第五代移动通信技术在港口的应用

赵华 严梁 周哲斌 郭兴政 李舵

自2018年开始，第五代移动通信技术（5th genera-tion mobile communication technology，5G）逐步投入商用。港区堆场轮胎吊自动化作业离不开无线通信技术支持，为此，上海冠东国际集装箱码头有限公司联合上海振华重工（集团）股份有限公司针对港区堆场轮胎吊自动化作业开展5G测试应用，为后续堆场轮胎吊远程无线通信提供新的有效途径。

1 港口无线通信技术应用情况

1.1 港口无线通信需求

无线通信是港口信息化建设的重要组成部分。港口无线通信需求大致可分为以下几类：（1）语音类无线通信需求，主要适用于对讲机等;（2）港区业务操作类无线终端通信需求，主要适用于码头操作系统手持终端或车载终端;（3）其他辅助业务无线通信需求，主要适用于设备状态监控及无线热点使用等。上述无线通信需求中，只有辅助业务无线通信使用免授权的2.4 GHz或5.8 GHz频段，其他港口无线通信均使用专属频段，以保障业务稳定和系统正常。随着自动化码头的日渐兴盛，港口无线通信技术应用越来越广泛，应用领域包括智能识别系统、小车自动运行控制系统、轮胎吊远程控制系统等。

移动通信在工业场景中的应用始于第四代移动通信技术（4th generation mobile communication techno-logy，4G），其优势在于信号覆盖能力和漫游处理能力较强;但由于其使用的授权频段带宽有限，在业务上以信息传递为主。随着具有大带宽、低延时、高可靠性等优点的5G逐步投入商用，其工业场景应用成为新课题。

1.2 5G在轮胎吊远程控制领域的应用

远程控制是自动化轮胎吊的重要功能模块。从业务特点来看，轮胎吊远程控制的通信内容包括：（1）低延时实时视频传输业务，其对带宽的要求较高;（2）低延时实时控制业务，其对可靠性的要求较高。5G具有大带宽、低延时、高可靠性等优点，能够有效满足轮胎吊远程控制的通信需求。

目前，轮胎吊远程控制一般采用以下通信实现方式：（1）改造高压电缆卷盘，附带增补光缆;（2）改造地面滑触线支架，并部署漏波电缆或波导管通信。这两种通信实现方式具有改造门槛高、对地面基礎设施的要求高、后期维护成本高等缺点，并在一定程度上限制了轮胎吊调度的灵活性。部分轮胎吊远程控制采用无线通信模式，存在通信设备普及性差、后期维护门槛高等问题。随着5G在轮胎吊远程控制无线通信领域实现常态化应用，相关技术和系统应用已积累一定经验。

2 港口5G网络布局及应用优势

2.1 5G网络布局

与4G相比，5G在实时性、可靠性和带宽等方面更具优势。测试结果显示：目前5G在完全下沉边缘计算节点（业务数据不出园区）情况下的平均延时不超过15 ms，最大延时不超过200 ms，单扇区上行带宽可达150 Mb/s，在封闭场景下可以为大多数港机中低速实时操作提供无线通信支持。根据港口实际情况，可以将5G无线网络设定为以下几类。

（1）5G公网通信，设备通过纯消费级5G公网实现网络业务通信。5G公网通信的优点在于初始建设成本低，可利用现有基站或按照消费级场景增补5G基站，并配合园区内的固定公网实现网络连接;其缺点是网络稳定性和可靠性较差，且延时较长。此类通信网络适用于项目初期技术论证、大型项目早期启动阶段、非关键辅助业务搭建以及预算有限的小型项目。

（2）5G业务数据不出园区通信，设备通过专用基站或共享基站在本地边缘计算节点的帮助下实现业务数据不出园区通信。此类通信网络的优点是网络稳定性、可靠性和实时性较好，缺点是一次性投入成本较高，适用于对业务稳定性有一定要求的大中型项目。

