“智慧長江”信息化建設(shè)需求和技術(shù)實現(xiàn)研究

葉凡

（交通運輸部長江通信管理局，湖北 武漢 430014）

1 研究背景

長江航務管理局2023 年工作會明確“131”“智慧長江”建設(shè)路徑，即構(gòu)建長江航運信用管理體系；打造長江航運智能管理平臺、綜合保障平臺和公共服務平臺；規(guī)范建設(shè)統(tǒng)一開放的長江航運市場。

2 “智慧長江”信息化建設(shè)需求分析

本文將長江航運水上業(yè)務應用分為智慧海事、智慧船舶、智慧航道、船員用戶等四個主要場景，部分基于5G 的業(yè)務應用網(wǎng)絡(luò)要求如表1。

表1 5G 智慧航運應用業(yè)務網(wǎng)絡(luò)要求

3 “智慧長江”無線寬帶覆蓋實現(xiàn)方案分析

長江上游船只密度低，業(yè)務需求量較少，典型覆蓋需求為大覆蓋，低容量。三峽壩區(qū)典型覆蓋需求為中覆蓋，中容量。長江中游包括城市、港口等復雜場景，2B/2C 業(yè)務混合度高，典型覆蓋需求為大容量，小覆蓋。長江下游船只密度高，屬于大上行帶寬的業(yè)務場景，典型覆蓋需求為大覆蓋，大容量。

3.1 岸基基站高中低多頻組合實現(xiàn)連續(xù)覆蓋

長江中上游江面較窄，約2～4km，中下游入海口最寬處達10～20km；采用運營商4.9G/2.6G/700M 等高中低頻段，高低頻協(xié)同搭配，結(jié)合超遠覆蓋技術(shù)，覆蓋半徑可達2～50km。岸基基站垂直4 波束，可以兼顧水平和垂直立體覆蓋，滿足長江航道各高度終端接入需求。航道的站點規(guī)劃和仿真效果預測，需要經(jīng)過toG/toB/toC 混合業(yè)務目標設(shè)定、智慧航道沿岸地圖精準建模、江面仿真?zhèn)鞑ツＰ?、航道站點規(guī)劃、航道RF 參數(shù)規(guī)劃（包括站高、方位角、傾角、多站點協(xié)同RF 參數(shù)自動尋優(yōu)）、航道用戶級toG/toB/toC 容量規(guī)劃等幾個關(guān)鍵步驟。

3.2 微基站船+CPE 回傳的relay 覆蓋

岸基基站為主網(wǎng)，船舶及標志船攜帶基站能力，進行二級延伸組網(wǎng)。采用躉船大功率站+標志船小功率站和岸基大功率站+標志船小功率站覆蓋相結(jié)合的模式，大功率站和標志船小功率站之間用CPE 回傳，實現(xiàn)實時通信的功能，實現(xiàn)兩級級聯(lián)（如圖1）。

圖1 兩級級聯(lián)覆蓋示意圖

3.3 方案建議

從內(nèi)河航運覆蓋的特征來看，700M/2.6GHz 等中低頻段覆蓋半徑可達2～50km，保障的業(yè)務速率高達50-300Mbps，能夠滿足信號覆蓋和帶寬容量需求。同時，沿用運營商大網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈，將極大降低端到端設(shè)備的建造成本。采用微基站船+CPE 回傳的relay 覆蓋方式存在設(shè)備可靠性、供電可靠性、傳輸可靠性的極大挑戰(zhàn)。

建議在長江主航道及重點港口、錨地等場景采用以岸基宏站為主，在長航駁船及沿江橋梁增加補點基站為輔，結(jié)合船載信號增強接收的方案，滿足船舶安全、海事執(zhí)法、智慧航道等生產(chǎn)性應用的需求；在部分水上服務區(qū)、小型碼頭、支線等場景采用微基站船+CPE 回傳的relay 覆蓋方式，滿足船員購物、上網(wǎng)等服務型應用的需求。

3.4 長江干線分場景的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分析

（1）城區(qū)航道。如武漢段，業(yè)務模型考慮每公里5 艘，每艘船需求6Mbps 計算，考慮海事執(zhí)法、航道巡檢、信息回傳等，每公里江面總的上行業(yè)務需求約15+6×5+8=53Mbps。并且在此場景ToB/ToC 業(yè)務混合度高，基站要兼顧江面ToB 用戶和岸邊ToC 用戶體驗。

