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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，港口行業對信息化、自動化、智能化的需求強烈。在“工業4.0”、“互聯網+”大發展的時代背景下，港口也在進行數字化、全自動的轉型升級。

5G在港口行業存在豐富的應用場景，初期聚焦堆場、集裝箱碼頭場景。集裝箱業務是港口主盈利的業務模塊，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。港口的數字化與自動化發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，同時也將實現港口的高效、安全生產運營。

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

傳統龍門吊的作業存在三大痛點：

（1）設備利用率低，只有30%，轉場難；

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

（3）高空作業，存在安全風險。

通過將傳統龍門吊進行5G遠程改造，將駕駛臺后移至辦公室，實現遠程控制，能夠使港口企業減少2/3的駕駛員，節約70%人工成本，提高30%生產效率。

對輪胎式龍門吊實施有線通信鏈路向5G無線網絡的替換，將工業控制協議和視頻數據承載在5G網絡，實現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環境，減少安全風險。

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

• 5G智能理貨

智能理貨是基于5G網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務系統，系統利用人工智能視覺識別技術對視頻數據進行分析處理，實現對岸橋下關鍵作業信息的智能識別。主要包括作業箱號識別、拖車車頂號識別、ISO碼識別、作業狀態自動確認、異常作業處理情況記錄、存儲作業視頻錄像等，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、數據自動采集智能比對、可視化影像等新技術實現船邊集裝箱作業全程監控、裝卸信息實時比對、自動核銷、驗殘電子化、查詢追溯、統計分析等功能，并通過數據接口實現與智慧港口綜合業務管理平臺的數據實時交互。 

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基站配合實現港區內集卡自動駕駛。將現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網絡技術對港口現有的有線光纖網絡和無線Wi-Fi網絡進行改造，對港口進行5G應用示范研究，推動港口智慧化發展。通過5G網絡的建設與邊緣計算、切片等能力的部署，對作業區域內的設備信息、物流信息、運轉過程信息、生產調度管理信息等進行數據采集、監控、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聯化改造支持5G傳輸協議。各類終端可同時承載碼頭TOS業務、集群語音、視頻、數據等多種業務。

（2）網絡層

港口定制化5G虛擬專用網絡將實現多網合一，超大帶寬、超低時延、海量連接將由一張5G基礎通信網絡承載和專業運營。加入MEC設備，使得網絡整體具有時延降低、傳輸節省、數據安全、開放能力四大優勢。同時根據切片管理，不同類型用戶/業務映射到不同切片，網 絡側可基于切片劃分，為港口現場數據流提供本地轉發能力，實現用戶面的下沉，提供專網能力服務；對于傳統的互聯網訪問需求，可基于大網的切片，按傳統的數據業務傳輸路徑將數據傳輸至核心網進行轉發。

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

（3）平臺層

以地理信息系統為平臺，以港口碼頭、集裝箱堆場等重點場地管理業務為導向，通過豐富的二、三維表現形式，對港區各類地理信息、設備進行統一電子標簽管理，實現在一張圖上呈現港口內全部基礎信息和動態實時數據信息，并滿足交互響應的實時性。同時系統支持擴展框架，能與未來更多平臺資源逐步整合。

（4）應用層

業務應用實施和模型建立嚴格貼合港口業務發展實際需求，充分考慮港口內部運行管理特點，解決港口作業當前面臨的困境，有效實現與其相關聯系統的數據共享與數據交互，增強可用性。實現港機設備遠程控制、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的本地業務處理特性，是將云數據中心的計算能力下沉到網絡邊緣，一方面，MEC基礎設施通常部署在無線基站等網絡邊緣，使其更容易暴露在不安全的環境中，數據在核心網之外終結，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，造成敏感數據泄露、DoS/DDoS攻擊等。MEC的安全設計主要包括設備管理安全、NFVI安全、網絡安全、應用（App）安 全、數據保護安全等方面，保障MEC以及核心網的安全。從平臺內部來看，MEC劃分不同的功能域，將內部 網絡劃分為多個安全域，實現網絡之間的隔離，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，實現域間的防護。

依靠5G SA網絡的低時延、大帶寬以及邊緣計算能力，實現岸橋吊、龍門吊等的生產環節的遠程作業控制。基于5G的高帶寬，實現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絡需求，MEC實現數據本地傳輸處理，降低控制時延。

3 代表性及推廣價值

本項目利用5G技術為港口作業生產中的各環節提供高帶寬、低時延、大連接的網絡接入能力，部署邏輯專網為港口用戶提供差異化網絡服務。特別是通過MEC 技術使業務數據本地處理轉發，進一步降低數據轉發時延，在全國首次實現了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了寧波港基于移動5G網絡下輪胎式龍門吊作業管理、視頻回傳等各種無線信息化應用創新，標志著全球第一大港有了5G創新應用，是全國首次在5G現網環境下對智慧港口應用的深入探索。寧波移動運用基于網格化的SPN組網新方法在北侖寧波港應用試點組網，完成端到端超低時延能力驗證，受到各界的好評。

（2）幫助客戶創造經濟效益，助力交通強國建設傳統龍門吊作業中，存在作業環境艱苦，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，且易引發職業病，導致人員招聘難；港口24小時作業，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。龍門吊實現遠程控制后大大提高了作業效率，預計減少50%設備投資，降低改造和維護成本，改善了司機的作業環境。

（3）推動港航業的無人化發展，產生社會效益 通過5G實現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、港機制造企業等在內的5G產業鏈資源，產品規模化生產后將促進產業鏈相關企業的深度合作。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、提升港口作業效率，將產生積極意義。

摘自《自動化博覽》2021年2月刊