無人駕駛技術(shù)在未來智慧港口的應(yīng)用

孫羽 汪沛

摘 要：使用無人集卡車隊(duì)管理系統(tǒng)，調(diào)度和控制無人集卡車隊(duì)，取代港區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)的有人駕駛集卡，完成碼頭港區(qū)內(nèi)各種生產(chǎn)場景的水平運(yùn)輸作業(yè)，是實(shí)現(xiàn)碼頭智能化，自動化，節(jié)能減排，提高生產(chǎn)安全性和生產(chǎn)效率，建設(shè)智慧港口和綠色港口的有效途徑。對港口企業(yè)向綠色港口、智慧港口方向轉(zhuǎn)型具有重大意義，有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智慧港口 集卡 無人駕駛 機(jī)器學(xué)習(xí) 智能化

1.未來智慧港口的發(fā)展趨勢

近年來，我國的港口大型化，專業(yè)化，自動化和智能化的水平不斷提升，港口通過能力顯著增加，自2016年以來，隨著廈門，青島，上海等地的全自動化碼頭相繼建成并開港運(yùn)營，逐步掀起國內(nèi)大型港口向智能化方向變革與創(chuàng)新的浪潮，整個(gè)港口行業(yè)都非常明確的認(rèn)識到，“智慧港口”代表著未來港口的發(fā)展方向，是港口未來轉(zhuǎn)型和發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。

2017年1月，交通運(yùn)輸部發(fā)布《關(guān)于展開智慧港口示范工程的通知》，決定要以港口智慧物流、危險(xiǎn)貨物安全管理等為重點(diǎn)，選取一批港口開展智慧港口示范工程建設(shè)。在智慧港口的建設(shè)上，明確了要發(fā)揮信息化的引領(lǐng)作用，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)作為智慧港口的建設(shè)基礎(chǔ)，加快推動港口信息化和智能化進(jìn)程，促進(jìn)港口提質(zhì)增效。

按國家綱領(lǐng)性文件的指導(dǎo)，未來智慧港口的建設(shè)，將以信息技術(shù)為依托，融合物聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，人工智能等最新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)港口的人和設(shè)備的廣泛互聯(lián)，各類軟硬件系統(tǒng)的無縫連接和高效協(xié)同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)港口集疏運(yùn)體系的高度智能化。具體到港口內(nèi)的生產(chǎn)場景智能化建設(shè)，主要體現(xiàn)在智能閘口和無人閘口建設(shè)、港區(qū)內(nèi)智能化的水平運(yùn)輸、堆場上裝卸作業(yè)智能化以及岸邊作業(yè)智能化等幾個(gè)方面。其中港區(qū)內(nèi)水平運(yùn)輸?shù)闹悄芑饕捎脽o人水平運(yùn)輸設(shè)備AGV，或?qū)鹘y(tǒng)的有人駕駛集卡改造為無人駕駛集卡，通過無人駕駛車隊(duì)調(diào)度管理系統(tǒng)對整個(gè)港區(qū)內(nèi)的無人集卡車隊(duì)進(jìn)行統(tǒng)一作業(yè)調(diào)度，路徑規(guī)劃，出勤管理等，確保整個(gè)無人集卡車隊(duì)在沒有司機(jī)參與的情況下，7x24小時(shí)持續(xù)穩(wěn)定的支撐碼頭港區(qū)內(nèi)各種生產(chǎn)場景的水平運(yùn)輸作業(yè)，實(shí)現(xiàn)碼頭港區(qū)內(nèi)水平運(yùn)輸?shù)闹悄芑?/p>

