［陳金權(quán)］

1 引言

在全球化的大背景下，地球村的人們聯(lián)系越來越密切，國與國之間的貿(mào)易越來越多，而貿(mào)易貨物的90%由海運運輸，所以港口在全球經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。中國的制造業(yè)發(fā)達，堅持開放政策，與全世界貿(mào)易往來頻繁，中國的港口無論數(shù)量還是規(guī)模在世界上都是首屈一指的，全球前十大港口中，中國就占了7家。但是港口目前普遍都面臨一個問題：港口勞動環(huán)境惡劣，勞動強度大，導(dǎo)致了人力成本高，人力資源缺乏，而大部分港口過分依賴人力采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式，工作效率比較低下。港口效率為王，大型船舶的租金高昂，如果貨物得不到及時裝卸，貨主很可能會轉(zhuǎn)向其它的碼頭。所以，港口也迫切希望能夠進行港口的智慧化改造升級，提升港口的效率，從而增強自己的競爭力。

碼頭作為港口的重要組成部分，擔負著貨物進出港的關(guān)鍵職責。碼頭的智慧化是整個港口智慧化的重中之重。碼頭的工作流程是：貨輪到達港口碼頭后，碼頭的輪胎吊或者橋吊從貨輪上卸下集裝箱，貨場的集裝箱轉(zhuǎn)運車裝載輪胎吊卸下的集裝箱運送到碼頭堆場，再由貨主派出的集裝箱卡車將貨物從港口堆場運走。這個過程涉及兩類重要設(shè)備，碼頭卸貨的吊車和碼頭運輸工具集裝箱轉(zhuǎn)運車。提高這兩類設(shè)備的利用率就能提高碼頭效率，從而提高港口效率。事實情況是，輪胎吊或者橋吊高達三四十米，操作人員上去了以后，很難中途離開或休息，勞動強度極大；而轉(zhuǎn)運集卡在場內(nèi)很難精準調(diào)度，經(jīng)常發(fā)生車等貨或者貨等車的情況，不能充分發(fā)揮其運力，也不能提高效率。如果能對輪胎吊和轉(zhuǎn)運集卡作業(yè)進行智慧化改造，必將大大提高碼頭的工作效率從而也提升了港口整體的效率。

2 智慧港口的不同設(shè)計方案比較

本文主要探討提升港口碼頭的工作效率的方法，也就是實現(xiàn)輪胎吊、轉(zhuǎn)運集卡的智慧化改造。從上面的分析我們知道，輪胎吊操作人員工作強度大，工作環(huán)境惡劣，效率低，人力資源消耗大，如果能夠?qū)崿F(xiàn)遠程操作，工作人員在控制中心通過現(xiàn)場傳回的視頻遠程操作，就能大大改善工作環(huán)境，同時一個人能夠操作多臺設(shè)備，提高生產(chǎn)效率；而轉(zhuǎn)運集卡如果能夠根據(jù)輪胎吊的相關(guān)需求信息及時自動就位并且全程無人駕駛，這樣就不僅能節(jié)省人力還能提高效率。

下面就來分析一下幾種主流的港口智慧化改造方案。

方案一：就是利用光纖，在港口碼頭區(qū)域組建光纖通信網(wǎng)如圖1所示，進行遠程控制。

圖1 基于光纖技術(shù)的智慧港口組網(wǎng)方案

考慮到港口范圍大，通信距離長，設(shè)備類型多，環(huán)境比較惡劣，選用光纖有線傳輸比較可靠。還有，就是港口作業(yè)設(shè)備，比如輪胎吊，它必須要通過多臺高清攝像頭拍攝貨輪、集裝箱以及吊車周邊的實際情況上傳控制中心，才能遠程進行作業(yè)，因此上行必須要有很大帶寬才行；同時，從控制中心下達的操作指令又必須要迅速到達輪胎吊等機械設(shè)備，通信系統(tǒng)傳輸速度要快，時延要低。而光纖通信網(wǎng)正好能夠滿足這樣的要求。

在組網(wǎng)時可以將光纖網(wǎng)設(shè)計成雙環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，這樣即使某一結(jié)點出現(xiàn)故障，也可以切換其它網(wǎng)段去，保證通信可靠，保證設(shè)備操作不出差錯。

但是有一點比較難以實現(xiàn)，就是轉(zhuǎn)運集卡的無人駕駛，因為很難讓轉(zhuǎn)運集卡拖著一根光纖到處行駛。所以利用光纖技術(shù)實現(xiàn)港口智慧化是初期的方案，它只能解決輪胎吊的遠程操作，而轉(zhuǎn)運集卡的無人駕駛它就無能為力了。

