针对5G网络技术速率高、容量大、延时低的特点，探讨5G技术在智慧港口的应用。在比较港口现有无线通信技术、分析5G技术特点的基础上，分析5G技术在无人驾驶、机械设备远程控制、智慧安防、应急指挥、智能理货等方面的应用，认为5G网络技术在智慧码头的建设运营中能够充分发挥差异化性能优势，突破传统方式的局限性，大幅提高自动化码头的运营效率，为改造传统人工码头注入新的创新型动力。
智慧港口是以现代化基础设施设备为基础，以云计算、大数据、物联网、移动互联网、智能控制等新一代信息技术与港口业务深度融合为核心，以港口运输组织服务创新为动力，以完善的体制机制、法律法规、标准规范、发展政策为保障，在更高层面上实现港口资源优化配置，在更高境界上满足多层次、敏捷化、高品质港口运输服务要求的，具有生产智能、管理智慧、服务柔性、保障有力等鲜明特征的现代港口运输新业态。
智慧港口的特征包括全面感知、广泛互联、高度共享、自主装卸、全方位可视、智能管控、智能决策、深度协同等。无线通信系统是智慧港口数据传输的关键，是实现智慧港口全面感知、广泛互联的核心节点，智慧港口对无线通信连接有延时短、带宽大、可靠性高的要求。在此，本文探讨5G通信技术在智慧港口中的创新应用。
1.1 港口现有无线通信技术比较
港口现有的无线通信系统主要包括无线语音通信系统和无线数据传输通信系统，本文主要探讨港口无线数据传输通信系统。目前，港口无线数据传输通信系统主要采用400 MHz窄带数据传输网络、2.4 GHz无线局域网络、TD-LTE宽带集群通信网络，由于400 MHz窄带数据传输网络采用封闭技术，已逐步淘汰，根据现代化港口的无线数据传输实际需求，2.4 GHz无线局域网络和TD-LTE宽带集群通信网络对比见表1。2.4 GHz无线局域网络由于受其技术特性影响，存在覆盖差、信号抗干扰差、承载业务有限、维护成本高等问题。TD-LTE宽带集群通信网络可解决智慧港区大部分的无线数据传输需求，但由于带宽限制，无法满足智慧港口无人驾驶集卡、机械设备远程控制等大带宽、低延时的无线数据传输需求。
1.2 5G技术特性
5G是第5代移动通信技术的简称，作为4G通信技术的延伸，具有速率高、容量大、延时低的特性，是实现万物互联的重要载体。5G技术综合运用大规模天线、超密集组网、灵活双工、全双工、频谱共享、先进调制编码、终端直通技术、全频谱接入、新型多址、新型多载波等关键技术。此外，5G技术还采用全新的架构解决方案（网络切片），可允许在通用物理信息基础设施上创建逻辑上独立的网络，能够为特殊行业的业务需求进行量身定制。5G与4G关键性能指标对比见表2。
国际电信联盟（ITU）定义了5G的3大应用场景为增强移动宽带（eMBB）、海量物联（mMTC）、高可靠低延时连接（uRLLC）。eMBB是以人为中心的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率、广覆盖下的移动性能保证等应用场景；mMTC主要是满足海量物联的通信需求，面向以传感和数据采集为目标的应用场景；uRLLC则基于5G技术低延时（1 ms）和高可靠（99.999%）的特性，主要面向智慧港口等垂直行业特殊应用需求。5G业务场景模型见图1。
5G网络技术可实现毫秒级延时的工业控制信号和多路数高清摄像头视频数据的混合承载，5G网络技术在智慧码头的建设运营中能够充分发挥差异化性能优势，突破传统方式的局限性，大幅提升自动化码头的运营效率，为改造传统人工码头注入新的创新动力。
1.3 建设5G智慧港口的意义
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创新性。目前，国内5G网络技术在港口的全面商业应用尚处于起步阶段，5G通信技术在智慧港口的创新应用研究以及建设5G智慧港口将具有里程碑式的意义。
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可复制性。5G网络技术与智慧港口的融合发展将探索研究5G智慧港口行业应用技术标准，促进各方5G应用交流和深度合作，推进5G智慧港口建设，提升港口信息化水平，促进5G产业发展，推动5G智慧港口相关技术成果在国内和全球港口的可复制应用。
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提质增效。5G技术在智慧港口的应用场景主要包括无人驾驶、机械设备远程控制、无人机、应急演练和应急指挥等。5G技术与物联网、人工智能等多种技术创新融合，将助力智慧港口的提质增效和数字化转型。
根据智慧港口业务特性以及对传输数率、时延的要求，5G通信技术在智慧港口的应用主要包括无人驾驶、机械设备远程控制、智慧安防、应急指挥等。
2.1 无人驾驶
针对智慧港口相对封闭的应用场景，基于5G网络技术速率高、容量大、延时低的特性，结合MEC技术、车辆自动驾驶技术、智能传感技术等，能够实现智慧港口无人驾驶集卡远程遥控指令的高速发送，以及在异常情况下人工远程遥控无人驾驶集卡的需求，从而实现L4级自动驾驶、自动导引、精准泊车、自动装载等集卡功能并实现远程监控、数据收集、模型优化。无人驾驶集卡与岸桥、场桥机械设备远控实现无缝衔接，通过应用无人驾驶实现水平运输自动化，进而实现码头全自动化作业。
