遠控自動化背景下岸邊集裝箱起重機語音系統分析

吳丞奇

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

為了應對現代岸邊起重設備逐漸走向大型化，起重機的操作員、理貨員、維修人員、場內裝卸員工以及集卡司機的工作位置逐漸分散并超過聲音和目視距離的極限，無法僅通過對話、手勢進行交流，為了應對各工位的信息溝通需求，語音系統成為現代港口起重設備配套標準配套設施。語音系統是維護岸邊起重機場內作業時設備協調運行、人員設備安全作業、方便維護和修理的通訊保障。

傳統的岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）和堆場集裝箱起重機（以下簡稱場橋）以單臺個體設備作為獨立的起重裝卸作業單位，以往機上通訊系統的設計布置方案都是以單機應用的需求為出發點，在滿足標書要求的重要點位附近的人員交流需求下，盡量在語音系統的經濟性、便捷性、通訊清晰性方面進行選型和配套設計優化，以期達到用戶舒適度優化突破。

隨著近年來集裝箱碼頭各類配套設備在數字化、信息化、遠程化等技術應用的逐漸提高和成熟，越來越多的碼頭向著自動化和無人化規模發展。這樣的發展趨勢使岸橋和場橋的工作性質從以往的單體作業發展到由中控協調聯系控制的模式。在此背景下，設備上的語音系統設計和應用需求也必然發生轉變。從碼頭操作部門或維修部門的控制室對前場的作業設備進行語音交互和警示報警已逐漸成為現在的主流要求。通過數字網絡的語音系統逐漸在港口起重設備上嶄露頭角，其中尤以IP網絡電話為代表，新機設備基本會配套IP 語音系統。經多個項目的分析總結發現，目前市場上常用IP 電話通訊方案不能完全滿足用戶需求。供應商在針對IP 電話的設計和開發主要集中在技術層，而不是基于實際使用的應用層特殊場景的交接交互。

本文對通用語音廣播系統定義釋義，結合港口起重機行業常用標書要求，分析了通用語音系統在使用中和行業場景專用要求之間的矛盾。另外，比較了幾種常用語音系統的方案，分析了面對各種應用場景的需求滿足程度和經濟可靠度。最后，闡述能更好地滿足未來發展趨勢的港機語音系統的功能，提出假設的理想解決方案，或能幫助部分應用層公司進行功能開發指向，使未來港機整機產品的效能得到提升。

1 港機用語音廣播系統

傳統的公共語音廣播通訊系統是一種包括麥克風、放大器、揚聲器和相關設備的電子系統。廣義的公共廣播系統能增加人聲、樂器、其他聲源或錄制的聲音或音樂的音量。傳統的港口機械上的各類語音裝置承繼了工礦業使用的語音通訊系統，基本上包含上述廣義語音裝置并因環境不同采用工業防護等級設計。由于港口設備中岸橋的體量較大，功能結構較復雜，本文以岸橋的語音系統展開敘述，主要討論港機設備配套的固定站有線通訊裝置?？紤]到無線對講系統的獨立性應用，本文不作贅述。

1.1 技術規格對語音系統的要求

在生產中，內部語音系統是碼頭企業日常生產的重要組成工具，一般起重機的技術規格書中會按碼頭要求明確需要布置的通訊機的點位。同時，也會附帶對于通訊工況說明，以便于制造商選擇合適的系統方案。常用的岸橋語音系統工況要求主要包括呼叫、廣播、通訊對講（多線程）、報警功能等，還會對設備的防噪、防水、防塵等外形做出相應要求。

由于用于工礦類場景的岸橋語音通訊系統站外形與日常電話機類似，故在國內交流語境中一般會以機上電話代稱語音系統。長期以來，不論用戶、監理和制造商各類人群已習慣此代稱，并不容易產生歧義。然而，作為技術規格的功能分解說明，則有必要進行釋義澄清。在港口機械的技術規格書中，一般會將語音通訊系統分解為對講功能、廣播功能和自動警報功能。對應英語的技術標書來說, 語音系統的代稱可以是Intercom、Telephone、PA(Public Address)等。Intercom 功能一般指機上內部對講裝置，呼叫時整機通語音群所有站點都有呼叫提示音，之后等待相應站點的人員摘機后進行點對點通話；Telephone 與常用固定電話的相似度最高，需撥號（一般為機上站點短號）進行呼叫，僅目標機位有提示鈴聲，待目標機位相關人員摘機后進行通話；PA系統為機上廣播系統，規格書中一般僅要求進行單方面廣播和警示作用設置，無需應答。岸橋上的PA 系統一般僅供操作司機和理貨員進行單方大音量廣播，也有用于如火災等特殊情況觸發的緊急報警廣播聲等。

