远控自动化背景下岸边集装箱起重机语音系统分析

吴丞奇

上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

0 引言

为了应对现代岸边起重设备逐渐走向大型化，起重机的操作员、理货员、维修人员、场内装卸员工以及集卡司机的工作位置逐渐分散并超过声音和目视距离的极限，无法仅通过对话、手势进行交流，为了应对各工位的信息沟通需求，语音系统成为现代港口起重设备配套标准配套设施。语音系统是维护岸边起重机场内作业时设备协调运行、人员设备安全作业、方便维护和修理的通讯保障。

传统的岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）和堆场集装箱起重机（以下简称场桥）以单台个体设备作为独立的起重装卸作业单位，以往机上通讯系统的设计布置方案都是以单机应用的需求为出发点，在满足标书要求的重要点位附近的人员交流需求下，尽量在语音系统的经济性、便捷性、通讯清晰性方面进行选型和配套设计优化，以期达到用户舒适度优化突破。

随着近年来集装箱码头各类配套设备在数字化、信息化、远程化等技术应用的逐渐提高和成熟，越来越多的码头向着自动化和无人化规模发展。这样的发展趋势使岸桥和场桥的工作性质从以往的单体作业发展到由中控协调联系控制的模式。在此背景下，设备上的语音系统设计和应用需求也必然发生转变。从码头操作部门或维修部门的控制室对前场的作业设备进行语音交互和警示报警已逐渐成为现在的主流要求。通过数字网络的语音系统逐渐在港口起重设备上崭露头角，其中尤以IP网络电话为代表，新机设备基本会配套IP 语音系统。经多个项目的分析总结发现，目前市场上常用IP 电话通讯方案不能完全满足用户需求。供应商在针对IP 电话的设计和开发主要集中在技术层，而不是基于实际使用的应用层特殊场景的交接交互。

本文对通用语音广播系统定义释义，结合港口起重机行业常用标书要求，分析了通用语音系统在使用中和行业场景专用要求之间的矛盾。另外，比较了几种常用语音系统的方案，分析了面对各种应用场景的需求满足程度和经济可靠度。最后，阐述能更好地满足未来发展趋势的港机语音系统的功能，提出假设的理想解决方案，或能帮助部分应用层公司进行功能开发指向，使未来港机整机产品的效能得到提升。

1 港机用语音广播系统

传统的公共语音广播通讯系统是一种包括麦克风、放大器、扬声器和相关设备的电子系统。广义的公共广播系统能增加人声、乐器、其他声源或录制的声音或音乐的音量。传统的港口机械上的各类语音装置承继了工矿业使用的语音通讯系统，基本上包含上述广义语音装置并因环境不同采用工业防护等级设计。由于港口设备中岸桥的体量较大，功能结构较复杂，本文以岸桥的语音系统展开叙述，主要讨论港机设备配套的固定站有线通讯装置。考虑到无线对讲系统的独立性应用，本文不作赘述。

1.1 技术规格对语音系统的要求

在生产中，内部语音系统是码头企业日常生产的重要组成工具，一般起重机的技术规格书中会按码头要求明确需要布置的通讯机的点位。同时，也会附带对于通讯工况说明，以便于制造商选择合适的系统方案。常用的岸桥语音系统工况要求主要包括呼叫、广播、通讯对讲（多线程）、报警功能等，还会对设备的防噪、防水、防尘等外形做出相应要求。

由于用于工矿类场景的岸桥语音通讯系统站外形与日常电话机类似，故在国内交流语境中一般会以机上电话代称语音系统。长期以来，不论用户、监理和制造商各类人群已习惯此代称，并不容易产生歧义。然而，作为技术规格的功能分解说明，则有必要进行释义澄清。在港口机械的技术规格书中，一般会将语音通讯系统分解为对讲功能、广播功能和自动警报功能。对应英语的技术标书来说, 语音系统的代称可以是Intercom、Telephone、PA(Public Address)等。Intercom 功能一般指机上内部对讲装置，呼叫时整机通语音群所有站点都有呼叫提示音，之后等待相应站点的人员摘机后进行点对点通话；Telephone 与常用固定电话的相似度最高，需拨号（一般为机上站点短号）进行呼叫，仅目标机位有提示铃声，待目标机位相关人员摘机后进行通话；PA系统为机上广播系统，规格书中一般仅要求进行单方面广播和警示作用设置，无需应答。岸桥上的PA 系统一般仅供操作司机和理货员进行单方大音量广播，也有用于如火灾等特殊情况触发的紧急报警广播声等。

