基于多優(yōu)先級控制策略的碼頭智能交通管理系統(tǒng)設(shè)計

柴 浩 張 朋 張 煜 徐 揚

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院

1 引言

近年來，各傳統(tǒng)集裝箱碼頭積極向自動化、智能化轉(zhuǎn)型，國際貿(mào)易不斷增多，港口集裝箱吞吐量迎來大幅增長，如何有效管控港區(qū)道路交通流，提升港口集裝箱作業(yè)效率得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。

劉耀徽等針對自動化集裝箱碼頭中水平運輸系統(tǒng)最優(yōu)行駛路徑的問題，從碼頭布局、任務(wù)劃分、車道選擇及路徑優(yōu)化等多方面進行探究，提出一套自動導(dǎo)引車(AGV)運行路徑規(guī)劃系統(tǒng)方案[2]；潘迎新等在考慮集裝箱裝卸作業(yè)的基礎(chǔ)上，就AGV調(diào)度問題建立最小化岸橋完工時間的混合整數(shù)規(guī)劃模型，設(shè)計離散差分進化算法近似求解，結(jié)果表明，所提方法可為自動化集裝箱碼頭多AGV調(diào)度提供參考[3]；梁承姬等為解決自動化碼頭水平運輸區(qū)域擁堵問題，采用多學(xué)科變量耦合優(yōu)化設(shè)計方法對AGV調(diào)度與配置問題進行研究，通過構(gòu)建協(xié)調(diào)調(diào)度耦合模型，應(yīng)用遺傳算法進行求解，取得了良好的實驗結(jié)果[4]；韓冬冬等針對全自動化集裝箱碼頭管控系統(tǒng)設(shè)計方案展開研究，圍繞生產(chǎn)管理、設(shè)備控制、自動化集裝箱閘口等方面進行闡述，結(jié)果表明，該設(shè)計方案可提高自動化碼頭管控效率[5]。

上述文獻多針對港區(qū)水平運輸調(diào)度進行研究，而對港區(qū)內(nèi)外集卡行駛管控策略研究較少。結(jié)合該自動化集裝箱碼頭堆場布置特點，開發(fā)車路協(xié)同、堆場智能道閘及內(nèi)外集卡管控等智能作業(yè)系統(tǒng)，提出基于多優(yōu)先級控制策略的碼頭智能交通管理系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)車輛追蹤識別、信息自動采集、集卡行駛管控等集裝箱碼頭智能作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)信息技術(shù)、智能技術(shù)與港口作業(yè)的深度融合與集成，為緩解碼頭交通擁堵、提升碼頭運行效率提供決策支撐。

2 自動化碼頭智能交通管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 應(yīng)用背景

為提升自動化區(qū)域內(nèi)作業(yè)效率，本工程采用堆場平行于碼頭前沿岸線布置形式，從距碼頭前沿線121 m處開始，按集裝箱箱型組成比例布置碼頭堆場，選用雙懸臂軌道橋(ARMG)平行于碼頭岸線的邊裝卸作業(yè)方式，提高整個碼頭裝卸工藝系統(tǒng)的智能化程度及作業(yè)效率。

在碼頭堆場內(nèi)部交通中，ART(Artificial Intelligence Robot of Transportation，人工智能運輸機器人)及集疏運司機駕駛外集卡分道隔離運行(見圖1)。縱向主干道分道通過物理隔離實現(xiàn)，外集卡從進閘口→堆場提送箱作業(yè)形成外圈順時針環(huán)路，ART從碼頭裝卸船→堆場裝卸箱形成內(nèi)圈逆時針環(huán)路；橫向裝卸車道分道亦通過物理隔離實現(xiàn)。為減少ART及外集卡橫縱向車道交叉點，設(shè)計堆場內(nèi)相鄰2臺ARMG布置同類型集卡車道，形式為“1+2+1”，9條堆場按照ART-外集卡交替布置。

圖1 內(nèi)部交通流向

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

智能交通管理系統(tǒng)包括車路協(xié)同控制單元、堆場智能道閘系統(tǒng)和內(nèi)外集卡管控系統(tǒng)等交通控制系統(tǒng)及裝置，通過各系統(tǒng)之間相互配合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)存儲和顯示等，管控內(nèi)外集卡的通行次序(見圖2)。在路側(cè)感知模塊及其他多類型感知器件的支持下，智能交通管理系統(tǒng)實時檢測并分析集卡車輛的行駛狀態(tài)，經(jīng)由內(nèi)外集卡管控系統(tǒng)分析調(diào)度，確定集卡車輛的最優(yōu)通行順序，提高港內(nèi)車輛通行效率，保證車輛通行安全。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3 車路協(xié)同系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

車路協(xié)同控制單元包含路側(cè)感知模塊、邊緣計算單元、中央處理模塊等(見圖3)。

圖3 車路協(xié)同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

路側(cè)感知模塊監(jiān)控外集卡，由單目攝像機、雷達設(shè)備和智能處理單元組成。其中，單目攝像機安裝在內(nèi)外集卡交叉路口處，主要進行集卡位置檢測和運動信息跟蹤；雷達設(shè)備與攝像機視頻信息形成互補，共同監(jiān)測路口車輛信息與運動狀態(tài)；智能處理單元部署于傳感器下方電器柜中，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)車輛識別模型對車輛進行識別和跟蹤。同時，將攝像機和雷達設(shè)備使用固件固定為一組感知模塊，安裝于堆場的燈柱上，每組完成2個車道的監(jiān)控。

