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1 目標(biāo)和概述

當(dāng)前我國正從航運(yùn)大國向航運(yùn)強(qiáng)國轉(zhuǎn)型升級，港口行業(yè)對信息化、自動化、智能化的需求強(qiáng)烈。在“工業(yè)4.0”、“互聯(lián)網(wǎng)+”大發(fā)展的時(shí)代背景下，港口也在進(jìn)行數(shù)字化、全自動的轉(zhuǎn)型升級。

5G在港口行業(yè)存在豐富的應(yīng)用場景，初期聚焦堆場、集裝箱碼頭場景。集裝箱業(yè)務(wù)是港口主盈利的業(yè)務(wù)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(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，因此龍門吊是港口作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。港口5G應(yīng)用場景中，使能集裝箱龍門吊自動化，由人工改造為遠(yuǎn)程控制，是典型的應(yīng)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(jī)接觸，保障人員安全，同時(shí)也將實(shí)現(xiàn)港口的高效、安全生產(chǎn)運(yùn)營。

具體應(yīng)用包括：5G龍門吊遠(yuǎn)程控制、5G+AI岸橋智能理貨、5G內(nèi)集卡自動駕駛等。

• 5G龍門吊遠(yuǎn)程控制

傳統(tǒng)龍門吊的作業(yè)存在三大痛點(diǎn)：

（1）設(shè)備利用率低，只有30%，轉(zhuǎn)場難；

（2）司機(jī)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(fēng)險(xiǎn)。

通過將傳統(tǒng)龍門吊進(jìn)行5G遠(yuǎn)程改造，將駕駛臺后移至辦公室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)施有線通信鏈路向5G無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)，實(shí)現(xiàn)在中控室遠(yuǎn)程完成集裝箱抓取和搬運(yùn)，極大改善龍門吊操控員作業(yè)環(huán)境，減少安全風(fēng)險(xiǎn)。

依靠5G SA網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、大帶寬以及邊緣計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)龍門吊的遠(yuǎn)程作業(yè)控制。通過5G DNN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智慧港口業(yè)務(wù)在5G網(wǎng)絡(luò)的專用隔離；通過MEC部署，實(shí)現(xiàn)UPF下沉并提供MEP轉(zhuǎn)發(fā)功能，使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地處理轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；采用5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，滿足隔離性、按需定制和端到端網(wǎng)絡(luò)保障。

• 5G智能理貨

智能理貨是基于5G網(wǎng)絡(luò)將岸橋處攝像機(jī)拍攝的高清視頻實(shí)時(shí)傳回至中控室理貨業(yè)務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用人工智能視覺識別技術(shù)對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對岸橋下關(guān)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(rèn)、異常作業(yè)處理情況記錄、存儲作業(yè)視頻錄像等，同時(shí)保存五面完整箱體圖片以供集裝箱驗(yàn)殘等功能。通過智能理貨應(yīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)船邊集裝箱作業(yè)全程監(jiān)控、裝卸信息實(shí)時(shí)比對、自動核銷、驗(yàn)殘電子化、查詢追溯、統(tǒng)計(jì)分析等功能，并通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與智慧港口綜合業(yè)務(wù)管理平臺的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。 

圖1 智能理貨示意圖

• 5G內(nèi)集卡自動駕駛

基于5G+車路協(xié)同+高精度定位等技術(shù)，在路口部署RSU通信單元，與5G基站配合實(shí)現(xiàn)港區(qū)內(nèi)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(dǎo)航方式不需要對港區(qū)進(jìn)行基建改造，相比AGV方案具有投入少、運(yùn)行靈活、適用面廣的特點(diǎn)。

2 解決方案介紹

運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對港口現(xiàn)有的有線光纖網(wǎng)絡(luò)和無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，對港口進(jìn)行5G應(yīng)用示范研究，推動港口智慧化發(fā)展。通過5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與邊緣計(jì)算、切片等能力的部署，對作業(yè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備信息、物流信息、運(yùn)轉(zhuǎn)過程信息、生產(chǎn)調(diào)度管理信息等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、智能化分析以及控制。

項(xiàng)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(jī)等終端接入設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)化改造支持5G傳輸協(xié)議。各類終端可同時(shí)承載碼頭TOS業(yè)務(wù)、集群語音、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

港口定制化5G虛擬專用網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一，超大帶寬、超低時(shí)延、海量連接將由一張5G基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)承載和專業(yè)運(yùn)營。加入MEC設(shè)備，使得網(wǎng)絡(luò)整體具有時(shí)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(shí)根據(jù)切片管理，不同類型用戶/業(yè)務(wù)映射到不同切片，網(wǎng) 絡(luò)側(cè)可基于切片劃分，為港口現(xiàn)場數(shù)據(jù)流提供本地轉(zhuǎn)發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)用戶面的下沉，提供專網(wǎng)能力服務(wù)；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(wù)傳輸路徑將數(shù)據(jù)傳輸至核心網(wǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