（2）郊區(qū)航道。郊區(qū)場景空曠，ToC 用戶較少，場景需求主要是ToB 業(yè)務。業(yè)務考慮每公里3 艘船，每艘船需求按照6Mbps 計算，考慮海事與航道業(yè)務并發(fā)，江面總的上行業(yè)務需求約15+6×3+5=38Mbps。

可是，并沒有什么魚；他這才發(fā)現(xiàn)石頭里面有一條暗縫，那條魚已經(jīng)從那里鉆到了旁邊一個相連的大坑——坑里的水他一天一夜也舀不干。如果他早知道有這個暗縫，他一開始就會把它堵死，那條魚也就歸他所有了。他這樣想著，四肢無力地倒在潮濕的地上。起初，他只是輕輕地哭，過了一會，他就對著把他團團圍住的無情的荒原號陶大哭；后來，他又大聲抽噎了好久。

（3）山區(qū)航道。網(wǎng)絡(luò)需求主要是船舶ToB 業(yè)務。用戶相對城區(qū)航道分散，業(yè)務考慮每公里2 艘船舶，每艘船需求按照6Mbps 計算，考慮智慧海事與智慧航道業(yè)務并發(fā)，每公里上行容量需求15+6×2+5=32Mbps。

（4）局部熱點航道。局部熱點區(qū)域，用戶集中分布，容量需求高，以智慧錨地場景為例，每個錨地一般長2km，寬300m，ToB 業(yè)務可包含3 只海事船、120 只民用船只，區(qū)域內(nèi)ToB/ToC 混合場景，考慮業(yè)務并發(fā)，ToB 上行回傳帶寬需求超過200Mbps。

3.5 長江干線無線寬帶覆蓋的新技術(shù)

3.5.1 低空立體覆蓋

低空無人機具有明顯的上下行業(yè)務不對稱性。無人機應用的上行要求從幾M 到上百M 的速率，且隨著未來無人機高清視頻回傳要求的進一步提升，蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持無人機上行容量面臨較大挑戰(zhàn)，同時還需要考慮無人機上行帶來的干擾問題。5G 通過大帶寬，多天線精準波束、高階調(diào)制、終端1T 變2T 等技術(shù)大幅提升了上行容量,同時在負載較高情況下(ToC 與ToB 共一張無線網(wǎng))，可以采用切片方式保障2B 上行業(yè)務需求。

3.5.2 5G 物聯(lián)網(wǎng)

RedCap 通過減少帶寬、減少MIMO 層數(shù)以及放寬下行鏈路調(diào)制階數(shù)，從而降低基帶復雜性，減少所需接收分支的最小數(shù)量并允許在所有頻段中進行半雙工(HD)操作，從而實現(xiàn)降低天線和射頻組件的材料成本。RedCap 在帶寬、功耗、天線設(shè)計和成本方面均介于eMBB 和LPWAN 之間，降低5G 部署和使用成本，加速5G 商用落地。

3.5.3 通感一體

通過部署4.9GHz 頻段通感一體基站，目前可對20公里內(nèi)船只的位置、速率、軌跡等系列數(shù)據(jù)進行實時感知，刷新率可達1 秒，并能檢測出未安裝GPS/BD 的船只信息。針對航運場景，從距離、不同載重的船只進行感知、分辨率、速率檢測、軌跡跟蹤等全面的感知能力驗證。

3.5.4 5.5G 和6G 演進

5.5G已經(jīng)進入實質(zhì)階段，預計2025 年規(guī)模商用；6G 預計2026 年明確指標定義，2028 年進入試驗階段，2030 年規(guī)模商用。6G 潛在應用場景大部分在5.5G 中已包含，具有非常好的延續(xù)性。

4 長江航運數(shù)智化平臺實現(xiàn)方案分析

4.1 長江航運大數(shù)據(jù)

接入北斗、AIS、CCTV、航標定位、零排鉛封等實時數(shù)據(jù)，清洗完善行政處罰等安全監(jiān)管數(shù)據(jù)，為長江海事智能管控平臺建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。初步實現(xiàn)“可視化”安全監(jiān)管?！耙粡垐D”集中展示各類監(jiān)管要素，實現(xiàn)?；反暗指垲A警、船舶報港信息比對、超吃水預警、重點水域船舶流量監(jiān)測等相關(guān)功能，長江水上安全態(tài)勢一目了然。以實現(xiàn)對船舶、航道、航標等航運全要素“全面采集感知、多維可視化監(jiān)管、高效精準實時服務”為方向，集道、標、船、閘、橋、港為一體的電子航道圖/電子江圖 “一張圖”為底圖，建立智慧航運業(yè)全面可視化感知監(jiān)管和航運數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與發(fā)布平臺。

