基于5G技术的智慧港口设计

［陈金权］

1 引言

在全球化的大背景下，地球村的人们联系越来越密切，国与国之间的贸易越来越多，而贸易货物的90%由海运运输，所以港口在全球经济中占有举足轻重的地位。中国的制造业发达，坚持开放政策，与全世界贸易往来频繁，中国的港口无论数量还是规模在世界上都是首屈一指的，全球前十大港口中，中国就占了7家。但是港口目前普遍都面临一个问题：港口劳动环境恶劣，劳动强度大，导致了人力成本高，人力资源缺乏，而大部分港口过分依赖人力采用传统的作业方式，工作效率比较低下。港口效率为王，大型船舶的租金高昂，如果货物得不到及时装卸，货主很可能会转向其它的码头。所以，港口也迫切希望能够进行港口的智慧化改造升级，提升港口的效率，从而增强自己的竞争力。

码头作为港口的重要组成部分，担负着货物进出港的关键职责。码头的智慧化是整个港口智慧化的重中之重。码头的工作流程是：货轮到达港口码头后，码头的轮胎吊或者桥吊从货轮上卸下集装箱，货场的集装箱转运车装载轮胎吊卸下的集装箱运送到码头堆场，再由货主派出的集装箱卡车将货物从港口堆场运走。这个过程涉及两类重要设备，码头卸货的吊车和码头运输工具集装箱转运车。提高这两类设备的利用率就能提高码头效率，从而提高港口效率。事实情况是，轮胎吊或者桥吊高达三四十米，操作人员上去了以后，很难中途离开或休息，劳动强度极大；而转运集卡在场内很难精准调度，经常发生车等货或者货等车的情况，不能充分发挥其运力，也不能提高效率。如果能对轮胎吊和转运集卡作业进行智慧化改造，必将大大提高码头的工作效率从而也提升了港口整体的效率。

2 智慧港口的不同设计方案比较

本文主要探讨提升港口码头的工作效率的方法，也就是实现轮胎吊、转运集卡的智慧化改造。从上面的分析我们知道，轮胎吊操作人员工作强度大，工作环境恶劣，效率低，人力资源消耗大，如果能够实现远程操作，工作人员在控制中心通过现场传回的视频远程操作，就能大大改善工作环境，同时一个人能够操作多台设备，提高生产效率；而转运集卡如果能够根据轮胎吊的相关需求信息及时自动就位并且全程无人驾驶，这样就不仅能节省人力还能提高效率。

下面就来分析一下几种主流的港口智慧化改造方案。

方案一：就是利用光纤，在港口码头区域组建光纤通信网如图1所示，进行远程控制。

图1 基于光纤技术的智慧港口组网方案

考虑到港口范围大，通信距离长，设备类型多，环境比较恶劣，选用光纤有线传输比较可靠。还有，就是港口作业设备，比如轮胎吊，它必须要通过多台高清摄像头拍摄货轮、集装箱以及吊车周边的实际情况上传控制中心，才能远程进行作业，因此上行必须要有很大带宽才行；同时，从控制中心下达的操作指令又必须要迅速到达轮胎吊等机械设备，通信系统传输速度要快，时延要低。而光纤通信网正好能够满足这样的要求。

在组网时可以将光纤网设计成双环形拓扑结构，这样即使某一结点出现故障，也可以切换其它网段去，保证通信可靠，保证设备操作不出差错。

但是有一点比较难以实现，就是转运集卡的无人驾驶，因为很难让转运集卡拖着一根光纤到处行驶。所以利用光纤技术实现港口智慧化是初期的方案，它只能解决轮胎吊的远程操作，而转运集卡的无人驾驶它就无能为力了。

方案二：利用无线WIFI进行组网。考虑到港口内的转运集卡要不停在各处行驶转运，拖着一根光纤没法走。就是轮胎吊，它也要转场作业，拖着一个尾巴也非常的不方便。还有大量重新布埋光纤会妨碍港口的正常生产，有些老的港区可能还没有条件进行新的开挖。使用无线通信的方式来组建港口智慧化网络是一个比较可行的方案，如图2所示。

图2 基于WIFI技术的智慧港口组网方案

在港口智慧化中，可以使用WIFI技术，最新的WIFI6技术，其支持的最高速率理论上达到1G以上，能够满足港口码头轮胎吊多台摄像头的高清图片的传输；WiFi也可以方便地应用于码头的集卡，实现集卡的自动驾驶。

至于平时使用的WiFi很难自动切换，而一个WiFi的接入点AP覆盖范围有限，到了另一个AP覆盖区，要重新登录连接，那怎么办呢？可以利用WiFi的mesh组网技术，在港区设置多个无线mesh接入点时，轮胎吊等设备转场作业时，就能从原先的无线mesh接入点自由切换到其它的mesh接入点了。

