淺析5G移動通信技術在港口運輸中的應用

張杰

【摘要】? ? 當下，我國5G的不斷發展和基礎設施建設使其在各領域、各行業發揮著越來越重要的作用。5G在港口運輸中的應用旨在優化產業結構，改進工作模式，提高運輸效率，降低單位成本，最終提升港口產值。

【關鍵詞】? ? 5G技術? ? 港口? ? 應用

5G網絡是第五代移動通信網絡，其峰值理論傳輸速率可達10Gbit/s，比4G網絡快100倍以上。從1G到5G網絡，信息技術的發展帶來了網絡速度的顯著提高，拓展了大數據、云計算的發展空間，進而逐步輻射到制造業、交通運輸業等領域。5G能夠實現移動互聯網和有線的互聯網的徹底融合，其具有高速率、低延遲、支持大型連接的特征：采用毫米波頻段，10倍帶寬，傳輸速率更快;可將延遲減少至1毫秒及以下;每平方千米內最多可支持100萬個對象自由連接，最終實現萬物互聯。黨的十九大報告提出了“交通強國”的發展戰略，力爭在超高速鐵路、自動駕駛、無人駕駛船舶、自動化智能終端等戰略前沿技術領域占據制高點。發展現代綜合運輸系統的「十三五」規劃中提出，大力發展和提升運輸設備和工具的智能化和自動化水平，推動建設全自動化集裝箱碼頭系統。港口是水路交通樞紐，是“一帶一路”的重要節點，從航運大國到航運強國，中國港口普遍面臨著轉型升級的迫切需求，港口智能化發展是決定港口未來競爭力和經濟效益的重要因素。運用好5G移動通信技術將是港口運輸業升級轉型的重要契機。

一、5G技術發展現狀

1.1 基礎建設現狀

目前全球40個國家和地區已經推出了70余張商用5G網絡。截至2020年3月底，全球123個國家和地區的381家運營商已宣布對5G進行投資，增強把握數字經濟發展的新趨勢。其中40個國家和地區的70家運營商已經推出了一項或多項支持3GPP標準的5G服務。1根據國際研究機構分析，截至2035年，5G將創造13.2萬億美元的經濟產出和2230萬個就業機會。在全球范圍內，數字化工業生產和企業管理應用將是推動5G技術不斷落地的應有模式。

1.2 核心技術發展現狀

1.高頻段傳輸。1G是模擬電路，2G是數字電路采用了專用集成電路。3G的通信標準將信息的傳輸率提高了一個數量級，使得移動互聯網和數據通信成為主要功能，其標稱的網速很高，但實際網速并不快。4G使用了扁平的網絡結構，減少了端到端通信時信息轉發的次數，同時增加了基站之間光纖的帶寬，更利用了互聯網和電信網絡的技術融合，并應用了云計算，但缺點是不支持多人同時上網，且繞過障礙物的能力不佳。為解決頻譜資源緊缺問題，5G采用高頻帶傳輸，實現數據信息的高速傳輸。高頻段傳輸具有帶寬適量、小規模設備、高頻段毫米波資源等優勢，但是也存在傳播距離有限、穿透力差、環境適應能力弱等劣勢。[1]因此，射頻器材與基站建設也將跟進。

2.設備之間通信。作為5G網絡關鍵技術，設備之間通信（D2D）能使兩個相同性質的用戶之間建立起通信連接。每個用戶都能建立一個網絡，且都具備發送和接收消息的能力，并能實現自動轉發。用戶將得到一些硬件資源，包括信息存儲和處理、網絡連接等。[2]D2D具有較高的速度、良好的接入能力和數據處理能力，充分體現了移動通信的優勢。由于無線多媒體業務逐漸增多，以往以基站為傳輸中心的方式已不能滿足大量用戶對業務的要求。D2D的出現來滿足市場的需求，該技術可以利用基站來完成用戶之間的直接通信，擴展網絡連接的方式。

