“智慧长江”信息化建设需求和技术实现研究.pdf

54 CWT 中国水运 202308“智慧长江”信息化建设需求和技术实现研究叶凡（交通运输部长江通信管理局，湖北 武汉 430014）摘要：本文分析了“智慧长江”的应用需求，结合了传统技术与 5G/6G、人工智能、元宇宙等新技术，研究了船岸无线宽带的实现方案，提出了“智慧长江”建设的推进思路，展望了“智慧长江”应用前景，为今后加速构建长江航运信息化底座提供参考借鉴。关键词：5G/6G；智能航运；智慧长江；数字孪生中图分类号：F49 文献标识码：A 文章编号：10067973（2023）08-0054-03 DOI 编码：10.13646/ki.42-1395/u.2023.08.0201 研究背景长江航务管理局 2023 年工作会明确“131”“智慧长江”建设路径，即构建长江航运信用管理体系；打造长江航运智能管理平台、综合保障平台和公共服务平台；规范建设统一开放的长江航运市场。目前，长江航运船岸无线通信主要为甚高频窄带通信，宽带通信存在明显短板。公网船岸宽带通信覆盖存在大量盲区。2“智慧长江”信息化建设需求分析本文将长江航运水上业务应用分为智慧海事、智慧船舶、智慧航道、船员用户等四个主要场景，部分基于5G 的业务应用网络要求如表 1。表 1 5G 智慧航运应用业务网络要求3“智慧长江”无线宽带覆盖实现方案分析长江上游船只密度低，业务需求量较少，典型覆盖需求为大覆盖，低容量。三峡坝区典型覆盖需求为中覆盖，中容量。长江中游包括城市、港口等复杂场景，2B/2C 业务混合度高，典型覆盖需求为大容量，小覆盖。长江下游船只密度高，属于大上行带宽的业务场景，典型覆盖需求为大覆盖，大容量。3.1 岸基基站高中低多频组合实现连续覆盖长江中上游江面较窄，约 24km，中下游入海口最宽处达 1020km；采用运营商 4.9G/2.6G/700M 等高中低频段，高低频协同搭配，结合超远覆盖技术，覆盖半径可达 250km。岸基基站垂直 4 波束，可以兼顾水平和垂直立体覆盖，满足长江航道各高度终端接入需求。航道的站点规划和仿真效果预测，需要经过 toG/toB/toC 混合业务目标设定、智慧航道沿岸地图精准建模、江面仿真传播模型、航道站点规划、航道 RF 参数规划（包括站高、方位角、倾角、多站点协同 RF 参数自动寻优）、航道用户级 toG/toB/toC 容量规划等几个关键步骤。3.2 微基站船+CPE 回传的 relay 覆盖岸基基站为主网，船舶及标志船携带基站能力，进行二级延伸组网。采用趸船大功率站+标志船小功率站和岸基大功率站+标志船小功率站覆盖相结合的模式，大功率站和标志船小功率站之间用 CPE 回传，实现实时通信的功能，实现两级级联（如图 1）。图 1 两级级联覆盖示意图3.3 方案建议CWT 中国水运 202308 55从内河航运覆盖的特征来看，700M/2.6GHz 等中低频段覆盖半径可达 250km，保障的业务速率高达 50-300Mbps，能够满足信号覆盖和带宽容量需求。同时，沿用运营商大网的产业链，将极大降低端到端设备的建造成本。采用微基站船+CPE 回传的 relay 覆盖方式存在设备可靠性、供电可靠性、传输可靠性的极大挑战。建议在长江主航道及重点港口、锚地等场景采用以岸基宏站为主，在长航驳船及沿江桥梁增加补点基站为辅，结合船载信号增强接收的方案，满足船舶安全、海事执法、智慧航道等生产性应用的需求；在部分水上服务区、小型码头、支线等场景采用微基站船+CPE 回传的 relay 覆盖方式，满足船员购物、上网等服务型应用的需求。3.4 长江干线分场景的网络带宽需求分析（1）城区航道。如武汉段，业务模型考虑每公里5 艘，每艘船需求 6Mbps 计算，考虑海事执法、航道巡检、信息回传等，每公里江面总的上行业务需求约15+65+8=53Mbps。并且在此场景 ToB/ToC 业务混合度高，基站要兼顾江面 ToB 用户和岸边 ToC 用户体验。（2）郊区航道。郊区场景空旷，ToC 用户较少，场景需求主要是 ToB 业务。业务考虑每公里 3 艘船，每艘船需求按照 6Mbps 计算，考虑海事与航道业务并发，江面总的上行业务需求约 15+63+5=38Mbps。（3）山区航道。网络需求主要是船舶 ToB 业务。用户相对城区航道分散，业务考虑每公里 2 艘船舶，每艘船需求按照 6Mbps 计算，考虑智慧海事与智慧航道业务并发，每公里上行容量需求 15+62+5=32Mbps。（4）局部热点航道。局部热点区域，用户集中分布，容量需求高，以智慧锚地场景为例，每个锚地一般长 2km，宽 300m，ToB 业务可包含 3 只海事船、120 只民用船只，区域内 ToB/ToC 混合场景，考虑业务并发，ToB 上行回传带宽需求超过 200Mbps。3.5 长江干线无线宽带覆盖的新技术3.5.1 低空立体覆盖低空无人机具有明显的上下行业务不对称性。无人机应用的上行要求从几 M 到上百 M 的速率，且随着未来无人机高清视频回传要求的进一步提升，蜂窝网络支持无人机上行容量面临较大挑战，同时还需要考虑无人机上行带来的干扰问题。