智慧港口5G专网应用白皮书

IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书言港口作为一个国家或地区位于海岸的门户，对经济起着举足轻重的作用。我国有着长达1.84万公里的海岸线，约148处沿海口岸。2018年，我国港口货物吞吐量完成143.51亿吨，居世界第一。2018年港口货物吞吐量世界排名前十的港口中，中国占了7席。2019年中国规模以上港口货物吞吐量保持高速增长。在中国内需提振及内河港口货物吞吐量增长强劲的带动下，中国规模以上港口共完成货物吞吐量139.5亿吨，同比增长8.8%。发展，在大数据、5G技术、区块链技术、云计算技术等最先进的ICT技术的带动下，港口也正在朝着数。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》。该《意见》以高质量发展为导向，从安全便捷、智慧绿色、经济高效、支撑有力、世界先进等5个方面设立了16项港口发展指标。同时，《意见》还对聚焦港口发展的关键领域和薄弱环节，从港口综合服务能力、绿色港口建设、智慧港口建设、融合开放发展、平安港口建设、港口治理体系六个方面明确了本白皮书将充分利用5G技术的低时延、高可靠、大容量等特性，结合5G专网方案，以及已经实施的一些港口示范案例，为智慧港口场景中典型应用：船岸协同，码头设备控制，港口基础设施维护巡检，运输智能化、仓储物流，港区办公和管理等提供多样化的高质量、经济、安全、可靠的5G端到1IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书概述P2场景需求分析及业务架构P4面向港口的5G专网解决方案P23应用案例与示范P30总结与展望P34主主要贡献单位P35IMTG)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力2IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书现代港口的功能随着时代的变迁也在不断变化和丰富，早期的第一代港口主要起着运输枢纽的作用，第二代港口则定位于装卸和服务，第三代港口定位于贸易与物流中心，第四代港口则向着枢纽转随着人们认识的不断进步，以及在“互联网+”和“工业互联网”大发展的时代潮流共同推动下，港口向着信息化、数字化、自动化、智能化方向转型也成了必然趋势。近年来提出“智慧港口”的概念，就是以现代化基础设施设备为基础，以移动通信，互联网，云计算、大数据、物联网、智能控制等新一代ICT信息技术与港口运输业务深度融合为核心，实现港口资源最优化配置，满足多层次、高效、经济、敏捷、安全、环保的高品质港口装卸、运输和物流服务要求，形成具有生产智能、管理智有力等鲜明特征的现代港口装卸、运输、物流、服务新业态。势未来港口智能化进程中面临的诸如港务人员智能监控、集卡/集装箱监控与识别、AGV引导与控制等场景均会使用到AI、机器视觉等相关功能，因此需要较高的上行速率和容量、极低时延、数据隔离等网络条件。而5G技术具有大带宽、低时延、高可靠等特性，适配港口智能化的需求。通过5G-V2X车联网技术，无人集卡在港口的应用痛点得以解决；通过5G技术连接可以实现岸桥自动化/半自动化作业，实现远程抓取和运输集装箱等等。5G技术的应用能够降低港口智慧化建设和运营维护的成本，同时提高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另一方面，港口的发展和船舶运输是密不可分，近50年来，船舶的智能化，大型化和企业联盟化第一，靠离泊和装卸能力挑战。现代大型港口除了对自然水深条件的严格要求外，由于超大集装箱船的出现，对于集疏运能力也提出了严峻挑战。港口不仅需要提升集疏运体系通过能力、堆场堆存3IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书能力，还需要协调港口各作业系统，实现高效配合。因此，在港口数字化的基础上，自动/远程驾驶，自动装卸运输、基础设施智能巡检和保障，AI无人化园区管理等新技术将成为未来帮助港口应对这一第二，口岸服务和信息化水平挑战。船舶大型化和企业联盟化意味着货物的水水中转频率增加，国际中转运输需求也将不断增大。因此，港口需要不断提升口岸通关效率，提供更好的中转运输服务。这就要求港口智能化建设、信息化水平不断向前，保障装卸速度的同时，还需要更快的疏港能力。这包括港口信息数字化采集，港口信息系统建设，港口互联网应用开发，港口应用系统数据融合管和智能政/服务等。第三，港口及船舶的靠泊安全挑战。与原来中小吨位船舶相比，大型船舶可控性难度更大，这直接影响并加大了船舶进出港口和靠离泊位操作的危险性，也是船舶碰撞码头事故发生频率增加的主要原因。