5G技术在航运业中的应用趋势及对策建议

赵 毅， 余 娟

(1.中国远洋海运集团有限公司 研究咨询中心，上海 200127；2.中国移动(上海)产业研究院，上海 201206)

0 引 言

随着移动通信技术的不断发展,第五代移动通信(5th Generation Mobile Networks,5G)技术将成为促进经济社会数字化转型的关键基础技术。5G的普及将推动国家和社会的全面移动化和数字化，将在未来10～20 a内成为全球经济持续发展的助推器。我国是航运大国，但在航运基础设施的信息化和自动化水平、通信和感知水平等方面与航运强国相比还有一定的差距,5G技术的出现将有助于我国从航运大国迈向航运强国，从交通大国迈向交通强国，为全球航运业的科技创新和产业重构提供新机遇和新动能。

1 5G关键技术特征

5G既是最新一代蜂窝移动通信技术，又是4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)的延伸。5G作为数字经济时代的一种通用技术，与4G相比，具有超大带宽、超低时延、超多连接、超高移动性和超低能耗等特性。

1.1 5G技术变革

2018年6月，面向商用的5G国际标准正式发布，向全球大规模应用5G技术迈出了关键一步。5G提供了前所未有的用户体验和物联网连接能力，将成为全面促进经济社会数字化转型的关键基础设施。与4G相比，5G能以一种全新的网络架构[1]，提供超大带宽(峰值10 Gbit/s)、超低时延(毫秒级)和超多连接(每平方千米百万个连接)，实现网络性能新的跃升，开启万物互联的新时代(见图1[2])。

图1 5G与4G关键能力对比

1.2 5G产业链价值

5G的普及将促进国家和社会的全面移动化和数字化，将在未来10～20 a内成为全球经济持续增长的助推器。据中国信息通信研究院《5G经济社会影响白皮书》[2]测算，预计到2030年，5G将直接为我国经济总产出贡献6.3万亿元，间接带动我国经济总产出10.6万亿元(见图2)；将直接增加就业机会800万个，间接增加就业机会1 150万个(见图3)。美国数据研究公司IHS Markit预计[3]，到2035年，5G产业链将创造3.5万亿美元的经济产出，创造2 200万个就业岗位。

图2 5G的直接和间接经济产出

2 5G在全球航运业中的创新应用趋势

目前5G正处在技术标准形成和产业化培育的关键时期，很多国家都在其数字化战略中将5G作为优先发展的领域，强化产业布局，塑造竞争新优势。2019年6月6日，中国工信部正式向中国电信集团有限公司(简称“中国电信”)、中国移动通信集团公司(简称“中国移动”)、中国联合网络通信集团有限公司(简称“中国联通”)和中国广播电视网络有限公司(简称“中国广电”)发放5G商用牌照；同年10月31日，中国电信、中国移动和中国联通公布5G商用套餐，并于11月1日正式上线5G商用套餐，这标志着我国正式进入5G商用时代。截至2019年11月，我国已开通11.3万个5G基站，5G用户达到了87万户，我国的5G产业已处于全球领先地位。

图3 5G的直接和间接就业贡献

近期，我国相继印发了《智能航运发展指导意见》《交通强国建设纲要》和《关于建设世界一流港口的指导意见》等指导性政策文件，从国家战略层面明确要求加快交通和航运业的信息化、智慧化建设。5G作为新一代移动通信技术，采用全新的网络架构和大规模的多路输入输出技术(mMIMO)、边缘计算、切片等多项关键技术[4]，具有1 Gbit/s以上大带宽、高速率、毫秒级时延和超高密度连接等特性，将成为推动智慧航运发展的强大动力，加快航运物流相关产业(航运、物流、港口、制造、金融)的创新，促进传统航运业高质量发展。5G的应用，将能更高效地促使全球航运业形成智慧航运、智慧物流、智慧港口、智能制造和智慧金融等五大领域的科技创新和产业重构(见图4)。