2B用戶通過覆蓋港區(qū)的基站附著網(wǎng)絡(luò)，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(wù)器，實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)打通。MEC部署在邊緣網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，實(shí)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(nèi)的服務(wù)器，保障業(yè)務(wù)安全，縮短內(nèi)容傳輸時(shí)延，提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

（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(diǎn)場地管理業(yè)務(wù)為導(dǎo)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(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一電子標(biāo)簽管理，實(shí)現(xiàn)在一張圖上呈現(xiàn)港口內(nèi)全部基礎(chǔ)信息和動態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并滿足交互響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)系統(tǒng)支持?jǐn)U展框架，能與未來更多平臺資源逐步整合。

（4）應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)施和模型建立嚴(yán)格貼合港口業(yè)務(wù)發(fā)展實(shí)際需求，充分考慮港口內(nèi)部運(yùn)行管理特點(diǎn)，解決港口作業(yè)當(dāng)前面臨的困境，有效實(shí)現(xiàn)與其相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)交互，增強(qiáng)可用性。實(shí)現(xiàn)港機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程控制、內(nèi)集卡自動駕駛、無人機(jī)應(yīng)急處理等5G應(yīng)用功能。

（5）安全方案

系統(tǒng)安全是邊緣計(jì)算MEC方案中極為重要的部分，由于MEC的本地業(yè)務(wù)處理特性，是將云數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，一方面，MEC基礎(chǔ)設(shè)施通常部署在無線基站等網(wǎng)絡(luò)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(jié)，運(yùn)營商的控制力減弱。另一方面，MEC將采用開放應(yīng)用編程接口（API）、開放的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）等技術(shù)，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(jì)算平臺或者應(yīng)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(shè)計(jì)主要包括設(shè)備管理安全、NFVI安全、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用（App）安 全、數(shù)據(jù)保護(hù)安全等方面，保障MEC以及核心網(wǎng)的安全。從平臺內(nèi)部來看，MEC劃分不同的功能域，將內(nèi)部 網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)安全域，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的隔離，在需要進(jìn)行互通的域間，增加防火墻、入侵檢測等安全防護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)域間的防護(hù)。

依靠5G SA網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、大帶寬以及邊緣計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)岸橋吊、龍門吊等的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的遠(yuǎn)程作業(yè)控制。基于5G的高帶寬，實(shí)現(xiàn)高清視頻的實(shí)時(shí)回傳。利用5G切片技術(shù)設(shè)置視頻和控制等切片，分別保證大帶寬和低時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)需求，MEC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地傳輸處理，降低控制時(shí)延。

3 代表性及推廣價(jià)值

本項(xiàng)目利用5G技術(shù)為港口作業(yè)生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)提供高帶寬、低時(shí)延、大連接的網(wǎng)絡(luò)接入能力，部署邏輯專網(wǎng)為港口用戶提供差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。特別是通過MEC 技術(shù)使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地處理轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，在全國首次實(shí)現(xiàn)了5G MEC+切片龍門吊遠(yuǎn)程控制和高清視頻回傳應(yīng)用。

（1）充分利用新型新技術(shù)，探索智慧港口新應(yīng)用該項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)了寧波港基于移動5G網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用創(chuàng)新，標(biāo)志著全球第一大港有了5G創(chuàng)新應(yīng)用，是全國首次在5G現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下對智慧港口應(yīng)用的深入探索。寧波移動運(yùn)用基于網(wǎng)格化的SPN組網(wǎng)新方法在北侖寧波港應(yīng)用試點(diǎn)組網(wǎng)，完成端到端超低時(shí)延能力驗(yàn)證，受到各界的好評。

（2）幫助客戶創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，助力交通強(qiáng)國建設(shè)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(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)等問題；該特殊工種對技能要求高，需要長時(shí)間培訓(xùn)，且易引發(fā)職業(yè)病，導(dǎo)致人員招聘難；港口24小時(shí)作業(yè)，需要配備多名駕駛員輪班，導(dǎo)致用工成本高；龍門吊和內(nèi)外集卡協(xié)作過程中，尚存一定的等待時(shí)間，使用效率低，有很大的提升空間。

通過5G遠(yuǎn)程控制創(chuàng)新改造后，司機(jī)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(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)。龍門吊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制后大大提高了作業(yè)效率，預(yù)計(jì)減少50%設(shè)備投資，降低改造和維護(hù)成本，改善了司機(jī)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(shí)現(xiàn)龍門吊遠(yuǎn)程控制和視頻回傳，將整合包括運(yùn)營商、設(shè)備提供商、終端提供商、港機(jī)制造企業(yè)等在內(nèi)的5G產(chǎn)業(yè)鏈資源，產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)后將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)的深度合作。5G遠(yuǎn)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(dǎo)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