现代智能船舶通过整合最先进的智能传感、通信，自动控制和信息处理技术，可以实现船岸信息感知和整合，并通过AI技术进行智能决策和自主控制，辅助或替代部分或全部人类驾驶操作，进而：•增强驾驶船舶；•辅助驾驶船舶：•船端人船协同•岸端人船协同为应对以上这些挑战，未来的智慧港口应至少包括但不限于以下功能：船岸协同，码头自主装卸，码头设施和设备的智能维护，港区的智能运输，港区智能管理，港口的智能政务(如海关，检疫和税收等)，港口的智能商务(如贸易，物流，堆场，金融保险服务等)。业务种类复杂。涵盖了从传统的互联网信息服务到自动驾驶/靠泊，远程操作，车路协同等特参与主体复杂。虽然港口环境较为固定，但参与的主体包括了各种人(作业，驾驶，管理)，车(AGV，自动港口集卡，传统物流卡车)，船，岸桥，集装箱，堆场，闸口，港口内部封闭路，办公管理中心，路边/岸边基础设施(如感知系统，环境监控)，自动巡检设备(摄像头，无人机)等多4IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书港口的主要业务场景表现为从船靠泊管理、货物运输管理到车辆调度管理、港区管理等，其整个作业流程环节涉及到非常复杂多样的的应用场景。本部分基于港口的作业流程，按照不同作业阶段不同功能的原则，结合涉及的技术领域，将智慧港口的主要场景划分：船岸协同、港机远控，集卡自动5IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书港机远控货物的装卸作业流程包括：岸侧桥吊装卸、集卡水平运输、堆场区场桥装卸、集疏运作业等多个胎吊远控轮胎吊部署在港口的堆场区域，对船舶已经卸载的集装箱做转场作业，具体可以分为卸货和装货两类动作。卸货将AGV、集卡等水平运输工具装载的集装箱卸货到堆场指定贝位；装货将堆场特定贝位的集装箱装载到AGV、集卡等。当前阶段，港口轮胎吊设备大部分为港机本地人工操作，作业环境恶劣，工作强度大，司机易疲劳，长时间操作设备工作效率明显降低，安全隐患大。一些港口部署了基于光纤、波导管、WiFi等介通过5G低时延、高带宽、海量连接特性，可以实现轮胎式龙门吊作业高清视频实时回传、远程实时控制，将操作员由现场变换至中控室工作，提升港口运行效率。港口轮胎吊控制台工位实现对轮胎吊N对M灵活控制，轮胎吊安装多路高清摄像头，采集轮胎吊主要运行机构、吊具等关键设备PLC运行状态参数，回传至中控台，由远端人员判定操作，并下发控制命令。5G远控方案一次性投资成本仅为且具有覆盖广，易维护等优势。6IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书程与效果轮胎吊业务包含视频流和控制流。在上行方向，轮胎吊本地安装30个左右的高清摄像头，中控室主机基于作业场景实时拉取相应的画面，在同一时刻的最大拉流数为11~13个摄像头画面。控制数据流方面，在上行方向，控制室的PLC设备接收来自轮胎吊上的PLC的传感器数据(港机运行姿态)。下行方向，中控室控制台接收操作员的控制动作，产生PLC控制指令，并下发到轮胎吊本地执行PLC，相比港口传统的波导管或者光纤方案，通过5G无线网络实现港机远控不需要进行土建改造投入，2岸桥远控岸桥部署在港口岸边，是传播和港口陆地之间搬运货物的重要的垂直运输工具，也分为卸货和装货两类动作。装货将港口陆面的AGV、集卡等水平运输工具装载的集装箱卸货并转运到船舶；卸货将船舶上的集装箱装载到港口陆面的AGV、集卡等。7IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书与轮胎吊远控类似，也可以通过5G网络实现对岸桥的远程控制。程与效果5G网络可以作为岸桥远程控制的备份通信链路，后续在岸桥自动化改造时可降低土建设施和电缆析集卡自动驾驶集卡(集装箱卡车)是指用以运载可卸下的集装箱的专用运输特种车辆。由于港口集卡作业工作条件差、时间长，面临着人工成本高，易驾驶疲劳，用工困难等一系列问题。因此，无人自动驾驶8IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书技术是未来港口集卡车辆的一个必然发展趋势。当前在港口应用的自动驾驶集卡车辆处于SAE定义的L3-L4级的水平，可实现有条件自动驾驶和限定场景下的高级自动驾驶功能。通过5G网络介入无人集卡，一方面，实现统一调度和管理；另一方面，依托5G通信、感知、决策、规划等关键技术，无人集卡能够自主完成贝位直达、贝位停止、正常行驶、避障行驶、通过路况港口无人驾驶集卡定义的工况一般为港区限定范围内的低速驾驶(不超过35公里时速)，存在着限定数量的人员和非自动驾驶车辆的混行，主要用例为调度规划、高精准定位(厘米级精度)、自动管驾驶任务。目前自动驾驶集卡使用的自动驾驶技术主要以单车智能为主，但是单车智能自动驾驶技术面临着感知可靠性，感知距离，感知死角，感知计算成本，特殊工况下脱困等难以逾越的挑战。