浅析5G移动通信技术在港口运输中的应用

张杰

【摘要】    当下，我国5G的不断发展和基础设施建设使其在各领域、各行业发挥着越来越重要的作用。5G在港口运输中的应用旨在优化产业结构，改进工作模式，提高运输效率，降低单位成本，最终提升港口产值。

【关键词】    5G技术    港口    应用

5G网络是第五代移动通信网络，其峰值理论传输速率可达10Gbit/s，比4G网络快100倍以上。从1G到5G网络，信息技术的发展带来了网络速度的显著提高，拓展了大数据、云计算的发展空间，进而逐步辐射到制造业、交通运输业等领域。5G能够实现移动互联网和有线的互联网的彻底融合，其具有高速率、低延迟、支持大型连接的特征：采用毫米波频段，10倍带宽，传输速率更快;可将延迟减少至1毫秒及以下;每平方千米内最多可支持100万个对象自由连接，最终实现万物互联。党的十九大报告提出了“交通强国”的发展战略，力争在超高速铁路、自动驾驶、无人驾驶船舶、自动化智能终端等战略前沿技术领域占据制高点。发展现代综合运输系统的「十三五」规划中提出，大力发展和提升运输设备和工具的智能化和自动化水平，推动建设全自动化集装箱码头系统。港口是水路交通枢纽，是“一带一路”的重要节点，从航运大国到航运强国，中国港口普遍面临着转型升级的迫切需求，港口智能化发展是决定港口未来竞争力和经济效益的重要因素。运用好5G移动通信技术将是港口运输业升级转型的重要契机。

一、5G技术发展现状

1.1 基础建设现状

目前全球40个国家和地区已经推出了70余张商用5G网络。截至2020年3月底，全球123个国家和地区的381家运营商已宣布对5G进行投资，增强把握数字经济发展的新趋势。其中40个国家和地区的70家运营商已经推出了一项或多项支持3GPP标准的5G服务。1根据国际研究机构分析，截至2035年，5G将创造13.2万亿美元的经济产出和2230万个就业机会。在全球范围内，数字化工业生产和企业管理应用将是推动5G技术不断落地的应有模式。

1.2 核心技术发展现状

1.高频段传输。1G是模拟电路，2G是数字电路采用了专用集成电路。3G的通信标准将信息的传输率提高了一个数量级，使得移动互联网和数据通信成为主要功能，其标称的网速很高，但实际网速并不快。4G使用了扁平的网络结构，减少了端到端通信时信息转发的次数，同时增加了基站之间光纤的带宽，更利用了互联网和电信网络的技术融合，并应用了云计算，但缺点是不支持多人同时上网，且绕过障碍物的能力不佳。为解决频谱资源紧缺问题，5G采用高频带传输，实现数据信息的高速传输。高频段传输具有带宽适量、小规模设备、高频段毫米波资源等优势，但是也存在传播距离有限、穿透力差、环境适应能力弱等劣势。[1]因此，射频器材与基站建设也将跟进。

2.设备之间通信。作为5G网络关键技术，设备之间通信（D2D）能使两个相同性质的用户之间建立起通信连接。每个用户都能建立一个网络，且都具备发送和接收消息的能力，并能实现自动转发。用户将得到一些硬件资源，包括信息存储和处理、网络连接等。[2]D2D具有较高的速度、良好的接入能力和数据处理能力，充分体现了移动通信的优势。由于无线多媒体业务逐渐增多，以往以基站为传输中心的方式已不能满足大量用户对业务的要求。D2D的出现来满足市场的需求，该技术可以利用基站来完成用户之间的直接通信，扩展网络连接的方式。

