［董月滋 毛斌宏］

1 引言

隨著我國經濟的迅速發(fā)展，國家的交通運輸行業(yè)特別是碼頭行業(yè)的發(fā)展甚是迅猛。在碼頭系統(tǒng)發(fā)展的過程中，港口的運行效率以及碼頭的運行安全引起了業(yè)內的廣泛關注，而且，全球環(huán)境的變化特別是疫情后的新常態(tài)，港口管理面臨越來越多的挑戰(zhàn)，港口必須充分利用新技術來應對新需求，故信息化、物流化及智能化的港口成為了碼頭建設的必然趨勢。

港口系統(tǒng)的業(yè)務場景極其復雜，運營管理面臨多方面的挑戰(zhàn)，其對網絡的帶寬、時延、可靠性等要求差異很大，而5G能提供快速、安全、高可靠性的靈活定制化切片運營，即5G 網絡切片技術。依托于5G 網絡切片技術，智能港口的建設定能大大地提升港口生產質量及效率，為實現(xiàn)“無人碼頭”打下基礎以及提供巨大的社會價值和經濟價值。

本文主要是對智能港口和5G 網絡切片技術進行介紹說明，圍繞網絡切片技術在智慧港口系統(tǒng)中的應用做出研究，體現(xiàn)網絡切片在5G 網絡中扮演的關鍵角色。

2 智慧港口現(xiàn)狀分析

2.1 智慧港口概述

智慧港口，即數字化、自動化、物流可視化的港口，是以現(xiàn)代化基礎設備為基礎，對設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和數據整合。智慧港口的核心應用場景包括裝卸作業(yè)的遠程控制、港口無人運輸、港區(qū)視頻監(jiān)控和AI 識別等。結合先進的網絡技術，智慧港口可以實現(xiàn)低成本、綠色低碳、生產安全、服務便利的港口運營。

2.2 港口智能化發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

目前，我國的智慧港口發(fā)展處于剛起步階段，但在國家和政府的大力支持下，港口的智能化發(fā)展也得到了較大的改善和提高，近幾年來也在各大港口進行技術試點及推廣。

一個典型的港口系統(tǒng)包含以下六大場景：船只進出港口、岸橋裝卸貨、貨物水平運輸、堆場管理、集裝箱進出港口和陸港聯(lián)運。圖1 說明了港口系統(tǒng)的各個流程之間的協(xié)作。

圖1 港口系統(tǒng)的場景流程協(xié)作圖

由于港口涉及的業(yè)務范圍及形態(tài)復雜多樣，港口系統(tǒng)在智能化發(fā)展的過程中也存在很多的問題。結合港口系統(tǒng)場景具體說明有以下幾點：

（1）部分場景下，例如船只和集裝箱進出港口的時候需要進行貨物檢查，港區(qū)需收集的信息量比較大，高清視頻等信號會有不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。

（2）貨物水平運輸等場景在傳統(tǒng)的港口中大多數是以人工駕駛運輸為主，我國港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量全球排名比較靠前，司機機械性重復工作導致疲勞駕駛的現(xiàn)象時常發(fā)生，港口的裝卸效率及人員安全得不到保證。

（3）岸橋場景下的作業(yè)屬于高空作業(yè)，依賴于遠程操作，這其中涉及到高清視頻監(jiān)控，但現(xiàn)階段的高清視頻監(jiān)控依賴于有線光纖連接，其成本高，監(jiān)控點相對固定不靈活。貨物起吊過程的設備數據采集、數據回傳、數據實時分析、定位防碰撞等場景對帶寬的要求都很高，目前依賴的光纖接入不靈活，可移動性差。

（4）港區(qū)內的各項指標（或設備）監(jiān)測，比如溫度、濕度測、靜電等指標（或港區(qū)內的水管、垃圾回收站等設備），傳統(tǒng)港區(qū)的指標檢測主要是通過人工使用儀器對結果進行統(tǒng)計，效率極低，還可能出現(xiàn)結果不準確的情況。

3 5G 網絡切片在智慧港口系統(tǒng)的典型應用

3.1 5G 網絡切片概念

隨著網絡技術的不斷發(fā)展，5G 網絡面向垂直行業(yè)客戶提供各種支撐能力。3GPP 標準定義了5G 網絡的三大應用場景：增強型移動寬帶服務（eMBB）、超可靠低時延通信服務（uRLLC）、海量機器通信服務（mMTC）。5G 網絡優(yōu)于4G 網絡的關鍵技術之一在于網絡切片技術。切片，通俗一點的意思就是將一張網切割成多片，不同的片負責不同的場景處理，片與片之間是獨立的。5G 網絡切片從本質上理解是按需定制的網絡服務。

3.2 網絡切片端到端架構

切片也是網絡，是端到端的網絡，3GPP 定義的5G網絡切片端到端架構如圖2 所示。

圖2 5G 網絡切片端到端架構圖

5G 網絡切片端到端架構涉及關鍵網元功能主要包含CSMF（Communication Sevice Management Function，通信服務管理功能）、NSMF（Network Slice Management Function，網絡切片管理功能）和NSSMF（Network Slice Subnet Management Function，網絡切片子網管理功能）。用戶通過訂購切片業(yè)務，然后CSMF 將訂單業(yè)務需求轉換成網絡需求并流轉到NSMF根據需求對SLA（Service-Level Agreement，服務等級協(xié)議）進行端到端分段拆解，隨之將對子域/子網的部署需求傳遞到NSSMF，NSSMF 對子域/子網的切片進行管理與設計，最終將具備的能力上報給NSMF。CSMF 到NSMF 再到NSSMF，實現(xiàn)跨RAN、TN、CN 的端到端網絡切片的縱向協(xié)同，為5G 三大場景橫向切片提供能力，使得不同場景的業(yè)務在不同的切片上得以實現(xiàn)。

