5G港口行业应用标准体系框架探讨

任勤雷

摘要：5G作为最新一代商用的蜂窝移动通信技术，目标是提高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。5G网络具备的这些能力，对港口核心业务及关键作业设备接入网络可以有效提高港口作业效率。通信网络是为设备服务，设备为业务服务，不同的业务对应不同的应用场景，标准的制定应该最终服务于应用场景。该文从港口应用场景结合港口设备及有关工艺流程，梳理了5G通信技术在港口各应用场景涉及到的设备及需求，提出了5G港口应用标准体系立项建议。

关键词：5G技术自动化港口应用业务场景工艺流程

中图分类号：U692     文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract： As the latest generation of commercial cellular mobile communication technology， 5G aims to increase data rates， reduce latency， save energy， reduce costs， increase system capacity， and connect large-scale equipment. These capabilities of the 5G network can effectively improve the efficiency of port operations for the port's core business and key operating equipment to access the network. The communication network serves the equipment， and the equipment serves the business. Different businesses correspond to different application scenarios. The formulation of standards should ultimately serve the application scenarios. This article combines port application scenarios with port equipment and related technological processes， sorts out the equipment and requirements involved in 5G communication technology in various port application scenarios， and proposes a proposal for the establishment of a 5G port application standard system.

Key Words： 5G technology;Automation;Port applications;Business scenarios;Technological processes

2021年，工信部發布《5G应用“扬帆”行动计划（2021—2023年）》，其中智慧港口部分提到“研制适用于港口集装箱环境的5G辅助定位产品，加快自动化码头、堆场库场数字化改造和建设”，明确提出完成基础共性和重点行业5G应用标准体系框架，研制30项以上重点行业标准。

回顾改革开放以来的中国港口的变化，作为世界第一贸易大国，中国拥有的万吨级生产泊位为世界第一，港口货物吞吐量、集装箱吞吐量均为世界第一，中国港口占据了在全球港口货物吞吐量和集装箱吞吐量排名前十名中的七席。我国港口作业模式也由最初的人工搬运转变成信息化、自动化作业模式。港口作为我国对外贸易服务的首要窗口，科学技术的应用一方面反映了我国基础设施建设的综合实力，另一方面港口功能也从最初的商品物流中转，转型为贸易和商业、仓储提供综合信息服务，全国各大港口集团都在利用互联网技术和大数据的思维实现港口的智能化、自动化和无人化，为企业提质增效;港口实现无人化作业是港口发展的必然趋势[1-2]。

1  港口核心业务及设备设施

在国内目前自动化港口建设上，厦门、上海、青岛、天津走在前列，主要体现在集装箱在港区的流通，包括箱号识别、水平运输、堆场装卸等环节。从集装箱码头的设备涉及业务种类分为语音、数据、视频;从现场应用来看，港口作业涉及的信息主要以数据类和视频类为主，其中数据类又分为办公数据和业务数据。

从具体的技术使用上，港区内移动设备多，港口无线网络Wi-Fi方式只适用于单机的轮胎吊远程操作;5G技术的应用可大大优化远程操作、安全、通信设备、管理运营。在远程操作方面，取代传统码头“集卡”的AGV就是全自动化码头的一大特征，以及轮胎吊设备的自动化，具体见表1。

2  港口作业设备5G网络需求

凭借5G的高速率、低时延、大连接三大基础能力和边缘计算、切片、NR定位三大增强能力，以及与各项数字技术的深度融合，5G成为了驱动智慧港口升级的加速器。

2.1 目前港口网络现状

2.1.1  有线传输可靠性差

传统的岸桥的通信光缆一般采用的是与电力缆合用的复合缆，其造价昂贵，频繁盘放和震动极易造成光纤折断，这对于完全依赖计算机网络控制的自动化设备来说是极大的隐患。近年来，面对广大船东、货主对码头更高作业效率的需求，无论是新建的自动化码头还是传统的人工码头，都对网络通信的可靠性提出了更高的要求[3]。