2.1 智慧航运领域

2.1.1 5G+船舶局域网

5G技术的高速率、低延迟特性能使船舶内部、船-船、船-岸和船-航标等之间的互联互通变得更加高效和通畅。同时,5G技术可支持更多的终端节点，实现大规模、大范围传感监测数据的并发采集，所有的设备、货物、人员、管线和岸基设施等都能进行高速互连互通，形成5G通信环境下一个泛在的物联网[5]。未来可探索在船端安装5G空中基站，结合卫星通信系统，搭建船舶局域网，快速、简单、高效地构建全船无线网络，有效降低传统的网络布线成本，极大地缩短部署时间。目前，马士基集团和爱立信公司已开始尝试类似的解决方案[6](仅基于传统的2G技术),为集装箱船构建船联网，解决移动通信问题，提供船载维护服务等。图5为智慧航运信息综合服务网络结构[7]。

图4 5G在全球航运业中的创新应用趋势

图5 智慧航运信息综合服务网络结构

2.1.2 5G+北斗综合通信

5G与北斗卫星通信系统相结合的船联网应用技术系统，可实现实时向船舶发送气候信息和危险预警信息，必要时能对船舶进行指挥、调度、动员和救援。该系统不仅能为各类船舶提供精确的位置定位和通信功能，而且能为相邻海域(水域)的船舶提供实时组网通信、信息传达和港口信息等增值服务。北斗卫星通信系统与5G相互融合，共同构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化全球综合通信网，满足航运企业的多种业务服务需求，这是未来通信发展的一个重要方向。

2.1.3 5G+船舶自动驾驶

C-V2X(以蜂窝通信技术为基础的V2X技术)对于车辆自动驾驶而言至关重要。对于自动驾驶来说，船舶自动驾驶远比车辆自动驾驶复杂。船舶的航行场景可分为内河运输、近海运输和远海运输3种。

1) 对于内河运输和近海运输场景(长江、珠江、近海等)，岸侧的移动通信基站信号可覆盖，5G与C-V2X相结合，可很好地支持船与船、船与航道、船与货物和船与人的互联互通，实时掌握人员、船舶、场景、设备和货物的状态，使安全、智能、高效的航行过程得以预见；

2) 对于远海运输场景，基于5G和北斗卫星通信系统的C-V2X技术，能进一步弥补自动驾驶的缺陷，实现高清视频信息实时回传、船舶远程控制和船舶自动驾驶控制等功能，提高船舶航行与作业的智能化水平和效率。

2.1.4 5G+航运安全监控

1) 在货物安全监控方面，通过定制化5G高清视频切片，利用在集装箱上加装的传感器和摄像头，使货主能通过手机实时远程监控货物的状态。通过5G无人机拍摄并用AR/VR眼镜作为显示终端，能提高在途货物远程实时监控的灵活度。

2) 在航道安全监控方面，通过将5G无人机与AR/VR技术相结合来开展航道交通管理,对违规行为和事故现场的视频信息进行飞行抓拍、实时传输和现场勘查，实现从空中加强航道管控。5G无人机拍摄的巡查现场实景能与指挥中心的视频画面实时同步，视频信号清晰、稳定。

2.2 智慧物流领域

2.2.1 5G+车联网

基于5G的车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，融合5G、传感器、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、数据挖掘和自动控制等相关技术，按约定的通信协议和标准，在车与车、车与路、车与行人和车与货物的信息交互过程中，实现车辆与公众网络的动态移动通信。未来5G将应用到无人驾驶承运车、智能挂车等物流领域中。根据工信部印发的《车联网(智能网联汽车)产业发展行动计划》，到2020年使车联网产业跨行业融合取得突破，使具有高级别自动驾驶功能的智能网联汽车实现特定场景下的规模应用[8]。这意味着自动驾驶和无人驾驶实际应用成为可能。与无人驾驶汽车学习人的辨别信号灯的能力相比，只有接收并识别来自于5G的信号,才能实现快速、准确和安全的反应。

2.2.2 5G+物流追踪

随着在线购物逐渐盛行，物流追踪将变得越来越重要。在运输监测过程中，使用5G+传感器+大数据平台能完成对车辆和货物的实时定位跟踪，监测货物的状态及其温度、湿度情况，以及运输车辆的速度、胎温胎压、油量消耗和刹车次数等参数。在货物运输过程中，将货物、人和车辆驾驶情况等信息高效地结合起来，清楚地了解运输过程中的情况，提高运输效率,降低运输成本和减少货物损耗。此外，运用5G实现车辆的智能化调度，提前为易碎、易燃、易爆货物安排好配送路线，可有效缩短运输时间，提高运输效率。