1.2 几类常用的港机设备语音系统

1）程控语音通讯系统

适用于岸桥的程控电话语音通讯方案建立在各站点通讯话机接入工业用程控电话交换机的方案之上，并使用工业级安装要求。程控系统利用电子计算机控制交换机以预先编好的程序控制交换并连续动作，将外部通讯站点进行短号编码后录入交换机的对应通讯接口，内部系统可进行点对点拨码呼叫，仅支持应答相互通话，类似于家用有线拨号电话，操作方面也基本统一。通过交换机外接端口和光缆连接可与外部系统拓展连接，有拨号振铃功能要求的码头团购岸桥时基本采用此样式。该系统无法实现广播功能，为满足技术规格要求的广播功能需要单独布置司机室或理货室外的扩音系统。扩声系统可用于播音员、表演者等需要在远程或大范围内收听的公共场所。典型的应用包括运动场、公共交通和设施、现场或录制的音乐场地和活动。图1 为岸桥程控电话系统图，简易示例了某岸桥的语音广播系统，在应用程控电话系统基础上另配一套供司机使用的广播系统，2 套系统其实是相互独立存在的。

图1 岸桥程控电话系统图

2）Page/Party 型呼叫对讲系统

将通讯对讲和语音广播功能合为一体，可将基于分散语音放大器结构的总线型通讯系统简称为Page/Party型系统。该系统可同时向所有通讯站点进行积极呼叫，又能摘机后进行多机对讲广播，是基于分布式多通道、面向公众的总线式的通讯系统[1]。图2 为Page/Party 总线型语音广播系统的连接图，其优点是在总线上的每个通讯站有各自独立的放大器，通过屏蔽双绞线连接在Page 和Party 总线上，外部独立设备的单个功能失效不会引起其他站点的通话能力和效果。2 条总线的有效通讯距离可达1.6 km，完全覆盖目前岸桥内部通讯走线的距离范围。

3）数字广播电话系统

数字广播电话的功能可对整个区域进行广播呼叫，并同时支持三方通话广播。该系统是通过线缆数字载波技术在通讯工作环境复杂且有较严重干扰的环境下应用的一种广播电话系统，一般不同的厂商会有差异化的抗干扰语音通讯技术和不同声音数字处理技术，经过数字数据压缩方式实现语音信号的无损传输，比如DT00 系列电话采用PCM（Pulse Code Modulation）数字处理技术，以正交频分复用（(Orthogoml Freguency Division Multiplexin，OFDM）技术抗传输干扰。由于不同厂家的语音解析和压缩技术存在差异，对数字传输协议不统一，单个数字广播系统只能单个品牌系列产品单独组网，跨品牌使用或产品代际升级是难题。

图3 为数字广播电话系统图，由于使用电力线缆载波技术，组网的有效通讯距离一般以系统电源站为圆心，线缆半径不超过0.5 km，越远传输越不稳定。

图3 数字广播电话系统图

4）IP 网络广播电话

IP 电话又称网络电话（Voice Over Internet Protocol，VoIP），是一种将音频和图像等模拟量信号转化为数字信号，通过语音或图像的压缩算法对传输数据进行处理，再按照TCP/IP 标准打包，而后通过互联网或其他技术网络传输，在接收端将这些数据压缩包串起来，经解压缩处理后恢复成原来的语音信号，从而实现新型的语音或者画面通讯的技术[2]。

以往的IP 电话主要应用在大型公司的内联网内，技术人员可复用同一个网络提供数据及语音服务，除了简化管理更可提高生产力。随着港口机械行业整体的自动化、网络化、远程控制程度提高，大型港口机械使用IP 电话的网络基础逐渐完善。为了未来设备可扩充性的预留，越来越多的港口用户会在技术规格书中要求新订购港机设备配备VoIP 型语音通讯广播设备。IP 电话的通讯站只是网络设备的其中一个终端，功能可通过软件的设定进行不断迭代升级。目前，港机设备使用的IP 电话主要有点对点拨号语音呼叫、组网呼叫广播、网络内任意电话通讯、一键或短号呼叫等应用功能。