随着高容量、低时延、高可靠的5G车联网和边缘计算MEC技术的出现，以车路协同为特征的自动驾驶技术将有9IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书首先，可以在路侧部署大量的感知设备和边缘计算设备对码头工作环境进行辅助感知，并在港口边缘计算节点进行环境建模，然后将感知到车辆/人员位置和动作意图信息通过5G网络发送到集卡车统成本。第二，可以进一步将自动驾驶集卡的车载决策计算功能迁移到MEC处，由MEC负责所有的定位、感知、路径规划和决策计算，并将决策结果发送到自动驾驶集卡，集卡仅仅完成驾驶动作的执行和紧此外，为了降低RTK信号延迟引起的车辆定位误差，可以将RTK基站设立在港口区，并将定位服务器部署到港口区的MEC上，由MEC通过低时延高可靠的5G网络连接将RTK参考信号直接分发到自.1.3网络需求分析IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书卡远程接管在无人集卡的自动驾驶过程中，如果车辆出现严重异常行为(车辆异常加速、爆胎、冲撞电子围栏等)，中控室监管员需能在控制室的模拟驾驶舱内进行远程接管。模拟驾驶舱需能接收车内视角的现场视频，监管员通过设置方向盘、刹车、油门等必需的驾驶设备进行操作，所有驾驶舱内操作均能在遇到紧急状况无法进行自动驾驶操作时，自动驾驶集卡可利用车载高清摄像头将现场图像通过5G网络MEC本地处理和分流能力传递给港区控制中心，由工作人员或控制通过5G低时延高可靠的连接服务对车辆进行远程遥控驾驶(包括前后，左右水平运动控制)，帮助自动驾驶集卡脱困。IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书.2.3网络需求分析船岸协同船舶智能航行“船岸协同”由岸端与船端系统构成，由岸端为船端提供需要的信息与手段。两个系统进行无缝耦合协同旨在实现优化船岸资源配置，增强船舶智能航行技术可靠性，提升船舶交通安全和效率。船岸协同是一个非常大的应用场景，包括了：辅助/自主航行、远程遥控驾驶、辅助/自动靠离泊、船舶智能调度、自主航行监控、机舱智能化监控、货物智能管理、船体智能监控、船舶智能能效监控等等多种业务，因此在整个船舶航行的业务流程处理和协调上非常复杂，需要大量信息的支持，如：航行的基础信息和船舶认知、决策、执行的信息，其中基础信息包括航行水域类型、水文气象地形交通条件、船舶交通、海事交通管理、港口码头和障碍物信息等。这些基础信息不仅数量庞随着5G技术等现代科学技术发展，船舶的实时监控、船岸之间的信息高速交互、船舶的新型智能化等都在逐渐成为现实。利用岸基雷达、激光雷达、摄像头、航道探测传感器等感知手段实时监控船舶自身和周围环境信息，结合外部的气象系统、水利系统提供的检测预测等信息，通过5G网络将各类型船舶接入港口专网，港口方主控室向船端控制平台发送操作指令，从而可以实现船舶驾驶人员或船IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书程与效果通过船岸协同实现船舶智能航行和靠离泊控制的实现过程可划分为船端感知、认知、决策、控制•基于5G网络，借助高精度定位等技术，岸端通过移动通信网络为船端提供船舶智能航行或靠时间与幅度信息等，即岸端为船端提供船舶智口航道时，港口定位感应器可精准感应进出港船舶，并及时传输船舶靠泊需求，港口与船舶进行高效的双向合法性验证，结合传感器融合人工智能•在智能船舶途经复杂危险航段，或遇极端天气，或船舶发出危险、救援预警等，岸端(港口)采取远程遥控、驾驶等对船舶进行控制。此时，岸端远程遥控、驾驶等控制系统要素行为或指令为第•当船舶需要辅助靠离泊时，拖船和船舶之间通过5G无线网络连接进行通信，直接交换拖船所需的信息服务。拖船从领航处接收拖船区域内所有船舶的海上交通信息，并共享有关拖船以及拖船与通过在港口码头前沿构建5G网络、精确定位以及全方位的感知融合，为智能船舶的提供船岸信息高速交换、船舶靠离泊全方位感知，消除视觉盲区，最大程度地降低船舶航行时的碰撞风险。通过为远程控制船舶搭建高可靠、低延时的5G通信网络，实现智能船舶的远程遥控以及辅助靠离泊，从而保强作业安全。求智能理货利用OCR技术，在装卸船、堆放、理货、验残、提箱、出关环节，识别集装箱箱号、装卸提箱IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书状态、铅封有无、箱体残损等；这些数据的发送、传输、统计，直接影响着整个物流大数据的流转效每台岸桥上安装10个摄像头，利用WiFi回传，稳定性差，不能实时获取监控视频；视频监控有本地缓存，如无法实施获取数据，需工作人员需人工爬上高达40m的岸桥获取程与效果IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书(2)5G终端回传集装箱各个面的完整图片到智能理货系统，系统通过AI算法识别图片中的集装箱、车辆等业务信息并将识别结果通过接口系统传达给TOS系统生成车辆调度指令；5G高清视频回传+AI视觉分析技术，实现集装箱智能理货，通过在岸桥上安装高清球机，实时采集集装箱视频/图像信息并进行自动识别分析，实现对箱号、残损、舱位、拖车号等信息收集。