趙華 嚴(yán)梁 周哲斌 郭興政 李舵

自2018年開(kāi)始，第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5th genera-tion mobile communication technology，5G）逐步投入商用。港區(qū)堆場(chǎng)輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)離不開(kāi)無(wú)線通信技術(shù)支持，為此，上海冠東國(guó)際集裝箱碼頭有限公司聯(lián)合上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司針對(duì)港區(qū)堆場(chǎng)輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)開(kāi)展5G測(cè)試應(yīng)用，為后續(xù)堆場(chǎng)輪胎吊遠(yuǎn)程無(wú)線通信提供新的有效途徑。

1 港口無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用情況

1.1 港口無(wú)線通信需求

無(wú)線通信是港口信息化建設(shè)的重要組成部分。港口無(wú)線通信需求大致可分為以下幾類(lèi)：（1）語(yǔ)音類(lèi)無(wú)線通信需求，主要適用于對(duì)講機(jī)等;（2）港區(qū)業(yè)務(wù)操作類(lèi)無(wú)線終端通信需求，主要適用于碼頭操作系統(tǒng)手持終端或車(chē)載終端;（3）其他輔助業(yè)務(wù)無(wú)線通信需求，主要適用于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及無(wú)線熱點(diǎn)使用等。上述無(wú)線通信需求中，只有輔助業(yè)務(wù)無(wú)線通信使用免授權(quán)的2.4 GHz或5.8 GHz頻段，其他港口無(wú)線通信均使用專(zhuān)屬頻段，以保障業(yè)務(wù)穩(wěn)定和系統(tǒng)正常。隨著自動(dòng)化碼頭的日漸興盛，港口無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域包括智能識(shí)別系統(tǒng)、小車(chē)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)、輪胎吊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等。

移動(dòng)通信在工業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用始于第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4th generation mobile communication techno-logy，4G），其優(yōu)勢(shì)在于信號(hào)覆蓋能力和漫游處理能力較強(qiáng);但由于其使用的授權(quán)頻段帶寬有限，在業(yè)務(wù)上以信息傳遞為主。隨著具有大帶寬、低延時(shí)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的5G逐步投入商用，其工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用成為新課題。

1.2 5G在輪胎吊遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用

遠(yuǎn)程控制是自動(dòng)化輪胎吊的重要功能模塊。從業(yè)務(wù)特點(diǎn)來(lái)看，輪胎吊遠(yuǎn)程控制的通信內(nèi)容包括：（1）低延時(shí)實(shí)時(shí)視頻傳輸業(yè)務(wù)，其對(duì)帶寬的要求較高;（2）低延時(shí)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)，其對(duì)可靠性的要求較高。5G具有大帶寬、低延時(shí)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效滿足輪胎吊遠(yuǎn)程控制的通信需求。

目前，輪胎吊遠(yuǎn)程控制一般采用以下通信實(shí)現(xiàn)方式：（1）改造高壓電纜卷盤(pán)，附帶增補(bǔ)光纜;（2）改造地面滑觸線支架，并部署漏波電纜或波導(dǎo)管通信。這兩種通信實(shí)現(xiàn)方式具有改造門(mén)檻高、對(duì)地面基礎(chǔ)設(shè)施的要求高、后期維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，并在一定程度上限制了輪胎吊調(diào)度的靈活性。部分輪胎吊遠(yuǎn)程控制采用無(wú)線通信模式，存在通信設(shè)備普及性差、后期維護(hù)門(mén)檻高等問(wèn)題。隨著5G在輪胎吊遠(yuǎn)程控制無(wú)線通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)常態(tài)化應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用已積累一定經(jīng)驗(yàn)。

2 港口5G網(wǎng)絡(luò)布局及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)布局

與4G相比，5G在實(shí)時(shí)性、可靠性和帶寬等方面更具優(yōu)勢(shì)。測(cè)試結(jié)果顯示：目前5G在完全下沉邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)（業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)）情況下的平均延時(shí)不超過(guò)15 ms，最大延時(shí)不超過(guò)200 ms，單扇區(qū)上行帶寬可達(dá)150 Mb/s，在封閉場(chǎng)景下可以為大多數(shù)港機(jī)中低速實(shí)時(shí)操作提供無(wú)線通信支持。根據(jù)港口實(shí)際情況，可以將5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)定為以下幾類(lèi)。

（1）5G公網(wǎng)通信，設(shè)備通過(guò)純消費(fèi)級(jí)5G公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)通信。5G公網(wǎng)通信的優(yōu)點(diǎn)在于初始建設(shè)成本低，可利用現(xiàn)有基站或按照消費(fèi)級(jí)場(chǎng)景增補(bǔ)5G基站，并配合園區(qū)內(nèi)的固定公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接;其缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性較差，且延時(shí)較長(zhǎng)。此類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)適用于項(xiàng)目初期技術(shù)論證、大型項(xiàng)目早期啟動(dòng)階段、非關(guān)鍵輔助業(yè)務(wù)搭建以及預(yù)算有限的小型項(xiàng)目。

（2）5G業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)通信，設(shè)備通過(guò)專(zhuān)用基站或共享基站在本地邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的幫助下實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)通信。此類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)時(shí)性較好，缺點(diǎn)是一次性投入成本較高，適用于對(duì)業(yè)務(wù)穩(wěn)定性有一定要求的大中型項(xiàng)目。

（3）5G數(shù)據(jù)園區(qū)閉環(huán)通信，設(shè)備依賴(lài)專(zhuān)用基站、本地邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和相關(guān)通信管理控制器實(shí)現(xiàn)完全本地化部署。此類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)可靠性和安全性較高，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，適用于對(duì)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全要求較高的大型項(xiàng)目。