1.2 幾類常用的港機設備語音系統

1）程控語音通訊系統

適用于岸橋的程控電話語音通訊方案建立在各站點通訊話機接入工業用程控電話交換機的方案之上，并使用工業級安裝要求。程控系統利用電子計算機控制交換機以預先編好的程序控制交換并連續動作，將外部通訊站點進行短號編碼后錄入交換機的對應通訊接口，內部系統可進行點對點撥碼呼叫，僅支持應答相互通話，類似于家用有線撥號電話，操作方面也基本統一。通過交換機外接端口和光纜連接可與外部系統拓展連接，有撥號振鈴功能要求的碼頭團購岸橋時基本采用此樣式。該系統無法實現廣播功能，為滿足技術規格要求的廣播功能需要單獨布置司機室或理貨室外的擴音系統。擴聲系統可用于播音員、表演者等需要在遠程或大范圍內收聽的公共場所。典型的應用包括運動場、公共交通和設施、現場或錄制的音樂場地和活動。圖1 為岸橋程控電話系統圖，簡易示例了某岸橋的語音廣播系統，在應用程控電話系統基礎上另配一套供司機使用的廣播系統，2 套系統其實是相互獨立存在的。

圖1 岸橋程控電話系統圖

2）Page/Party 型呼叫對講系統

將通訊對講和語音廣播功能合為一體，可將基于分散語音放大器結構的總線型通訊系統簡稱為Page/Party型系統。該系統可同時向所有通訊站點進行積極呼叫，又能摘機后進行多機對講廣播，是基于分布式多通道、面向公眾的總線式的通訊系統[1]。圖2 為Page/Party 總線型語音廣播系統的連接圖，其優點是在總線上的每個通訊站有各自獨立的放大器，通過屏蔽雙絞線連接在Page 和Party 總線上，外部獨立設備的單個功能失效不會引起其他站點的通話能力和效果。2 條總線的有效通訊距離可達1.6 km，完全覆蓋目前岸橋內部通訊走線的距離范圍。

3）數字廣播電話系統

數字廣播電話的功能可對整個區域進行廣播呼叫，并同時支持三方通話廣播。該系統是通過線纜數字載波技術在通訊工作環境復雜且有較嚴重干擾的環境下應用的一種廣播電話系統，一般不同的廠商會有差異化的抗干擾語音通訊技術和不同聲音數字處理技術，經過數字數據壓縮方式實現語音信號的無損傳輸，比如DT00 系列電話采用PCM（Pulse Code Modulation）數字處理技術，以正交頻分復用（(Orthogoml Freguency Division Multiplexin，OFDM）技術抗傳輸干擾。由于不同廠家的語音解析和壓縮技術存在差異，對數字傳輸協議不統一，單個數字廣播系統只能單個品牌系列產品單獨組網，跨品牌使用或產品代際升級是難題。

圖3 為數字廣播電話系統圖，由于使用電力線纜載波技術，組網的有效通訊距離一般以系統電源站為圓心，線纜半徑不超過0.5 km，越遠傳輸越不穩定。

圖3 數字廣播電話系統圖

4）IP 網絡廣播電話

IP 電話又稱網絡電話（Voice Over Internet Protocol，VoIP），是一種將音頻和圖像等模擬量信號轉化為數字信號，通過語音或圖像的壓縮算法對傳輸數據進行處理，再按照TCP/IP 標準打包，而后通過互聯網或其他技術網絡傳輸，在接收端將這些數據壓縮包串起來，經解壓縮處理后恢復成原來的語音信號，從而實現新型的語音或者畫面通訊的技術[2]。

以往的IP 電話主要應用在大型公司的內聯網內，技術人員可復用同一個網絡提供數據及語音服務，除了簡化管理更可提高生產力。隨著港口機械行業整體的自動化、網絡化、遠程控制程度提高，大型港口機械使用IP 電話的網絡基礎逐漸完善。為了未來設備可擴充性的預留，越來越多的港口用戶會在技術規格書中要求新訂購港機設備配備VoIP 型語音通訊廣播設備。IP 電話的通訊站只是網絡設備的其中一個終端，功能可通過軟件的設定進行不斷迭代升級。目前，港機設備使用的IP 電話主要有點對點撥號語音呼叫、組網呼叫廣播、網絡內任意電話通訊、一鍵或短號呼叫等應用功能。