2.無人駕駛技術(shù)在智慧港口中應(yīng)用的可行性和必要性

無人駕駛車輛上路行駛，需要符合國家的相關(guān)政策法規(guī)，包括技術(shù)路線、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)范、交通執(zhí)法、保險(xiǎn)責(zé)任等各個(gè)層面的內(nèi)容。對于無人駕駛車輛在社會道路上行駛，我國目前只有部分城市出臺了政策，允許無人駕駛車輛在城市的指定路段上做行駛測試，按國家相關(guān)法律法規(guī)現(xiàn)狀，對于自動駕駛汽車在正規(guī)社會道路上測試及隨后的大規(guī)模推廣運(yùn)營還存在著障礙。但無人駕駛集卡在碼頭港區(qū)內(nèi)部道路行駛，具備一定的落地優(yōu)勢：碼頭港區(qū)內(nèi)的無人駕駛車輛上路，能有效規(guī)避道路交通監(jiān)管方面的相關(guān)法規(guī)。無人集卡在港區(qū)內(nèi)部的行駛速度最高不超過40KM/H，遠(yuǎn)低于車輛在社會道路上40-80KM/H的行駛速度，降低了車載無人駕駛系統(tǒng)從信息采集到?jīng)Q策控制的整個(gè)處理流程的時(shí)間要求和算力要求，且港區(qū)內(nèi)部路況單純，沒有橫穿道路的人和動物，作業(yè)車輛和機(jī)械都按道路指示方向行駛，整體上降低了無人駕駛系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度。因此，無人集卡在港區(qū)內(nèi)上路作業(yè)比無人駕駛車輛在社會道路上行駛的可行性更高。

碼頭港區(qū)內(nèi)使用無人集卡承擔(dān)水平運(yùn)輸作業(yè)，實(shí)際投入運(yùn)營后，能大幅降低碼頭對內(nèi)集卡司機(jī)的用工需求，減少相關(guān)管理成本。使用純電動無人集卡，能夠顯著降低碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備的燃油成本支出，經(jīng)濟(jì)效益顯著，并且能夠?qū)崿F(xiàn)車輛尾氣零排放，符合國家提出的綠色港口的建設(shè)方向，對綠色港口建設(shè)具有重大意義。使用無人集卡作為水平運(yùn)輸設(shè)備，能有效緩解碼頭司機(jī)招工難，部分司機(jī)超時(shí)駕駛和疲勞駕駛的問題，提升安全生產(chǎn)水平，為碼頭帶來良好的社會效益。

通過研發(fā)無人駕駛車隊(duì)調(diào)度控制系統(tǒng)，碼頭可在系統(tǒng)中持續(xù)優(yōu)化全場的拖車調(diào)度算法，并且通過系統(tǒng)直接把最優(yōu)的作業(yè)任務(wù)信息下發(fā)到無人集卡上的車載無人駕駛系統(tǒng)，在信息系統(tǒng)層面流暢銜接，實(shí)時(shí)傳遞生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)要求，更加科學(xué)的調(diào)度和控制全場的集卡完成港區(qū)內(nèi)的水平運(yùn)輸作業(yè)，減少人為因素，簡化作業(yè)流程，提高港區(qū)內(nèi)水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)持續(xù)生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高碼頭的勞動生產(chǎn)率。港區(qū)內(nèi)的無人駕駛集卡按照碼頭的生產(chǎn)流程、工藝要求，以及無人駕駛系統(tǒng)預(yù)設(shè)的規(guī)則自動運(yùn)行，能做到全天候24小時(shí)不間斷地安全、穩(wěn)定的自動行駛，有力支撐碼頭前沿和堆場的水平運(yùn)輸作業(yè)的順暢進(jìn)行，從而大力提升碼頭運(yùn)營管理的現(xiàn)代化水平。

3.規(guī)劃與設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為支持碼頭港區(qū)內(nèi)水平運(yùn)輸作業(yè)使用無人集卡的作業(yè)模式，設(shè)計(jì)一套無人駕駛車隊(duì)調(diào)度控制系統(tǒng)對碼頭內(nèi)的無人集卡進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和控制，整個(gè)系統(tǒng)分為服務(wù)端的調(diào)度控制系統(tǒng)和車載的無人駕駛控制系統(tǒng)兩大部分。