3.大规模天线阵列。4G网络中，当总的传输率超过了信道的总的带宽，根据香农第二定律，出错率是100%，结果就是在拥堵的网络环境中，每个人都不能发出信息。新型大规模天线阵正在经历从被动到主动、从二维到三维、从线性到平面再到立体模式的演变，频谱利用率提高了10倍以上，这也是5G网络的关键技术之一。有源天线的引入，使基站能支持百余个协同天线，同时为十余个用戶提供服务。原来的一维线阵逐渐演变为二维和三维天线阵，形成了一种新的三维多天线传输技术。它不仅支持多用户功能，减少用户之间的干扰，还结合了毫米波技术，提高了无线信号的覆盖率，逐步实现智能设备的接入。

4.密集网络。密集网络采用不同的模式，以满足用户在任何状态下对网络速度和资源的需求。它主要通过增加系统的存储容量，扩大网络的覆盖范围，分散各种业务，灵活部署来提高频谱利用率。4G是一公里的范围建一个基站，负责这方圆一公里范围内的手机和基站的通信，而5G的基站设计目标是在百米的范围内，负责半径为一百多米范围内的通信。为避免密集的网络部署带来的相互干扰，光纤的使用也将大幅度提高。用户和基站通信的速率增加以及更多的IOT设备连接入网，使得基站之间的通讯占据了很大的带宽资源，进而影响用户个体与基站的通信。未来将进一步缩短基站之间的距离，增加高速率光纤接入，以满足高密度、高速度的热点场景，提升用户体验。

5.新型网络架构。密集网络使用不同的模式来确保用户在任何状态下都需要网络速度和资源。它主要增加系统的存储容量，扩大网络覆盖范围，分散各种业务，灵活部署，提高频谱利用率。然而，密集的网络部署也带来了小区域内信号的相互干扰，成为制约系统容量增长的重要因素。5G网络的主要区域是高频带，为了达到网络的性能，将在网络的热点地区部署宏观网络和微观网络。合理化分配基站资源，将每个微型基站的剩余资源用于数据传输。也能提升传输效率，低负荷时使剩余资源参与到传输中。高负荷时，运用宏基站技术，使每个基站成为数据发射点分散传输，从而减轻单一基站的荷载，提高整体网络的承载能力。

二、5G移动通信技术在港口中的应用

2.1 我国港口发展现状

我国是航运大国，目前有沿海港口150余个，生产用集装箱泊位2万余个，其中万吨级以上泊位2400余个，稳居世界第一;全球集装箱吞吐量前10的港口中，中国占6席2。2021年1月21日，交通运输部公布了2020年港口货物、集装箱吞吐量数据。全国港口完成货物吞吐量1454911万吨，同比增长4.3%;完成集装箱吞吐量26430万TEU，同比增长1.2%。3港口成为我国货物进出口的重要门户，是带动我国经济发展的牵引带。

2.2 5G技术在港口中的应用

1.远程控制。港口装卸需要岸桥和场桥实现集装箱从船到岸以及堆场内的装卸，目前主要采用人工现场高空作业实现装卸工作，具备远程控制需求;部分新建港口场桥使用光纤部署，由于光纤易磨损，改造升级成本高、难度大;少数信息化港口采用WiFi或非授权频谱，但可靠性、时延、速率等性能欠佳。[3]港口装卸遥控是5G网络的关键应用场景之一，它能充分利用5G网络的高速率、低延迟、支持大型连接的特征，实现码头桥梁、现场桥梁遥控及高画质影像传输的应用需要。

2.智能理货。传统的计量工作需要人工采集外部信息，通过对讲机传输，恶劣的工作条件容易造成人为误差和不必要的人员伤亡。目前，通过在码头桥梁部署高清晰度球机，利用5G的大带宽实现多通道高画质影像的实时传输，同时在边缘云上部署一个可视化AI服务器，实现集装箱编号的自动识别、集装箱损坏识别、集装箱位置识别。