IP 电话的信号传输需要物理层面的网络连接，港口机械设备组网的方式需要通过网线、光缆、光电模块、数字交换机等设备完成。从理论上讲，有IP 网络的地方就能连接到通讯站点，所以站点之间距离不受限制，更易于进行远距离组网连接。图4 为较典型的IP 广播电话组网连接示意图，图中可以看到一般网络电话的终端通讯机信号接口都会采用RJ45(Lan)连接网线，而5/6 类网线的传输距离限值为100 m，而实际应用情况中因干扰等因素距离更短一些为宜，故需增加中继器或通过光缆转换的形式以延伸网络。相对于前述几种传统的载波和模拟量传输的岸桥语音广播系统，单独为了IP电话进行网络组网的元器件费用会有所增加。

图4 IP 广播电话组网连接示意图

2 港口起重及远控自动化背景下的语音广播系统

2.1 远程自动化对语音通讯的功能要求

随着港口机械朝着自动化信息化方向发展，港口机械逐渐摆脱了以单机为工作单元单独作业的态势，转而要求设备能及时和后场调度和指挥中心语音沟通。对于港机设备语音广播系统的应用条件和应用场景需求发生了变化，原有的传统系统在功能性上并不能完全满足发展中的远程设备的要求。

从系统的服务对象到应用场景来分析，港口机械通讯系统服务对象一般是在本机的机上人员和配合本机的地面人员，所以涉及到通讯对象有司机、理货员、集卡司机、锁头工（包括船上和陆上）、维修人员等。目前，主流的远控自动化岸桥已逐渐精简了理货员的职能，转而由视觉识别系统（Optical Character Recognition，OCR）和码头操作系统（Terminal Operation System，TOS）相结合的居中调度起到更高效的理货效能。司机的职能也随着技术的发展由本地操作改为在远程中控制进行操控，并随各类辅助操作子系统的可靠性不断提高，港口起重机的人工介入需求也在逐渐降低，一个后场的司机可以管理数台前场设备的运作。在通讯对象变化后，整个前场信息沟通传递流程也相应变化。表1 为岸桥常规通讯对象的需求表，显示了岸桥作业时常规工作人员对通讯站系统的基本要求。

表1 岸桥常规通讯对象需求表

由此可见，相较于单机作业设备，远控岸桥对通讯系统最大的变动是要使中控室的通讯达到原设备司机室内的控制功能，而中控室设置在码头操作部后场，距离前场设备可达千米距离。基于岸桥的设计结构，有线通讯需要在大车卷盘电缆内设通讯光缆，并在远控端与本地端安装解调器。图5 为中控与前场设备连接示意图，图中显示了岸桥通讯机与远端的连接关系，即使普通的单模光缆的信息传输距离也可达到10 km，码头内部的通讯信号连接可以实现。

图5 中控与前场设备的连接示意

2.2 语音系统对远控要求的符合性

1）数字广播电话

数字广播电话的声音压缩解压微处理器由各制造商自我定义，不同厂家会采用不同的载波通讯私有协议，部分厂家甚至未开发通过光缆传输的解调器，而不是所有供应商都会向整机厂或码头用户公开通讯协议，该类型的通讯机只能作为设备单机使用，并不适用于远控设备的语音系统。

2）程控电话

程控电话系统采用的是国际通用电话标准，理论上可以通过光缆转换器将港机设备语音系统主机与码头内部电话网络甚至公共电话网络相连接。然而，该系统仅能支持点对点通话和拨号功能，无法实现对远端港机设备端广播功能，信息传递功能部分受限。

3）Page/Party 型应通讯机

通过分布式放大器的总线型通讯广播系统，理论上可以通过制造商专有解调设备经光缆将声音信道连接到中控室，相当于在中控室设置一台机上通讯机，能满足中控对远端广播功能。但是，该系统总线传输为模拟量信号，抗干扰能力较差，且技术上信道扩展容量有限，有些制造商的产品至多可以设置5 个通话信道，仅有1个呼叫信道[3]。1 个操作台要呼叫就会对所有对应的前端设备进行广播，这样的大总线广播产生过度语音信息冗余，对于远控港机设备端配套人员造成信息误传导的风险增大。

VoIP 型电话通过IP 网络传输数字信号，经过国际通用协议SIP 进行调制解析，具有简单灵活高效的特点，终端通讯设备在遵循通用协议的情况下无需配套相同品牌就可应用。由于IP 电话总体上就是网络终端设备，实现的功能可以按主网络服务器网络程序进行编译，所以可较大程度地满足远控港机设备的点对点语音呼叫、网络内任意范围广播、全网紧急呼叫以及组网内部任意电话语音通讯等功能。考虑到港机设备的网络化发展方向和未来可扩展可升级性要求，IP 电话是远程自动化港机配套语音系统较好解决方案。不过，单机设备通讯系统单独组网还要添加光电转换和额外布置额外保护箱体，从而使IP 电话的系统使用成本居高不下，远超过其他通讯广播系统。