IP 電話的信號傳輸需要物理層面的網絡連接，港口機械設備組網的方式需要通過網線、光纜、光電模塊、數字交換機等設備完成。從理論上講，有IP 網絡的地方就能連接到通訊站點，所以站點之間距離不受限制，更易于進行遠距離組網連接。圖4 為較典型的IP 廣播電話組網連接示意圖，圖中可以看到一般網絡電話的終端通訊機信號接口都會采用RJ45(Lan)連接網線，而5/6 類網線的傳輸距離限值為100 m，而實際應用情況中因干擾等因素距離更短一些為宜，故需增加中繼器或通過光纜轉換的形式以延伸網絡。相對于前述幾種傳統的載波和模擬量傳輸的岸橋語音廣播系統，單獨為了IP電話進行網絡組網的元器件費用會有所增加。

圖4 IP 廣播電話組網連接示意圖

2 港口起重及遠控自動化背景下的語音廣播系統

2.1 遠程自動化對語音通訊的功能要求

隨著港口機械朝著自動化信息化方向發展，港口機械逐漸擺脫了以單機為工作單元單獨作業的態勢，轉而要求設備能及時和后場調度和指揮中心語音溝通。對于港機設備語音廣播系統的應用條件和應用場景需求發生了變化，原有的傳統系統在功能性上并不能完全滿足發展中的遠程設備的要求。

從系統的服務對象到應用場景來分析，港口機械通訊系統服務對象一般是在本機的機上人員和配合本機的地面人員，所以涉及到通訊對象有司機、理貨員、集卡司機、鎖頭工（包括船上和陸上）、維修人員等。目前，主流的遠控自動化岸橋已逐漸精簡了理貨員的職能，轉而由視覺識別系統（Optical Character Recognition，OCR）和碼頭操作系統（Terminal Operation System，TOS）相結合的居中調度起到更高效的理貨效能。司機的職能也隨著技術的發展由本地操作改為在遠程中控制進行操控，并隨各類輔助操作子系統的可靠性不斷提高，港口起重機的人工介入需求也在逐漸降低，一個后場的司機可以管理數臺前場設備的運作。在通訊對象變化后，整個前場信息溝通傳遞流程也相應變化。表1 為岸橋常規通訊對象的需求表，顯示了岸橋作業時常規工作人員對通訊站系統的基本要求。

表1 岸橋常規通訊對象需求表

由此可見，相較于單機作業設備，遠控岸橋對通訊系統最大的變動是要使中控室的通訊達到原設備司機室內的控制功能，而中控室設置在碼頭操作部后場，距離前場設備可達千米距離?；诎稑虻脑O計結構，有線通訊需要在大車卷盤電纜內設通訊光纜，并在遠控端與本地端安裝解調器。圖5 為中控與前場設備連接示意圖，圖中顯示了岸橋通訊機與遠端的連接關系，即使普通的單模光纜的信息傳輸距離也可達到10 km，碼頭內部的通訊信號連接可以實現。

圖5 中控與前場設備的連接示意

2.2 語音系統對遠控要求的符合性

1）數字廣播電話

數字廣播電話的聲音壓縮解壓微處理器由各制造商自我定義，不同廠家會采用不同的載波通訊私有協議，部分廠家甚至未開發通過光纜傳輸的解調器，而不是所有供應商都會向整機廠或碼頭用戶公開通訊協議，該類型的通訊機只能作為設備單機使用，并不適用于遠控設備的語音系統。

2）程控電話

程控電話系統采用的是國際通用電話標準，理論上可以通過光纜轉換器將港機設備語音系統主機與碼頭內部電話網絡甚至公共電話網絡相連接。然而，該系統僅能支持點對點通話和撥號功能，無法實現對遠端港機設備端廣播功能，信息傳遞功能部分受限。

3）Page/Party 型應通訊機

通過分布式放大器的總線型通訊廣播系統，理論上可以通過制造商專有解調設備經光纜將聲音信道連接到中控室，相當于在中控室設置一臺機上通訊機，能滿足中控對遠端廣播功能。但是，該系統總線傳輸為模擬量信號，抗干擾能力較差，且技術上信道擴展容量有限，有些制造商的產品至多可以設置5 個通話信道，僅有1個呼叫信道[3]。1 個操作臺要呼叫就會對所有對應的前端設備進行廣播，這樣的大總線廣播產生過度語音信息冗余，對于遠控港機設備端配套人員造成信息誤傳導的風險增大。

VoIP 型電話通過IP 網絡傳輸數字信號，經過國際通用協議SIP 進行調制解析，具有簡單靈活高效的特點，終端通訊設備在遵循通用協議的情況下無需配套相同品牌就可應用。由于IP 電話總體上就是網絡終端設備，實現的功能可以按主網絡服務器網絡程序進行編譯，所以可較大程度地滿足遠控港機設備的點對點語音呼叫、網絡內任意范圍廣播、全網緊急呼叫以及組網內部任意電話語音通訊等功能?？紤]到港機設備的網絡化發展方向和未來可擴展可升級性要求，IP 電話是遠程自動化港機配套語音系統較好解決方案。不過，單機設備通訊系統單獨組網還要添加光電轉換和額外布置額外保護箱體，從而使IP 電話的系統使用成本居高不下，遠超過其他通訊廣播系統。

