面向智慧港口的5G融合组网方案研究

 2023年1月10日第40卷第1期

ＤＯＩ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２３．０１．０４９

通信网络技术

面向智慧港口的5G融合组网方案研究

敖 婷

（中移（上海）信息通信科技有限公司，上海 201206）

摘要：根据港口在进行数字化转型过程中几个典型自动化业务对通信网络的需求，结合港区网络的现状和5G

网络的特点，提出了一种港口的5G融合组网方案。将港区网络和5G移动网络联合组网，发挥港区基础设施资源的

优势，以满足港口业务自动化带来的特定需求，缓解5G网络上行带宽的限制，帮助港口尽快提高信息化水平，降低

港区改造建设成本，符合智慧化港口的发展方向。

关键词：5G智慧港口；自动驾驶；港机设备；路侧计算网元

Research on 5G Convergence Networking Method for Smart Port

AO Ting

(China Mobile (Shanghai) ICT Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Abstract: Based on the requirements of the automatic application in intellegnet port along with the

digital transformation, this artivle propose a convergence networking method by taking advantage of the benefit of the

port network and the 5G mobile network. The convergence networking method can meet the specific needs brought by

port automated business, alleviates the restriction of 5G network uplink bandwidth, help the port the improvement the

port informationization level, reduce the port reconstruction cost which conforms to the direction of intelligent ports.

Keywords: 5G intellegent port; automatic drive; port machinery equipment; roadside computing network element

0 引 言

港口作为一个国家或地区位于海岸的门户，是

综合交通运输枢纽，对经济发展起着举足轻重的作用。

在“工业4.0”和“互联网+”发展的大时代背景下，

港口也存在着进行数字化、全自动转型升级的迫切需

求。对此我国多次提出了要建设智慧化港口的政策和

指导性意见，广泛开展了港口智能化、数字化研究和

标准体系建设。

2019年11月6日，中国交通运输部联合多部委

印发了《关于建设世界一流港口的指导意见》，提出

到2025年，世界一流港口建设取得重要进展。2022

年3月，交通运输部印发了《水运“十四五”发展规划》，

提出了“强基优能，打造高能级港口枢纽”等八项重

点任务。2020年10月，IMT-2020（5G）推动组发布

了《智慧港口5G应用》白皮书，系统总结了5G+智

慧港口业务场景需求和潜在的港口5G网络切片架构。

此外，中远海运港口有限公司、中远海运科技股份有

限公司、中国移动还联合发布了《5G智慧港口实施方

案和路线图》，提出了5G智慧港口的定义和建设愿景。

随着5G网络技术的发展，5G网络的建设也在

2019年全面铺开，截至2022年3月，中国移动累计

建设5G基站超80万座，计划2022年底5G基站数

收稿日期：

2022-11-01

作者简介：

敖 婷（1978—），女，江西南昌人，硕士研究生，

工程师，主要研究方向为网络通信、交通等垂直行业的5G

网络应用和关键技术。

累计超过100万站。通过充分发挥2.6 GHz/4.9 GHz

容量优势和700 MHz覆盖优势，多频协同、高效部署，

可以更进一步提升重点区域（如交通枢纽、港口、车

流量高的高速公路等）的5G网络能力。

5G基本满足了大部分垂直行业的各类差异化通

信需求，如何利用5G网络技术带动港口朝着自动化、

网联化、数字信息化方向快速发展，通信行业联合交

通运输行业共同进行了相关方案技术上的研究和应用

实施上的探索。

1 智慧港口自动化业务

1.1 5大关键业务

结合港口的船舶装卸、水平运输、堆场装卸等

主要环节，可以为智慧港口梳理出以下几大自动化业

务场景。

1.1.1 船岸协同靠离泊

船和岸（港口）之间通过5G通信技术实现船舶

及船上系统信息、船舶靠离泊全方位环境感知等信息

的高速交互，实现船-船、船-岸之间的信息互联互通，

从而实现船舶的远程控制和自主靠离泊，提高船舶航

行的安全性、经济性以及环保性

[1]

。

1.1.2 港机设备远程遥控

借助5G网络低时延特性对港口的港机设备如岸

边集装箱起重机、轮胎式集装箱门式起重机、轨道式

集装箱门式起重机等进行远程控制，从而实现港区垂

直运输常态作业的业务应用。远程控制岸边集装箱起

重机，将集装箱从船上卸货；在堆场中远程控制集装

·

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[2]

箱门式起重机，将集装箱装在外集卡上（反向同理）。

1.1.3 无人集卡自动驾驶

借助5G网络多连接的优势，港口生产管理系统

根据码头运输任务对无人集卡下发自动路径规划并进

行任务调度，指导无人集卡自动驾驶，对无人集卡进

行远程实时监控。无人集卡根据调度任务指令自主驾

驶，实现集装箱从岸边起重机到堆场起重机的集装箱

运输

[3]

