5G港口行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系框架探討

任勤雷

摘要：5G作為最新一代商用的蜂窩移動通信技術(shù)，目標(biāo)是提高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。5G網(wǎng)絡(luò)具備的這些能力，對港口核心業(yè)務(wù)及關(guān)鍵作業(yè)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)可以有效提高港口作業(yè)效率。通信網(wǎng)絡(luò)是為設(shè)備服務(wù)，設(shè)備為業(yè)務(wù)服務(wù)，不同的業(yè)務(wù)對應(yīng)不同的應(yīng)用場景，標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)該最終服務(wù)于應(yīng)用場景。該文從港口應(yīng)用場景結(jié)合港口設(shè)備及有關(guān)工藝流程，梳理了5G通信技術(shù)在港口各應(yīng)用場景涉及到的設(shè)備及需求，提出了5G港口應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系立項建議。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)自動化港口應(yīng)用業(yè)務(wù)場景工藝流程

中圖分類號：U692 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：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(fā)布《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動計劃（2021—2023年）》，其中智慧港口部分提到“研制適用于港口集裝箱環(huán)境的5G輔助定位產(chǎn)品，加快自動化碼頭、堆場庫場數(shù)字化改造和建設(shè)”，明確提出完成基礎(chǔ)共性和重點(diǎn)行業(yè)5G應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系框架，研制30項以上重點(diǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

回顧改革開放以來的中國港口的變化，作為世界第一貿(mào)易大國，中國擁有的萬噸級生產(chǎn)泊位為世界第一，港口貨物吞吐量、集裝箱吞吐量均為世界第一，中國港口占據(jù)了在全球港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量排名前十名中的七席。我國港口作業(yè)模式也由最初的人工搬運(yùn)轉(zhuǎn)變成信息化、自動化作業(yè)模式。港口作為我國對外貿(mào)易服務(wù)的首要窗口，科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用一方面反映了我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的綜合實力，另一方面港口功能也從最初的商品物流中轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)型為貿(mào)易和商業(yè)、倉儲提供綜合信息服務(wù)，全國各大港口集團(tuán)都在利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)的思維實現(xiàn)港口的智能化、自動化和無人化，為企業(yè)提質(zhì)增效;港口實現(xiàn)無人化作業(yè)是港口發(fā)展的必然趨勢[1-2]。

1 ?港口核心業(yè)務(wù)及設(shè)備設(shè)施

在國內(nèi)目前自動化港口建設(shè)上，廈門、上海、青島、天津走在前列，主要體現(xiàn)在集裝箱在港區(qū)的流通，包括箱號識別、水平運(yùn)輸、堆場裝卸等環(huán)節(jié)。從集裝箱碼頭的設(shè)備涉及業(yè)務(wù)種類分為語音、數(shù)據(jù)、視頻;從現(xiàn)場應(yīng)用來看，港口作業(yè)涉及的信息主要以數(shù)據(jù)類和視頻類為主，其中數(shù)據(jù)類又分為辦公數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

從具體的技術(shù)使用上，港區(qū)內(nèi)移動設(shè)備多，港口無線網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi方式只適用于單機(jī)的輪胎吊遠(yuǎn)程操作;5G技術(shù)的應(yīng)用可大大優(yōu)化遠(yuǎn)程操作、安全、通信設(shè)備、管理運(yùn)營。在遠(yuǎn)程操作方面，取代傳統(tǒng)碼頭“集卡”的AGV就是全自動化碼頭的一大特征，以及輪胎吊設(shè)備的自動化，具體見表1。

2 ?港口作業(yè)設(shè)備5G網(wǎng)絡(luò)需求

憑借5G的高速率、低時延、大連接三大基礎(chǔ)能力和邊緣計算、切片、NR定位三大增強(qiáng)能力，以及與各項數(shù)字技術(shù)的深度融合，5G成為了驅(qū)動智慧港口升級的加速器。

2.1 目前港口網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

2.1.1 ?有線傳輸可靠性差

傳統(tǒng)的岸橋的通信光纜一般采用的是與電力纜合用的復(fù)合纜，其造價昂貴，頻繁盤放和震動極易造成光纖折斷，這對于完全依賴計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的自動化設(shè)備來說是極大的隱患。近年來，面對廣大船東、貨主對碼頭更高作業(yè)效率的需求，無論是新建的自動化碼頭還是傳統(tǒng)的人工碼頭，都對網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性提出了更高的要求[3]。

2.1.2 ?有線環(huán)形冗余組網(wǎng)