5G 通过大带宽，多天线精准波束、高阶调制、终端 1T 变 2T 等技术大幅提升了上行容量,同时在负载较高情况下(ToC 与 ToB 共一张无线网)，可以采用切片方式保障 2B 上行业务需求。3.5.2 5G 物联网RedCap 通过减少带宽、减少 MIMO 层数以及放宽下行链路调制阶数，从而降低基带复杂性，减少所需接收分支的最小数量并允许在所有频段中进行半双工(HD)操作，从而实现降低天线和射频组件的材料成本。RedCap 在带宽、功耗、天线设计和成本方面均介于 eMBB 和 LPWAN 之间，降低 5G 部署和使用成本，加速 5G 商用落地。3.5.3 通感一体通过部署 4.9GHz 频段通感一体基站，目前可对 20公里内船只的位置、速率、轨迹等系列数据进行实时感知，刷新率可达 1 秒，并能检测出未安装 GPS/BD 的船只信息。针对航运场景，从距离、不同载重的船只进行感知、分辨率、速率检测、轨迹跟踪等全面的感知能力验证。3.5.4 5.5G 和 6G 演进5.5G 已经进入实质阶段，预计 2025 年规模商用；6G 预计 2026 年明确指标定义，2028 年进入试验阶段，2030 年规模商用。6G 潜在应用场景大部分在 5.5G 中已包含，具有非常好的延续性。4 长江航运数智化平台实现方案分析4.1 长江航运大数据接入北斗、AIS、CCTV、航标定位、零排铅封等实时数据，清洗完善行政处罚等安全监管数据，为长江海事智能管控平台建设打下坚实基础。初步实现“可视化”安全监管。“一张图”集中展示各类监管要素，实现危化品船舶抵港预警、船舶报港信息比对、超吃水预警、重点水域船舶流量监测等相关功能，长江水上安全态势一目了然。以实现对船舶、航道、航标等航运全要素“全面采集感知、多维可视化监管、高效精准实时服务”为方向，集道、标、船、闸、桥、港为一体的电子航道图/电子江图“一张图”为底图，建立智慧航运业全面可视化感知监管和航运数据统计分析与发布平台。4.2 长江航运辅助决策航运大数据辅助决策是基于相关业务数据训练长江航运大模型，通过生成式人工智能实现数字航道“一张图”、水上交通安全“一张图”、应急搜救指挥“一56 CWT 中国水运 202308张图”，通过数字可视化平台全面掌握水上各类情况，并且针对重要数据信息可以进行下钻挖掘详细数据。同时基于相关水运业务的不同场景维度数据和业务信息进行大数据分析与业务挖掘，实时渲染技术进行数据整合与输出，可直观展现各种水上要素现状、整体分布与发展态势等，从而对重点指标数据和航运数据进行可视化动态展现。4.3 长江航运元宇宙4.3.1 数字孪生智能航运通过长江航运大数据治理、长江水上交通建模和仿真等，全面构建数字孪生长江航运体系架构，包括 5G网络、物联感知、智能终端、算力网络、高精定位、高精航道图。以用促建，推进智慧海事、智慧航道、智慧船舶、智慧港口物流等上层应用。4.3.2 数字原生“智慧长江”以长江航运信息化底座为基础，全面整合长江干线涉水企业的业务需求，基于统一时空基准，以多维数据的训练和推理，运用多模态大模型的自监督学习、强化学习、对抗学习等技术，实现在数字世界中跨行业、跨时间、跨空间自动建立新的联系、发现新的规律、创造新的产品、构建新的模式、提供新的服务。5“智慧长江”信息化建设推进思路一是加强顶层设计。将 5G、云计算、人工智能、物联网、大数据、高精度定位等技术与航运业深度融合，构建陆海空天一体化监管平台。二是加强建设需求分析和功能规划。统筹当前业务上线需求和未来业务上线规划，设计一张弹性扩容的网络，并考虑无线网、传输网、核心网、终端等领域。三是加强开放生态构建和资源整合。长航&公网运营商&设备制造商共同推动多家通信设备提供商加入到 5G 阵营中，一起推动 5G 智慧航运产业发展，不断丰富 5G 产业生态。四是积极打造服务品牌。拉通航运、船舶、港口、能源行业的信息化需求，打造电化长江生态品牌；加强与电信运营商合作，打造“长江新链”宽带传输底座；统筹推进业务融合、技术融合、数据融合，利用数字化放大、叠加、倍增作用，为长江航运智能化筑牢数据应用底座；加大对低空立体覆盖、5G 物联网、通感一体、5.5G 和 6G 演进等信息技术的试点和应用，积极推进与运营商、航运企业、能源企业的融合创新。五是全面扩大服务场景。5G 网络兼顾专网的功能同时服务相关的政府单位、企业和个人用户，通过为大众提供 5G 及相关移动物联网服务，可创造巨大社会价值。6 结束语“智慧长江”的信息化建设不仅需要航运行业内部系统的科学规划和技术指导，还要依靠相关行业人士的不断努力，共同促进航运行业同其他行业间的交叉融合，全面推动“智慧长江”信息化的发展和进步。参考文献：1 影响未来信息通信发展的十大跨界创新方向白皮书（2022）.2 中国移动算力网络白皮书（2021）.3IMT-2020（5G）推进组5G 增强技术研发试验 NR RedCap 关键技术要求.4IMT-2030(6G)推进组 6G总体愿景与潜在关键技术白皮书.5 交通运输部联合七部委 2019 年 5 月智能航运发展指导意见.6 交通运输部 国家铁路局 中国民用航空局 国家邮政局 中国国家铁路集团有限公司关于印发加快建设交通强国五年行动计划（2023-2027 年）的通知.7 长江通信管理局“十四五”建设规划.