。此时的无人集卡应该具备L4级自动驾驶等级，

同时具备自动导航、精准定位、自动识别以及自动避

让等功能。

1.1.4 无人集卡远程遥控接管

借助5G网络多连接、大带宽、低时延等优势，

在出行异常、路况异常等无人集卡无法继续自动驾驶

的情况下，需要对无人集卡实施远程驾驶操作。通过

单车状态上传、本地实施视频上传、远程指令下发、

远程实时控制等系列操作和信息交互，实现远程遥控

驾驶舱对无人集卡的远程遥控驾驶操作。

1.1.5 智能理货

借助5G网络、人工智能（Artificial Intelligence，

AI）等多种信息通信领域技术（Information and

Communications Technology，ICT）实现港口货物装卸

理货的自动化流程，包括集装箱、散装货及装拆箱等

理货业务，需要支持多路高清摄像机获取货物外观图

像回传或作业数据自动导入、理货要素自动识别与比

对、货物积载定位、货物残损鉴定、理货结果实时同

步与单证自动生成等。

1.2 通信需求

2 智慧化港口的5G网络融合

2.1 港口网络建设现状

港区关键自动化业务均涉及到控制流业务与视

频监视流业务，控制流对时延要求较高，视频流业务

对上行带宽要求较高，具体如表1所示。

目前的港口系统多，通信方式也多，网络建设

基本还是有线方式，如以太网、光纤、波导管等，并

结合部分Wi-Fi、无线专网来满足基本的办公、生产

作业、业务管理等各方面需求。

对于传统办公、管理相关的业务基本用以太网、

光纤、Wi-Fi等方式来建网，而对于一些具有一定移

动性的集装箱码头等作业区域，初期也是通过光纤、

波导管或无线专网等方式进行通信。光纤通信虽然保

证了可靠性和带宽，但灵活性上却受到了制约，只能

在同一堆场操作，如果需要转场，则需要人工协助，

费时费力，并且后期改造会严重影响作业生产。随后，

有的港口采用波导管加局部转场无线覆盖通信，其优

点是不需要进行电缆卷盘改造，转场相对电缆卷盘灵

活，缺点是需要在轮胎式门式起重机大车侧面建设通

信架用于固定的波导管架，对集场的道路交通有较大

影响，同时土建改造和日后维护要求也很高。

因此，综合考虑港区的各个应用业务以及不同

网络规划部署、安全、覆盖、工况、运维和运营等各

个方面，基于移动网络形成一套统一的网络解决方案，

将港口网络和5G网络进行融合，符合智慧化港口的

发展方向。

2.2 面向港口的5G融合组网方案

港口自动化最为典型的2大业务是无人集卡的

水平运输以及港机设备的垂直运输。远程控制场景业

务流程复杂，涉及大量的交互数据，如控制数据流和

视频流等，其中控制流有很高的网络时延要求，而视

频流则需要网络上行超强带宽的保证，因此对5G网

络的时延、上行带宽提出了非常高的要求

[4]