3.大規模天線陣列。4G網絡中，當總的傳輸率超過了信道的總的帶寬，根據香農第二定律，出錯率是100%，結果就是在擁堵的網絡環境中，每個人都不能發出信息。新型大規模天線陣正在經歷從被動到主動、從二維到三維、從線性到平面再到立體模式的演變，頻譜利用率提高了10倍以上，這也是5G網絡的關鍵技術之一。有源天線的引入，使基站能支持百余個協同天線，同時為十余個用戶提供服務。原來的一維線陣逐漸演變為二維和三維天線陣，形成了一種新的三維多天線傳輸技術。它不僅支持多用戶功能，減少用戶之間的干擾，還結合了毫米波技術，提高了無線信號的覆蓋率，逐步實現智能設備的接入。

4.密集網絡。密集網絡采用不同的模式，以滿足用戶在任何狀態下對網絡速度和資源的需求。它主要通過增加系統的存儲容量，擴大網絡的覆蓋范圍，分散各種業務，靈活部署來提高頻譜利用率。4G是一公里的范圍建一個基站，負責這方圓一公里范圍內的手機和基站的通信，而5G的基站設計目標是在百米的范圍內，負責半徑為一百多米范圍內的通信。為避免密集的網絡部署帶來的相互干擾，光纖的使用也將大幅度提高。用戶和基站通信的速率增加以及更多的IOT設備連接入網，使得基站之間的通訊占據了很大的帶寬資源，進而影響用戶個體與基站的通信。未來將進一步縮短基站之間的距離，增加高速率光纖接入，以滿足高密度、高速度的熱點場景，提升用戶體驗。

5.新型網絡架構。密集網絡使用不同的模式來確保用戶在任何狀態下都需要網絡速度和資源。它主要增加系統的存儲容量，擴大網絡覆蓋范圍，分散各種業務，靈活部署，提高頻譜利用率。然而，密集的網絡部署也帶來了小區域內信號的相互干擾，成為制約系統容量增長的重要因素。5G網絡的主要區域是高頻帶，為了達到網絡的性能，將在網絡的熱點地區部署宏觀網絡和微觀網絡。合理化分配基站資源，將每個微型基站的剩余資源用于數據傳輸。也能提升傳輸效率，低負荷時使剩余資源參與到傳輸中。高負荷時，運用宏基站技術，使每個基站成為數據發射點分散傳輸，從而減輕單一基站的荷載，提高整體網絡的承載能力。

二、5G移動通信技術在港口中的應用

2.1 我國港口發展現狀

我國是航運大國，目前有沿海港口150余個，生產用集裝箱泊位2萬余個，其中萬噸級以上泊位2400余個，穩居世界第一;全球集裝箱吞吐量前10的港口中，中國占6席2。2021年1月21日，交通運輸部公布了2020年港口貨物、集裝箱吞吐量數據。全國港口完成貨物吞吐量1454911萬噸，同比增長4.3%;完成集裝箱吞吐量26430萬TEU，同比增長1.2%。3港口成為我國貨物進出口的重要門戶，是帶動我國經濟發展的牽引帶。

2.2 5G技術在港口中的應用

1.遠程控制。港口裝卸需要岸橋和場橋實現集裝箱從船到岸以及堆場內的裝卸，目前主要采用人工現場高空作業實現裝卸工作，具備遠程控制需求;部分新建港口場橋使用光纖部署，由于光纖易磨損，改造升級成本高、難度大;少數信息化港口采用WiFi或非授權頻譜，但可靠性、時延、速率等性能欠佳。[3]港口裝卸遙控是5G網絡的關鍵應用場景之一，它能充分利用5G網絡的高速率、低延遲、支持大型連接的特征，實現碼頭橋梁、現場橋梁遙控及高畫質影像傳輸的應用需要。

2.智能理貨。傳統的計量工作需要人工采集外部信息，通過對講機傳輸，惡劣的工作條件容易造成人為誤差和不必要的人員傷亡。目前，通過在碼頭橋梁部署高清晰度球機，利用5G的大帶寬實現多通道高畫質影像的實時傳輸，同時在邊緣云上部署一個可視化AI服務器，實現集裝箱編號的自動識別、集裝箱損壞識別、集裝箱位置識別。

