5G助力天津港打造智慧、绿色的世界一流港口

产品功能及原型设计理念和框架
一、港口面临挑战和需求
作为国际物流和供应链的必经节点，天津港一直是信息化建设的重要阵地。从信息港到数字港，再到现今的智慧港口建设，天津港已进入关键的数字化转型时期，港口的网络通讯能力成为智慧港口建设的重要基础。
当前天津港在通信方面面临的难题有：
1、在港口生产区域作业时，司机在操纵岸桥等设备搬运集装箱的工作中需要长时间面对恶劣的工作环境，危害健康且安全系数低。传统远程操控的网络传输无法满足港口设备毫秒级的端到端时延、高稳定性及可靠性等严苛要求。港口业务系统对网络通信能力要求各异，造成港口存在多种网络制式，数据通道复杂，建设成本高昂。
2、港口集卡作业工作条件差、时间长，存在人工成本高，易驾驶疲劳，用工困难等一系列问题。无法实现完善的集卡驾驶自动化、无人化会增加港口企业成本，降低效率，甚至影响作业安全。
3、港口人员、设备、环境错综复杂，作业效率相对较低；港口作业流动分散、操作复杂，数据差错率较高；港口系统缺乏统一的智能化管理，仓库数据无法具有实时性，不便于信息资源共享；港口信息化建设落后，仓库物资种类数量繁多，作业复杂，传统作业模式较难满足仓库管理快速、准确要求。
5G网络、人工智能、自动驾驶、港机远程控制、车路协同等多种技术的应用，推动了智慧港口的信息化、智能化的转型升级。5G的低时延、高带宽、高可靠、大容量等特性，和目前的WIFI、光纤网络相比可以降低网络的端到端时延，提供更好的远程操控服务。通过替代光纤，可以降低维护成本。通过搭建企业5G专网，与光纤可以互为备份，增强了网络安全可靠。5G主要可用于港口的远程岸桥等设备的远程控制、无人集卡的驾驶辅助、高清视频监控、以及现场作业的数据回传通信通道。
二、主要业务功能
1、5G岸桥远程控制
本项目与天津港码头岸桥设备进行业务对接，实现5G工业互联网应用。岸桥5G远程操控应用在天津港的成功实践，为港口信息化、智能化进程起到助力作用，为5G在天津港全面应用探索出一条实践之路。此项目通过5G+MEC技术，协助岸桥实现远程操控，满足智能化自动理货需求，全面提升港口作业效率，实现5G信息技术与工业应用的良好契合应用。此外，该项目填补了岸桥等大型装备通过5G无线网络实现远程控制的空白，将加速推动我国5G+MEC技术成果在港口的转化应用，为垂直行业企业开展5G与工业互联网融合应用起到示范效应。
2、5G智能无人集卡
在接到码头生产作业管理系统任务分配后指令后，中控平台通过5G给智能集卡发送目标箱号-起始位置和终止位置等指令，智能集卡搭载的智能化平台则通过传感器-车辆的协同工作来完成装卸船作业（卸船-装船-转堆和精准停车等）对接和平面运输（车道保持，自动变道，紧急制动，路径智能规划，交叉路口通行，智能模式切换，环境感知，高精度定位，底盘和控制模型适配，状态监控等）。同时，通过在集卡车辆上安装5G CPE和5路1080P监控摄像头，将车头视频通过车载5G CPE回传至驾驶室及监控中心大屏进行监控及演示，最终完成在港口的无人化移箱工作。。
3、5G+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率。利用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。
4、5G+智能加解锁站
自动锁站应用三维激光视觉扫描定位系统、六轴自动机器人，同时，通过5G传输拆解锁状态信息，全程流程监管装拆锁作业，保障作业安全。
5、海关港区现场移动执法5G分流
海关在港口检验检疫业务的开展需要无线网络的支撑，海关终端类型类似iPAD的查验设备。主要业务包括数据上传校验，以及拍照或视频上传等业务。通过5G MEC将海关业务数据分流到海关专网，即保障了海关数据安全，又降低了数据传输时延。
6、5G移动监控
港口的安全监控业务依赖于多种摄像头设备，港口摄像头分布的范围比较广，在入口，货运场，集装箱区域，交易中心都有部署。通过5G MEC将各类摄像头的视频数据上传到港口的视频中心，其他需要使用视频的应用从视频中心获取数据。
三、产品原型需求：
1、港口数据不出港；
2、峰值带宽260M，正常流量在126-139M；
端到端时延小于20ms，抖动小于5ms，需要设计针对5G的高可靠性解决方案；
3、PLC控制需要建立二层VPN隧道，实现实时工业以太网协议传输数据；
4、PLC控制和视频回传不能相互干扰，需要设置独立的网络通道；
5、将岸桥上多路摄像头视频数据，根据控制指令选择其中的某几路记合并成一路视频进行回传，可有效降低视频回传带宽，并确保视频同步；
6、岸桥的高温场景，阳光直射以及海面反射温度达到65度，需要室外型工业级CPE产品；并需要支持多切片功能；
7、港口5G业务问题需要端到端分析维护，需要开发部署端到端维护系统，用于故障诊断和预警；
8、所有终端都要在统一的平台上进行升级、监管和展示，便于客户的日常运维操作。
四、产品解决框架：
1、港口对数据传输安全要求较高，通过部署本地化5GC或UPF/MEC将港口业务数据本地分流到港口数据中心，以确保数据安全，且可降低业务数据传输时延。
2、港机5G业务的视频回传和PLC控制对5G网络需求较高，通过5G VPN网络向远控台回传多路高清视频，同时远控台PLC向控制PLC下发控制指令控制其动作。远控PLC的通信协议是profinet等工业实时以太网协议，5G CPE无法支持，通过引入5G VPN方案将港机远控PLC的二层工业实时以太网协议转化成IP协议传输；为增强业务可靠性和连续性，通过双CPE链路组网方案来提升整体方案的可靠性。
3、为降低港机多路视频回传时的带宽，使视频画面同步，我司自研低时延视频合成网关将远控视频带宽降低到4M/s以下，后续规划根据网络情况智能调节颜色、码率等图传指标。
4、为提升港机远控管理的便利性，通过部署ZTE LINk将港机远控所用终端(工业CPE、eBridge、视频合成网关)进行统一运维和管理。
5、为建立5G远控业务异常时的分析和预警机制，通过部署港口远控异常分析系统，在港机5G远控异常时，进行故障原因诊断和分析，并进行异常预警。
6、以岸桥5G远控为例，5G终端布置在港机顶部，离地面高约50米，单台岸桥远控对网络要求：单机上行带宽不低于100Mbps，最大延时不超过100ms，平均时延小于20ms。目前5G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更换等成本投入，减少远控改造对码头生产的影响。