。

表1 港口业务的通信需求

自动化业务

船岸协同靠离泊

控制流要求

对网络时延要求比较高，通信时延应小于100 ms

港机设备的定位精度一般为毫米级，

对网络的实时性、可靠性等方面的要求很高，

通信时延应小于30 ms，可靠性要求99.99%

基本属于单车智能的范畴，接收港区下发的任务调

度指令，对网络时延要求不高，

通信时延小于200～300 ms即可

无人集卡一般以30 km/h的速度低速行驶，

对网络实时性、可靠性等方面的要求很高，

通信时延应小于30 ms，可靠性要求99.99%

机械操作速度较慢，网络时延要求较高，

通信时延应小于150 ms

视频流要求

船舶靠离泊环境、船舶自身系统复杂，视频监测数据要求高，

上行带宽应不小于100 Mb/s

上行带宽要求和视频分辨率和安装的视频个数相关，

4K视频的上行带宽应大于16 Mb/s，下行带宽应大于100 kb/s

港机设备远程遥控

无人集卡自动驾驶

基本属于单车智能的范畴，无人集卡上传自身状态，

接收任务调度指令，上、下行带宽大于128 kb/s

无人集卡远程驾驶

上行带宽要求与视频分辨率和安装的视频个数相关，

4K视频的上行带宽应大于16 Mb/s，下行带宽应大于100 kb/s

上行带宽要求与视频分辨率和安装的视频个数相关，

4K视频的上行带应大于16 MB/s，下行带宽应大于100 kb/s

智能理货

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港区内的融合网络包括了港区网、5G移动网、

数据中心以及远控中心。其中，港区网主要是用于为

港区业务提供交通、环境等的感知，可以采用Wi-Fi

等通信链路，实现路侧数据到机房核心交换机的汇聚，

云平台对全域感知数据的分析处理。5G移动网主要

用于支持各类有移动需求的业务场景，港区管理系统

通过5G网络收集无人集卡车辆的状态数据、位置数据、

采集的视频数据等。同时，港区管理系统通过5G网

络为港区移动设备（如港机起重机、无人集卡等）提

供相应的服务数据。

数据中心位于港口机房大楼，是港口正常运转

的中枢所在，主要用于生产作业数据的处理、分析、

存储，并协同港区网和5G移动网的数据通信，确保

任务的正常开展。远控中心配备各类工业控制器、远

控系统、显示器和操作台，主要用于生产作业的远程

遥控。部署在港区内可以降低时延，和数据中心互联，

接收来自港区基础设施采集的各类交通、环境数据，

为远程控制港区移动设备提供依据和支撑。

为了将港区网和5G移动网在网络层面互连，利

用5G网络控制面与数据面的分离特性，将5G数据

用户面功能（User Plane Function，UPF）下沉到港区

网络内，一方面可以保证数据不出园区，另一方面

可以降低数据传输时延，满足了港区实时性要求高的

业务需求

[5]

。在本港区融合网络架构中，通过UPF，

港区移动设备的相关业务数据可以由5G信号直接接

入港口的管理系统中。同时，为了能更高效地将港区

网数据接入5G移动网的业务层面，建议在港区网中

引入路侧计算网元，将港口的各类感知监测设备、管

控设备等接入该路侧计算网元中，通过港区网将该路

侧计算设备接入到港区的数据中心管理系统中。这里

部署的路侧计算设备可以接近监测设备侧，采用分布

部署的方式，重点区域重点部署。此外，也可以靠近

港区数据中心侧，提前对进入到数据中心的海量感知

数据过滤清洗，确保数据的安全性和有效性。

引入路侧计算网元主要对接入数据进行融合计算

分析，可以提供更高精度和更可靠的融合感知结果，完

成目标的识别、分类、追踪以及轨迹拼接等，并将相关

计算结果以结构化的数据形式上传至港区管理系统。

路侧计算网元上传给港区管理系统结构化的感

知数据主要包括了港区内的车辆数据、人员数据、道

路状态数据、交通事件数据以及交通态势数据等。港

区管理系统从路侧计算设备融合感知的结构化数据、

无人集卡上报的车辆状态结构化数据。结合对港区环

境的感知获取，根据港区或港口集团下发的装、卸货

调度任务，解析为对应的任务动作指令，如5G通信

网络给港区移动生产作业设备（无人集卡、港机）下

发路径规划、线路指引、操作指引和远程遥控驾驶等

相关控制信息指令。

2.3 实现“1+1＞2”

通过本融合组网方案，可以充分利用港口网的

各类信息数据，处理分析后通过5G移动网络再服务

于港口的各类自动化业务。该方案可以充分利用现有

港口网资源，避免港区内大量基础设施重复建设。由

于充分利用了港区基础设施及其相关数据采集，依托

港区网的数据传输能力，在很大程度上减少了对5G

网络上行带宽的需求，避免了因上行带宽不足导致港

区远控业务无法实施的问题。部分功能需求（如感知、

计算等）转移到了港区侧，尽可能降低了对港区移动

生产作业设备的配置要求，降低了设备成本。此外，

提高整体港口通信网络的稳定性，帮助港口设备和生

产系统同步协调，提升港口作业效率和智能化水平。

3 结 论

鉴于港口业务的多样性、复杂性，在对港口进

行自动化改造的过程中，除了需要应用5G移动通信

技术外，还要结合高清地图、高精定位、北斗、大数据、

人工智能等多种技术，因此智慧港口的发展必然是阶

段式、分步骤的。基于5G新基建，与港区基础设施

建设、港口运输业务深度融合，实现港口资源的最优

化配置，符合港口向着信息化、数字化、自动化、智

能化方向转型的需要，也是智慧港口演进过程的必经

之路。在后续智慧港口网络建设方案规划设计中，应

该更加聚焦港口运营、生产、安全、绿色等业务需求

的细化，进一步打造ICT技术和港口生产经营发展的

深度融合，从而为不同业务提供更加精准、高效的定

制化通信服务。

参考文献：

[1] 薄明霞，白 冰.5G智慧港口行业应用安全

解决方案[J].信息安全研究，2021，7（5）：

428-435.

[2] 朱 峥，苏 玮.5G智慧港口的设计与实现[J].

智能建筑与城市信息，2021（4）：81-86.

[3] 孙 航，张 森，张 行.港口无人驾驶集装

箱车测试方法研究[J].中国汽车，2022（9）：3-6.

[4] 王 东，张 龙，程锦霞，等.基于运营商

专网的5G智慧港口解决方案[J].移动通信，

2019，43（9）：53-56.

[5] 朱 浩.3GPP 5G系统架构 支持工业互联网标

准的进展[J].通信世界，2019（9）：17-19.

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