4.2 長江航運輔助決策

航運大數(shù)據(jù)輔助決策是基于相關(guān)業(yè)務數(shù)據(jù)訓練長江航運大模型，通過生成式人工智能實現(xiàn)數(shù)字航道“一張圖”、水上交通安全“一張圖”、應急搜救指揮“一張圖”，通過數(shù)字可視化平臺全面掌握水上各類情況，并且針對重要數(shù)據(jù)信息可以進行下鉆挖掘詳細數(shù)據(jù)。同時基于相關(guān)水運業(yè)務的不同場景維度數(shù)據(jù)和業(yè)務信息進行大數(shù)據(jù)分析與業(yè)務挖掘，實時渲染技術(shù)進行數(shù)據(jù)整合與輸出，可直觀展現(xiàn)各種水上要素現(xiàn)狀、整體分布與發(fā)展態(tài)勢等，從而對重點指標數(shù)據(jù)和航運數(shù)據(jù)進行可視化動態(tài)展現(xiàn)。

4.3 長江航運元宇宙

4.3.1 數(shù)字孿生智能航運

通過長江航運大數(shù)據(jù)治理、長江水上交通建模和仿真等，全面構(gòu)建數(shù)字孿生長江航運體系架構(gòu)，包括5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)感知、智能終端、算力網(wǎng)絡(luò)、高精定位、高精航道圖。以用促建，推進智慧海事、智慧航道、智慧船舶、智慧港口物流等上層應用。

4.3.2 數(shù)字原生“智慧長江”

以長江航運信息化底座為基礎(chǔ)，全面整合長江干線涉水企業(yè)的業(yè)務需求，基于統(tǒng)一時空基準，以多維數(shù)據(jù)的訓練和推理，運用多模態(tài)大模型的自監(jiān)督學習、強化學習、對抗學習等技術(shù)，實現(xiàn)在數(shù)字世界中跨行業(yè)、跨時間、跨空間自動建立新的聯(lián)系、發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律、創(chuàng)造新的產(chǎn)品、構(gòu)建新的模式、提供新的服務。

5 “智慧長江”信息化建設(shè)推進思路

一是加強頂層設(shè)計。將5G、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、高精度定位等技術(shù)與航運業(yè)深度融合，構(gòu)建陸?？仗煲惑w化監(jiān)管平臺。二是加強建設(shè)需求分析和功能規(guī)劃。統(tǒng)籌當前業(yè)務上線需求和未來業(yè)務上線規(guī)劃，設(shè)計一張彈性擴容的網(wǎng)絡(luò)，并考慮無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)、終端等領(lǐng)域。三是加強開放生態(tài)構(gòu)建和資源整合。長航&公網(wǎng)運營商&設(shè)備制造商共同推動多家通信設(shè)備提供商加入到5G 陣營中，一起推動5G 智慧航運產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不斷豐富5G 產(chǎn)業(yè)生態(tài)。四是積極打造服務品牌。拉通航運、船舶、港口、能源行業(yè)的信息化需求，打造電化長江生態(tài)品牌；加強與電信運營商合作，打造“長江新鏈”寬帶傳輸?shù)鬃?；統(tǒng)籌推進業(yè)務融合、技術(shù)融合、數(shù)據(jù)融合，利用數(shù)字化放大、疊加、倍增作用，為長江航運智能化筑牢數(shù)據(jù)應用底座；加大對低空立體覆蓋、5G 物聯(lián)網(wǎng)、通感一體、5.5G 和6G 演進等信息技術(shù)的試點和應用，積極推進與運營商、航運企業(yè)、能源企業(yè)的融合創(chuàng)新。五是全面擴大服務場景。5G 網(wǎng)絡(luò)兼顧專網(wǎng)的功能同時服務相關(guān)的政府單位、企業(yè)和個人用戶，通過為大眾提供5G 及相關(guān)移動物聯(lián)網(wǎng)服務，可創(chuàng)造巨大社會價值。

6 結(jié)束語

“智慧長江”的信息化建設(shè)不僅需要航運行業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)的科學規(guī)劃和技術(shù)指導，還要依靠相關(guān)行業(yè)人士的不斷努力，共同促進航運行業(yè)同其他行業(yè)間的交叉融合，全面推動“智慧長江”信息化的發(fā)展和進步。