2.1.2  有线环形冗余组网

为提高通信链路的可靠性，在码头通过冗余的光纤链路，将数据中心交换机、汇聚层交换机、接入层交换机和终端、服务器等设备物理连接。每条逻辑链路至少有两条物理链路通过Trunk或者多路径、热备等方式来保障较高的可靠性，保证当一条物理链路出现故障时逻辑链路不受影响，甚至应用端都觉察不到链路的故障和切换过程。一般是通过环形或者双星形的布线方式，并尽可能地使两条链路分别走不同的路由，使物理链路受外界威胁的可能性降到最低。这需要在土建及安装阶段即需要增加较大的投入，如通信管道、金属线槽等。合理设计冗余的物理链路路由也是码头建设改造过程中需要重点考虑的问题之一。在传统人工码头升级成自动化码头如需敷设光缆，重新修建管道难度很大[4]。

2.1.3  带宽频谱受干扰

码头大型机械自动化改造和设备远程检测、无人理货等高度依赖网络通信，业务需求数据传输量大，时延要求高，对网络上行带宽要求较高，当前是通过光缆传输或者5.8G Wi-Fi无线传输，使用光纤通信必须在码头建设时专门设计、敷设与设备对接的地下通信管网，而且光纤通信方式在移动设备上需要设计专门的随动机构，又会造成设备的结构复杂，制造、运行和维护的成本比较高，而5.8G Wi-Fi带宽有限，为公用频率，干扰严重[5]。

2.1.4  非蜂窩网络技术缺陷

Wi-Fi抗干扰能力差、覆盖能力差、性能不够稳定，不能很好地支持大范围多客户端移动覆盖。波导管，漏波电缆，光缆传输方式需要在整体系统设计中对其做出系统级让步，例如：放大相关安全距离，降低设备运行速度等。

2.2 设备改造需求

目前港口对轮胎吊远程控制改造需求迫切，传统轮胎吊司机是特殊工种，轮胎吊高度约30 m，司机室在轮胎吊顶部，司机需在在30 m高的司机室操作，作业条件艰苦，现场操作容易疲劳有安全隐患。港口为保证24小时作业，每台轮胎吊配备3名司机轮换，一个码头通常需要上百名轮胎吊司机，对司机人力需求高。

远程控制改造后，轮胎吊上安装摄像头和PLC，司机改在中控室观看多路实时视频进行操作，通过集装箱门式起重机远程控制，可实现90%的操作由机器自动完成，司机只需要干预“抓/卸”集装箱这两个操作，因此以前一人只能操作一台轮胎吊，现在可以操作3～4台，大幅度提升生产运作效率。

有了远控操控，司机可以坐在舒适的中控室，观看5G回传的多路实时视频实现远程操控。通过远控操控实现了3个转变：一是工作环境由恶劣的高空到舒适的办公室;二是由“一人一吊”转变为“一人多吊”，工作效率大幅提升;三是实现现场无人化，减少了安全事故。

2.2.1  网络改造可行性考虑

最近几年除了网络外的远控技术已成熟，存量的轮胎吊改造是主要需求，预计全球有3.5万台需要改造，但一直没有适合改造场景的网络解决方案。目前网络改造主要考虑以下3种方式：（1）Wi-Fi改造;（2）光纤改造;（3）波导管改造。

2.2.2  Wi-Fi Vs 5G三大硬伤

（1）Wi-Fi的硬伤1：上行容量小，Wi-Fi在每个堆场最大提供200 Mbps吞吐量，不能满足最大600 Mbps需求。

（2）Wi-Fi的硬伤2：干扰大，很难连片组网（很难保障轮胎吊转场需求），Wi-Fi的Listen Before Talk机制决定了多个堆场之间会有互相干扰，性能会大幅度下降。