方案二：利用無線WIFI進行組網(wǎng)?？紤]到港口內(nèi)的轉(zhuǎn)運集卡要不停在各處行駛轉(zhuǎn)運，拖著一根光纖沒法走。就是輪胎吊，它也要轉(zhuǎn)場作業(yè)，拖著一個尾巴也非常的不方便。還有大量重新布埋光纖會妨礙港口的正常生產(chǎn)，有些老的港區(qū)可能還沒有條件進行新的開挖。使用無線通信的方式來組建港口智慧化網(wǎng)絡(luò)是一個比較可行的方案，如圖2所示。

圖2 基于WIFI技術(shù)的智慧港口組網(wǎng)方案

在港口智慧化中，可以使用WIFI技術(shù)，最新的WIFI6技術(shù)，其支持的最高速率理論上達到1G以上，能夠滿足港口碼頭輪胎吊多臺攝像頭的高清圖片的傳輸；WiFi也可以方便地應(yīng)用于碼頭的集卡，實現(xiàn)集卡的自動駕駛。

至于平時使用的WiFi很難自動切換，而一個WiFi的接入點AP覆蓋范圍有限，到了另一個AP覆蓋區(qū)，要重新登錄連接，那怎么辦呢？可以利用WiFi的mesh組網(wǎng)技術(shù)，在港區(qū)設(shè)置多個無線mesh接入點時，輪胎吊等設(shè)備轉(zhuǎn)場作業(yè)時，就能從原先的無線mesh接入點自由切換到其它的mesh接入點了。

方案三：當5G出現(xiàn)后，憑借其在各方面的優(yōu)異性能，立刻得到了港口和相關(guān)各方的大大青睞。很多港口開始利用5G推進智慧港口建設(shè)采用，利用5G技術(shù)的智慧港口組網(wǎng)方案如圖3所示。雖然都是無線傳輸，5G使用的頻譜是授權(quán)頻譜，受到外界的干擾很少，能夠保證信號質(zhì)量，而WiFi頻譜是非授權(quán)頻譜，用戶比較復(fù)雜，受到的干擾比較大，自然不能保證信號質(zhì)量；在移動性方面，5G繼承了蜂窩系統(tǒng)的優(yōu)良的移動性管理功能，能夠自由實現(xiàn)高效高質(zhì)的切換、重選、漫游，而WiFi并無切換機制，只有AP間的重選，延時非常大；雖說mesh能夠切換，但并沒有統(tǒng)一標準，對AP資源消耗也非常大；還有，5G有多用戶調(diào)度的保障機制，支持大容量接入，而WiFi無調(diào)度機制，先到先得，接入用戶較多時，容易發(fā)生碰撞，導(dǎo)致接入失敗；另外，安全性方面，WiFi只能對接入終端進行單向認證，不能對接入AP進行認證，可能會有非法用戶偽裝成AP接入網(wǎng)絡(luò)，造成港口數(shù)據(jù)安全問題。

圖3 基于5G技術(shù)的智慧港口組網(wǎng)方案

5G的速率能達到10G，遠大于WiFi的1G，完全滿足港口傳輸高清圖像所需要的大帶寬；而延時方面達到1ms，遠小于WiFi的幾十毫秒以上的延時，能夠使得控制指令及時到達輪胎吊、集卡等作業(yè)設(shè)備；連接數(shù)方面5G能達到每小區(qū)100萬個，大大優(yōu)于WiFi，絕對能夠滿足港口眾多設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)需求。所以用5G應(yīng)該更好。