為提高通信鏈路的可靠性，在碼頭通過冗余的光纖鏈路，將數(shù)據(jù)中心交換機(jī)、匯聚層交換機(jī)、接入層交換機(jī)和終端、服務(wù)器等設(shè)備物理連接。每條邏輯鏈路至少有兩條物理鏈路通過Trunk或者多路徑、熱備等方式來保障較高的可靠性，保證當(dāng)一條物理鏈路出現(xiàn)故障時邏輯鏈路不受影響，甚至應(yīng)用端都覺察不到鏈路的故障和切換過程。一般是通過環(huán)形或者雙星形的布線方式，并盡可能地使兩條鏈路分別走不同的路由，使物理鏈路受外界威脅的可能性降到最低。這需要在土建及安裝階段即需要增加較大的投入，如通信管道、金屬線槽等。合理設(shè)計冗余的物理鏈路路由也是碼頭建設(shè)改造過程中需要重點(diǎn)考慮的問題之一。在傳統(tǒng)人工碼頭升級成自動化碼頭如需敷設(shè)光纜，重新修建管道難度很大[4]。

2.1.3 ?帶寬頻譜受干擾

碼頭大型機(jī)械自動化改造和設(shè)備遠(yuǎn)程檢測、無人理貨等高度依賴網(wǎng)絡(luò)通信，業(yè)務(wù)需求數(shù)據(jù)傳輸量大，時延要求高，對網(wǎng)絡(luò)上行帶寬要求較高，當(dāng)前是通過光纜傳輸或者5.8G Wi-Fi無線傳輸，使用光纖通信必須在碼頭建設(shè)時專門設(shè)計、敷設(shè)與設(shè)備對接的地下通信管網(wǎng)，而且光纖通信方式在移動設(shè)備上需要設(shè)計專門的隨動機(jī)構(gòu)，又會造成設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、運(yùn)行和維護(hù)的成本比較高，而5.8G Wi-Fi帶寬有限，為公用頻率，干擾嚴(yán)重[5]。

2.1.4 ?非蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)缺陷

Wi-Fi抗干擾能力差、覆蓋能力差、性能不夠穩(wěn)定，不能很好地支持大范圍多客戶端移動覆蓋。波導(dǎo)管，漏波電纜，光纜傳輸方式需要在整體系統(tǒng)設(shè)計中對其做出系統(tǒng)級讓步，例如：放大相關(guān)安全距離，降低設(shè)備運(yùn)行速度等。

2.2 設(shè)備改造需求

目前港口對輪胎吊遠(yuǎn)程控制改造需求迫切，傳統(tǒng)輪胎吊司機(jī)是特殊工種，輪胎吊高度約30 m，司機(jī)室在輪胎吊頂部，司機(jī)需在在30 m高的司機(jī)室操作，作業(yè)條件艱苦，現(xiàn)場操作容易疲勞有安全隱患。港口為保證24小時作業(yè)，每臺輪胎吊配備3名司機(jī)輪換，一個碼頭通常需要上百名輪胎吊司機(jī)，對司機(jī)人力需求高。

遠(yuǎn)程控制改造后，輪胎吊上安裝攝像頭和PLC，司機(jī)改在中控室觀看多路實時視頻進(jìn)行操作，通過集裝箱門式起重機(jī)遠(yuǎn)程控制，可實現(xiàn)90%的操作由機(jī)器自動完成，司機(jī)只需要干預(yù)“抓/卸”集裝箱這兩個操作，因此以前一人只能操作一臺輪胎吊，現(xiàn)在可以操作3～4臺，大幅度提升生產(chǎn)運(yùn)作效率。

有了遠(yuǎn)控操控，司機(jī)可以坐在舒適的中控室，觀看5G回傳的多路實時視頻實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。通過遠(yuǎn)控操控實現(xiàn)了3個轉(zhuǎn)變：一是工作環(huán)境由惡劣的高空到舒適的辦公室;二是由“一人一吊”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙蝗硕嗟酢?，工作效率大幅提?三是實現(xiàn)現(xiàn)場無人化，減少了安全事故。

2.2.1 ?網(wǎng)絡(luò)改造可行性考慮

最近幾年除了網(wǎng)絡(luò)外的遠(yuǎn)控技術(shù)已成熟，存量的輪胎吊改造是主要需求，預(yù)計全球有3.5萬臺需要改造，但一直沒有適合改造場景的網(wǎng)絡(luò)解決方案。目前網(wǎng)絡(luò)改造主要考慮以下3種方式：（1）Wi-Fi改造;（2）光纖改造;（3）波導(dǎo)管改造。