2.2.3 5G+仓储设施

5G突破了传统通信技术点对点的通信模式，大量物联网设备和工业设备成为新的联网终端，各行业加速融合，垂直行业的应用更加多样，产业互联网新生态正在加速形成。据英特尔(Intel)预计，到2020年，5G将连接500亿台智能设备[9]。5G可实现智能化仓储管理，对货物进行高效、智能分拣，提升效率，同时能针对不同的货物智能定制仓储环境，保证货物的质量[10]。未来5G、AI等技术将在嵌入航运仓储物流设施中实现对货运船舶、高速分拣设备、机器人和智能叉车的远程集中操作、实时监控预警和预防性维护保养等。目前，全国各类物流仓储区分布着数以亿计的摄像头，将在5G的赋能下从简单的监控回溯设施升级为由智能感知设备组成的云监控网络，帮助管理人员实现智能化的物流管理。

图6 5G智慧航运物流部分业务网络架构

图6为5G智慧航运物流部分业务网络架构;表1为智慧航运物流部分业务场景对5G网络的性能需求。

2.3 智慧港口领域

2.3.1 5G+港机远程操控

传统的岸桥、场桥等港机设备主要依靠经验丰富的操作员在外场高空操作，港口一般每天24 h连续作业，集装箱吊装作业条件艰苦，用工成本较高，装卸效率有限，可靠性难以得到保证。5G+港机远程操控主要是指借助超低时延、超大带宽的5G网络，通过高清摄像头等辅助设备，将港机(岸桥、轮胎吊、轨道吊等)的视频等信息发送给码头远程操控中心,操控中心通过网络将控制命令发送给港机，实现对港机的远程自动化控制和高清视频监控。该工作模式能极大地改善港机设备操控员的作业环境，降低对其工作熟练度的要求，提升其安全性，实现1人单线作业到1人多线同时作业的效率提升。5G智慧港口网络架构见图7[11]。

表1 智慧航运物流部分业务场景对5G网络的性能需求

图7 5G智慧港口网络架构

2.3.2 5G+智能理货

港口集装箱理货主要是指识别集装箱箱号、查验箱体残损情况等。传统的港口集装箱理货方式主要是通过人工现场拍照采集信息，借助港口Wi-Fi,通过手持对讲机等将信息回传，工作环境艰苦,作业劳动强度大，存在人工理货成本高和效率低等问题。5G+智能理货主要是指在集装箱吊装过程中借助具有超大带宽和超低时延的5G通信网络,将港区理货节点的高清视频流信息实时回传，同时利用AI、云计算和大数据分析等技术对其进行全面识别和全方位监控。此外,结合港口业务平台对集装箱理货数据进行核销、查询追溯和统计分析等操作，实现更高效、智能、精准的集装箱智能理货作业。

2.3.3 5G+自动驾驶

目前港区集装箱水平运输主要通过人员驾驶集卡和地磁AGV(自动导引运输车)等方式实现，其中:采用人员驾驶集卡的方式工作强度大，疲劳驾驶现象突出，存在安全隐患，且集卡驾驶员较为短缺;采用地磁AGV的方式需在港区铺设地磁设备，改造和维护较为复杂，同时行驶路线相对固定，作业的灵活性和效率有限。实现港口关键设备的自动化是提高港口产能的重要手段[12]。港口相对封闭，运行的车辆相对规则，是 5G+自动驾驶的重要应用场景。港区5G+自动驾驶主要是指融合5G-V2X 通信、网络切片、高精度定位、车路协同、AI、仿真和感知等技术，建立车-车/车-路低时延、高可靠的数据交互通路， 精准规划和监测车辆的行驶路径，实现港区集卡自动驾驶和AGV小车自动驾驶等应用。

