1 目標和概述

當前我國正從航運大國向航運強國轉型升級，港口行業(yè)對信息化、自動化、智能化的需求強烈。在“工業(yè)4.0”、“互聯(lián)網(wǎng)+”大發(fā)展的時代背景下，港口也在進行數(shù)字化、全自動的轉型升級。

5G在港口行業(yè)存在豐富的應用場景，初期聚焦堆場、集裝箱碼頭場景。集裝箱業(yè)務是港口主盈利的業(yè)務模塊，占寧波舟山港利潤的44.8%，高居首位。目前碼頭70%的集裝箱通過龍門吊進行轉運，因此龍門吊是港口作業(yè)的關鍵設備。港口5G應用場景中，使能集裝箱龍門吊自動化，由人工改造為遠程控制，是典型的應用。港口的數(shù)字化與自動化發(fā)展不僅將降低碼頭用工成本， 最大限度地減少人機接觸，保障人員安全，同時也將實現(xiàn)港口的高效、安全生產(chǎn)運營。

具體應用包括：5G龍門吊遠程控制、5G+AI岸橋智能理貨、5G內集卡自動駕駛等。

• 5G龍門吊遠程控制

傳統(tǒng)龍門吊的作業(yè)存在三大痛點：

（1）設備利用率低，只有30%，轉場難；

（2）司機長期低頭彎腰作業(yè)，頸椎、腰椎等容易患上職業(yè)病，工作環(huán)境惡劣，招人困難；

（3）高空作業(yè)，存在安全風險。

通過將傳統(tǒng)龍門吊進行5G遠程改造，將駕駛臺后移至辦公室，實現(xiàn)遠程控制，能夠使港口企業(yè)減少2/3的駕駛員，節(jié)約70%人工成本，提高30%生產(chǎn)效率。

對輪胎式龍門吊實施有線通信鏈路向5G無線網(wǎng)絡的替換，將工業(yè)控制協(xié)議和視頻數(shù)據(jù)承載在5G網(wǎng)絡，實現(xiàn)在中控室遠程完成集裝箱抓取和搬運，極大改善龍門吊操控員作業(yè)環(huán)境，減少安全風險。

依靠5G SA網(wǎng)絡的低時延、大帶寬以及邊緣計算能力，實現(xiàn)龍門吊的遠程作業(yè)控制。通過5G DNN技術，實現(xiàn)智慧港口業(yè)務在5G網(wǎng)絡的專用隔離；通過MEC部署，實現(xiàn)UPF下沉并提供MEP轉發(fā)功能，使業(yè)務數(shù)據(jù)本地處理轉發(fā)，進一步降低數(shù)據(jù)轉發(fā)時延；采用5G網(wǎng)絡切片技術，滿足隔離性、按需定制和端到端網(wǎng)絡保障。

• 5G智能理貨

智能理貨是基于5G網(wǎng)絡將岸橋處攝像機拍攝的高清視頻實時傳回至中控室理貨業(yè)務系統(tǒng)，系統(tǒng)利用人工智能視覺識別技術對視頻數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)對岸橋下關鍵作業(yè)信息的智能識別。主要包括作業(yè)箱號識別、拖車車頂號識別、ISO碼識別、作業(yè)狀態(tài)自動確認、異常作業(yè)處理情況記錄、存儲作業(yè)視頻錄像等，同時保存五面完整箱體圖片以供集裝箱驗殘等功能。通過智能理貨應用，以信息一站式、數(shù)據(jù)自動采集智能比對、可視化影像等新技術實現(xiàn)船邊集裝箱作業(yè)全程監(jiān)控、裝卸信息實時比對、自動核銷、驗殘電子化、查詢追溯、統(tǒng)計分析等功能，并通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與智慧港口綜合業(yè)務管理平臺的數(shù)據(jù)實時交互。 