2.3 現行IP 電話的實踐和配置方案

以常規的岸邊集裝箱起重機為例，圖6 是常規岸橋IP 通訊組網示意圖，展示了常用岸橋IP 通訊點位基本布置，共14 個通訊機位置，5 個光轉模塊罩殼箱，連接線纜的標注用于說明整機組網通訊情況。

圖6 常規岸橋IP 通訊組網示意圖

圖中組網方案考慮到5/6 類網線的網絡信號傳輸距離，通過在部分點位增設光電網絡裝換器控制箱達到組網距離延伸的目的。根據工程實踐和理論數值，現行基本的距離閾值是小于80 m 的網絡連接采用網線，超過的區域采用光轉網形式延伸[4]，遠程可通網至中控室。

2.4 優化方案的展望

分析現行IP 電話通訊的方案，由于普遍采用通訊系統獨立語音交換機和單獨進行組網的形式，不僅需要額外的組網光纜和網線，更需增設獨立光電轉換模塊的控制箱并配線，組網成本極大提高，增加了港口機械設備供應商的負擔。為了更好地降低成本，在網絡化和物聯網時代的港機通訊系統優化應朝硬件配置網絡復用和軟件系統平臺融合的方向發展。

由于VoIP 通訊系統在港機設備獨立組網的方式成本過高，在遠程自動化港機的基礎設計配置中顯得相當突兀。遠控自動化岸橋的標準功能布置需配置整機CCTV 系統網絡和其他工業總線控制網絡（PN）。圖7為遠控岸橋視頻系統的布置圖，顯示了遠控岸橋的視頻系統需要網絡通訊的點位圖。由該系統組網方式可知，視頻系統的組網網關布置點位基本可以覆蓋IP 語音系統的組網要求?；赩oIP 技術的IP 通訊機是基于網絡方式進行語音信號的傳輸，利用壓縮、打包等一系列處理方式，最終形成語音信號，具備較強穩定性，對所需傳輸帶寬僅僅為64 kbit/s[5]。視頻系統的組網網關模塊一般采用千兆光電轉換一體式網絡交換機，按照理論值計算，即使是同一網絡交換器，在接入數臺高清視頻攝像頭的情況下仍能提供足夠帶寬讓IP 語音系統正常通訊。硬件的組網融合使原有網絡得到復用，減少了冗余建設，能大大降低方案的配置成本。

圖7 遠控岸橋視頻系統布置圖

現行語音系統軟件的優化應聚焦于系統平臺的整合，即將IP 語音交互控制軟件融合入遠控系統的主交換系統，在遵守通用SIP 協議的約束下，視頻流和語音流可以歸一[6]，最終優化目的是與遠控視頻系統進行打通聯動。中控室司機的信息流傳達需通過廣播形式，而最新的遠控自動化岸橋已嘗試實現跳臺功能，跳臺即指1 個中控室的操作臺對應多臺前場岸橋設備。如果語音系統按現有設計獨立于視頻和遠控系統，不能正確自動切換對應設備，而需要人工設置，則語音信息傳導對象錯誤的概率就會大大提高。當同一個遠控臺的視頻顯示和語音廣播通訊對應不同設備時，遠程司機的裝卸船生產極有可能出現事故。為避免視頻流和語音信息流的不一致，IP 語音系統的軟件整機融合是合理優化發展方向。

3 結語

港機用有線語音系統具有廣播、擴音對話呼叫等功能，在面向自動化遠程化的港口機械發展趨勢背景下對語音系統的配置和功能提出了新的要求。本文通過常用港機語音系統的闡述，比較了遠控網絡傳輸環境下各通訊系統的適應性，從而推薦面相未來可升級可迭代的VoIP 電話廣播系統。在分析VoIP 電話在現行岸邊集裝想起重機設備上的組網和語音通訊功能后，提出了IP語音系統軟硬件層面的不足。在此基礎上，面對IP 系統硬件單獨組網成本過高的問題，介紹了遠控視頻和IP語音系統組網融合的方案。另外，對遠控岸橋操作臺多機跳臺工況下獨立語音系統存在的風險，提出修改語音交換機/網絡方案為系統平臺軟件/網絡方案的設想，更好地融合視頻流與語音流。

港口機械領域正隨著時代大勢朝向萬物互聯的方向前進，若將有線通訊、無線對講、廣播等系統整合、組成一套立體的內部對講網絡方案，不僅減少人員溝通需求的頻繁走動，提高生產效率，提升企業效益，更可在面對緊急事件時及早發現、及時了解、充分溝通、減少人員財產損失。