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面向5G边缘计算的智慧港口解决方案

1 目标和概述

当前我国正从航运大国向航运强国转型升级,港口行业对信息化、自动化、智能化的需求强烈。在“工业4.0”、“互联网+”大发展的时代背景下,港口也在进行数字化、全自动的转型升级。

5G在港口行业存在丰富的应用场景,初期聚焦堆场、集装箱码头场景。集装箱业务是港口主盈利的业务模块,占宁波舟山港利润的44.8%,高居首位。目前码头70%的集装箱通过龙门吊进行转运,因此龙门吊是港口作业的关键设备。港口5G应用场景中,使能集装箱龙门吊自动化,由人工改造为远程控制,是典型的应用。港口的数字化与自动化发展不仅将降低码头用工成本, 最大限度地减少人机接触,保障人员安全,同时也将实现港口的高效、安全生产运营。

具体应用包括:5G龙门吊远程控制、5G+AI岸桥智能理货、5G内集卡自动驾驶等。

  • 5G龙门吊远程控制

传统龙门吊的作业存在三大痛点:

(1)设备利用率低,只有30%,转场难;

(2)司机长期低头弯腰作业,颈椎、腰椎等容易患上职业病,工作环境恶劣,招人困难;

(3)高空作业,存在安全风险。

通过将传统龙门吊进行5G远程改造,将驾驶台后移至办公室,实现远程控制,能够使港口企业减少2/3的驾驶员,节约70%人工成本,提高30%生产效率。

对轮胎式龙门吊实施有线通信链路向5G无线网络的替换,将工业控制协议和视频数据承载在5G网络,实现在中控室远程完成集装箱抓取和搬运,极大改善龙门吊操控员作业环境,减少安全风险。

依靠5G SA网络的低时延、大带宽以及边缘计算能力,实现龙门吊的远程作业控制。通过5G DNN技术,实现智慧港口业务在5G网络的专用隔离;通过MEC部署,实现UPF下沉并提供MEP转发功能,使业务数据本地处理转发,进一步降低数据转发时延;采用5G网络切片技术,满足隔离性、按需定制和端到端网络保障。

  • 5G智能理货

智能理货是基于5G网络将岸桥处摄像机拍摄的高清视频实时传回至中控室理货业务系统,系统利用人工智能视觉识别技术对视频数据进行分析处理,实现对岸桥下关键作业信息的智能识别。主要包括作业箱号识别、拖车车顶号识别、ISO码识别、作业状态自动确认、异常作业处理情况记录、存储作业视频录像等,同时保存五面完整箱体图片以供集装箱验残等功能。通过智能理货应用,以信息一站式、数据自动采集智能比对、可视化影像等新技术实现船边集装箱作业全程监控、装卸信息实时比对、自动核销、验残电子化、查询追溯、统计分析等功能,并通过数据接口实现与智慧港口综合业务管理平台的数据实时交互。 

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图1 智能理货示意图

  • 5G内集卡自动驾驶

基于5G+车路协同+高精度定位等技术,在路口部署RSU通信单元,与5G基站配合实现港区内集卡自动驾驶。将现有成熟卡车平台改造成为无人驾驶卡车, 成本相较AGV低廉,且由于其导航方式不需要对港区进行基建改造,相比AGV方案具有投入少、运行灵活、适用面广的特点。

2 解决方案介绍

运用5G网络技术对港口现有的有线光纤网络和无线Wi-Fi网络进行改造,对港口进行5G应用示范研究,推动港口智慧化发展。通过5G网络的建设与边缘计算、切片等能力的部署,对作业区域内的设备信息、物流信息、运转过程信息、生产调度管理信息等进行数据采集、监控、智能化分析以及控制。

项目总体方案如图2所示:

2.png

图2 整体方案示意图

(1)终端层

将龙门吊、集卡车、无人机等终端接入设备进行网联化改造支持5G传输协议。各类终端可同时承载码头TOS业务、集群语音、视频、数据等多种业务。

(2)网络层

港口定制化5G虚拟专用网络将实现多网合一,超大带宽、超低时延、海量连接将由一张5G基础通信网络承载和专业运营。加入MEC设备,使得网络整体具有时延降低、传输节省、数据安全、开放能力四大优势。同时根据切片管理,不同类型用户/业务映射到不同切片,网 络侧可基于切片划分,为港口现场数据流提供本地转发能力,实现用户面的下沉,提供专网能力服务;对于传统的互联网访问需求,可基于大网的切片,按传统的数据业务传输路径将数据传输至核心网进行转发。