方案三：当5G出现后，凭借其在各方面的优异性能，立刻得到了港口和相关各方的大大青睐。很多港口开始利用5G推进智慧港口建设采用，利用5G技术的智慧港口组网方案如图3所示。虽然都是无线传输，5G使用的频谱是授权频谱，受到外界的干扰很少，能够保证信号质量，而WiFi频谱是非授权频谱，用户比较复杂，受到的干扰比较大，自然不能保证信号质量；在移动性方面，5G继承了蜂窝系统的优良的移动性管理功能，能够自由实现高效高质的切换、重选、漫游，而WiFi并无切换机制，只有AP间的重选，延时非常大；虽说mesh能够切换，但并没有统一标准，对AP资源消耗也非常大；还有，5G有多用户调度的保障机制，支持大容量接入，而WiFi无调度机制，先到先得，接入用户较多时，容易发生碰撞，导致接入失败；另外，安全性方面，WiFi只能对接入终端进行单向认证，不能对接入AP进行认证，可能会有非法用户伪装成AP接入网络，造成港口数据安全问题。

图3 基于5G技术的智慧港口组网方案

5G的速率能达到10G，远大于WiFi的1G，完全满足港口传输高清图像所需要的大带宽；而延时方面达到1ms，远小于WiFi的几十毫秒以上的延时，能够使得控制指令及时到达轮胎吊、集卡等作业设备；连接数方面5G能达到每小区100万个，大大优于WiFi，绝对能够满足港口众多设备的联网需求。所以用5G应该更好。

3 基于5G技术的智慧港口方案的进一步优化

其实上述利用5G技术建设智慧港口方案在实际应用中还需要优化才能切实可行。

先来看看港口对数据传输的两大要求。首先，港口要求数据传输大带宽、低时延，这样才能保证视频监控信息可靠传输和操作指令的及时下达；其次，港口要求数据不出港，因为港口的数据至关重要，甚至关系到国家的安全。上述利用5G技术建设智慧港口的方案，港口数据比如轮胎吊采集到现场的信息通过5G客户前置设备CPE传到基站，基站将它通过传输网络送往5G核心网处理，加工处理后的信息将送往港口控制中心，港口控制中心据此下达操作指令，操作指令同样也经过5G核心网、传输网等到达港口设备。无论是港口码头回传的数据还是控制中心下达的指令，都必须经过核心网，那么核心网到港口究竟有多远呢？港口一般远离市中心，而5G网络由于采用云服务器架构，核心网业务集中，全省只有一个中心在省会城市，这样说来，它们之间的距离就非常遥远，时延也就很难保证。而且5G的核心网、传输网也不仅仅为港口服务，它们还要为其它的工矿企业服务，为众多的5G个人用户服务，所以港口所需的大带宽也很难保证。既然港口的数据都跑到省会的核心网了，数据不出港的安全要求也就更无从谈起了。

那么怎么解决这个问题呢？这还得从5G网络架构的深入分析着手。5G网络包含无线网，主要有基站、终端设备；5G网络还有指挥中心核心网，它由完成控制功能的控制面和处理用户数据的用户面两部分组成。无线网与核心网两者之间通过覆盖范围极广的传输网连接。初始的5G智慧港口方案不加任何优化，数据是这样传输的，以无人集卡为例，它产生的数据发送到基站，穿越漫长的传输网到达核心网用户面功能，经过数据处理后，再由用户面功能穿越传输网送到港口控制中心，控制中心下达的操作指令也大致沿相同的路径反向传输。由此可以看到，其实我们港口的数据传输到核心网主要的目的是让用户面功能处理，但是实际情况是大部分的时间都浪费在传输网上了，并且传输网还要服务各种各样的众多客户，带宽也得不到保证。那么是不是可以想到，能不能将核心网的跟港口相关的用户面功能UPF直接下放到港口附近呢？回答是肯定的，因为5G的核心网与传统的移动网络不同，它完全实现了控制面与用户面的分离，只要用户有需要，就可以将与它相关的用户面功能下放到自己附近，所以可以将与港口相关的用户面功能UPF下沉到港口附近，再将UPF连接到港口控制中心和港口基站，这样就形成了本地的用户数据传输网络。现在港口数据的传输过程，从集卡到基站，然后直接就到了UPF，再传到港口控制中心，优化路径是不是比未优化的原生路径大大缩短了，时延就得到了保证。由于数据只在本地网络传输，大带宽也很容易实现。整个过程港口数据都没有离开港口，当然也就实现了港口数据本地传输，信息安全得到保证。很显然，优化方案实现了港口对数据传输的两大要求，完全可行。5G智慧港口组网方案进一步优化方案如图4所示。

图4 港口网络性能的进一步优化UPF下沉

4 结束语

港口对于各个国家来说都是非常重要，但是港口要想发展得更好，就必须提高自身的竞争能力，而港口的智慧化转型发展才能为此奠定基础。5G技术以其强大的优势，获得港口运营方的青睐。将5G与港口紧密结合起来，不仅可以实现港口的远程操控，还能实现无人转运集卡的自动驾驶，大大提升港口的作业效率和作业安全性。进一步隔离港口区域和5G公网，更能提升港口的数据安全。5G技术确实能够助力中国港口进一步巩固在全球的领先地位。