邊緣計算單元根據(jù)攝像頭和雷達獲得的數(shù)據(jù)，動態(tài)感知車輛的實時狀態(tài)，監(jiān)測在內(nèi)外集卡交叉路口處外集卡實時等待的數(shù)量與時間。

智能交通系統(tǒng)中控端將邊緣計算單元的感知結(jié)果發(fā)送到內(nèi)外集卡管控系統(tǒng)，內(nèi)外集卡管控系統(tǒng)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)統(tǒng)計各路段及路口的外集卡流量分布和排隊數(shù)量，實時決策內(nèi)外集卡當(dāng)前的優(yōu)先級和集卡放行次序。同時，中央處理模塊為內(nèi)外集卡管控系統(tǒng)控制外集卡車道上的紅綠燈、擋桿提供依據(jù)，為調(diào)控內(nèi)集卡經(jīng)過交叉路口時的速度提供參考，減少停車和擁堵。

3.2 系統(tǒng)功能

(1)視頻監(jiān)視功能。將監(jiān)控系統(tǒng)和智能處理單元布置在多道路與作業(yè)區(qū)域，實現(xiàn)對其他工程車輛、作業(yè)工人、港口設(shè)備等的全方位監(jiān)視，自動提取環(huán)境和物體特征并進行處理，及時發(fā)現(xiàn)異常。中控端加入港口全息監(jiān)控功能，實現(xiàn)對各區(qū)域的異常事故、安全隱患的全方位監(jiān)視和預(yù)警。

(2)信息接收與發(fā)布功能。通過光纖連接路口監(jiān)控系統(tǒng)和智能處理單元，獲取全時空港口道路信息、交通信息、運動目標(biāo)信息、異常事件信息等，同時利用港口設(shè)備和內(nèi)集卡上的V2X設(shè)備，發(fā)布網(wǎng)口設(shè)備位置、工作狀態(tài)，以及集卡狀態(tài)、傳感數(shù)據(jù)等內(nèi)容。為中控平臺提供內(nèi)集卡位置及作業(yè)進程信息、岸橋/軌道橋排隊車輛信息，提供安全、高效的信息應(yīng)用服務(wù)，保障作業(yè)運輸過程的穩(wěn)定。

(3)行駛管控功能。基于全局管控模型生成路口行車管理方案，根據(jù)管控策略生成外集卡路口通行的控制指令，并下發(fā)到交通桿、紅綠燈、顯示屏等控制模塊，實現(xiàn)對內(nèi)外集卡的行駛管控調(diào)節(jié)。

4 堆場智能道閘系統(tǒng)

4.1 平面布置

為實現(xiàn)自動化集裝箱碼頭信息化管理，建設(shè)堆場智能道閘系統(tǒng)，實現(xiàn)對進出堆場車輛、集裝箱等信息的自動采集，在堆場出入口交叉點處設(shè)置道閘，對內(nèi)外集卡進行交通管制，實現(xiàn)時間隔離，為內(nèi)外集卡的通行調(diào)度提供精確的數(shù)據(jù)服務(wù)。

堆場智能道閘平面布置方式見圖4，在堆場外集卡橫向車道上共布置3套外集卡進出口道閘系統(tǒng)，相鄰2套道閘系統(tǒng)的布置間距為41 m。每套系統(tǒng)的進口道閘與第一出口道閘的布置間距為280.5 m，第一出口道閘與第二出口道閘的布置間距為10 m。道閘系統(tǒng)作為順岸式碼頭邊裝卸堆場的智能閘口布置方法的終端，在物理空間上隔離了內(nèi)集卡和外集卡，可有效杜絕內(nèi)外集卡作業(yè)相互干擾現(xiàn)象。

圖4 道閘系統(tǒng)平面布置

4.2 系統(tǒng)組成

堆場智能道閘系統(tǒng)包含RFID電子車牌識別系統(tǒng)、雷達探測系統(tǒng)、語音與屏幕顯示設(shè)備、紅綠燈、檔桿等，同時在外集卡進場口布置1道進口道閘，在外集卡出場口的內(nèi)集卡通道兩側(cè)布置2道出口道閘。

(1)RFID電子車牌識別系統(tǒng)。RFID系統(tǒng)由車輛觸發(fā)工業(yè)雷達檢測設(shè)備、電子RFID讀寫器、GPIO模塊(上位機通訊、控制模塊)、讀寫天線及車載電子標(biāo)簽組成。其中，RFID標(biāo)簽應(yīng)安裝在集卡擋風(fēng)玻璃特定的位置或集卡駕駛員左側(cè)后方，通過集卡車牌號與RFID的TAG綁定，實現(xiàn)對作業(yè)集卡的管控，以及集裝箱和集卡匹配信息比對。