2.3 现行IP 电话的实践和配置方案

以常规的岸边集装箱起重机为例，图6 是常规岸桥IP 通讯组网示意图，展示了常用岸桥IP 通讯点位基本布置，共14 个通讯机位置，5 个光转模块罩壳箱，连接线缆的标注用于说明整机组网通讯情况。

图6 常规岸桥IP 通讯组网示意图

图中组网方案考虑到5/6 类网线的网络信号传输距离，通过在部分点位增设光电网络装换器控制箱达到组网距离延伸的目的。根据工程实践和理论数值，现行基本的距离阈值是小于80 m 的网络连接采用网线，超过的区域采用光转网形式延伸[4]，远程可通网至中控室。

2.4 优化方案的展望

分析现行IP 电话通讯的方案，由于普遍采用通讯系统独立语音交换机和单独进行组网的形式，不仅需要额外的组网光缆和网线，更需增设独立光电转换模块的控制箱并配线，组网成本极大提高，增加了港口机械设备供应商的负担。为了更好地降低成本，在网络化和物联网时代的港机通讯系统优化应朝硬件配置网络复用和软件系统平台融合的方向发展。

由于VoIP 通讯系统在港机设备独立组网的方式成本过高，在远程自动化港机的基础设计配置中显得相当突兀。远控自动化岸桥的标准功能布置需配置整机CCTV 系统网络和其他工业总线控制网络（PN）。图7为远控岸桥视频系统的布置图，显示了远控岸桥的视频系统需要网络通讯的点位图。由该系统组网方式可知，视频系统的组网网关布置点位基本可以覆盖IP 语音系统的组网要求。基于VoIP 技术的IP 通讯机是基于网络方式进行语音信号的传输，利用压缩、打包等一系列处理方式，最终形成语音信号，具备较强稳定性，对所需传输带宽仅仅为64 kbit/s[5]。视频系统的组网网关模块一般采用千兆光电转换一体式网络交换机，按照理论值计算，即使是同一网络交换器，在接入数台高清视频摄像头的情况下仍能提供足够带宽让IP 语音系统正常通讯。硬件的组网融合使原有网络得到复用，减少了冗余建设，能大大降低方案的配置成本。

图7 远控岸桥视频系统布置图

现行语音系统软件的优化应聚焦于系统平台的整合，即将IP 语音交互控制软件融合入远控系统的主交换系统，在遵守通用SIP 协议的约束下，视频流和语音流可以归一[6]，最终优化目的是与远控视频系统进行打通联动。中控室司机的信息流传达需通过广播形式，而最新的远控自动化岸桥已尝试实现跳台功能，跳台即指1 个中控室的操作台对应多台前场岸桥设备。如果语音系统按现有设计独立于视频和远控系统，不能正确自动切换对应设备，而需要人工设置，则语音信息传导对象错误的概率就会大大提高。当同一个远控台的视频显示和语音广播通讯对应不同设备时，远程司机的装卸船生产极有可能出现事故。为避免视频流和语音信息流的不一致，IP 语音系统的软件整机融合是合理优化发展方向。

3 结语

港机用有线语音系统具有广播、扩音对话呼叫等功能，在面向自动化远程化的港口机械发展趋势背景下对语音系统的配置和功能提出了新的要求。本文通过常用港机语音系统的阐述，比较了远控网络传输环境下各通讯系统的适应性，从而推荐面相未来可升级可迭代的VoIP 电话广播系统。在分析VoIP 电话在现行岸边集装想起重机设备上的组网和语音通讯功能后，提出了IP语音系统软硬件层面的不足。在此基础上，面对IP 系统硬件单独组网成本过高的问题，介绍了远控视频和IP语音系统组网融合的方案。另外，对远控岸桥操作台多机跳台工况下独立语音系统存在的风险，提出修改语音交换机/网络方案为系统平台软件/网络方案的设想，更好地融合视频流与语音流。

港口机械领域正随着时代大势朝向万物互联的方向前进，若将有线通讯、无线对讲、广播等系统整合、组成一套立体的内部对讲网络方案，不仅减少人员沟通需求的频繁走动，提高生产效率，提升企业效益，更可在面对紧急事件时及早发现、及时了解、充分沟通、减少人员财产损失。