港口企業(yè)可以根據(jù)項(xiàng)目屬性或者項(xiàng)目階段選擇通信網(wǎng)絡(luò)模式，并可根據(jù)需要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)。

2.2 5G應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

5G設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)性和統(tǒng)一性方面有較大進(jìn)步。原有的工業(yè)無(wú)線通信系統(tǒng)的基站和設(shè)備終端一般都是廠家配套產(chǎn)品，其兼容性和產(chǎn)品互選能力不強(qiáng)，需要通過(guò)比較復(fù)雜的技術(shù)手段來(lái)整合，導(dǎo)致后期維護(hù)和使用面臨一定風(fēng)險(xiǎn)。例如：?jiǎn)我粺o(wú)線終端設(shè)備停產(chǎn)會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用困難，而設(shè)備性能越先進(jìn)，其應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)就越高。相比之下，基于第三代合作伙伴計(jì)劃的移動(dòng)通信生態(tài)系統(tǒng)則在技術(shù)升級(jí)迭代上有明確的行業(yè)規(guī)則和步驟?；谶\(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)通信擁有授權(quán)的通信頻段和專(zhuān)門(mén)的通信運(yùn)營(yíng)公司長(zhǎng)期服務(wù)于社會(huì)，在無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用及維護(hù)上擁有廣泛、可靠的社會(huì)資源。

3 港口5G應(yīng)用存在的問(wèn)題

3.1 技術(shù)方面

由于無(wú)線通信傳播介質(zhì)的不確定性較大，導(dǎo)致無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能弱于有線網(wǎng)絡(luò)。目前，工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多基于有線通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合無(wú)線通信特點(diǎn)在通信控制處理方面作相應(yīng)調(diào)整。例如：在有線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)通斷是核心問(wèn)題，通信質(zhì)量問(wèn)題僅為較少出現(xiàn)的異常情況;而在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通信質(zhì)量則是整個(gè)通信過(guò)程中須持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。5G雖然擁有大帶寬的優(yōu)勢(shì)，但整體帶寬仍有一定局限性，在行業(yè)應(yīng)用中須盡量在應(yīng)用層面實(shí)施上行帶寬優(yōu)化。目前視頻編碼仍沿用互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控場(chǎng)景下的視頻編碼格式，與實(shí)時(shí)操作場(chǎng)景下的視頻編碼有一定差異，亟待優(yōu)化完善。隨著單一設(shè)備自動(dòng)化程度提高，集群設(shè)備同時(shí)在線的概率將有所降低。從技術(shù)角度來(lái)看，港口行業(yè)針對(duì)5G的優(yōu)化和改良空間較大，需要對(duì)相關(guān)技術(shù)實(shí)施相應(yīng)的調(diào)整與升級(jí)。

3.2 應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)方面

不同于消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)碎片化但又具備一定深度的生態(tài)區(qū)域，每個(gè)行業(yè)都有自身的特點(diǎn)和屬性，并配套相關(guān)的生態(tài)循環(huán)。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的搭建需要與配套技術(shù)廠家進(jìn)行技術(shù)磨合，并按照行業(yè)節(jié)奏開(kāi)展前期洽談、預(yù)算估價(jià)、方案制作、招投標(biāo)、行業(yè)采購(gòu)、整合制造、調(diào)試交付、后期運(yùn)維等。各個(gè)行業(yè)在不同環(huán)節(jié)都有各自的特點(diǎn)和規(guī)則，在搭建移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，要求行業(yè)實(shí)施自我調(diào)整，或與運(yùn)營(yíng)商協(xié)調(diào)，或與其他系統(tǒng)合力建設(shè)生態(tài)系統(tǒng)，方可實(shí)現(xiàn)比較完備的系統(tǒng)搭建。

以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基站架設(shè)為例：基站鐵塔一般分為園區(qū)內(nèi)自有鐵搭和新建鐵搭，兩者均涉及運(yùn)營(yíng)商的多組專(zhuān)業(yè)施工，施工專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)且流程較為煩瑣，從而導(dǎo)致施工周期較長(zhǎng)、協(xié)調(diào)難度較大等問(wèn)題;完工后的基站屬于移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商資產(chǎn)，后續(xù)的檢查維護(hù)必然由移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)，從而導(dǎo)致故障排查效率低于本地人員故障排查效率;在基站電費(fèi)及基礎(chǔ)設(shè)施租賃費(fèi)等方面，存在業(yè)主與運(yùn)營(yíng)商協(xié)調(diào)難的問(wèn)題;此外，后期巡查涉及相關(guān)人員準(zhǔn)入問(wèn)題等。

就目前來(lái)看，5G尚未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用;但隨著工業(yè)信息化、遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化的發(fā)展以及工業(yè)場(chǎng)景日益復(fù)雜，移動(dòng)無(wú)線通信必然成為承載關(guān)鍵業(yè)務(wù)的通信手段。就港口而言，覆蓋全港區(qū)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)能助力港區(qū)內(nèi)任意場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，進(jìn)而使得對(duì)自動(dòng)化的關(guān)注重點(diǎn)從技術(shù)轉(zhuǎn)向性價(jià)比。移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)下港口自動(dòng)化場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)模式可以推廣應(yīng)用至其他工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景乃至社會(huì)自動(dòng)化場(chǎng)景，其前提是擁有完善的工業(yè)級(jí)無(wú)線通信基礎(chǔ)資源。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G從理論到實(shí)際應(yīng)用仍有一定的距離，這是新技術(shù)發(fā)展的必然過(guò)程。5G在港口領(lǐng)域的應(yīng)用只是眾多工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用中很小的一部分，但其成功案例可為其他行業(yè)5G應(yīng)用提供參考和借鑒。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-12-02）