集装箱箱号多少，哪里有损坏，都能通过5G网络以高清视频方式进行实时采集、核对，既节约了人力物力，析区办公访问控制现代港口的办公系统比较复杂，主要包括港口客户服务系统，港口生产管理系统，港口营运管理港口客户服务系统提供港口基本信息资料，客户服务指南，港口业务流程介绍，业务手续申请办理等信息，实现与客户(固定端和移动端)的联系和交流，。港口生产管理系统主要是通过专网与港口内部各业务管理软件业务数据信息交换，进行生产调度，组织和指挥，通过AR或视频监控技术对作业过程进行可视化监控。港口营运管理系统实现了港口的运营管理决策，对管理流程中的各各关键环节支持短信和IM消息通知功能。该系统还需与考勤系统，安防系统对接，通过电子标签，摄像头等设备为管理提供基础数据；同时可以通过AI人脸识别，轨迹跟踪智能分析，视频移动侦测等技术，配合广播、告警和AR终端IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书综合运输管理系统通过与其他交通系统业务数据对接，解决水运与公路、铁路、航空等交通方式共享。港口资源管理系统通过港口内部信息网和港口、航道视频监控、船舶定位导航、GIS电子地图等技术，建立港口企业资源管理基础数据图文库，实现资源智能管理，通过电子地图，视频等方式呈现港港口口岸管理通过定位通信，RFID，AI人脸识别，视频移动侦测、轨迹跟踪等技术对进出港口车辆和人员进行管理，实现智能闸口功能。为海关提供统一的口岸物流信息，实现港口物流信息平台与海关通关EDI申报系统信息共享和“大通关”服务一体化，优化或减少港口与海关之间的业务流程手程与效果港口生产管理，资源管理和口岸管理系统是5G智慧港口办公服务系统中的关键增强应用，5G+MEC专网可以为这些系统提供高带宽、低时延的回传通信服务与边缘云AI算力服务，保证港口敏•港口生产管理系统通过5G+MEC专网与港口内部各业务管理软件业务数据信息交换，进行生产调度，组织和指挥，并通过AR或视频监控技术络对作业过程进行可视化监控。IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书•港口资源管理系统通过港口内部信息网和港口、航道视频监控、船舶定位导航、GIS电子地图等技术，建立港口企业资源管理基础数据图文库，实现资源智能管理，通过电子地图，视频等方式呈•港口口岸管理结合RFID系统，通过5G+MEC提供的定位通信，AI人脸识别，视频移动侦测、轨迹跟踪等功能对进出港口车辆和人员进行管理，实现智能闸口功能。为海关提供统一的口岸物流信息，实现港口物流信息平台与海关通关EDI申报系统信息共享和“大通关”服务一体化，优化或减少港港口的客户服务系统，营运系统，电子商务系统和运输管理系统属于传统互联网应用，5G网络提分析港区环境管理传统监控方式通常只是录制视频图像，实际的监控任务需要较多的人工完成，没有充分发挥监控的实时性和主动性。港区智能环境管理是利用MEC边缘计算、AI、人工智能及计算机视觉技术对视频信号进行处理、分析和理解，在不需要人为干预的情况下，通过具有边缘计算能力的终端及5G网络，通过对序列图像在本地进行自动分析，对监控场景中的变化进行定位、识别和跟踪，并在此基础上分析和判断目标的行为，能在异常情况发生时及时发出警报或提供有用信息，有效地协助安全人员处理港区智能视频监控系统可实现人员、车辆、设备实时追踪，园区异常情况告警，实时监测数据分2.6.1AR智能巡检港口中存在着大量复杂的大型设备(如岸桥设备等)，对这些基础设施的巡检是港口作业中最为IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书通常巡检人员需要根据任务具体要求，通过目测或者专用检测工具，对设备的技术状态进行全面检查。在巡检过程中可以利用AR技术结合5G+云AI技术快速识别出目标设备和设备状态，并上传到后台数据中心，然后调用数据中心接口将一些巡检信息实时显示在巡检员的AR终端显示设备上，缩短问图12AR智能巡检与效果AR智能巡检应用可分为设备类型识别、设备状态识别、信息显示、信息录入几类场景，具体描述1)设备类型识别：巡检人员利用佩戴的AR终端获取现场图像/视频信息，然后通过5G网络传送到港口边缘MEC上。MEC负责设备类型AI设别，并反馈结果到巡检员AR终端上进行投影显示。该场2)设备状态识别：利用巡检人员佩戴的AR终端捕捉设备图像信息，然后通过5G网络传送到MEC端。