針對5G網絡技術速率高、容量大、延時低的特點，探討5G技術在智慧港口的應用。在比較港口現有無線通信技術、分析5G技術特點的基礎上，分析5G技術在無人駕駛、機械設備遠程控制、智慧安防、應急指揮、智能理貨等方面的應用，認為5G網絡技術在智慧碼頭的建設運營中能夠充分發揮差異化性能優勢，突破傳統方式的局限性，大幅提高自動化碼頭的運營效率，為改造傳統人工碼頭注入新的創新型動力。
智慧港口是以現代化基礎設施設備為基礎，以云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、智能控制等新一代信息技術與港口業務深度融合為核心，以港口運輸組織服務創新為動力，以完善的體制機制、法律法規、標準規范、發展政策為保障，在更高層面上實現港口資源優化配置，在更高境界上滿足多層次、敏捷化、高品質港口運輸服務要求的，具有生產智能、管理智慧、服務柔性、保障有力等鮮明特征的現代港口運輸新業態。
智慧港口的特征包括全面感知、廣泛互聯、高度共享、自主裝卸、全方位可視、智能管控、智能決策、深度協同等。無線通信系統是智慧港口數據傳輸的關鍵，是實現智慧港口全面感知、廣泛互聯的核心節點，智慧港口對無線通信連接有延時短、帶寬大、可靠性高的要求。在此，本文探討5G通信技術在智慧港口中的創新應用。
1.1 港口現有無線通信技術比較
港口現有的無線通信系統主要包括無線語音通信系統和無線數據傳輸通信系統，本文主要探討港口無線數據傳輸通信系統。目前，港口無線數據傳輸通信系統主要采用400 MHz窄帶數據傳輸網絡、2.4 GHz無線局域網絡、TD-LTE寬帶集群通信網絡，由于400 MHz窄帶數據傳輸網絡采用封閉技術，已逐步淘汰，根據現代化港口的無線數據傳輸實際需求，2.4 GHz無線局域網絡和TD-LTE寬帶集群通信網絡對比見表1。2.4 GHz無線局域網絡由于受其技術特性影響，存在覆蓋差、信號抗干擾差、承載業務有限、維護成本高等問題。TD-LTE寬帶集群通信網絡可解決智慧港區大部分的無線數據傳輸需求，但由于帶寬限制，無法滿足智慧港口無人駕駛集卡、機械設備遠程控制等大帶寬、低延時的無線數據傳輸需求。
1.2 5G技術特性
5G是第5代移動通信技術的簡稱，作為4G通信技術的延伸，具有速率高、容量大、延時低的特性，是實現萬物互聯的重要載體。5G技術綜合運用大規模天線、超密集組網、靈活雙工、全雙工、頻譜共享、先進調制編碼、終端直通技術、全頻譜接入、新型多址、新型多載波等關鍵技術。此外，5G技術還采用全新的架構解決方案（網絡切片），可允許在通用物理信息基礎設施上創建邏輯上獨立的網絡，能夠為特殊行業的業務需求進行量身定制。5G與4G關鍵性能指標對比見表2。
國際電信聯盟（ITU）定義了5G的3大應用場景為增強移動寬帶（eMBB）、海量物聯（mMTC）、高可靠低延時連接（uRLLC）。eMBB是以人為中心的應用場景，集中表現為超高的傳輸數據速率、廣覆蓋下的移動性能保證等應用場景；mMTC主要是滿足海量物聯的通信需求，面向以傳感和數據采集為目標的應用場景；uRLLC則基于5G技術低延時（1 ms）和高可靠（99.999%）的特性，主要面向智慧港口等垂直行業特殊應用需求。5G業務場景模型見圖1。
5G網絡技術可實現毫秒級延時的工業控制信號和多路數高清攝像頭視頻數據的混合承載，5G網絡技術在智慧碼頭的建設運營中能夠充分發揮差異化性能優勢，突破傳統方式的局限性，大幅提升自動化碼頭的運營效率，為改造傳統人工碼頭注入新的創新動力。
1.3 建設5G智慧港口的意義
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創新性。目前，國內5G網絡技術在港口的全面商業應用尚處于起步階段，5G通信技術在智慧港口的創新應用研究以及建設5G智慧港口將具有里程碑式的意義。
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可復制性。5G網絡技術與智慧港口的融合發展將探索研究5G智慧港口行業應用技術標準，促進各方5G應用交流和深度合作，推進5G智慧港口建設，提升港口信息化水平，促進5G產業發展，推動5G智慧港口相關技術成果在國內和全球港口的可復制應用。
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提質增效。5G技術在智慧港口的應用場景主要包括無人駕駛、機械設備遠程控制、無人機、應急演練和應急指揮等。5G技術與物聯網、人工智能等多種技術創新融合，將助力智慧港口的提質增效和數字化轉型。
根據智慧港口業務特性以及對傳輸數率、時延的要求，5G通信技術在智慧港口的應用主要包括無人駕駛、機械設備遠程控制、智慧安防、應急指揮等。
2.1 無人駕駛
針對智慧港口相對封閉的應用場景，基于5G網絡技術速率高、容量大、延時低的特性，結合MEC技術、車輛自動駕駛技術、智能傳感技術等，能夠實現智慧港口無人駕駛集卡遠程遙控指令的高速發送，以及在異常情況下人工遠程遙控無人駕駛集卡的需求，從而實現L4級自動駕駛、自動導引、精準泊車、自動裝載等集卡功能并實現遠程監控、數據收集、模型優化。無人駕駛集卡與岸橋、場橋機械設備遠控實現無縫銜接，通過應用無人駕駛實現水平運輸自動化，進而實現碼頭全自動化作業。
