本文选自期刊《大众标准化》2025年第22期
作者：蒯乃军
来源：基于5G专网的智慧港口多设备协同通信组网设计与能效优化[J].大众标准化,2025,(22):169-171.
摘要
摘要：为改善智慧港口的运作效率并降低能耗，文章重点研究基于5G专网的智慧港口多设备协同通信组网方案以及能效优化策略。通过分析传统港口的通信状况，利用5G专网在高带宽、低时延、大连接容量等方面的优势，从而构建分层分散的网络架构，把 MIMO 技术和网络切片机制融合起来，来支挥多设备之间的局效协同。为提后港口设施的运作效率并减少能源耗费，还提出基站动态节能、咨源调配改良以及终瑞智能少经营的具体产法，为智慧港口的持续发展提供实际参照。
一、前言
港口是全球物流网络的重要节点，其运作效能与经营水平直接影响区域经济发展的潜力及国际竞争力。传统港口普遍存在通信效率不高、设备协同困难且能耗偏高的问题，难以适应迅猛增长的业务需求。近年来，随着先进信息技术的发展，港口运作朝着智能化、自动化、高效化的方向转变。5G技术凭借高带宽、低时延和大连接容量的特性，为智慧港口发展赋予了新的动能。依靠5G专网架构搭建起来的多设备协同通信体系，不仅显著提升了港口设施之间的交流成效与协作水平，而且通过改良能源管理策略削减了经营费用，有力地推动了绿色可持续发展方针的实现。
二、智慧港口通信现状及5G专网优势
（一）智慧港口通信现状
传统智慧港口通信系统大多依靠 Wi-F1、4G以及有线网络等技术方案。Wi-Fi虽然能在短距离内给人带来便捷的无线连接服务但是也有着明显的覆盖范围局限性。此外，其抗干扰性能欠佳，在港口复杂的环境中，很容易因为屏蔽大型机械或者金属结构而出现信号中断或者传输速率下降的情况。4G技术虽然有所改善，但当要处理大量设备同时并发的数据传输任务，如高清视频流的即时回传、自动化装卸设备之间的精确指令交流等事情时，仍然受到带宽和时延的限制，很难达到高精度同步和低时延的要求。而有线网络虽然比较稳定，但是部署起来并不灵活，在应对移动终端的接入需求以及港口动态作业场景快速变化时，这种局限性就更加明显。这些问题极大地影响了港口设备之间的协同工作效率，自动化操作的准确性和及时性也受到了限制。
（二）5G专网优势
5G专网有着明显的技术优势，其超高速率特性可以做到单秒数Gbps的数据传输速率，远高于4G网络，可以更好地保证高清视频流和大量设备状态数据的传输。龙门吊多个高清摄像头采集的实时作业画面能够无延迟地传回监控中心，给操作人员提供清晰直接的现场景象。低时延特性把端到端的延迟降到秒级别，很适合远程操控各类自动化设备(无人驾驶集卡、自动化岸桥)，可以明显提高设备的反应速度和操作准确度，有效地减少因网络延迟造成的操作错误或危险。5G海量设备连接特性支持每平方公里可容纳百万终端设备，实现港口区域内各种传感器、执行机构、移动装置等并行接入，港口内部设备之间高效联动、协同工作，构成完整的智慧港口物联网生态体系。
三、多设备协同通信组网设计
（一）网络架构设计
该网络架构采取分层分布式结构，由核心层、汇聚层以及接入层组成。核心层部署在港口数据中心，主要处理并存储重要业务数据(如港口运营管理系统信息和设备状态监控数据)，通过高速骨干链路与外部网络以及汇聚层开展高效的数据交互及传输。汇聚层设立在各个港区枢纽处，其任务是汇集接入层设备的数据，执行初步整合与流量调度，从而改善网络资源调配的效率，根据业务需求对数据实施分类筛选之后，按照优先级次序把数据转交给核心层。接入层依托 5G 基站网络，利用宏站与微站联合布局的形式，达成对港口区域的全方位覆盖。宏基站侧重于广域覆盖，给大面积区域内的终端设备赋予基本的通信保证;微基站着重部署在码头前沿、堆场密集等业务热点地区，通过加大局部覆盖强度和增大容量，以符合高密度数据传输的需求。
针对港口内部存在复杂遮挡情况的大型集装箱堆场、仓储设施等地方，可以采用改进天线参数、改变安装位置、运用波束赋形技术等手段，保证信号在各类终端设备之间顺利传输，如图1所示。
（二）关键技术应用
MIMO 技术在 5G 专网架构中占据了核心地位，依靠基站和终端设备的多天线设置，达成了多数据流的并行发送与接收，极大地加强了频谱资源的利用效能并扩充了系统的总容量。在港口场景中，这项技术可促使众多终端在同一个频段中开展高效的协同通信从而有效地压制信号干扰，保证无人驾驶集卡之间数据传输的稳定性，进一步改善物流运作流程并提高其可靠性。
凭借网络切片技术，5G 专网可以按照港口各种不同的业务需求，把物理层面划分成许多逻辑上独立的功能专网。自动化设备控制业务被归类为高可靠低延迟切片，以符合即时性的需求;视频监控业务通过大带宽切片得以维持多路高清图像的稳定传输。各个切片可以按照业务需求来灵活调整资源分配策略以及优先级管理机制，这样就能做到对网络资源的有效调度并加以优化利用。边缘计算技术借助靠近终端设备的网络边缘节点，也就是港口区域中的边缘服务器上部署计算和存储的功能，明显削减了数据传输时延并改善了设备的工作效率。对于那些有着很高实时性需求的应用场景，如自动化岸桥远程操控这类情况所产生的数据，就可以在本地的边缘节点上做到即时处理和分析，既减小了核心网所承担的数据流量负担，又极大地缩减了反应时间。