服務(wù)端的調(diào)度控制系統(tǒng)具備全港區(qū)的路徑設(shè)置，全港區(qū)的無人集卡車隊(duì)管理，無人集卡作業(yè)指令下發(fā)、行駛路徑規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)控等功能，單車的無人駕駛控制系統(tǒng)具備環(huán)境感知，高精地圖，高精定位，決策規(guī)劃，車輛底盤控制等功能，在接收到服務(wù)端的調(diào)度控制系統(tǒng)下發(fā)的指令及初次路徑規(guī)劃信息后，能根據(jù)車輛上的環(huán)境感知模塊收集的信息，結(jié)合高精定位和高精地圖將信息傳遞給決策規(guī)劃系統(tǒng)，最終計(jì)算出當(dāng)前車輛行駛軌跡，并輸出給底盤控制系統(tǒng)，控制車輛按規(guī)劃的路線軌跡向作業(yè)目的地行駛。同時(shí)，車載無人駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)將無人集卡的狀態(tài)，位置，行駛方向，行駛速度等信息上報(bào)給服務(wù)端的調(diào)度控制系統(tǒng)，調(diào)度控制系統(tǒng)依托高精地圖定位和拖車全場調(diào)度算法的支持，實(shí)現(xiàn)全場的無人集卡的有序協(xié)同運(yùn)行，以減少交通堵塞，提高道路通過能力，提高碼頭港區(qū)內(nèi)道路的使用效率。同時(shí)針對碼頭道路作業(yè)忙閑程度，優(yōu)化無人集卡行駛路線，協(xié)調(diào)港區(qū)內(nèi)行駛的各輛無人駕駛集卡之間，及無人集卡與場橋/岸橋等裝卸設(shè)備之間的相互作業(yè)配合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碼頭裝卸運(yùn)輸作業(yè)的無縫銜接。

3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

在碼頭港區(qū)內(nèi)使用達(dá)到L4級自動駕駛（SAE自動駕駛分級，后文中所有提及的L4級均指SAE分級）的純電動無人集卡作為水平運(yùn)輸設(shè)備，部署無人駕駛車隊(duì)調(diào)度控制系統(tǒng)，通過在碼頭架設(shè)的4G專網(wǎng)或未來更先進(jìn)應(yīng)用更廣的5G網(wǎng)絡(luò)，無線傳輸生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)，與車載無人駕駛系統(tǒng)交互，控制這些無人集卡承擔(dān)碼頭港區(qū)內(nèi)的水平運(yùn)輸作業(yè)，主要作業(yè)場景包括：碼頭岸邊到堆場的卸船水平運(yùn)輸作業(yè)，堆場到岸邊的裝船水平運(yùn)輸作業(yè)，碼頭堆場內(nèi)不同場區(qū)之間的移箱水平運(yùn)輸作業(yè)，碼頭岸邊不同泊位的過駁水平運(yùn)輸作業(yè)等。

調(diào)度控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全場的水平運(yùn)輸作業(yè)統(tǒng)籌，合理的下發(fā)作業(yè)指令給不同場區(qū)的集卡。調(diào)度控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的集卡作業(yè)控制，調(diào)度控制系統(tǒng)直接與車載無人駕駛系統(tǒng)對接，實(shí)時(shí)下發(fā)指令到每一輛集卡，實(shí)時(shí)接收每輛集卡的車載系統(tǒng)上報(bào)的車輛位置狀態(tài)等信息，并依據(jù)全場的集卡作業(yè)情況調(diào)整和優(yōu)化下一步的指令分派。

車載無人駕駛系統(tǒng)具備深度融合感知功能，車輛安裝了激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)和高清相機(jī)等多種傳感器，能準(zhǔn)確感知全天候各種工況下的作業(yè)場景中的障礙物和周邊環(huán)境信息。車載無人駕駛系統(tǒng)搭載高精地圖，基于GPS/慣性測量單元/輪速計(jì)/激光雷達(dá)等技術(shù)融合制圖，并且能進(jìn)行自主的道路學(xué)習(xí)和自動制圖。車載無人駕駛系統(tǒng)具備高精定位能力，通過GPS/IMU/激光SLAM/視覺/輪速計(jì)等多種幀內(nèi)和幀間定位技術(shù)相結(jié)合，無人集卡可達(dá)到10CM以內(nèi)的絕對定位精度，。對碼頭堆場內(nèi)和岸邊橋吊裝卸箱的作業(yè)場景，能基于視覺識別和激光雷達(dá)定位技術(shù)，讓無人集卡在場橋和岸橋下作業(yè)區(qū)域的定位達(dá)到3厘米以內(nèi)的相對定位精度。車載無人駕駛控制系統(tǒng)具備AI智能決策能力，能夠通過構(gòu)建的基準(zhǔn)模型，深度模型等進(jìn)行持續(xù)迭代的機(jī)器學(xué)習(xí)（深度學(xué)習(xí)），在行駛過程中根據(jù)實(shí)時(shí)的場景生成加速、減速，換道，停車等行為。車載無人駕駛系統(tǒng)具備安全防護(hù)功能，對于行駛過程中感知到的道路異常狀況，能夠控制車輛采取緊急制動或簡單繞行等行為，避免碰撞發(fā)生。

