5G 网络切片在智慧港口的应用研究

［董月滋 毛斌宏］

1 引言

随着我国经济的迅速发展，国家的交通运输行业特别是码头行业的发展甚是迅猛。在码头系统发展的过程中，港口的运行效率以及码头的运行安全引起了业内的广泛关注，而且，全球环境的变化特别是疫情后的新常态，港口管理面临越来越多的挑战，港口必须充分利用新技术来应对新需求，故信息化、物流化及智能化的港口成为了码头建设的必然趋势。

港口系统的业务场景极其复杂，运营管理面临多方面的挑战，其对网络的带宽、时延、可靠性等要求差异很大，而5G能提供快速、安全、高可靠性的灵活定制化切片运营，即5G 网络切片技术。依托于5G 网络切片技术，智能港口的建设定能大大地提升港口生产质量及效率，为实现“无人码头”打下基础以及提供巨大的社会价值和经济价值。

本文主要是对智能港口和5G 网络切片技术进行介绍说明，围绕网络切片技术在智慧港口系统中的应用做出研究，体现网络切片在5G 网络中扮演的关键角色。

2 智慧港口现状分析

2.1 智慧港口概述

智慧港口，即数字化、自动化、物流可视化的港口，是以现代化基础设备为基础，对设备的运行状态进行实时监控和数据整合。智慧港口的核心应用场景包括装卸作业的远程控制、港口无人运输、港区视频监控和AI 识别等。结合先进的网络技术，智慧港口可以实现低成本、绿色低碳、生产安全、服务便利的港口运营。

2.2 港口智能化发展现状及存在的问题

目前，我国的智慧港口发展处于刚起步阶段，但在国家和政府的大力支持下，港口的智能化发展也得到了较大的改善和提高，近几年来也在各大港口进行技术试点及推广。

一个典型的港口系统包含以下六大场景：船只进出港口、岸桥装卸货、货物水平运输、堆场管理、集装箱进出港口和陆港联运。图1 说明了港口系统的各个流程之间的协作。

图1 港口系统的场景流程协作图

由于港口涉及的业务范围及形态复杂多样，港口系统在智能化发展的过程中也存在很多的问题。结合港口系统场景具体说明有以下几点：

（1）部分场景下，例如船只和集装箱进出港口的时候需要进行货物检查，港区需收集的信息量比较大，高清视频等信号会有不稳定的情况出现。

（2）货物水平运输等场景在传统的港口中大多数是以人工驾驶运输为主，我国港口货物吞吐量和集装箱吞吐量全球排名比较靠前，司机机械性重复工作导致疲劳驾驶的现象时常发生，港口的装卸效率及人员安全得不到保证。

（3）岸桥场景下的作业属于高空作业，依赖于远程操作，这其中涉及到高清视频监控，但现阶段的高清视频监控依赖于有线光纤连接，其成本高，监控点相对固定不灵活。货物起吊过程的设备数据采集、数据回传、数据实时分析、定位防碰撞等场景对带宽的要求都很高，目前依赖的光纤接入不灵活，可移动性差。

（4）港区内的各项指标（或设备）监测，比如温度、湿度测、静电等指标（或港区内的水管、垃圾回收站等设备），传统港区的指标检测主要是通过人工使用仪器对结果进行统计，效率极低，还可能出现结果不准确的情况。

3 5G 网络切片在智慧港口系统的典型应用

3.1 5G 网络切片概念

随着网络技术的不断发展，5G 网络面向垂直行业客户提供各种支撑能力。3GPP 标准定义了5G 网络的三大应用场景：增强型移动宽带服务（eMBB）、超可靠低时延通信服务（uRLLC）、海量机器通信服务（mMTC）。5G 网络优于4G 网络的关键技术之一在于网络切片技术。切片，通俗一点的意思就是将一张网切割成多片，不同的片负责不同的场景处理，片与片之间是独立的。5G 网络切片从本质上理解是按需定制的网络服务。

3.2 网络切片端到端架构

切片也是网络，是端到端的网络，3GPP 定义的5G网络切片端到端架构如图2 所示。

图2 5G 网络切片端到端架构图

5G 网络切片端到端架构涉及关键网元功能主要包含CSMF（Communication Sevice Management Function，通信服务管理功能）、NSMF（Network Slice Management Function，网络切片管理功能）和NSSMF（Network Slice Subnet Management Function，网络切片子网管理功能）。用户通过订购切片业务，然后CSMF 将订单业务需求转换成网络需求并流转到NSMF根据需求对SLA（Service-Level Agreement，服务等级协议）进行端到端分段拆解，随之将对子域/子网的部署需求传递到NSSMF，NSSMF 对子域/子网的切片进行管理与设计，最终将具备的能力上报给NSMF。CSMF 到NSMF 再到NSSMF，实现跨RAN、TN、CN 的端到端网络切片的纵向协同，为5G 三大场景横向切片提供能力，使得不同场景的业务在不同的切片上得以实现。