3.无人运输系统。传统的港口卡车靠人工驾驶，驾驶员机械化作业，容易造成疲劳驾驶，影响运输效率和安全，产生较高的运输成本。我国部分港口已经实现一定程度的自动化，通过地磁固定线路，并通过远程网络控制信息的传输。但上述方式存在地磁成本高、性能差的缺点。港口无人驾驶运输系统是5G技术的关键应用方案之一。5G高速率、低延迟、支持大型连接的特征，结合高精度定位和车路协调，可实现内置式卡车自动驾驶和实时传输。相对于相对简单的港口运输环境，自动驾驶更易于实现。

4.仓储装配、调度管理、智能配送。在仓储作业和远程驾驶、集装箱的智能调度中，5G的低延迟和支持大型连接的特性尤为重要。目前，上海京东物流和山东博昌已成为我国典型的5G智能物流示范园区，通过运用智能AI、物联网、自动驾驶仪等物流技术和产品，实现高智能化、能自主决策的综合物流系统。无人驾驶车辆可以自动计算进入路径并匹配相应的停车空间。无人驾驶重型卡车、轻型卡车、巡检机器人均可调度，基于5G网络园区防空联动系统，实现对人、车辆的管理、园区异常预警和实时状态监控。[4]公园还利用5G实现云仓储，自动识别仓库货物量，自动匹配的车辆，合理规划路线，并利用AI机器人实现包裹的跟踪和全过程的监控，并通过视频记录存储。

5.无人机巡检。目前，人工检测工作滞后，地面监测网覆盖范围有限。5G的高速度傳输实现了高画质影像的实时传回，更加实时、高效、灵活。5G无人机具有操作简单、效率高、成本低三大特性，能够支持较多的业务场景，实现端到端解决方案。无人机使用5G技术不仅是无人机的改变，也是指挥系统和管理模式的改变。AI的应用进一步提高了巡逻的性能，而无人机的应用可以较大程度降低劳动力成本，进而降低生产运输成本。对于高空作业、危险品存储管理，港口环境巡视也是无人机的应用范围，不仅可以降低人工成本、避免作业风险，还能提高检查覆盖面，通过定时、规划路线的方式实现全方位无死角检查，提高检查质量。此外，无人机还可以与高清变焦摄像机、激光雷达等相结合。通过5G网络将视频传输到服务器，用户根据需求在线查看或下载慢速检查影像，云技术能够支持大容量的视频数据存储，滚动删除原有信息。5G网络高速率、低迟延能够使监控画面更加清晰，高带宽使多个设备同时运行仍能保质保量完成监控，进而减少错录和漏点的误差，提升监控密集度。

6.船舶调度。国内外船舶进港，由于外来驾驶员对浅水域的水文地貌不甚了解，为避免发生搁浅等意外事件，引航员带路的工作必不可少。引航员的作用是指引船舶安全航行、靠离码头或通过船闸。船舶通常距离码头30-40海里外即需要引航员登船。船长需要语音指引、数据传输、实时通讯引导外来船只进港，人员和交通成本均较高。5G技术可以支持实时数据检测、水文检测、视频沟通。无人机引航也能起到辅助引航作用，提高工作效率和引航的精准度，甚至在将来无人机能够替代人工引航的角色。

三、结束语

5G网络致力于将各种网络融合，降低单位信息传输成本，顺应当下社会发展和技术革新的需要，促使万物互联成为可能，它将深刻地影响和改变港口现有的生产方式，逐步优化产业结构，改进工作模式，提高运输效率，降低单位成本，实现港口运输生产力的巨大提高。建设智能港口，打造智能航运，需要5G技术的不断探索应用，不断推进信息化技术与港口的深度融合，最终让科技为我国港口发展赋能。

参  考  文  献

[1]刘耕，苏郁.5G赋能：行业应用与创新[M]. 北京：人民邮电出版社，2020.01：23-25

[2]王良民.《虚拟网络新技术》[M]. 北京：人民邮电出版社，2019.04：378-379.

[3]李正茂.《5G+：5G如果改变社会》[M]. 北京：中信出版集团，2019.08：442-443

[4] [日]村上敦伺.5G重塑数字化未来[M].杭州：蓝狮子财经出版中心，2020.03：33-35