在MEC上采用AI技术识别设备的读数刻度、按钮的开关位置、接线的位置和参数设置值等，并自动与港口内部数据中心进行交互。该场景可避免作业人员因疏忽或经验不足而误判/误读设备状态所导IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书3)增强信息显示：MEC与港口后台数据中心交互，获取相关设备数据信息，然后采用SLAM技术进行场景跟踪和定位，并将提示信息发送到巡检员的AR终端上。AR终端负责投影提示信息到指定的设备位置。该场景可减少作业人员核对数据的时间，并帮助巡检员通过数据对比及时发现问题，提高4)信息录入：通过触摸、语音操作、手势识别等交互方式帮助巡检作业人员通过AR终端进行信息录入，并通过5G网络上传到数据中心。该场景可实现巡检结果信息实时同步，节省巡检作业人员问.1.3.网络需求分析2.6.2AR设备维护辅助随着港口设施的复杂化和多样化，对相关设备的操作、诊断，维修和维护变得越来越困难。而借助AR增强现实技术则能够使设备维修变得直观方便，并且能够及时获得远程专家的指导。设备维护场图13AR远程指导AR设备维护辅助可以利用5G+云AI技术识别设备类型，然后通过5G通信网络和远程专家系统把IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书设备维修的每一步操作流程和附属工具信息显示投影到维修人员终端上(可参考图5AR智能巡检场景)。当现场维修人员遇到无法解决的问题时，还可以利用AR终端将现场图像或视频通过5G网络实时传送到远端专家侧，远端的专家可以亲临现场般地观察设备故障现象，并将可能的故障点和检测指导意见标注出来，直接推送到现场人员的AR终端上进行提示指导。及效果AR设备维护辅助可以分为以下几个作业流程：1)AR设备维护辅助：利用现场人员佩戴的AR终端捕捉被维修设备的图像/视频，并通过5G网络上传到MEC上进行AI设备类型识别。MEC与后台专家系统进行交互获取设备的解体、更换、再组装的操作顺序信息。MEC对这些维修辅助信息进行处理后，通过5G网络发送到现场人员AR终端上。现场人员AR终端负责将维护辅助信息投影到用户视界之中，指导现场人员解决问题。该步骤可以帮助和指导经验不足(或对被维护设备不熟悉)的现场维修人员进行维修操作，提高维修维护效率。2)如果现场人员仍无法解决维修问题，还可以利用AR终端将现场视频通过5G网络实时传送到远端专家侧，远端的专家对可能的故障点和检测指导意见进行标记，并发送给MEC。MEC负责对标记进IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书行合成处理，然后通过5G网络推送到现场人员的AR终端上叠加显示。专家还可以通过语音和文字信息同现场人员交互，指导现场工程人员逐步排查故障，直到最终解决问题。这样不仅大大节省了专家们.2.3.网络需求分析2.6.4AR安全辅助鉴于港口作业环境的复杂性，目前还有大量环节需要依赖人工参与解决，因此与人相关的安全问题不可忽视，包括安全环境，安全区域，安全操作，安全防护等等，这部分数据业务和港口安全部相关。而AR技术的应用可以在终端上使用声音、文字和图形提醒等方式辅助生产人员提高注意力，执行安全图15AR安全辅助场景IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书程及效果1)安全环境提示：AR终端通过5G网络将人员位置和环境信息传递给MEC，MEC负责监控识别当前环境状况，当人员进入不安全环境或区域(或者当生产环境因各种原因变得不安全)时，MEC主动将提醒信息、环境监测信息等实时推送到用户AR终端，敦促现场人员采取防护措施和行动(如穿戴防护服、安全帽、撤离到安全区等)。该场景可以大大降低港口安全事故的发生概率。2)安全区域提示：工作人员佩戴AR终端(通过5G网络)实时上报位置和环境信息给MEC，MEC结合工作区域实景叠加安全区域(如安全行走区域、安全操作区域等)等虚拟指示信息，然后通过5G网络发送到工作人员的终端进行提示。当工作人员偏离安全区域时，MEC还会向工作人员的AR终端推3)安全操作提示：利用AR终端对工人的位置、操作流程和动作进行捕捉，然后通过5G网络发送到MEC上进行识别，MEC根据实际情况向工人的AR终端推送指导和提示信息，并对不安全操作给予骤可以有效G慧港口网络需求上行增强港口港机远控、智能理货、无人集卡等业务的视频数据对上行大带宽要求较高，单用户要求约20-30Mbps，公网可满足，但单小区用户数量较多，各类业务终端数可能超过15台，小区上行容量可能超IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书在港口的堆场上，忙时单堆场轮胎吊的台数可达20台，此时所需上行带宽需求为600Mbps(30Mbps*20)。