3 基于5G技術(shù)的智慧港口方案的進一步優(yōu)化

其實上述利用5G技術(shù)建設(shè)智慧港口方案在實際應(yīng)用中還需要優(yōu)化才能切實可行。

先來看看港口對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬纱笠?。首先，港口要求?shù)據(jù)傳輸大帶寬、低時延，這樣才能保證視頻監(jiān)控信息可靠傳輸和操作指令的及時下達；其次，港口要求數(shù)據(jù)不出港，因為港口的數(shù)據(jù)至關(guān)重要，甚至關(guān)系到國家的安全。上述利用5G技術(shù)建設(shè)智慧港口的方案，港口數(shù)據(jù)比如輪胎吊采集到現(xiàn)場的信息通過5G客戶前置設(shè)備CPE傳到基站，基站將它通過傳輸網(wǎng)絡(luò)送往5G核心網(wǎng)處理，加工處理后的信息將送往港口控制中心，港口控制中心據(jù)此下達操作指令，操作指令同樣也經(jīng)過5G核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等到達港口設(shè)備。無論是港口碼頭回傳的數(shù)據(jù)還是控制中心下達的指令，都必須經(jīng)過核心網(wǎng)，那么核心網(wǎng)到港口究竟有多遠呢？港口一般遠離市中心，而5G網(wǎng)絡(luò)由于采用云服務(wù)器架構(gòu)，核心網(wǎng)業(yè)務(wù)集中，全省只有一個中心在省會城市，這樣說來，它們之間的距離就非常遙遠，時延也就很難保證。而且5G的核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)也不僅僅為港口服務(wù)，它們還要為其它的工礦企業(yè)服務(wù)，為眾多的5G個人用戶服務(wù)，所以港口所需的大帶寬也很難保證。既然港口的數(shù)據(jù)都跑到省會的核心網(wǎng)了，數(shù)據(jù)不出港的安全要求也就更無從談起了。

那么怎么解決這個問題呢？這還得從5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的深入分析著手。5G網(wǎng)絡(luò)包含無線網(wǎng)，主要有基站、終端設(shè)備；5G網(wǎng)絡(luò)還有指揮中心核心網(wǎng)，它由完成控制功能的控制面和處理用戶數(shù)據(jù)的用戶面兩部分組成。無線網(wǎng)與核心網(wǎng)兩者之間通過覆蓋范圍極廣的傳輸網(wǎng)連接。初始的5G智慧港口方案不加任何優(yōu)化，數(shù)據(jù)是這樣傳輸?shù)?，以無人集卡為例，它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，穿越漫長的傳輸網(wǎng)到達核心網(wǎng)用戶面功能，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，再由用戶面功能穿越傳輸網(wǎng)送到港口控制中心，控制中心下達的操作指令也大致沿相同的路徑反向傳輸。由此可以看到，其實我們港口的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)主要的目的是讓用戶面功能處理，但是實際情況是大部分的時間都浪費在傳輸網(wǎng)上了，并且傳輸網(wǎng)還要服務(wù)各種各樣的眾多客戶，帶寬也得不到保證。那么是不是可以想到，能不能將核心網(wǎng)的跟港口相關(guān)的用戶面功能UPF直接下放到港口附近呢？回答是肯定的，因為5G的核心網(wǎng)與傳統(tǒng)的移動網(wǎng)絡(luò)不同，它完全實現(xiàn)了控制面與用戶面的分離，只要用戶有需要，就可以將與它相關(guān)的用戶面功能下放到自己附近，所以可以將與港口相關(guān)的用戶面功能UPF下沉到港口附近，再將UPF連接到港口控制中心和港口基站，這樣就形成了本地的用戶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在港口數(shù)據(jù)的傳輸過程，從集卡到基站，然后直接就到了UPF，再傳到港口控制中心，優(yōu)化路徑是不是比未優(yōu)化的原生路徑大大縮短了，時延就得到了保證。由于數(shù)據(jù)只在本地網(wǎng)絡(luò)傳輸，大帶寬也很容易實現(xiàn)。整個過程港口數(shù)據(jù)都沒有離開港口，當然也就實現(xiàn)了港口數(shù)據(jù)本地傳輸，信息安全得到保證。很顯然，優(yōu)化方案實現(xiàn)了港口對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬纱笠?，完全可行?G智慧港口組網(wǎng)方案進一步優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 港口網(wǎng)絡(luò)性能的進一步優(yōu)化UPF下沉

4 結(jié)束語

港口對于各個國家來說都是非常重要，但是港口要想發(fā)展得更好，就必須提高自身的競爭能力，而港口的智慧化轉(zhuǎn)型發(fā)展才能為此奠定基礎(chǔ)。5G技術(shù)以其強大的優(yōu)勢，獲得港口運營方的青睞。將5G與港口緊密結(jié)合起來，不僅可以實現(xiàn)港口的遠程操控，還能實現(xiàn)無人轉(zhuǎn)運集卡的自動駕駛，大大提升港口的作業(yè)效率和作業(yè)安全性。進一步隔離港口區(qū)域和5G公網(wǎng)，更能提升港口的數(shù)據(jù)安全。5G技術(shù)確實能夠助力中國港口進一步鞏固在全球的領(lǐng)先地位。