（3）Wi-Fi的硬伤3：没有可靠性保障机制，安装完成之后也基本没有服务，造成Wi-Fi只能靠预留大量冗余来保证可靠性，A+B可以认为是设备级的冗余，容量上还需要其他冗余应对突发干扰和其他链路问题，因此Wi-Fi 5虽然单频点40 MHz理论峰值有400 Mbps，也只能按照180 Mbps来规划，因此当前单个AP最多只能支持6个轮胎吊。

2.2.3  光纤VS 5G的4大劣势：

（1）光纤完全不适合轮胎吊改造场景：光纤改造牵涉到挖沟、铺线、水泥硬化等内容，而且改造时间至少需要2～3个月。相关土建改造会造成港口部分业务中断，从港口作业上很难接受长时间的中断;（2）光纤改造成本高：每台轮胎吊仅光电缆改造成本预计不少于30万，而且挖沟等工程成本高、维护成本高，光电缆一处损坏就需全线更换;（3）光纤远控不满足转场的移动性需求;（4）光纤不能一网多用。

2.3 设备网络需求

针对不同的业务场景，相关网络需求指标具体见表2～表5。

3  港口5G应用标准体系框架构建建议

3.1  港口5G专用网络通信系统工程设计规范

围绕港口5G专用网络的网络结构、基站站址选址、供电、数据传输与交换等要求进行规定，用于指导和规范港口5G网络无线通信要求及网络建设、测试和验收;网络安全标准主要对网络结构安全、访问控制、入侵防范等进行规定，用于指导港口5G网络安全建设。

3.2  港口装卸装备5G应用技术标准

当前大型集装箱港口纷纷以自动化和智能化码头作为发展方向。全自动化集装箱码头提出了人机分离、智能化远程操控等理念，堆场作业采用自动化与人工相结合的模式。同时，随着港口装卸设备远程操控技术的日趋成熟，劳动力市场日趋紧张，促使传统码头的装卸设备操作方式改变的呼声日趋强力，为此，对于传统港口装卸设备的远程操作方式和作业流程也有了新的需求[6]。

随着5G网络建设并应用于港口装卸设备远程控制中，需要对相关系统进行规定，需提出符合码头装卸设备远程控制作业相符合系统和设备的相关技术规定，以提高远程控制机械的安全性、可靠性、经济性和作业效率，优化码头的工艺配置。

3.3  港口水平运输车辆5G应用技术标准

随着智慧港口建设，自动驾驶集装箱卡车、智能闸口也成为了发展趋势，未来自动驾驶集卡上也将具有远程控制能力，当自动驾驶集卡在作业场中出现故障，操作人员可通过摄像头查看周边环境、进行故障判断，并可远程操作自动集卡退出故障区。该项目将开展港口水平运输车辆5G应用技术标准研究，并对相关系统进行规定。

3.4  港口视频设备5G应用技术标准

作为港口业务应用的支撑部分之一的视频，越来越多的港口作业中需要监控、分析，应该针对视频设备5G应用提出要求，对视频网传输的功能和性能指标提出相关技术要求。

参考文献

[1]张宁，张翔宇，曹喆，等.面向数字未来的智慧港口建设方案[J].百科论坛电子杂志，2021（5）：2238.

[2]钟凯.日照港“智慧港口”建设信息化水平评价与改进策略[D].青岛：山东科技大学，2020.

[3]工业和信息化部.5G应用“扬帆”行动计划（2021—2023年）[EB/OL].（2021-07-13）[2021-09-01].https：//www.nea.gov.cn/2021-07/13/c_1310058748.htm.

[4]耿增涛，汤雪，刘迅，等.港口综合业务管控系统设计与应用——以青岛港（集团）有限公司为例[J].集装箱化，2019，30（11）：15-20.

[5]李红，王大成，刘婷.我国智慧港口建设中的问题及发展建议[J].水运管理，2020，42（1）：23-25.

[6]黄祝佳. 广州港智慧港口评价与建设研究[D].广州：华南理工大学，2019.