3.3系統(tǒng)處理流程

系統(tǒng)整體處理流程上，首先由碼頭的生產(chǎn)系統(tǒng)生成水平運(yùn)輸作業(yè)指令，并將指令發(fā)給無人集卡車隊(duì)調(diào)度控制系統(tǒng)。調(diào)度控制系統(tǒng)收到作業(yè)指令后，會對根據(jù)不同的作業(yè)場景，將指令轉(zhuǎn)換為不同類型的拖車調(diào)度指令，并根據(jù)港區(qū)內(nèi)當(dāng)前各個(gè)集卡作業(yè)狀態(tài)、位置等信息，選擇最合適執(zhí)行當(dāng)前作業(yè)指令的無人集卡，再通過4G或5G無線網(wǎng)絡(luò)，將調(diào)度指令下發(fā)給選中的無人集卡，無人集卡接收到調(diào)度指令后，會規(guī)劃路線，在規(guī)定的時(shí)間窗內(nèi)自動行駛到作業(yè)地點(diǎn)，最后與港區(qū)內(nèi)的其他作業(yè)機(jī)械協(xié)同，完成集裝箱的水平運(yùn)輸作業(yè)，然后等待調(diào)度控制系統(tǒng)下發(fā)新的作業(yè)調(diào)度指令，整個(gè)作業(yè)流程在系統(tǒng)層面通過數(shù)據(jù)交互自動完成。

3.4系統(tǒng)主要功能

整個(gè)無人駕駛系統(tǒng)分為服務(wù)端的無人集卡車隊(duì)調(diào)度控制系統(tǒng)和集卡上的車載無人駕駛控制系統(tǒng)兩大部分。無人集卡車隊(duì)調(diào)度控制系統(tǒng)中主要包含基礎(chǔ)設(shè)置，集卡控制，集卡監(jiān)控等模塊。車載無人駕駛系統(tǒng)主要包含環(huán)境感知，高精地圖，高精度定位，決策規(guī)劃，車輛控制等模塊。

無人集卡車隊(duì)調(diào)度與控制系統(tǒng)功能模塊。基礎(chǔ)設(shè)置模塊包括邏輯地圖初始化，車道信息等調(diào)度無人集卡行駛的關(guān)鍵信息設(shè)置。集卡控制模塊包括了集卡作業(yè)任務(wù)下發(fā)，集卡路徑規(guī)劃，任務(wù)執(zhí)行時(shí)間控制，集卡出勤管理等功能。集卡監(jiān)控模塊能夠收集每輛無人集卡當(dāng)前的位置，姿態(tài)，速度，運(yùn)行軌跡，當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)等信息，若碼頭將來架設(shè)了5G網(wǎng)絡(luò)，還可向服務(wù)端實(shí)時(shí)回傳車輛行駛過程中相機(jī)拍攝的高清視頻和激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

車載無人駕駛系統(tǒng)功能模塊。環(huán)境感知模塊主要負(fù)責(zé)手集車輛上安裝的各種傳感器采集的行車周邊環(huán)境信息，然后將這些信息傳遞給依托于高精地圖的定位和決策規(guī)劃模塊，實(shí)時(shí)計(jì)算出集卡的行駛軌跡和速度，并持續(xù)將運(yùn)算結(jié)果傳給集卡控制模塊，控制無人駕駛集卡按作業(yè)指令的要求向目標(biāo)位置行駛。整個(gè)車載無人駕駛系統(tǒng)會使用人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，融合各類車載傳感器傳回的數(shù)據(jù)，進(jìn)行目標(biāo)檢測，目標(biāo)識別和分類，目標(biāo)定位，運(yùn)動預(yù)測等，并最終完成車輛行駛路徑的決策規(guī)劃。