車輛到達識別地后，觸發(fā)工業(yè)雷達檢測設(shè)備向系統(tǒng)發(fā)送車輛到達信號，由RFID電子車牌讀寫器通過讀寫天線對車載電子標(biāo)簽進行讀取，并通過整個碼頭的以太網(wǎng)絡(luò)傳到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)庫的分析，把集卡車牌等信息發(fā)給TOS等管理系統(tǒng)處理相關(guān)作業(yè)任務(wù)。

(2)雷達探測系統(tǒng)。雷達探測系統(tǒng)與RFID系統(tǒng)協(xié)同工作，檢測外集卡是否進入第一出口道閘的等待區(qū)，如果判斷車輛已進入等待區(qū)域，向內(nèi)外集卡管控系統(tǒng)申請?zhí)U，當(dāng)雷達檢測到車輛依次通過第一、第二出口道閘后落桿。

4.3 系統(tǒng)功能

(1)交互功能。對外部集裝箱車輛數(shù)據(jù)進行收集、分類、篩選，為顯示模塊提供數(shù)據(jù)支持。通過信息交互，向碼頭業(yè)務(wù)系統(tǒng)、內(nèi)外集卡控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)信息交互操作，接收后臺系統(tǒng)放行指令后通過顯示屏對車輛進行引導(dǎo)。

(2)存儲功能。利用RFID技術(shù)存儲和維護綜合數(shù)據(jù)信息，對堆場出入口車輛采集及放行等信息進行存儲，提供日志查詢統(tǒng)計功能，為車輛管控中心制定車輛管理策略提供數(shù)據(jù)支撐。

5 內(nèi)外集卡管控系統(tǒng)

內(nèi)外集卡管控系統(tǒng)部署于中控室，通過與路側(cè)智能單元、無人集卡、港口作業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備連接，獲取并統(tǒng)計分析各路段區(qū)域內(nèi)的內(nèi)外集卡流量分布，以全局作業(yè)效率為優(yōu)化目標(biāo)，實時生成內(nèi)外集卡行駛管控策略。基于獲取的各路段及路口內(nèi)外集卡流量分布和排隊數(shù)量，設(shè)計一種基于以規(guī)則為主，輔助以全局優(yōu)化模型的內(nèi)外集卡行駛管控策略。

5.1 管控策略規(guī)則

規(guī)則上，以保障作業(yè)中岸橋不閑置為最高優(yōu)先級，在外集卡不形成擁堵的情況下，內(nèi)集卡在路口指定區(qū)域內(nèi)優(yōu)先通行，具體排序如下：①作業(yè)中岸橋不閑置；②路口和碼頭前沿區(qū)域內(nèi)集卡不形成擁堵；③外集卡不形成擁堵，且沒有超出規(guī)定作業(yè)時間；④內(nèi)集卡通行；⑤外集卡通行。

但內(nèi)集卡優(yōu)先原則會隨著外集卡等待時間和數(shù)量的增加降低優(yōu)先級別，當(dāng)外集卡等待時間過長或外集卡等待超過2輛時，會適當(dāng)暫停內(nèi)集卡路口通行，優(yōu)先放行外集卡。

5.2 管控策略流程

圖5為內(nèi)外集卡行駛管控策略流程圖，以保障作業(yè)中岸橋不閑置為最高優(yōu)先級，保障外集卡不形成擁堵的情況下，在路口指定區(qū)域優(yōu)先保證內(nèi)集卡通行。當(dāng)外集卡等待時間即將超出規(guī)定，或外集卡堆場只進不出造成了路口排隊擁堵時，暫停內(nèi)集卡路口通行，加快外集卡流通。在實際作業(yè)過程中，若內(nèi)外集卡流量和位置分布處于規(guī)則允許的交叉范圍，則使用基于全局作業(yè)效率最優(yōu)的管控模型進行內(nèi)外集卡行駛的宏觀控制。通過系統(tǒng)仿真和實際作業(yè)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化模型參數(shù)，提高港區(qū)裝卸設(shè)備和集卡作業(yè)效率。

圖5 內(nèi)外集卡管控策略流程

6 結(jié)語

該系統(tǒng)應(yīng)用表明，將智能感知器件與堆場閘口裝置進行融合，可實時監(jiān)控并分析內(nèi)外集卡交通狀態(tài)，為內(nèi)外集卡的通行調(diào)度提供精確的數(shù)據(jù)服務(wù)；實時融合并分析攝像機視頻數(shù)據(jù)、雷達檢測數(shù)據(jù)、RFID電子標(biāo)簽等多源傳感器信息，保證集卡行駛位置及狀態(tài)檢測的精確性，為集卡通行狀態(tài)監(jiān)測提供多重信息保障；在保證岸橋裝卸作業(yè)效率最大化的前提下，通過控制內(nèi)外集卡的通行次序，提高港區(qū)集卡設(shè)備的運輸作業(yè)效率；通過建立內(nèi)外集卡行駛管控策略，來優(yōu)化實際作業(yè)中集卡通行管控方法，降低集卡擁堵等待時間，提高集卡資源綜合利用率，保證港區(qū)有序的作業(yè)秩序。