無人駕駛集卡遠程遙控方案見圖2。無人駕駛集卡在智慧港口的應用，可在雨雪、夜間等特殊工況下，保持深度感知和精準有效，實現全天候作業，提高作業效率，減少人員配置，降低人的不安全因素，提高安全性。主要操作流程如下：
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遠程操作員根據全景顯示屏和本地操作臺顯示的車輛信息，通過5G網絡發送操作命令到本地MEC。
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MEC將操作指令發送到車輛最近的5G基站，再發送至車載CPE。
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車輛終端通過5G網絡接收到指令后，按照指令控制車輛轉向、剎車、前進等。
2.2 機械設備遠程控制
在智慧港口建設運營過程中，岸橋和場橋遠程控制可以大幅減少操作環節人力資源需求，降低經營成本，提高作業效率和生產安全，改善操作人員作業環境。岸橋和場橋遠程控制的通信系統要滿足控制信息和多路視頻信息同步、可靠傳輸。目前，傳統港口的岸橋和場橋遠程控制的通信系統僅能依靠光纖網絡通信系統，不僅存在單點故障風險，而且無法滿足輪胎式龍門吊遠程控制數據的傳輸需求。
基于5G網絡技術速率高、容量大、延時低的特性，借助“端到端”的5G網絡部署，岸橋、場橋與遠程控制中心的數據連接采用“5G+有線組網”方式，能夠提高網絡傳輸的可靠性和靈活性，結合碼頭操作管理系統、岸橋自動控制系統、場橋自動控制系統，實現岸橋和場橋遠程控制操作。岸橋遠程控制示意圖見圖3，場橋遠程控制示意圖見圖4。
2.3 智慧安防
智慧安防系統是智慧港口的重要組成部分之一，通過在碼頭泊位、堆場、閘口、道路、查驗區等區域設置視頻監控設備，實現對岸橋、場橋、人員、車輛、集裝箱和邊界的實時視頻監控、數據分析和應急處置。
目前，港口大部分視頻監控前端設備可通過港口光纖網絡系統傳輸數據，但對于不具備有線網絡接入條件的區域，可采用5G網絡傳輸，5G通信技術超過10Gbit/s的高速傳輸速率和毫秒級時延將有效提升碼頭視頻監控數據的傳輸速度，實現智慧安防的實時遠程控制、提前預警和快速響應處置。
2.4 應急指揮
依托5G網絡技術，在其速率高、容量大、延時低等優勢的助力下，將無人機、布控球等前端設備實時拍攝的高清視頻回傳到智慧港口應急指揮調度中心，實現碼頭實景與大屏視頻畫面同步，大幅提高碼頭指揮調度人員對港區現場突發情況的觀察和判斷能力，提升決策和執行效率。同時，智慧港口應急調度人員可通過5G網絡對無人機進行遠程實時操控和遠程喊話，從而提高應急指揮管理調度的扁平化、立體化水平以及提升應急指揮工作效率。智慧港口應急指揮應用示意圖見圖5。
2.5 智能理貨
當前，遠程控制岸橋、自動化場橋、AGV、無人集卡、自動化閘口等先進的自動化和智能化技術已經成為全自動化碼頭的標配。在自動化碼頭中，這些技術應用表現出的人工成本和效率優勢，使得自動化技術在傳統碼頭的應用成為一種趨勢。其中，傳統理貨系統的智能化、自動化升級已經在國內眾多碼頭得到應用。智能理貨系統架構見圖6。
智能理貨系統主要分為前端識別系統、傳輸系統和后端管理系統。從實施情況來看，前端識別系統和后端管理系統只是技術層面實現方式的差別，并不會成為瓶頸。傳輸系統是部署智能理貨系統的關鍵一環。傳統碼頭的岸橋多數都沒有光纖，只能通過無線網絡將前端識別系統的信號傳到后端。岸橋智能理貨無線網絡部署見圖7。
從實際的運行來看，無線AP方案的局限性主要表現在以下3個方面：
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由于無線AP漫游特性的限制，岸橋在移動過程中依然會出現切換時“丟包”的現象。
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無線AP的維護會給碼頭帶來成本的增加。
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無線AP帶寬無法同時承載岸橋理貨和岸橋遠程控制的改造業務需求。
從5G的技術特性以及目前的行業應用測試來看，5G通信技術可以較好地解決以上問題。特別是5G的增強移動寬帶為同時滿足智能理貨和岸橋遠程控制所需要的高帶寬提供技術支撐，目前從國內非獨立組網（NSA）架構下的實測速度已經可以達1.2 Gbit/s，華為和高通的5G終端在實驗室環境下已經分別可以達到5 Gbit/s和7 Gbit/s。同時，5G高可靠低延時連接可為傳統岸橋的遠程控制改造提供經濟有效的解決方案。基于5G網絡的岸橋智能理貨系統架構見圖8。
5G網絡的部署、優化和日常維護由網絡運營商負責。碼頭專注于5G的應用，可通過定制5G接入終端的方式在每臺岸橋上安裝定制的5G工業路由器，將岸橋上的數據通過5G網絡傳輸到后端管理平臺。