对于港口无人驾驶集卡，单辆无人集卡：20Mbps，忙时单堆场集卡数一般为40多辆，此时所需上行为800Mbps(20Mbps*40)。5G上行增强能力与频谱带宽、频谱覆盖能力等强相关。中国移动已具有2.6G160M和4.9G100M的5G频谱资源；同时，与中国广电合作后，将共享使用700M2*30M和4.9G60M的频谱资源。频谱带宽总计380M，且同时具备高低频资源，高低频协同部署，可同时解决覆盖、容量两大难题。5G上行增强方案根据不同的应用场景，其上行增强方案有所不同。根据应用场景特点和建设方案的差异化，将其分为室外广域场景、室外局域场景、室内场景三类，港口属于室外局域场景。在室外局域场景中，可根据港口应用的场景和业务需求增补基站或完全新建基站以提供定制化建网方案，与公网解耦，实现网络适配业务。在该场景下，可部署4.9G7D3U或者3U1D专属帧结构，提供高上行容量，相比2.6G上行性能可提升100%~200%。同时可在此基础上，部署2.6G频谱，进一步提升网络上行高可靠低时延港口很多对时间敏感业务对网络也提出了更高的要求，要求网络能为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。譬如，对于港机远控、无人集卡远程驾驶以及船舶的辅助靠离泊等场景，其远程控制等uRLLC业务对时延和可靠性的要求基本都要求达到：时延<20ms,特定需求要求10ms的时延，而可靠性则要求能达到99.99~99.999%。目前在3GPP制定的5GNR标准，提出毫秒级的端到端时延要求，理想情况下端到端时延为1ms，典型端到端时延为5-10ms左右。为了保证高优先级URLLC业务需求，5GNR还设计了URLLC业务可以抢占eMBB业务资源来降低时延。在港口MEC技术将计算、处理和存储推向移动边界，一方面为移动边缘入口的服务创新提供了无通过网络切片技术，5G并不需要为低时延需求而构建独立的物理网络，网络运营商可以根据需求对网络进行编排，从一个物理网络切割出独立于其他网络的低时延的专用端到端网络。因此，网络切务网络架构IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书EC•港区内智能化设备(AGV/IGV、轮胎吊、拖船、摄像头等)通过如CPE等终端接入5G接入网络连接到MEC中；•MEC平台可以灵活部署，也可以垂直、水平多级部署，可以部署在基站节点后，抑或部署在其他合理的位置；港口MEC不仅提供了业务处理、计算能力，同时也对港口内和港口外数据进行分•港口业务服务器提供统一的港口综合业务平台，支持港口中多种业务。MEC平台通过北向接口给港口各项业务系统(港机系统、智能理货系统、集卡运输系统和运营安防系统)提供数据和服务。•港口各项具体业务应用的位置也相对灵活，可以直接放在接近用户的MEC上，也可以放在港和监管。IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书3.1.13GPP标准进展情况截至2020年6月，3GPP5G标准已完成了R15和R16两个重要阶段的标准化工作。基本覆盖了智慧1.3GPPR15标准化情况第一阶段R15于2018年6月完成，该阶段主要完成独立组网的5G标准(SA)，支持增强移动宽带(eMBB)和低时延高可靠业务(uRLLC)的基础功能，同时完成了网络接口协议。R15重点标准化的内容包括新空口定义(波形、编码、参数集、帧结构、大规模阵列天线等)、网络架构(NSA、SA、CU/DU切分等)，并聚焦于eMBB应用场景。R15是5G第一版成型的商用化标准，与后续推进的R16R15版本定义的5G系统除了支持传统的港口移动通信和IT办公业务外，还可以支持包括高清安防监控，VR/AR辅助巡检、智能理货在内的高带宽、低时延的视频类港口应用。2.3GPPR16标准化情况第二阶段R16于2020年6月冻结。R16除了对eMBB能力进行增强之外，还对URLLC、mMTC(大连接物联网)这两类重要的场景和能力进行了补足，重点关注对垂直行业应用的支持及5G整体系统性能的提升。R16标准主要从以下几个方面开展工作：•运维增效：包括无线数据采集和上报机制和远端基站干扰管理。•垂直行业赋能：包括面向工业互联网应用的1微秒同步精度、0.5~1毫秒空口时延、高达“六个九”的可靠性和灵活的终端组管理，最快可实现5毫秒以内的端到端时延，支持TSN时间敏感业务，实现无线全面替代有线；面向车联网应用方面，可支持V2V(车与车)和V2I(车与路边单元)直连通信，通过引入单播，组播和广播等多种通信机制，以及优化感知、调度、重传以及车车间连接质量控制等技术，实现基于V2X的车辆编队、半自动/自动驾驶、超距感知、远程驾驶等更复杂的车联网应用场景；此外R16还为垂直行业应用引入了多种5G空口定位技术，理论定位精度提高到米级。4)非授权频段5GNR-U技术：包括LAA混合组网模式和独立组网模式。