四、 能效优化策略
（一）基站节能技术
为解决传统基站持续满负荷运行导致的高能耗问题，结合智慧港口作业的潮汐性特征，提出动态节能策略。智能休眠机制主要采用人工智能算法，对基站周边的终端设备活动特性、流量需求加以动态监测和剖析，在发现某一区块内的设备在很长一段时间都处于轻载或者空闲状态，特别是夜间仓储设施停止作业时，即可以自动激活该区域内相关基站转入休眠状态，关闭非必要的射频单元，达到降低能耗的作用，并且让基站的控制部分继续保持较低功耗的工作状态，一旦感知到有新的设备请求接入网络或网络中的基些地方出现了流量增长时，就会迅速让该地区基站恢复正常的服务功能，这样就能大幅削减闲置时间段内所需要耗费的能量。
考虑智慧港口基站需长期在复杂电磁环境中高负荷运转，传统硅基功率放大器存在能量转换效率低、散热能耗高等问题，在硬件层面推行能效升级方案。为此，采用氨化镓(GaN)半导体材料构建功率放大器。与传统硅基器件相比，其能量转换效率提升 20%~30%，在同等信号传输功率下可降低近四分之一的能耗，同时减少设备散热需求，间接降低冷却系统的能源消耗。此外，改良基站电路设计并采用低能耗芯片以及高精确度电源管理模块，可以进一步削减内部信号传输环节的能量损失，进而全面改善基站整体能源利用效率。
（二）网络资源优化
部署的设备涵盖自动化岸桥、无人驾驶集卡、龙门吊等作业设备，以及高清摄像头、各类传感器等监控与感知设备。为实现港口网络资源的动态适配与高效利用，构建基于业务优先级的智能调度管理平台，该平台整合设备状态监测、流量分析和资源分配功能通过实时数据交互支撑算法决策。动态资源调度算法作为平台核心模块，凭借港口业务实时流量特性、优先级划分和网络运行状况做到资源分配的灵活改变。在码头作业高峰期，自动化岸桥和无人驾驶集卡等重要设备的数据传输需求明显增大时，平台通过算法自动为其分配更多无线资源块(RB)并提升传输优先级，以此保证核心业务的正常运转。若视频监控业务突然出现流量增长的情况，算法可从低优先级应用(如环境监测传感器)中回收闲置资源，避免出现资源被过度占用或堵塞的现象。
负载均衡技术作为该平台另一关键组件，借助动态监测各个基站的运行状态实现智能调配。在某个基站由于集中装卸致使设备接入量暴增并月其处理能力被约束时，平台基于设备分布，信号强度以及业务种类等多维指标，通过算法自动把部分流量转移到邻近负载较小的基站，这种智能调度机制既实现了以络资源均街分配，改讲了整体的吞叶效能，又避免了局部节点过载话成的服务中断危险，在保障设备协同效率的同时降低无效能耗。
（三）设备节能管理
设备除了相关作业设备，还包括照明系统、通信装等辅助设备。需构建港口全域智能能源管控平台，整合设备状态监测模块,能耗数据分析引擎和智能控制中枢，通过 5G 专网实现与各类终端设备的实时数据交互。该平台作为设备节能管理的核心载体，能够动态采集自动化装卸设备、照明系统、通信装置等的运行参数与能耗数据，为节能策略实施提供数据支撑。
平台内置的智能休眠算法可精准识别长期闲置设备，如部分临时停靠辅助作业船舶上的通信装置以及备用照明设施等。当设备连续30 min无操作指令且未接入业务数据时，自动触发待机或休眠模式，从而明显减少能源浪费。当设备需要重新开始工作时，可以借
助远程唤醒或者预先设定好定时开启功能来迅速恢复正常运转。在设备选型环节，平台通过能效评估模型对候选设备进行全生命周期能耗模拟，优先推荐高效节能型号。如将稀土永磁同步电机应用于自动化岸桥、龙门吊等装卸设备，其通过优化电磁设计使能源转换效率提升15%~25%;LED灯具的能耗大幅度减少、使用寿命大幅增长，从设备采购源头降低能耗基数。
同时，建立设备能耗监测与评价机制。对港口内各类设备的能耗情况进行实时监测，并开展数据搜集工作，定时对设备能耗展开评定并加以分析，找出能耗较高的设备及环节，按照评定结果制订相应的节能改善计划，针对高能耗设备执行升级改进或者改良运行参数等措施。
五、结语
文章针对5G专网智慧港口多设备协同通信问题展开研究，设计出分层分布式组网架构。利用MIMO、网络切片等技术，支撑自动化岸桥、无人驾驶集卡等设备高效协同运作，采用基站节能、资源调配、设备管理策略，搭配智能调度管理平台与能源管控平台，形成设备+5G专网+平台架构，使港口运作效率得以提升，能耗得到有效降低，为智慧港口绿色可持续发展提供了新途径，对其他相似情形的应用给予了借鉴。
六、参考文献
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