基于运营商专网的5G智慧港口解决方案

王东　张龙　程锦霞　肖善鹏

【摘  要】港口码头是连接海路运输和内陆运输的重要枢纽，港口行业致力于推进全自动集装箱码头系统建设。围绕港口集装箱装卸生产核心业务，探索5G无线通信技术在核心业务中的合理应用，实现港口降本增效需求。首先概述港口行业发展现状，接着分析港口的主要业务场景如轨道吊、桥吊远程驾驶、无人集卡远程调度、安防巡检等，然后分析各业务场景目前的痛点以及对网络的需求，最后提出基于运营商5G专网的智慧港口解决方案。

【关键词】5G智慧港口;远程驾驶;安防巡检;专网

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.010        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章編号：1006-1010（2019）09-0053-04

引用格式：王东，张龙，程锦霞，等. 基于运营商专网的5G智慧港口解决方案[J]. 移动通信， 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  港口行业概况

由于中国“十三五”、“一带一路”政策的利好，港口吞吐量、收入稳步上升。根据交通运输部发布的《2018年交通运输行业发展统计公报》显示及相关公司年报显示，中国亿吨级港口有36个，总收入约1 500亿，其中集装箱码头收入在700亿左右。生产用集装箱泊位2万多个，万吨级以上泊位2 444个，位居世界第一。如表1所示，按吞吐量排序，目前在全球集装箱吞吐量排名前10大港口中，中国占7席，分别是上海、深圳、宁波、香港、广州、青岛、天津。中国已成为世界上港口吞吐量和集装箱吞吐量最多、增长速度最快的国家。

1.2  生产运营智慧化、自动化需求迫切

近几年，集装箱船装载能力的大幅增长带来的不只是整体航运业运输效率的提升，同时对港口码头的装卸效率要求业越来越高。若码头效率并没有随之提升，就会造成船只和货物在码头积压。传统码头在集装箱全流程运输环节都需要依靠人工现场生产，效率提升困难。为达到降本增效的目的，智慧化、自动化成为了港口发展的方向。当前国内已有厦门远海、青岛前湾、上海洋山四期已新建集装箱自动化码头，在轨道吊、桥吊、集卡车实现远程控制，向港口码头无人化发展。

对于自动化码头，通信手段目前采用有线光纤回传或者非授权频谱无线（LTE-U等）回传实现远程自动化，痛点主要集中在光纤每年有约3%的损坏率，LTE-U成本高，带宽、可靠性不足。因此自动化码头对自动化、智慧化的创新升级需求迫切[1]。

另一方面新建港口只是少数，承担90%以上运力的港口是现有人工码头。人工码头的自动化是智慧港口发展重点，目前面临的一大问题是如采用新建自动化港口的改造方案势必会造成港口停工，致使运力、收入的下降。

因此，新建自动化码头和传统人工码头对智慧化、自动化创新需求，特别是通信手段的创新应用需求非常迫切。

2    智慧港口业务场景及需求

集装箱港口码头生产环节包括：水平运输系统、垂直运输系统和整体安防监控等系统，具体如图1所示。

垂直运输系统主要包含两类大型港口机械设备：桥吊和轨道吊。其中桥吊实现集装箱从船到岸装卸;轨道吊实现集装箱等货物进行装卸、理货等操作。

水平运输系统主要包含内集卡（港口内部集装箱卡车）和AGV（自动引导小车），实现集装箱在岸桥和堆场之前的运输，其中堆场是指港口码头集装箱堆砌的场地。

安防监控系统主要包含摄像头、无人机等，实现港口安全监控、设备设施巡检、海岸线巡检等内容。

2.1  桥吊、轨道吊远程作业业务

当前90%以上桥吊、轨道吊为人工现场高空作业，工作环境恶劣、有一定技术门槛，导致港口招人困难，人工成本高。因此港口有迫切的远程控制作业需求[2]，即多路摄像头回传码头现场信息，工人在远程机房将控制信号传输给码头的桥吊和轨道吊进行装卸作业。

部分新建港口通过光纤实现视频回传和控制信号下发，但痛点是轨道吊移动性强，有线部署困难、易磨损。对于大多数传统码头，桥吊和轨道吊本身没有部署有线，重新部署有线会破坏码头路面，导致停工，提升成本。

橋吊、轨道吊远程作业业务需求主要包含：

（1）每个桥吊、轨道吊10～15路摄像头高清视频回传到控制中心;

（2）本地控制中心工人根据现场实时视频，向港机下发装卸等实时控制信号;

（3）数据隔离需求，生产作业相关数据不出港区。

相应网络指标要求如表2所示：

2.2  无人集卡和AGV远程调度

传统港口卡车司机机械式劳作，容易造成疲劳驾驶、分神驾驶，影响码头作业效率和港口安全，将现有成熟卡车平台改造成为无人集卡或AGV。自动化港口目前采用AGV完成运输，通过地磁进行定位，利用LTE-U专网完成车辆远程调度。