R16版本定义的5G系统可以很好支持诸如集卡自动驾驶，船岸辅助靠离泊、港机远控等重要的高3.1.25G频谱分配情况5G频谱范围(FR，FreqencyRange)分为两个区域:FR1和FR2。FR1的频率范围是450MHz到6GHz，也叫Sub6G(低于6GHz)。FR1的优点是频率低，绕射能IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书力强，覆盖效果好，是当前5G的主用频谱。FR1主要作为基础覆盖频段，最大支持100Mbps的带宽。其中低于3GHz的部分，包括了现网在用的2G、3G、4G的频谱，在建网初期可以利旧站址的部分资源实现5G网络的快速部署。FR2的频率范围是24GHz到52GHz，这段频谱的电磁波波长大部分都是毫米级别的，因此也叫毫米波mmWave(严格来说毫米波频段大于30GHz)。FR2的优点是超大带宽，频谱干净，干扰较小，是5G后续的扩展频率。FR2作为容量补充频段，最大可支持400MHzbps的带宽(400M是频谱宽度还是前我国仅对FR1中的频段进行了分配：中国移动：2515MHz-2675MHz共160MHz，频段号为n41，以及4800MHz-4900MHz共100MHz，频段号为n79；中国电信：3400MHz-3500MHz共100MHz，频段号为n78；中国联通：3500MHz-3600MHz共100MHz，频段号为n78；中国广电:700MHz频段2*30/40MHz。其中，700Mhz频谱低，覆盖远，深度覆盖能力强，适合作为大面积网络覆盖，组网成本最低。以更少的投入、更少的基站数量，实现更大范围的5G网络覆盖，适合智慧港口中堆场作业、船舶靠离泊G解决方案专网建设思路智慧港口正处于联网化、自动化、智能化转型升级的关键时期，高效、可靠、先进的通信网络是各行业产业升级、转型成功的基础。不同于一般的公网业务，智慧港口的网络建设与部署具有非常强的高度定制化需求，不同的具体场景下，其对网络的覆盖、时延、可靠性、以及传输带宽等方面，需求差异很大，需要按需分析，并且智慧港口网络的建设对安全性、成本等都有更高的要求，因此为智慧港口建设专网也是目前主流思路，从而可以大幅降低成本并提升质量，最大化频谱利用率，并确保针对不同类型应用场景下，可以考虑三种5G行业无线专网解决方案，具体如图17所示IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书•混合专网(M-ENS，MixedEnterpriseNetworkSolution)混合专网指的是面向行业的专网与面向公众的公网共享部分无线接入设备，如BBU、RRU等以占用单独频率资源的组网方式，建立独立小区。利用无线和网络侧分流技术实现公网和专网数据分流，并为行业专网业务提供SLA保障。混合专网复用了5G公网部分无线资源，在网络侧可根据行业的隔离业务保障方面，依据专网业务需求，在空口为专网划分部分独立频率，专网业务在该独立频段传输，由于与公网异频，公网业务变化不会对专网业务造成影响(如干扰专网信道质量，影响数据传输可靠性)；专网频段内部利用QOS区分业务优先级，保障各业务传输质量。隔离性方面，无线侧采用独立小区方式，通过接入控制等方式，使专网用户和公网用户分别驻留。•虚拟专网(V-ENS，VirtualEnterpriseNetworkSolution)虚拟专网指的是面向行业的专网完全复用面向公众的无线设备和频谱资源，与公网共小区。网络侧可根据业务要求复用全部或部分公网核心网，通过利用端到端切片等方式保障专网业务数据与公网数据隔离，为行业专网业务提供SLA保障。虚拟专网极大地复用了5G公网设备和频率资源，在满足专业务保障方面，专网与公网数据在同小区接入和调度，共享无线频谱资源，主要利用QOS区分公•物理专网(P-ENS，PhysicalEnterpriseNetworkSolution)IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书物理专网是面向可靠性、私密性要求极高的行业应用，行业专网独享无线设备和频率资源，与公网小区完全隔离。网络侧可根据业务要求复用部分公网核心网或者完全独立建设专网。公网业务变化物理专网架构具有高可靠性、高隔离性，性能灵活定制等能力，但设备需要单独建设，成本相对3.2.25G+MEC无线专网的部署架构现代化港口存在多种业务，包括港机设备的管理控制、无人集卡的管理控制、堆场的监管、办公等等，类型复杂，网络需求多样化。传统上，不同业务需要建设不同的专网，每个专网需要分别获取专用频谱并进行独立基础设施建设。随着5G网络技术的发展，通过建设5G网络来实现港口各类业务差实现多赢。由于港口天然存在公众网络和用户，当使用5G网络承载港口生产业务同时需要解决生产网络与公众通信之间的隔离。