3.3 5G 网络切片在智慧港口系统中的应用

智慧港口的主要组成元素有人、车、货物和船，其业务场景多而复杂，不同业务对网络的能力要求不同，体现在网络的带宽、可靠性、时延等Qos 能力，如表1 所示。

表1 智慧港口业务对应的网络能力要求表

针对2.2 章节所提到的智慧港口现状问题，结合表1的不同业务所需网络能力要求不同，给出以下几种切片应用：

（1）高清视频监控及AI 识别：高清视频是典型的eMBB 类应用，高清视频类切片场景对应的网络能力表如表2 所示。港区的人、车、船只和货物的信息量比较大，其中涉及到货物ID、人脸信息、车牌号信息。港区内的智能理货、智能巡检等环节需要同时连接多个设备、工具和用户，而5G 技术具有更大的网络切片容量，可为特定应用提供专用的带宽量，大带宽的切片应用可以使得数据传输速率加快，允许用户能够将来自多个来源的监控录像及时上传到云端存储平台，云视频存储监控结合AI 进行实时的视频智能分析，比如智能识别员工的工作合规情况（可判断员工是否佩戴安全帽、是否疲劳驾驶等），大带宽的5G 网络技术提供不间断的稳定网络，不仅提高了工作效率还保障了港区的安全。

表2 高清视频类切片场景的网络能力表

（2）港口集卡无人驾驶：港口的集卡无人驾驶在智慧港口系统中扮演着极其重要的角色。无人驾驶是V2X切片，是uRLLC 场景的典型应用，其中环节包括车车通信V2V、车路协同V2I、车人协同V2P 以及地图视频V2N，它们各自对网络的能力要求如表3 所示。由表中数据可知，无人驾驶对时延要求极高，需要车跟任意物体进行智能交互，才得以避免事故产生。

表3 V2X 切片场景的网络能力需求表

（3）港区指标（或设备）监测切片：港区内设备及各项环境指标的监测是mMTC 场景的应用，即大规模的物联网业务，港区内的终端分布范围广、数量众多，对网络的连接数要求很高，需具备超千亿连接的支持能力。

4 网络切片技术在港口的应用进展

上述的三个港口场景切片，能有效满足港口系统的多元化业务需求。基于5G 网络切片的智慧港口业务在国内厦门威海、青岛前湾、宁波舟山等大型港口均有部分场景得以成功上线，比如集装箱自动化码头、岸桥远程控制等场景也已投入正常运营。据相关数据统计，现场实测业务端到端的时延可靠性高，稳定在8 ms 左右，相比于使用4G 网络、光纤等通信方式的传统港口系统，不限于带宽压力的现代智能港口业务时延有大幅度提高，进而提升港口作业效率和降低运营成本。港口集卡无人驾驶的应用远不止于人工成本的降低，无人驾驶带来的技术和经济效益也是很可观的，可以吸引自动驾驶科技公司的加入从而带来更多的资本投入，呼应“数字强国”、“交通强国”、“新基建”建设，助力世界一流港口建设。除此之外，基于5G 网络及V2X 技术的港口集卡无人驾驶技术的逐步成熟，包括系统、算法、识别、精确定位等在未来给其他领域的无人驾驶带来宝贵的实践经验。

5 结语

高清视频监控及AI 识别、港口集卡无人驾驶和港区指标（或设备）监测三种切片响应5G 的eMBB、uRLLC和mMTC 三大场景，有效解决传统港口人为机械性作业、作业效率低和运营成本高等问题。大带宽、低时延、广连接的5G 网络切片技术的可充分满足智慧港口对网络能力的多元化需求。港口的智能化发展和运营已成为推动我国从大国走向强国的重要因素，5G 网络切片技术在智慧港口的建设中扮演着极其重要的角色。目前5G 切片技术在智慧港口的业务场景中的应用仍处于初步实践中，亟需产业界共同探讨，结合实际对问题进行改善，体现社会价值，让更多的行业受益于5G，实现未来长期更大的收益。