3.無人運輸系統。傳統的港口卡車靠人工駕駛，駕駛員機械化作業，容易造成疲勞駕駛，影響運輸效率和安全，產生較高的運輸成本。我國部分港口已經實現一定程度的自動化，通過地磁固定線路，并通過遠程網絡控制信息的傳輸。但上述方式存在地磁成本高、性能差的缺點。港口無人駕駛運輸系統是5G技術的關鍵應用方案之一。5G高速率、低延遲、支持大型連接的特征，結合高精度定位和車路協調，可實現內置式卡車自動駕駛和實時傳輸。相對于相對簡單的港口運輸環境，自動駕駛更易于實現。

4.倉儲裝配、調度管理、智能配送。在倉儲作業和遠程駕駛、集裝箱的智能調度中，5G的低延遲和支持大型連接的特性尤為重要。目前，上海京東物流和山東博昌已成為我國典型的5G智能物流示范園區，通過運用智能AI、物聯網、自動駕駛儀等物流技術和產品，實現高智能化、能自主決策的綜合物流系統。無人駕駛車輛可以自動計算進入路徑并匹配相應的停車空間。無人駕駛重型卡車、輕型卡車、巡檢機器人均可調度，基于5G網絡園區防空聯動系統，實現對人、車輛的管理、園區異常預警和實時狀態監控。[4]公園還利用5G實現云倉儲，自動識別倉庫貨物量，自動匹配的車輛，合理規劃路線，并利用AI機器人實現包裹的跟蹤和全過程的監控，并通過視頻記錄存儲。

5.無人機巡檢。目前，人工檢測工作滯后，地面監測網覆蓋范圍有限。5G的高速度傳輸實現了高畫質影像的實時傳回，更加實時、高效、靈活。5G無人機具有操作簡單、效率高、成本低三大特性，能夠支持較多的業務場景，實現端到端解決方案。無人機使用5G技術不僅是無人機的改變，也是指揮系統和管理模式的改變。AI的應用進一步提高了巡邏的性能，而無人機的應用可以較大程度降低勞動力成本，進而降低生產運輸成本。對于高空作業、危險品存儲管理，港口環境巡視也是無人機的應用范圍，不僅可以降低人工成本、避免作業風險，還能提高檢查覆蓋面，通過定時、規劃路線的方式實現全方位無死角檢查，提高檢查質量。此外，無人機還可以與高清變焦攝像機、激光雷達等相結合。通過5G網絡將視頻傳輸到服務器，用戶根據需求在線查看或下載慢速檢查影像，云技術能夠支持大容量的視頻數據存儲，滾動刪除原有信息。5G網絡高速率、低遲延能夠使監控畫面更加清晰，高帶寬使多個設備同時運行仍能保質保量完成監控，進而減少錯錄和漏點的誤差，提升監控密集度。

6.船舶調度。國內外船舶進港，由于外來駕駛員對淺水域的水文地貌不甚了解，為避免發生擱淺等意外事件，引航員帶路的工作必不可少。引航員的作用是指引船舶安全航行、靠離碼頭或通過船閘。船舶通常距離碼頭30-40海里外即需要引航員登船。船長需要語音指引、數據傳輸、實時通訊引導外來船只進港，人員和交通成本均較高。5G技術可以支持實時數據檢測、水文檢測、視頻溝通。無人機引航也能起到輔助引航作用，提高工作效率和引航的精準度，甚至在將來無人機能夠替代人工引航的角色。

三、結束語

5G網絡致力于將各種網絡融合，降低單位信息傳輸成本，順應當下社會發展和技術革新的需要，促使萬物互聯成為可能，它將深刻地影響和改變港口現有的生產方式，逐步優化產業結構，改進工作模式，提高運輸效率，降低單位成本，實現港口運輸生產力的巨大提高。建設智能港口，打造智能航運，需要5G技術的不斷探索應用，不斷推進信息化技術與港口的深度融合，最終讓科技為我國港口發展賦能。

參? 考? 文? 獻

[1]劉耕，蘇郁.5G賦能：行業應用與創新[M]. 北京：人民郵電出版社，2020.01：23-25

[2]王良民.《虛擬網絡新技術》[M]. 北京：人民郵電出版社，2019.04：378-379.

[3]李正茂.《5G+：5G如果改變社會》[M]. 北京：中信出版集團，2019.08：442-443

[4] [日]村上敦伺.5G重塑數字化未來[M].杭州：藍獅子財經出版中心，2020.03：33-35