圖1 智能理貨示意圖

• 5G內集卡自動駕駛

基于5G+車路協(xié)同+高精度定位等技術，在路口部署RSU通信單元，與5G基站配合實現(xiàn)港區(qū)內集卡自動駕駛。將現(xiàn)有成熟卡車平臺改造成為無人駕駛卡車， 成本相較AGV低廉，且由于其導航方式不需要對港區(qū)進行基建改造，相比AGV方案具有投入少、運行靈活、適用面廣的特點。

2 解決方案介紹

運用5G網(wǎng)絡技術對港口現(xiàn)有的有線光纖網(wǎng)絡和無線Wi-Fi網(wǎng)絡進行改造，對港口進行5G應用示范研究，推動港口智慧化發(fā)展。通過5G網(wǎng)絡的建設與邊緣計算、切片等能力的部署，對作業(yè)區(qū)域內的設備信息、物流信息、運轉過程信息、生產(chǎn)調度管理信息等進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、智能化分析以及控制。

項目總體方案如圖2所示：

圖2 整體方案示意圖

（1）終端層

將龍門吊、集卡車、無人機等終端接入設備進行網(wǎng)聯(lián)化改造支持5G傳輸協(xié)議。各類終端可同時承載碼頭TOS業(yè)務、集群語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務。

（2）網(wǎng)絡層

港口定制化5G虛擬專用網(wǎng)絡將實現(xiàn)多網(wǎng)合一，超大帶寬、超低時延、海量連接將由一張5G基礎通信網(wǎng)絡承載和專業(yè)運營。加入MEC設備，使得網(wǎng)絡整體具有時延降低、傳輸節(jié)省、數(shù)據(jù)安全、開放能力四大優(yōu)勢。同時根據(jù)切片管理，不同類型用戶/業(yè)務映射到不同切片，網(wǎng) 絡側可基于切片劃分，為港口現(xiàn)場數(shù)據(jù)流提供本地轉發(fā)能力，實現(xiàn)用戶面的下沉，提供專網(wǎng)能力服務；對于傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)訪問需求，可基于大網(wǎng)的切片，按傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸路徑將數(shù)據(jù)傳輸至核心網(wǎng)進行轉發(fā)。

2B用戶通過覆蓋港區(qū)的基站附著網(wǎng)絡，通過5G將數(shù)據(jù)面路由路徑指向部署在MEC上的UPF，并接入港口服務器，實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡打通。MEC部署在邊緣網(wǎng)絡機房，實現(xiàn)具備本地分流能力，識別用戶數(shù)據(jù)從本地分流到港區(qū)內的服務器，保障業(yè)務安全，縮短內容傳輸時延，提升業(yè)務體驗。

（3）平臺層

以地理信息系統(tǒng)為平臺，以港口碼頭、集裝箱堆場等重點場地管理業(yè)務為導向，通過豐富的二、三維表現(xiàn)形式，對港區(qū)各類地理信息、設備進行統(tǒng)一電子標簽管理，實現(xiàn)在一張圖上呈現(xiàn)港口內全部基礎信息和動態(tài)實時數(shù)據(jù)信息，并滿足交互響應的實時性。同時系統(tǒng)支持擴展框架，能與未來更多平臺資源逐步整合。

（4）應用層

業(yè)務應用實施和模型建立嚴格貼合港口業(yè)務發(fā)展實際需求，充分考慮港口內部運行管理特點，解決港口作業(yè)當前面臨的困境，有效實現(xiàn)與其相關聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)交互，增強可用性。實現(xiàn)港機設備遠程控制、內集卡自動駕駛、無人機應急處理等5G應用功能。