智慧港口的混合专网将利用运营商公共蜂窝网络，虚拟出一张独立的专用网络，为港区提供专网服务，快速使能港区内部管理、生产作业。通过在港口实施5G专网方案，使用边缘计算、无线频谱资源切分、空口资源预留、QoS和端到端切片等技术，实现了生产业务和公共业务的隔下图18给出了智慧港口5G专网的总体解决方案，含网络架构、主要港口业务、专网网络ID名称定义、园区本地网关(MEC)部署检疫员、DNN定义及业务数据流、业务切片定义及QoS定义等。方案IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书按照港口的不同业务类型，该5G专网的解决方案架构具体描述如下：•第一类，即港口内大部分物的连接(例如CPE1~6)，基于切片技术，使用频谱切分。A)网络切片设计：为港区定义专用的切片ID(例如slice3)，在切片内部，进一步为不同用户群/业务(例如CPE2~6承载不同的业务，有不同的网络需求)定义不同QoSFlow；同时定义两个TAC(例如专网小区绑定TAC2，公网小区绑定TAC1)，并为港区专网终端批量制作独立的SIM卡；B)空口保障：基于SA5G基站，在港区内，定义独立的专网小区(基于100M频谱切分出一定宽度频谱，或使用独立的5G频谱)，完成专网小区和公共小区共存部署；一个基站内，专网小区绑定TAC2，公网小区绑定TAC1；由。C)数据分流方案：在空口，公网小区和专网小区分别采用不同切片ID(或TAC/PLMN)控制不同号码段用户接入，即专网@频率分割用户接入专网小区，其他用户(公共用户和专网@QoS用户)接入公网小区；在核心网侧，基于切片ID，SMF选择对应的UPF，分别实现港口内部数据访问和外部数据访问；例如，专网切片ID所承载的港口业务选择使用MEC网关，连接港口服务器，公共切片ID所承载的相关D)性能统计：对于园区ID，提供独立的本地性能统计功能需要说明的是，标准E2E切片部署前，可以灵活使用TAC/DNN甚至自定义PLMN等标识来实现专网小区的接入控制、网关分流等功能，还可以使用多个DNN来标识不同业务以实现差异化QoS；在端到•第二类，即对于园区特定用户的特定终端连接(如图示的园区手机)，使用虚拟专网方案，方A)网络切片设计：基于公共小区，新增一个港区切片ID(如sliceID2),在切片内部，进一步为不同业务需求定义不同的QoS；B)空口保障：用户接入公网小区，使用港区切片ID(如sliceID2)，在切片内部，根据需要可为不同业务定义IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书不同QoS；C)业务分流方案：港区用户进入港区时，可通过多种方式(手机扫描二维码、手机应用APP按钮、触碰园区内NFC等)实现位置感知以触发港区网接入流程，激活港区切片，选择相应MEC网关，获得相应QoS；在港区内，使用港区切片ID(如sliceID=2)及相应网关，即本地UPF；个人应用使用公共切片ID(如sliceID=1)及相应网关，即公共UPF；走出园区时，切换为使用公共切片ID(如sliceID=1)，选择公共UPF，通过互联网可访问企业部在园区外，均使用公共切片ID(如sliceID=1)。对于普通用户：一直使用公共切片ID(如sliceID=1)及相应QoS。SLA根据港口远程控制(港机、船舶)、自动驾驶、视频类、港区通信等业务应用的不同通信需求，行带宽等要求较高，但时延不那么敏感，典型应用：AGV/IGV、融合通信等；•视频类业务:对于网络有上行大带宽和低时延要求，典型应用是：生产监控、智能理货、RTG远程监控等；•控制类业务：对于网络有高可靠低时延要求，典型应用是RTG的远程遥控。可以定义上述三类典型业务的SLA监测维度，及其对应的核心指标。在港口应用端侧集成5G通信模组，内置网络质量、业务质量SDK，实时上报云端SLA监测评估平台。平台根据端管云不同节点采务质量评分。G体系IMT-2020(5G)推进组智慧港口5G专网应用白皮书通过港口业务SLA监测评估平台上，可实时呈现各种5G应用的实时评分值、CDF/PDF曲线；支持关键值指标和记录回放，业务安全区监测和预警，实现港口用户在5G专网上的业务SLA可维可视。一青岛港、山东移动、华为三方联合完成5G+MEC解决方案部署，通过覆盖青岛港港区的5G网络与龙门吊完成对接，成功实现在港口环境下龙门吊5G远程操控这个重要应用场景，为进一步提升港口智通过部署5G基站，覆盖港口作业区，MEC部署在港区内核心机房，打造青岛港“网业”结合的5G•利用5G低时延大带宽特点，实现远程控制，降低成本，提高生产效率•5G取代WIFI+光纤通信方案，智能理货降低故障率、提升稳定性•实现未光纤覆盖区域监控，实现港区全覆盖•5G回传近海区域船只各项数据信息，实现船岸协同调度•利用5G网络进行无人机巡查，实现超视距、超长时间高清视野IMT-2020(5G)推