)可以由5G信號直接接入港口的管理系統(tǒng)中。同時，為了能更高效地將港區(qū)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入5G移動網(wǎng)的業(yè)務層面，建議在港區(qū)網(wǎng)中引入路側計算網(wǎng)元，將港口的各類感知監(jiān)測設備、管控設備等接入該路側計算網(wǎng)元中，通過港區(qū)網(wǎng)將該路側計算設備接入到港區(qū)的數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)中。這里部署的路側計算設備可以接近監(jiān)測設備側，采用分布部署的方式，重點區(qū)域重點部署。此外，也可以靠近港區(qū)數(shù)據(jù)中心側，提前對進入到數(shù)據(jù)中心的海量感知數(shù)據(jù)過濾清洗，確保數(shù)據(jù)的安全性和有效性。

引入路側計算網(wǎng)元主要對接入數(shù)據(jù)進行融合計算分析，可以提供更高精度和更可靠的融合感知結果，完成目標的識別、分類、追蹤以及軌跡拼接等，并將相關計算結果以結構化的數(shù)據(jù)形式上傳至港區(qū)管理系統(tǒng)。

路側計算網(wǎng)元上傳給港區(qū)管理系統(tǒng)結構化的感知數(shù)據(jù)主要包括了港區(qū)內的車輛數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、道路狀態(tài)數(shù)據(jù)、交通事件數(shù)據(jù)以及交通態(tài)勢數(shù)據(jù)等。港區(qū)管理系統(tǒng)從路側計算設備融合感知的結構化數(shù)據(jù)、無人集卡上報的車輛狀態(tài)結構化數(shù)據(jù)。結合對港區(qū)環(huán)境的感知獲取，根據(jù)港區(qū)或港口集團下發(fā)的裝、卸貨調度任務，解析為對應的任務動作指令，如5G通信網(wǎng)絡給港區(qū)移動生產作業(yè)設備（無人集卡、港機）下發(fā)路徑規(guī)劃、線路指引、操作指引和遠程遙控駕駛等相關控制信息指令。

2.3 實現(xiàn)“1+1＞2”

通過本融合組網(wǎng)方案，可以充分利用港口網(wǎng)的各類信息數(shù)據(jù)，處理分析后通過5G移動網(wǎng)絡再服務于港口的各類自動化業(yè)務。該方案可以充分利用現(xiàn)有港口網(wǎng)資源，避免港區(qū)內大量基礎設施重復建設。由于充分利用了港區(qū)基礎設施及其相關數(shù)據(jù)采集，依托港區(qū)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，在很大程度上減少了對5G網(wǎng)絡上行帶寬的需求，避免了因上行帶寬不足導致港區(qū)遠控業(yè)務無法實施的問題。部分功能需求（如感知、計算等）轉移到了港區(qū)側，盡可能降低了對港區(qū)移動生產作業(yè)設備的配置要求，降低了設備成本。此外，提高整體港口通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，幫助港口設備和生產系統(tǒng)同步協(xié)調，提升港口作業(yè)效率和智能化水平。

3 結 論

鑒于港口業(yè)務的多樣性、復雜性，在對港口進行自動化改造的過程中，除了需要應用5G移動通信技術外，還要結合高清地圖、高精定位、北斗、大數(shù)據(jù)、人工智能等多種技術，因此智慧港口的發(fā)展必然是階段式、分步驟的。基于5G新基建，與港區(qū)基礎設施建設、港口運輸業(yè)務深度融合，實現(xiàn)港口資源的最優(yōu)化配置，符合港口向著信息化、數(shù)字化、自動化、智能化方向轉型的需要，也是智慧港口演進過程的必經之路。在后續(xù)智慧港口網(wǎng)絡建設方案規(guī)劃設計中，應該更加聚焦港口運營、生產、安全、綠色等業(yè)務需求的細化，進一步打造ICT技術和港口生產經營發(fā)展的深度融合，從而為不同業(yè)務提供更加精準、高效的定制化通信服務。