目前痛点是LTE-U容量不足、时延高、建设与维护成本高;地磁成本高、线路固定、二次铺设影响生产。

无人集卡和AGV远程调度业务需求如下：

（1）传统港口运输无人化;

（2）高精度定位;

（3）低时延高可靠的无线网络。

无人集卡和AGV远程调度网络指标如表3所示。

2.3 安防监控

港口货物、设备设施检修，码头地面、空中一体化监控，需要减少人工投入，有无人机巡检、地面监控等需求。

安防监控目前痛点是一些角落布线困难，Wi-Fi等技术容量不足、稳定性差，同时缺乏无人机巡检实时回传能力，业务指标如表3所示：

3   基于5G运营商专网的智慧港口解决方案

5G作为新一代移动通信技术，采用全新的网络架构和mMIMO、边缘计算、切片等多项关键技术[6]，具有1 Gbit·s-1以上的大带宽高速率、毫秒级时延、超高密度连接等特点。5G是解决当前港口生产业务痛点的可行性技术。相比有线光纤，5G无线通信更灵活，一方面不需要港口停工布线，另一方面解决一些不宜布线的场景。相比Wi-Fi和LTE-U，容量、速率、稳定性等网络性能更优[3-4]。

基于对智慧港口业务指标分析，可以发现因涉及生产运输，港口行业对生产安全、数据自主掌控、成本可控要求严格，同时对通信网络性能要求严格，如业务场景局域化、极低时延、极高可靠性、极高上行容量，其网络性能需求与公众大网存在明显区别。因此需要向港口提供局域场景的5G无线专网端到端解决方案，即在港口覆盖范围内利用专用的网络资源提供专有的服务。

基于运营商频谱的5G专网提供端到端的智慧港口解决方案[8-9]，具体如图2所示：

该方案主要包含终端层、网络层（无线网络+核心网）、业务层，涉及频谱、站型、边缘计算等关键技术。

终端层：港口行业应用多、终端形态复杂（如摄像头、无人机、桥吊、轨道吊、无人集卡），跟据产业进展，前期利用CPE满足各场景业务时延需求，后续面向轨道吊、无人集卡等场景，提供通用模组+网关等方式与传统行业设备结合，运营商专网的优势在于可以利用5G运营商生态，可以聚焦产业链，降低行业终端成本。

无线网：运营商5G频谱资源丰富，目前主要包含2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz。面向数据隔离需求，生产设备如轨道吊、无人集卡、安防摄像头等独占部分或者全部5G频率，与公众用户频谱隔离，形成港口专网，满足安全和可靠性要求。

结合第二章业务需求分析，港口上行带宽需求大于等于150 Mbit·s-1/小区，需先使用2.6 GHz完成整体覆盖[7]，利用4.9 GHz等频谱完成补热，小站完成补盲。

对于低时延需求，控制时延需少于等于20 ms，当前2.6 GHz采用5 ms帧结构，理论端到端时延满足时延需求，如需更低的时延，可以利用更小的帧结构如2.5ms帧周期或者1 ms帧周期[5]。

核心网：基于港口数据隔离需求，向港口提供5G标准化的UPF或者MEC技术，用以实现用户面下沉，同时实现传输时延降低。如客户需求控制面同时下沉，则需研究核心网的下沉方案。

同时利用切片等技术向专网用户提供网络性能保障服务，利用边缘计算向行业客户提供平台层应用服务[10]。

业务层：数据不出港区，直接接到港口的数据控制中心的远程作业系统、远程调度系统、安防系统等。

4   结束语

根据本文分析可知，港口战略地位显著，产业升级需求强、盈利能力强，且行业集中度高，智慧化、自动化是实现港口降本增效的最终方向。自动化生产流程的桥吊、轨道吊远程作业、无人集卡/AGV自动驾驶、安防监控等环节都需要探索新的网络通信方案助力。5G作为新一代移动通信技术，拥有超高带宽、极低时延极高可靠等能力，与港口业务需求匹配对非常高，智慧港口是5G+垂直行业重要场景之一。基于运营商5G专网向港口提供极致的网络服务，以满足港口差异化的网络需求，助力智慧港口自动化生产。

参考文献：

[1] 马巍巍. 对我国智慧港口建设的认识与思考[J]. 水运管理， 2018（1）： 4-6.

[2] 严新平，柳晨光. 智能航运系统的发展现状与趋势[J]. 智能系统学报， 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）推进组. 低时延高可靠技术研究报告[R]. 2019.

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

[7] IMT-2020（5G）推进组. 5G无线技术试验进展及后续计划[R]. 2019.

[8] IMT-2020（5G）推进组. 5G无线技术架构白皮书[S]. 2019.

[9] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络技术架构白皮书[S]. 2019.

[10] 黄强，李宁. 5G边缘计算演进[J]. 邮电设计技术， 2018（11）： 68-73. ★