3.3 5G 網絡切片在智慧港口系統(tǒng)中的應用

智慧港口的主要組成元素有人、車、貨物和船，其業(yè)務場景多而復雜，不同業(yè)務對網絡的能力要求不同，體現(xiàn)在網絡的帶寬、可靠性、時延等Qos 能力，如表1 所示。

表1 智慧港口業(yè)務對應的網絡能力要求表

針對2.2 章節(jié)所提到的智慧港口現(xiàn)狀問題，結合表1的不同業(yè)務所需網絡能力要求不同，給出以下幾種切片應用：

（1）高清視頻監(jiān)控及AI 識別：高清視頻是典型的eMBB 類應用，高清視頻類切片場景對應的網絡能力表如表2 所示。港區(qū)的人、車、船只和貨物的信息量比較大，其中涉及到貨物ID、人臉信息、車牌號信息。港區(qū)內的智能理貨、智能巡檢等環(huán)節(jié)需要同時連接多個設備、工具和用戶，而5G 技術具有更大的網絡切片容量，可為特定應用提供專用的帶寬量，大帶寬的切片應用可以使得數據傳輸速率加快，允許用戶能夠將來自多個來源的監(jiān)控錄像及時上傳到云端存儲平臺，云視頻存儲監(jiān)控結合AI 進行實時的視頻智能分析，比如智能識別員工的工作合規(guī)情況（可判斷員工是否佩戴安全帽、是否疲勞駕駛等），大帶寬的5G 網絡技術提供不間斷的穩(wěn)定網絡，不僅提高了工作效率還保障了港區(qū)的安全。

表2 高清視頻類切片場景的網絡能力表

（2）港口集卡無人駕駛：港口的集卡無人駕駛在智慧港口系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色。無人駕駛是V2X切片，是uRLLC 場景的典型應用，其中環(huán)節(jié)包括車車通信V2V、車路協(xié)同V2I、車人協(xié)同V2P 以及地圖視頻V2N，它們各自對網絡的能力要求如表3 所示。由表中數據可知，無人駕駛對時延要求極高，需要車跟任意物體進行智能交互，才得以避免事故產生。

表3 V2X 切片場景的網絡能力需求表

（3）港區(qū)指標（或設備）監(jiān)測切片：港區(qū)內設備及各項環(huán)境指標的監(jiān)測是mMTC 場景的應用，即大規(guī)模的物聯(lián)網業(yè)務，港區(qū)內的終端分布范圍廣、數量眾多，對網絡的連接數要求很高，需具備超千億連接的支持能力。

4 網絡切片技術在港口的應用進展

上述的三個港口場景切片，能有效滿足港口系統(tǒng)的多元化業(yè)務需求?；?G 網絡切片的智慧港口業(yè)務在國內廈門威海、青島前灣、寧波舟山等大型港口均有部分場景得以成功上線，比如集裝箱自動化碼頭、岸橋遠程控制等場景也已投入正常運營。據相關數據統(tǒng)計，現(xiàn)場實測業(yè)務端到端的時延可靠性高，穩(wěn)定在8 ms 左右，相比于使用4G 網絡、光纖等通信方式的傳統(tǒng)港口系統(tǒng)，不限于帶寬壓力的現(xiàn)代智能港口業(yè)務時延有大幅度提高，進而提升港口作業(yè)效率和降低運營成本。港口集卡無人駕駛的應用遠不止于人工成本的降低，無人駕駛帶來的技術和經濟效益也是很可觀的，可以吸引自動駕駛科技公司的加入從而帶來更多的資本投入，呼應“數字強國”、“交通強國”、“新基建”建設，助力世界一流港口建設。除此之外，基于5G 網絡及V2X 技術的港口集卡無人駕駛技術的逐步成熟，包括系統(tǒng)、算法、識別、精確定位等在未來給其他領域的無人駕駛帶來寶貴的實踐經驗。

5 結語

高清視頻監(jiān)控及AI 識別、港口集卡無人駕駛和港區(qū)指標（或設備）監(jiān)測三種切片響應5G 的eMBB、uRLLC和mMTC 三大場景，有效解決傳統(tǒng)港口人為機械性作業(yè)、作業(yè)效率低和運營成本高等問題。大帶寬、低時延、廣連接的5G 網絡切片技術的可充分滿足智慧港口對網絡能力的多元化需求。港口的智能化發(fā)展和運營已成為推動我國從大國走向強國的重要因素，5G 網絡切片技術在智慧港口的建設中扮演著極其重要的角色。目前5G 切片技術在智慧港口的業(yè)務場景中的應用仍處于初步實踐中，亟需產業(yè)界共同探討，結合實際對問題進行改善，體現(xiàn)社會價值，讓更多的行業(yè)受益于5G，實現(xiàn)未來長期更大的收益。