创意特色及技术性能（必填，项目的新颖性，产品设计的独特性、创造性；技术深度、复杂度、合理性、先进性以及其在市场中的领先程度等，结合专利、数据等支撑说明材料）

一、5G专网方案设计
为了满足不同垂直行业的差异化的需求，5G专网方案支持切片组合来构建全场景的5G行业专网，以下为典型组网参考

基础建设的组网规划如下：
1、在园区部署SA的基站。
在靠近用户侧的边缘DC部署MEC，在MEC上部署MEP平台，并UPF做本地分流，同时可以根据需要在MEP平台上部署用户的业务分析系统。
在核心DC，部署5GC控制面网元和用户面网元。
2、传输网络：基础设施与2C共用。
3、管理系统：
NSMF新建部署在核心DC；
部署无线 NSSMF、传输 NSSMF、CN NSSMF；
根据试点情况，对接第三方CSMF。
4、新增链路：
N2、N3、N4、N6等链路，可以采用FlexE/SPN管道与人网等管道隔离。
二、创新方案介绍：
1、整体方案

2、5G化改造方案

3、跨二层网络子方案
5G VPN实现跨二层网络双向互通实时控制，通过在接入端和服务端部署穿透网关，形成VPN通道或虚拟私有网络，使得业务系统能经过该通道访问接入端。