表2为智慧港口部分业务场景对5G网络的性能需求。

表2 智慧港口部分业务场景对5G网络的性能需求

2.4 智能制造领域

智能制造已成为全球制造业的重要发展趋势，当前我国的制造业正朝着网络化、智能化方向加速迈进，但现有的网络技术已无法满足智能工厂日益提高的大带宽、广连接和低时延的需求。5G的应用将给智能制造业带来革命性变化，使船厂/箱厂的智慧化管理成为现实。通过5G可实现船厂/箱厂设备点对点通信、设备数据云、横向多工厂协同和纵向供应链互联，打造船厂/箱厂设备全生命周期在线管理、运营数据监控与决策和订单全程追溯的透明交付，更好地支持工业自动化场景和大流量造船/修船业务，开展工业云和大数据平台建设。5G将带来更好的人机交互体验，通过连接更多的设备，使机器人更安全，使船厂/箱厂的布局和重新配置装配线更简单，为机器人生产系统提供更大的灵活性和成本优势，降低生产成本和管理成本。

2.5 智慧金融领域

航运业是资金密集型行业，船舶融资、航运保险、资金结算和设备租赁等航运金融服务的需求不断增多。航运业在传统交易中普遍存在供应商回款周期长、信用证支付费用昂贵和融资成本高等问题，但受参与方众多、服务需求多元、流程复杂和技术应用不足等因素影响，航运金融服务的质量、效率和安全性有较大的提升空间。未来借助5G+区块链等技术，可实现实时计算与对账、高清海量视频实时传输，准确记录货物转移过程中的数据，使租赁物、抵押物和担保物等重要物资的实时风险管控成为可能。借助5G对海量历史金融数据进行存储和分析，提前预知风险,通过金融服务需求画像，实现精准融资。

3 航运企业应用5G的对策建议

1) 把握国家战略政策机遇，重点布局多元化的智慧航运业务。航运企业应牢牢把握国家推动航运智能化、建设一流港口和航运强国的战略机遇，以及5G等关键技术的发展机遇，创新商业模式和服务模式，积极布局多元化、现代化的智慧航运业务，包括提供全自动化的码头堆场装卸运输业务、船舶货运物流追踪监控业务、航运公共信息服务业务和航运设备全生命周期监管运维服务业务等，达到降低企业运营成本，提高生产运营效率和拓展盈利空间的目的。

2) 加快推动航运业与5G、AI等关键技术的融合创新研发。航运企业应把握航运与5G、AI等关键技术的融合和创新应用趋势，投入资源加快启动基于5G、北斗卫星通信和物联网等技术的信息基础设施研发，在全面感知、泛在互联、港车协同智能化系统构建等相关技术的研发试验中尽早抢占技术高地，提高核心竞争力。目前，全球各大航运企业正在积极开展技术创新应用研究。例如:马士基研发无人集装箱船，并在船上开展AI动力感知和态势感知技术等方面的试验；挪威威尔森集团和康士伯联合,建立全球首家无人船航运公司Massterly；瓦锡兰针对智能/无人船研发自动靠泊系统等。

3) 开展跨界合作，提高智慧航运产业链融合创新增量的比例。航运企业应联合航运、物流产业链上的各相关方，携手推进智慧航运、智慧物流、智慧港口、智能制造和智慧金融等领域的科技创新应用。通过多边合作交流机制，统一航运业5G技术标准，开展5G试点项目研究与应用等一系列合作，有效发挥产业链上各相关方的优势，提高科研和成果转化能力，为5G在航运业的创新应用提供孵化器，更好地推动产业融合，聚焦、放大科技创新成效，提高智慧航运产业链融合创新增量的比例。

4 结 语

当前，全球航运业尚处于智能化发展初期，在全球货运压力增大、船舶大型化和航运产业过剩压力凸显的情况下，5G、北斗卫星通信、人工智能和大数据等技术的加速发展和融合应用为航运业的转型升级提供了机遇。全球航运企业要把握战略与技术机遇，结合自身业务布局和发展规划，及时做好5G技术路线选择，重视新技术研发和平台化部署，提高核心竞争力，积极打造具有世界影响力的智能航运品牌。本文为全球航运企业运用5G等关键技术提供了理论和技术创新应用依据，有助于理解5G与全球航运业高度融合是一项深度挑战，跨技术领域、跨行业的融合创新将是一个循序渐进和不断优化的过程，对全球航运业的发展有重要的影响。