（3）5G数据园区闭环通信，设备依赖专用基站、本地边缘计算节点和相关通信管理控制器实现完全本地化部署。此类通信网络的优点是数据可靠性和安全性较高，缺点是价格昂贵，适用于对数据和网络安全要求较高的大型项目。

港口企业可以根据项目属性或者项目阶段选择通信网络模式，并可根据需要对通信网络进行升级。

2.2 5G应用优势

5G设备在标准性和统一性方面有较大进步。原有的工业无线通信系统的基站和设备终端一般都是厂家配套产品，其兼容性和产品互选能力不强，需要通过比较复杂的技术手段来整合，导致后期维护和使用面临一定风险。例如：单一无线终端设备停产会造成整个系统应用困难，而设备性能越先进，其应用风险就越高。相比之下，基于第三代合作伙伴计划的移动通信生态系统则在技术升级迭代上有明确的行业规则和步骤。基于运营商的移动通信拥有授权的通信频段和专门的通信运营公司长期服务于社会，在无线通信技术应用及维护上拥有广泛、可靠的社会资源。

3 港口5G应用存在的问题

3.1 技术方面

由于无线通信传播介质的不确定性较大，导致无线网络的性能弱于有线网络。目前，工业控制系统设计大多基于有线通信网络，无线通信网络环境下的工业控制系统实现需要相关技术人员结合无线通信特点在通信控制处理方面作相应调整。例如：在有线通信网络环境下，网络通断是核心问题，通信质量问题仅为较少出现的异常情况;而在无线通信网络环境下，通信质量则是整个通信过程中须持续关注的问题。5G虽然拥有大带宽的优势，但整体带宽仍有一定局限性，在行业应用中须尽量在应用层面实施上行带宽优化。目前视频编码仍沿用互联网监控场景下的视频编码格式，与实时操作场景下的视频编码有一定差异，亟待优化完善。随着单一设备自动化程度提高，集群设备同时在线的概率将有所降低。从技术角度来看，港口行业针对5G的优化和改良空间较大，需要对相关技术实施相应的调整与升级。

3.2 应用生态系统方面

不同于消费级市场，工业生态系统是一个碎片化但又具备一定深度的生态区域，每个行业都有自身的特点和属性，并配套相关的生态循环。无线通信网络的搭建需要与配套技术厂家进行技术磨合，并按照行业节奏开展前期洽谈、预算估价、方案制作、招投标、行业采购、整合制造、调试交付、后期运维等。各个行业在不同环节都有各自的特点和规则，在搭建移动通信网络的过程中，要求行业实施自我调整，或与运营商协调，或与其他系统合力建设生态系统，方可实现比较完备的系统搭建。

以移动通信网络基站架设为例：基站铁塔一般分为园区内自有铁搭和新建铁搭，两者均涉及运营商的多组专业施工，施工专业性较强且流程较为烦琐，从而导致施工周期较长、协调难度较大等问题;完工后的基站属于移动通信运营商资产，后续的检查维护必然由移动通信运营商负责，从而导致故障排查效率低于本地人员故障排查效率;在基站电费及基础设施租赁费等方面，存在业主与运营商协调难的问题;此外，后期巡查涉及相关人员准入问题等。

就目前来看，5G尚未实现广泛应用;但随着工业信息化、远程化、自动化的发展以及工业场景日益复杂，移动无线通信必然成为承载关键业务的通信手段。就港口而言，覆盖全港区的无线通信网络能助力港区内任意场景实现自动化，进而使得对自动化的关注重点从技术转向性价比。移动无线通信网络下港口自动化场景实现模式可以推广应用至其他工业自动化场景乃至社会自动化场景，其前提是拥有完善的工业级无线通信基础资源。

4 结束语

5G从理论到实际应用仍有一定的距离，这是新技术发展的必然过程。5G在港口领域的应用只是众多工业场景应用中很小的一部分，但其成功案例可为其他行业5G应用提供参考和借鉴。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2021-12-02）