该方案创新点：
在普通宽带路由器后与交换机直接串接即完成部署；
NAT自动穿透，支持夸互联网异地大二层互联；
以透明网桥方式部署，支持IP地址任意翻译，解决IP重叠问题；
802.1Q透传，支持任意VLAN标签透传；
支持数据分流，上网业务和隧道封装分流；
客户端PC无感，不改变任何原有网络的任何架构及IP地址变更；
4、5G双链路子方案
5G双链接保障岸桥无线接入的高可靠性，通过双链接复制功能，在岸桥和中控之间建立两条保活的IP链路，使得两端之间的数据能够在两条链路上动态调整，增加网络通路的可靠性。

该方案创新点：
提高可靠性：两条链路同时工作，可以大大提高链路的可靠性；
链路互备份：两条链路互为备份，某条链路出现异常时可无缝切换到另一链路，无需重新建立握手；
选择最优路径：实时计算链路的RTT值，选择最低延时的链路进行传输；
5、5G端到端切片子方案
5G端到端切片保障港口业务稳定连续，将PLC控制指令与视频回传业务适配到不同的切片，保障控制指令不被大流量视频业务挤占，确保PLC控制指令的时延及抖动指标。

为了使网络切片更加灵活地满足行业的需求，5G设备在无线、传输、核心网都增强了定制和可编排能力，来满足客户的网络需求，为切片实施提供保障：
无线提供了基于切片的频段、RB资源、优先级配置等隔离保障手段；
传输实现了软、硬管道的保障；
5GC网元实现了C/U分离、云化服务化、切片业务能力以及能力开放等。
6、提升上行带宽子方案
针对港口多台岸桥聚集技术方案的建议：第一阶段先用3.5~3.6GHz 频点做1D3U帧制式，等大网用户容量上来要采用200MHz频宽时，再切换到毫米波解决方案，届时需要新建基站和CPE。
7、低时延视频网关子方案
通过低时延视频合成网关降低5G带宽消耗，从摄像头采集至中控视频分拆完成时延可控在230ms，视频网关延迟控制在10ms。
该方案创新点：
多路视频时间同步；
解决视频瞬间码率过高问题；
保证在稳定的带宽下传输高质量画质；
拼接视频实时切换；
8、终端统一管理子方案
终端网管系统ZTELInk实现终端统一管理通。

该方案创新点：
设备管理：
零接触和一键开通
CPE模板管理，如固件管理、策略执行等
支持门户：
提供“一键”方法独立在线诊断和解决设备相关的问题。
API网关，无缝对接企业业务系统
支持中心：
通过Web服务远程诊断和配置进行故障排除。
设备日志流媒体工具故障排除
报警管理：
自动向用户发出警报
使用场景执行脚本以自动解决组设备的问题
实时监控：
实时查看CPE运行状态和综合信息
用户端点数据和网络服务的服务质量监控
9、大数据保障子方案
通过5G toB大数据保障方案提升港口业务保障能力。

三、项目建设成果
天津港岸桥自动化改造项目已经实现基于光纤传输发出作业指令，远程操控岸桥进行生产作业，伴随着5G技术发展，本项目计划使用5G+MEC组网方案，将5GC UPF功能下沉到MEC，将业务流量本地化，从而在5G网络上实现对岸桥的远程操控。
天津港无人重卡自动驾驶与移动视频巡查，在车辆上部署高清摄像头，摄像头采集视频数据，通过5G网络和MEC回传天津港本地平台系统上。
港口和航运企业特别注重对集装箱数据的采集及追溯。采用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。
案例实施成效：
在天津港开展5G SA网络部署，当前网络性能可以达到下行（4流）速率1.3Gbps，上行（2流）速率110Mbps，时延<10ms，时延抖动控制在100us，可靠性高达99.999%。
（1）通过5G低时延、高带宽、海量连接特性，可以实现岸桥远控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。天津港5G岸桥远控操作时延<20ms，持续稳定的作业可以运行300小时以上，整体效率提升20%，至少可以支持50个终端的接入，取代了传统光纤传输方式，成功实践岸桥远程操控应用。
（2）集卡自动驾驶实现自动驾驶、移动视频监控和巡查的功能，通过该方式提升了车辆的安全管理能力，也可以提高巡检效率。天津港5G智能集卡目前已经实现5000余小时的常态化运行，累计工作历程>2万公里，作业循环次数3000个，安全运输集装箱个数4500箱，是全球首个投入实际作业的港口一体化平面运输系统。
（3）智能理货项目已全面投产，外理理货员不再需要登轮作业，极大的减轻了集团疫情防控压力，省却了理货员登外轮作业的繁琐报备流程以及作业后的核酸检测，人员隔离等管理成本，保证了理货员到岗率和船舶作业效率，充分展现了智能理货系统的优越性。天津港5G智能理货支持稳定运行300小时以上，目前已经在4座岸桥成功部署，上行速率>70Mbps，可以节约60%的人力成本。