2B用户通过覆盖港区的基站附着网络,通过5G将数据面路由路径指向部署在MEC上的UPF,并接入港口服务器,实现端到端网络打通。MEC部署在边缘网络机房,实现具备本地分流能力,识别用户数据从本地分流到港区内的服务器,保障业务安全,缩短内容传输时延,提升业务体验。

(3)平台层

以地理信息系统为平台,以港口码头、集装箱堆场等重点场地管理业务为导向,通过丰富的二、三维表现形式,对港区各类地理信息、设备进行统一电子标签管理,实现在一张图上呈现港口内全部基础信息和动态实时数据信息,并满足交互响应的实时性。同时系统支持扩展框架,能与未来更多平台资源逐步整合。

(4)应用层

业务应用实施和模型建立严格贴合港口业务发展实际需求,充分考虑港口内部运行管理特点,解决港口作业当前面临的困境,有效实现与其相关联系统的数据共享与数据交互,增强可用性。实现港机设备远程控制、内集卡自动驾驶、无人机应急处理等5G应用功能。

(5)安全方案

系统安全是边缘计算MEC方案中极为重要的部分,由于MEC的本地业务处理特性,是将云数据中心的计算能力下沉到网络边缘,一方面,MEC基础设施通常部署在无线基站等网络边缘,使其更容易暴露在不安全的环境中,数据在核心网之外终结,运营商的控制力减弱。另一方面,MEC将采用开放应用编程接口(API)、开放的网络功能虚拟化(NFV)等技术,开 放性的引入容易将MEC暴露给外部攻击者,攻击者可能通过边缘计算平台或者应用攻击核心网,造成敏感数据泄露、DoS/DDoS攻击等。MEC的安全设计主要包括设备管理安全、NFVI安全、网络安全、应用(App)安 全、数据保护安全等方面,保障MEC以及核心网的安全。从平台内部来看,MEC划分不同的功能域,将内部 网络划分为多个安全域,实现网络之间的隔离,在需要进行互通的域间,增加防火墙、入侵检测等安全防护功能,实现域间的防护。

依靠5G SA网络的低时延、大带宽以及边缘计算能力,实现岸桥吊、龙门吊等的生产环节的远程作业控制。基于5G的高带宽,实现高清视频的实时回传。利用5G切片技术设置视频和控制等切片,分别保证大带宽和低时延等网络需求,MEC实现数据本地传输处理,降低控制时延。

3 代表性及推广价值

本项目利用5G技术为港口作业生产中的各环节提供高带宽、低时延、大连接的网络接入能力,部署逻辑专网为港口用户提供差异化网络服务。特别是通过MEC 技术使业务数据本地处理转发,进一步降低数据转发时延,在全国首次实现了5G MEC+切片龙门吊远程控制和高清视频回传应用。

(1)充分利用新型新技术,探索智慧港口新应用该项目成功实现了宁波港基于移动5G网络下轮胎式龙门吊作业管理、视频回传等各种无线信息化应用创新,标志着全球第一大港有了5G创新应用,是全国首次在5G现网环境下对智慧港口应用的深入探索。宁波移动运用基于网格化的SPN组网新方法在北仑宁波港应用试点组网,完成端到端超低时延能力验证,受到各界的好评。

(2)帮助客户创造经济效益,助力交通强国建设传统龙门吊作业中,存在作业环境艰苦,驾驶员容易疲劳,易导致安全风险等问题;该特殊工种对技能要求高,需要长时间培训,且易引发职业病,导致人员招聘难;港口24小时作业,需要配备多名驾驶员轮班,导致用工成本高;龙门吊和内外集卡协作过程中,尚存一定的等待时间,使用效率低,有很大的提升空间。

通过5G远程控制创新改造后,司机只需要坐在办公室的操作台前,通过5G回传的高清视频,利用操控杆对龙门吊进行远程作业。龙门吊实现远程控制后大大提高了作业效率,预计减少50%设备投资,降低改造和维护成本,改善了司机的作业环境。

(3)推动港航业的无人化发展,产生社会效益 通过5G实现龙门吊远程控制和视频回传,将整合包括运营商、设备提供商、终端提供商、港机制造企业等在内的5G产业链资源,产品规模化生产后将促进产业链相关企业的深度合作。5G远程龙门吊作为智慧港口的先行探索,对港口智能化的发展具有指导性和示范作用,对未来打造无人化港口、提升港口作业效率,将产生积极意义。

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