无人驾驶集卡远程遥控方案见图2。无人驾驶集卡在智慧港口的应用，可在雨雪、夜间等特殊工况下，保持深度感知和精准有效，实现全天候作业，提高作业效率，减少人员配置，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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远程操作员根据全景显示屏和本地操作台显示的车辆信息，通过5G网络发送操作命令到本地MEC。
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MEC将操作指令发送到车辆最近的5G基站，再发送至车载CPE。
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车辆终端通过5G网络接收到指令后，按照指令控制车辆转向、刹车、前进等。
2.2 机械设备远程控制
在智慧港口建设运营过程中，岸桥和场桥远程控制可以大幅减少操作环节人力资源需求，降低经营成本，提高作业效率和生产安全，改善操作人员作业环境。岸桥和场桥远程控制的通信系统要满足控制信息和多路视频信息同步、可靠传输。目前，传统港口的岸桥和场桥远程控制的通信系统仅能依靠光纤网络通信系统，不仅存在单点故障风险，而且无法满足轮胎式龙门吊远程控制数据的传输需求。
基于5G网络技术速率高、容量大、延时低的特性，借助“端到端”的5G网络部署，岸桥、场桥与远程控制中心的数据连接采用“5G+有线组网”方式，能够提高网络传输的可靠性和灵活性，结合码头操作管理系统、岸桥自动控制系统、场桥自动控制系统，实现岸桥和场桥远程控制操作。岸桥远程控制示意图见图3，场桥远程控制示意图见图4。
2.3 智慧安防
智慧安防系统是智慧港口的重要组成部分之一，通过在码头泊位、堆场、闸口、道路、查验区等区域设置视频监控设备，实现对岸桥、场桥、人员、车辆、集装箱和边界的实时视频监控、数据分析和应急处置。
目前，港口大部分视频监控前端设备可通过港口光纤网络系统传输数据，但对于不具备有线网络接入条件的区域，可采用5G网络传输，5G通信技术超过10Gbit/s的高速传输速率和毫秒级时延将有效提升码头视频监控数据的传输速度，实现智慧安防的实时远程控制、提前预警和快速响应处置。
2.4 应急指挥
依托5G网络技术，在其速率高、容量大、延时低等优势的助力下，将无人机、布控球等前端设备实时拍摄的高清视频回传到智慧港口应急指挥调度中心，实现码头实景与大屏视频画面同步，大幅提高码头指挥调度人员对港区现场突发情况的观察和判断能力，提升决策和执行效率。同时，智慧港口应急调度人员可通过5G网络对无人机进行远程实时操控和远程喊话，从而提高应急指挥管理调度的扁平化、立体化水平以及提升应急指挥工作效率。智慧港口应急指挥应用示意图见图5。
2.5 智能理货
当前，远程控制岸桥、自动化场桥、AGV、无人集卡、自动化闸口等先进的自动化和智能化技术已经成为全自动化码头的标配。在自动化码头中，这些技术应用表现出的人工成本和效率优势，使得自动化技术在传统码头的应用成为一种趋势。其中，传统理货系统的智能化、自动化升级已经在国内众多码头得到应用。智能理货系统架构见图6。
智能理货系统主要分为前端识别系统、传输系统和后端管理系统。从实施情况来看，前端识别系统和后端管理系统只是技术层面实现方式的差别，并不会成为瓶颈。传输系统是部署智能理货系统的关键一环。传统码头的岸桥多数都没有光纤，只能通过无线网络将前端识别系统的信号传到后端。岸桥智能理货无线网络部署见图7。
从实际的运行来看，无线AP方案的局限性主要表现在以下3个方面：
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由于无线AP漫游特性的限制，岸桥在移动过程中依然会出现切换时“丢包”的现象。
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无线AP的维护会给码头带来成本的增加。
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无线AP带宽无法同时承载岸桥理货和岸桥远程控制的改造业务需求。
从5G的技术特性以及目前的行业应用测试来看，5G通信技术可以较好地解决以上问题。特别是5G的增强移动宽带为同时满足智能理货和岸桥远程控制所需要的高带宽提供技术支撑，目前从国内非独立组网（NSA）架构下的实测速度已经可以达1.2 Gbit/s，华为和高通的5G终端在实验室环境下已经分别可以达到5 Gbit/s和7 Gbit/s。同时，5G高可靠低延时连接可为传统岸桥的远程控制改造提供经济有效的解决方案。基于5G网络的岸桥智能理货系统架构见图8。
5G网络的部署、优化和日常维护由网络运营商负责。码头专注于5G的应用，可通过定制5G接入终端的方式在每台岸桥上安装定制的5G工业路由器，将岸桥上的数据通过5G网络传输到后端管理平台。