与5G结合性及强相关性及产业联动效应
5G大带宽广连接能力有效支持多路高清视频和传感器信息回传。结合边缘计算+AI能力以及高精度定位等技术，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运作水平。本方案可协助港口等工业产业实现数字化转型，拥有广泛的市场应用场景：
1、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、集疏运作业等多个环节。其中，货物垂直运输作业的港机设备远程控制也是5G无线业务应用的一个主要场景
（1）轮胎吊远控：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。
（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。
2、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，无人自动驾驶技术是未来港口集卡车辆的一个必然发展趋势。
（1）集卡无人驾驶：以车路协同为特征的自动驾驶技术利用高容量、低时延、高可靠的5G车联网和边缘计算MEC技术，完成调度规划、高精准定位（厘米级精度）、自动避障、自动跟车、自动会车等常规作业动作，在紧急情况下还需要支持人工远程接管驾驶任务。
（2）集卡远程接管：中控室监管员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实时反映至车辆实际驾驶状况。
3、智能理货：
利用5G高清视频回传+AI视觉分析技术，通过OCR在装卸船、堆放、理货、验残、提箱、出关环节对集装箱箱号、装卸提箱状态、铅封有无、箱体残损识别，实现对箱号、残损、舱位、拖车号等信息收集，完成集装箱智能理货。在此基础上，经过技术分析、方案设计、网络对接、实验室测试、现场模拟、实船测试等环节，攻克了MEC组网、业务无缝迁移、IP地址分配等技术难题，成功地将5G信号深度区域覆盖与天津港智能理货有机融合，提升理货子系统作业信息采集、识别、数据后处理效率，以及集装箱TOS操作系统和外理系统数据的数据交互能力，通过最终的操作自动化处理，实现天津港5G智能理货应用落地。

5G与AI、大数据、先进计算、区块链等技术的融合度
通过将港口5G网络（上行带宽100M、时延低于20ms）与天津港岸桥设备进行业务对接，取代了传统光纤传输方式（时延约60ms），成功实践岸桥远程操控应用。 无人集卡在5G网络保障下，累计行驶超过2万公里，完成3000个作业循环，累计运输4500箱，是全球首个投入实际作业的港口一体化平面运输系统。通过5G网络上传各类视频数据流，并通过MEC分流到港口的视频云中心，取代传统4G专网传输方式，传输带宽可达80M/s以上。按照天津港对于码头智能化规划，未来还将开展1个智能化码头，总需求开展场桥岸桥超过200套、无人车辆超过100辆，视频监控摄像头超过1000个。
目前，正处于工业互联网、交通产业与信息产业融合发展的时机，一方面为运营商带来5G、SDN/NFV、MEC等新型网络建设以及服务的市场空间，另一方面为运营商深度参与行业市场，实现通信技术与行业特定场景融合，带来数据服务、平台服务以及运营服务等提供广阔发展空间。
5G技术应用后会对港口应用系统产生革命性影响，港口设备生产商将改变现有模式，转型生产5G嵌入式产品，从源头推动5G产业链的发展。
该产品接入港口生产系统后，针对不同的业务提供多等级的服务项目，联通由原先的单一保障服务变为按照不同等级进行针对性服务的方式。现有5G产品解决了港口远程操控无线化的难题，对行业产品的带宽、业务时延、安全性有了更高的要求，也会促进港口设备与5G终端、网络的进一步结合，各类业务的进一步完善。
在业务类型方面，通过5G的特性，将进一步丰富港口业务应用模式，提高港口生产效率；在终端方面，为适应港口需求，将推进终端发展，包括手持类终端、终端模组、CPE等；在平台方面，5G将促进港口各类信息化业务的融合，促进平台的统一和完善；在组网方面，未来将实现有线局域网、本地政企专网、5G网络以及物联网等多类技术的融合拓展。
未来，当5G网络在港口正式商用后，将在无线网络方面提供超过4G峰速10倍带宽、毫秒级的时延和千亿连接的优质网络；提供广泛用于港口物联网的模组、终端，构建适合边缘计算的MEC平台、软件架构和AI、大数据软件；提供端到端网络切片方案协助运营商重塑商业模式。