4.系統(tǒng)應(yīng)用

4.1系統(tǒng)在碼頭的應(yīng)用場景

在碼頭港區(qū)內(nèi)的所有水平運(yùn)輸作業(yè)場景，都能夠應(yīng)用無人駕駛車隊(duì)調(diào)度與控制系統(tǒng)，調(diào)度無人集卡完成作業(yè)，主要作業(yè)場景包括：集裝箱卸船作業(yè)，集裝箱裝船作業(yè)，集裝箱過駁作業(yè)，集裝箱場內(nèi)轉(zhuǎn)堆作業(yè)。具體應(yīng)用時(shí)，首先由生產(chǎn)系統(tǒng)將指令派發(fā)給無人駕駛車隊(duì)調(diào)度與控制系統(tǒng)，調(diào)度與控制系統(tǒng)收到指令后，會將作業(yè)指令拆分為多條具體調(diào)度無人集卡到指定地點(diǎn)作業(yè)的指令，并逐一發(fā)給無人集卡的車載無人駕駛控制系統(tǒng)執(zhí)行，車載系統(tǒng)按調(diào)度指令的要求，控制無人集卡在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)行駛到指定的作業(yè)位置，并與港區(qū)內(nèi)的岸橋、場橋完成集裝箱交接前的吊具對位，然后橋吊下放吊具，完成對集卡的抓放箱操作，集卡就完成了一次港區(qū)內(nèi)的水平運(yùn)輸作業(yè)。在集卡接收調(diào)度指令向作業(yè)目標(biāo)位置行駛的過程中，若規(guī)劃的行駛路徑上，某段道路通行情況發(fā)生變化，例如某段道路禁止通行，調(diào)度控制系統(tǒng)會下發(fā)道路禁行的信息給無人集卡，集卡收到信息后，需要重新規(guī)劃通往作業(yè)目標(biāo)位置的行駛路線。

4.2系統(tǒng)研發(fā)實(shí)施為碼頭帶來的顯著效益

整個(gè)無人駕駛系統(tǒng)研發(fā)實(shí)施并在碼頭落地后，將碼頭港區(qū)內(nèi)的水平運(yùn)輸作業(yè)由傳統(tǒng)的有人駕駛的集卡替換為純電動無人集卡，可為碼頭帶來非常積極的社會影響。一是能緩解碼頭生產(chǎn)對周邊環(huán)境的污染問題，電動集卡能夠?qū)崿F(xiàn)尾氣零排放，與國家建設(shè)綠色港口，大力發(fā)展清潔能源的環(huán)保政策相契合，也符合國家在《中國制造2025》中提出的大力發(fā)展新能源汽車和無人駕駛汽車等先進(jìn)智能設(shè)備制造業(yè)，將來通過“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)。二是解放生產(chǎn)力，使用無人集卡后，能有效緩解碼頭拖車司機(jī)招工難的問題，還規(guī)避了實(shí)際生產(chǎn)中司機(jī)駕駛時(shí)間超長帶來的安全生產(chǎn)隱患，同時(shí)也避免由此產(chǎn)生的人員不安定因素等問題。碼頭生產(chǎn)引入無人駕駛技術(shù)，符合國家的創(chuàng)新政策，對碼頭這類傳統(tǒng)行業(yè)在科技創(chuàng)新方面實(shí)現(xiàn)突破，能有效提升碼頭的社會形象。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，集卡司機(jī)人力成本逐年漸長，因人力成本問題導(dǎo)致集卡車隊(duì)盈利能力越來越弱，碼頭引入無人集卡后，集卡司機(jī)的人力成本能大幅縮減。另外，港區(qū)內(nèi)集卡改為使用純電動無人集卡后，集卡能耗從用油改為用電，僅此一項(xiàng)，單臺集卡全年的能耗支出的電費(fèi)將會縮減到原來油費(fèi)支出的30%，能為碼頭帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5.結(jié)語

在碼頭引入L4級的純電動無人集卡，并研發(fā)無人駕駛車隊(duì)調(diào)度與控制系統(tǒng)對無人集卡車隊(duì)進(jìn)行生產(chǎn)上的統(tǒng)一調(diào)度和管理，替代港區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)的有人駕駛的柴油集卡，能夠?qū)崿F(xiàn)港區(qū)內(nèi)水平運(yùn)輸作業(yè)的智能化。同時(shí)，無人集卡在碼頭落地，能夠顯著降低集卡司機(jī)人力成本和集卡能耗，實(shí)現(xiàn)集卡尾氣零排放，提高港口生產(chǎn)安全性和港口的生產(chǎn)效率，符合國家節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)政策，對港口企業(yè)將來向綠色港口、智慧港口方向轉(zhuǎn)型具有重大意義，無人駕駛技術(shù)在碼頭具有廣闊的應(yīng)用前景。