（5）安全方案

系統(tǒng)安全是邊緣計算MEC方案中極為重要的部分，由于MEC的本地業(yè)務處理特性，是將云數(shù)據(jù)中心的計算能力下沉到網(wǎng)絡邊緣，一方面，MEC基礎設施通常部署在無線基站等網(wǎng)絡邊緣，使其更容易暴露在不安全的環(huán)境中，數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)之外終結，運營商的控制力減弱。另一方面，MEC將采用開放應用編程接口（API）、開放的網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）等技術，開 放性的引入容易將MEC暴露給外部攻擊者，攻擊者可能通過邊緣計算平臺或者應用攻擊核心網(wǎng)，造成敏感數(shù)據(jù)泄露、DoS/DDoS攻擊等。MEC的安全設計主要包括設備管理安全、NFVI安全、網(wǎng)絡安全、應用（App）安 全、數(shù)據(jù)保護安全等方面，保障MEC以及核心網(wǎng)的安全。從平臺內部來看，MEC劃分不同的功能域，將內部 網(wǎng)絡劃分為多個安全域，實現(xiàn)網(wǎng)絡之間的隔離，在需要進行互通的域間，增加防火墻、入侵檢測等安全防護功能，實現(xiàn)域間的防護。

依靠5G SA網(wǎng)絡的低時延、大帶寬以及邊緣計算能力，實現(xiàn)岸橋吊、龍門吊等的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的遠程作業(yè)控制。基于5G的高帶寬，實現(xiàn)高清視頻的實時回傳。利用5G切片技術設置視頻和控制等切片，分別保證大帶寬和低時延等網(wǎng)絡需求，MEC實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地傳輸處理，降低控制時延。

3 代表性及推廣價值

本項目利用5G技術為港口作業(yè)生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)提供高帶寬、低時延、大連接的網(wǎng)絡接入能力，部署邏輯專網(wǎng)為港口用戶提供差異化網(wǎng)絡服務。特別是通過MEC 技術使業(yè)務數(shù)據(jù)本地處理轉發(fā)，進一步降低數(shù)據(jù)轉發(fā)時延，在全國首次實現(xiàn)了5G MEC+切片龍門吊遠程控制和高清視頻回傳應用。

（1）充分利用新型新技術，探索智慧港口新應用該項目成功實現(xiàn)了寧波港基于移動5G網(wǎng)絡下輪胎式龍門吊作業(yè)管理、視頻回傳等各種無線信息化應用創(chuàng)新，標志著全球第一大港有了5G創(chuàng)新應用，是全國首次在5G現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下對智慧港口應用的深入探索。寧波移動運用基于網(wǎng)格化的SPN組網(wǎng)新方法在北侖寧波港應用試點組網(wǎng)，完成端到端超低時延能力驗證，受到各界的好評。

（2）幫助客戶創(chuàng)造經(jīng)濟效益，助力交通強國建設傳統(tǒng)龍門吊作業(yè)中，存在作業(yè)環(huán)境艱苦，駕駛員容易疲勞，易導致安全風險等問題；該特殊工種對技能要求高，需要長時間培訓，且易引發(fā)職業(yè)病，導致人員招聘難；港口24小時作業(yè)，需要配備多名駕駛員輪班，導致用工成本高；龍門吊和內外集卡協(xié)作過程中，尚存一定的等待時間，使用效率低，有很大的提升空間。

通過5G遠程控制創(chuàng)新改造后，司機只需要坐在辦公室的操作臺前，通過5G回傳的高清視頻，利用操控桿對龍門吊進行遠程作業(yè)。龍門吊實現(xiàn)遠程控制后大大提高了作業(yè)效率，預計減少50%設備投資，降低改造和維護成本，改善了司機的作業(yè)環(huán)境。

（3）推動港航業(yè)的無人化發(fā)展，產(chǎn)生社會效益 通過5G實現(xiàn)龍門吊遠程控制和視頻回傳，將整合包括運營商、設備提供商、終端提供商、港機制造企業(yè)等在內的5G產(chǎn)業(yè)鏈資源，產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)后將促進產(chǎn)業(yè)鏈相關企業(yè)的深度合作。5G遠程龍門吊作為智慧港口的先行探索，對港口智能化的發(fā)展具有指導性和示范作用，對未來打造無人化港口、提升港口作業(yè)效率，將產(chǎn)生積極意義。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