项目的价值以及市场需求、分析市场容量
5G技术应用后会对港口应用系统产生革命性影响，港口设备生产商将改变现有模式，转型生产5G嵌入式产品，从源头推动5G产业链的发展。
该产品接入港口生产系统后，针对不同的业务提供多等级的服务项目，联通由原先的单一保障服务变为按照不同等级进行针对性服务的方式。现有5G产品解决了港口远程操控无线化的难题，对行业产品的带宽、业务时延、安全性有了更高的要求，也会促进港口设备与5G终端、网络的进一步结合，各类业务的进一步完善。
在业务类型方面，通过5G的特性，将进一步丰富港口业务应用模式，提高港口生产效率；在终端方面，为适应港口需求，将推进终端发展，包括手持类终端、终端模组、CPE等；在平台方面，5G将促进港口各类信息化业务的融合，促进平台的统一和完善；在组网方面，未来将实现有线局域网、本地政企专网、5G网络以及物联网等多类技术的融合拓展。
本项目将在港口采用5G技术逐步取代传统港口的通讯手段，满足自动化码头多种作业设备的控制信息、多路视频信息等同步、可靠传输需求。将智能岸桥场桥远程操作、港口车路协同、智能理货等业务推广到各大港口，加速港口信息与业务的全面融合，吸引物流、商流、信息流、货流、人流等航运要素集聚，加快传统港口向自动化、智能化的智慧港口发展转变。5G技术与码头的结合，为港口智慧化提供全新通信解决方案，为未来港口打开了全新的想象空间。

商业模式
天津联通拓展垂直行业四种主要商业运营模式

天津港5G无人集卡项目合同：21万元

天津港5G岸桥远控商务合同：29万元

产品原型、logo等设计图片，产品评估验证的图片、评测报告等
1、工信部测评5G试点示范项目成效报告
2、信通院测评5G行业应用网络质量
3、首届世界5G大会应用设计揭榜赛一等奖
4、入选 GSMA 2019年度 5G灯塔案例集
5、第三届世界5G大会应用设计揭榜赛二等奖
6、2021年度中国ICT 创新奖
7、第四届“绽放杯”5G应用征集大赛标杆赛金奖
8、入选工信部《第二批“5G+工业互联网”十个典型应用场景和五个重点行业实践》案例
图1 工信部测评5G试点示范项目成效报告

图2 信通院测评5G行业应用网络质量

图3 首届世界5G大会应用设计揭榜赛一等奖

图4 GSMA 2019 5G灯塔案例集

图5 第三届世界5G大会应用设计揭榜赛二等奖

图6 2021年度中国ICT 创新奖

图7 第四届“绽放杯”5G应用征集大赛标杆赛金奖

图8 入选工信部《第二批“5G+工业互联网”十个典型应用场景和五个重点行业实践》案例

团队介绍及其他
港口产业现已成为世界沿海国家竞相发展的重点领域，港口不仅是货物水陆空运势的中转地，而且提供了发展转口贸易、自由港和自由贸易区的机会，在现代国际生产、贸易和运输系统中处于十分重要的战略地位，发挥着日益重要的作用。
在此背景下，天津联通联合中兴通讯等合作伙伴广泛应用云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人、北斗卫星导航、建筑信息模型等新技术，通过对港口交通装备、固定基础设施及相关内外部环境信息的深层次理解，致力打造出更加安全可靠、更加经济高效的智慧港口系统。目前，已成功联合合作伙伴打造出5G港机远控、港区内集卡自动驾驶、智能理货等一系列解决方案。基于创新ICT产品和技术，持续为港口及其他交通行业提供发展动力。