2.2.2 ?Wi-Fi Vs 5G三大硬傷

（1）Wi-Fi的硬傷1：上行容量小，Wi-Fi在每個堆場最大提供200 Mbps吞吐量，不能滿足最大600 Mbps需求。

（2）Wi-Fi的硬傷2：干擾大，很難連片組網(wǎng)（很難保障輪胎吊轉(zhuǎn)場需求），Wi-Fi的Listen Before Talk機(jī)制決定了多個堆場之間會有互相干擾，性能會大幅度下降。

（3）Wi-Fi的硬傷3：沒有可靠性保障機(jī)制，安裝完成之后也基本沒有服務(wù)，造成Wi-Fi只能靠預(yù)留大量冗余來保證可靠性，A+B可以認(rèn)為是設(shè)備級的冗余，容量上還需要其他冗余應(yīng)對突發(fā)干擾和其他鏈路問題，因此Wi-Fi 5雖然單頻點(diǎn)40 MHz理論峰值有400 Mbps，也只能按照180 Mbps來規(guī)劃，因此當(dāng)前單個AP最多只能支持6個輪胎吊。

2.2.3 ?光纖VS 5G的4大劣勢：

（1）光纖完全不適合輪胎吊改造場景：光纖改造牽涉到挖溝、鋪線、水泥硬化等內(nèi)容，而且改造時間至少需要2～3個月。相關(guān)土建改造會造成港口部分業(yè)務(wù)中斷，從港口作業(yè)上很難接受長時間的中斷;（2）光纖改造成本高：每臺輪胎吊僅光電纜改造成本預(yù)計不少于30萬，而且挖溝等工程成本高、維護(hù)成本高，光電纜一處損壞就需全線更換;（3）光纖遠(yuǎn)控不滿足轉(zhuǎn)場的移動性需求;（4）光纖不能一網(wǎng)多用。

2.3 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)需求

針對不同的業(yè)務(wù)場景，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)需求指標(biāo)具體見表2～表5。

3 ?港口5G應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建建議

3.1 ?港口5G專用網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范

圍繞港口5G專用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、基站站址選址、供電、數(shù)據(jù)傳輸與交換等要求進(jìn)行規(guī)定，用于指導(dǎo)和規(guī)范港口5G網(wǎng)絡(luò)無線通信要求及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、測試和驗收;網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)主要對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全、訪問控制、入侵防范等進(jìn)行規(guī)定，用于指導(dǎo)港口5G網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)。

3.2 ?港口裝卸裝備5G應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前大型集裝箱港口紛紛以自動化和智能化碼頭作為發(fā)展方向。全自動化集裝箱碼頭提出了人機(jī)分離、智能化遠(yuǎn)程操控等理念，堆場作業(yè)采用自動化與人工相結(jié)合的模式。同時，隨著港口裝卸設(shè)備遠(yuǎn)程操控技術(shù)的日趨成熟，勞動力市場日趨緊張，促使傳統(tǒng)碼頭的裝卸設(shè)備操作方式改變的呼聲日趨強(qiáng)力，為此，對于傳統(tǒng)港口裝卸設(shè)備的遠(yuǎn)程操作方式和作業(yè)流程也有了新的需求[6]。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)并應(yīng)用于港口裝卸設(shè)備遠(yuǎn)程控制中，需要對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定，需提出符合碼頭裝卸設(shè)備遠(yuǎn)程控制作業(yè)相符合系統(tǒng)和設(shè)備的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，以提高遠(yuǎn)程控制機(jī)械的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)效率，優(yōu)化碼頭的工藝配置。

3.3 ?港口水平運(yùn)輸車輛5G應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

隨著智慧港口建設(shè)，自動駕駛集裝箱卡車、智能閘口也成為了發(fā)展趨勢，未來自動駕駛集卡上也將具有遠(yuǎn)程控制能力，當(dāng)自動駕駛集卡在作業(yè)場中出現(xiàn)故障，操作人員可通過攝像頭查看周邊環(huán)境、進(jìn)行故障判斷，并可遠(yuǎn)程操作自動集卡退出故障區(qū)。該項目將開展港口水平運(yùn)輸車輛5G應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究，并對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定。

3.4 ?港口視頻設(shè)備5G應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

作為港口業(yè)務(wù)應(yīng)用的支撐部分之一的視頻，越來越多的港口作業(yè)中需要監(jiān)控、分析，應(yīng)該針對視頻設(shè)備5G應(yīng)用提出要求，對視頻網(wǎng)傳輸?shù)墓δ芎托阅苤笜?biāo)提出相關(guān)技術(shù)要求。

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