自動化集裝箱碼頭遠程駕駛控制系統設計*

張 凱 王學謙 張 煜 尹 星

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 120000 2武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063 3武漢理工大學韶關研究院 韶關 512199

0 引言

隨著“工業4.0”和“互聯網+”進程不斷深入，港口碼頭積極向數字化、全自動方向轉型升級，自動化碼頭采用無人集卡作為水平運輸設備，實現了作業無人化、能源綠色化的建設目標。

國內外一些學者針對自動化碼頭水平運輸設備控制系統的設計進行了相關研究，魏昆[1]將所提出的AGV路徑規劃算法和動態調度方法與AGV控制系統相結合，實現了對小車的實時路徑規劃和遠程作業調度；孫凌[2]對AGV遠程控制系統進行了硬件設計和軟件設計，使用PID控制器實現了AGV路徑跟蹤和控制；趙黎明[3]設計了基于單目視覺技術的導航系統軟件，解決了港口AGV的自主定位、路徑規劃和避障檢測等問題；馮亞麗等[4]提出了一種基于分布式云平臺AGV遠程監測控制系統，有效提高了AGV的導航效率和定位精度；Camilo Y L等[5]提出了一種AGV路線跟蹤遠程控制系統，減少了數據傳輸延遲時間，提高了AGV的定位精度；張艷珍等[6]設計了一套控制AGV運行路徑的車載控制器，該控制器基于嵌入式系統，能實現車載控制器與上位機的通信。

由此可知，目前國內外對水平運輸設備遠程控制系統的設計側重路徑規劃和作業調度，尚未形成一種一致的、全面的遠程控制系統體系。本文結合自動化集裝箱碼頭實際作業情況和5G技術，對自動化集裝箱碼頭智能水平運輸設備遠程駕駛控制系統進行了設計，總結出了較為全面、智能的遠程控制系統功能，為自動化碼頭無人駕駛控制系統設計提供參考。

1 系統整體架構設計

水平運輸設備往返于碼頭前沿和堆場間進行裝卸船作業，其行駛過程全程無人化，需要遠程駕駛控制系統對水平運輸設備進行實時監測和調控，確保無人集卡能實現精確定位與路徑規劃，順利安全地完成作業任務。無人集卡遠程駕駛控制系統是港口自動化集裝箱碼頭信息建設的核心，其整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

智能水平運輸設備遠程駕駛控制系統包含車端、遠程臺架、綜合調度系統和5G SA專網網絡4個部分。車端、遠程臺架和綜合調度系統之間通過5G SA專網網絡進行數據通信，實現對集卡車輛的動態實時控制。其中，集卡車輛是整個系統的服務對象，搭載的硬件設備包括5G智能網關、高清攝像頭等，主要負責視頻采集、傳輸以及控車等任務。綜合調度系統是遠程駕駛控制系統的核心部分，通過5G專網與系統中所有部分進行數據交互，其核心工作是對不同種類無人車的不同業務場景實現智能化的運營管理，在特定場景或自動駕駛出現異常時遠程進行人工干預接管。遠程臺架端的硬件設備包括一體化臺架、顯示器、方向盤、擋位、油門制動裝置等，主要負責臺架控車指令下發和視頻流展示。5G專網為車端和遠程臺架提供固定IP，在保障上傳下行帶寬的情況下，提供低時延的數據傳輸通道，為車端和遠程臺架提供點對點的數據通。

2 5G車載云控網關

5G車載云控網關包括通信功能模塊、視頻處理模塊、車輛控制模塊、高精度定位和安全防護功能等子模塊。其構成如圖2所示。

圖2 5G車載云控網關

通信功能模塊支持5G通信、4G通信、Wi-Fi通信和CAN通信，支持8路高清攝像頭接口，支持4路5G天線接口和10/100/1 000 M自適應車軌級千兆以太網接口，至少支持2路CAN總線接口，至少支持1路USB2.0接口和2路串行接口。

視頻處理模塊可以實現視頻編碼功能，支持攝像頭采集到的視頻，編譯成H.265或H.264的碼流；可實現視頻采集功能，支持采集8路720 P視頻信號；可實現視頻傳輸功能，支持RTP/RTSP標準或TCP私有協議。高精度定位模塊和對應天線接口結合，向系統提供車輛行駛過程中的經度、緯度、航向角等定位信息。

車輛控制模塊可實現車輛行駛控制，可通過CAN總線向車輛下發遠程控制指令（前進、后退、加速、減速、轉向、制動、駐車等），對車輛進行行車橫縱向控制；可根據遠程控制指令，通過CAN總線指令實現對車輛的電器（例如雨刷、空調，燈光等）的控制；可采集整車CAN總線信息；可支持在5G SA專網下高速低時延控車功能；支持定制的控車安全策略，能根據不同閾值實現車輛安全策略。

電源管理模塊兼容支持乘用車與商用車車身供電，同時滿足系統內的攝像頭POE供電。同時，OTA升級模塊具備在線升級功能。

3 一體化靜態臺架

一體化靜態臺架組成結構如圖3所示。硬件包括一體化繼承顯示器、操控機構和控制計算器，支持LAN通信和Wi-Fi通信。軟件部分包括遠程駕駛操控軟件和視頻解碼顯示軟件，遠程駕駛操控軟件能夠對車輛控制指令進行下發，同時可實現對車輛電器的控制，例如雨刷、空調、燈光等。視頻解碼軟件支持8路720 P、H.265或H.264的碼流的解碼和實時展示，同時支持基于RTP/RTSP或TCP私有協議解碼和實時展示。

圖3 臺架構成

4 5G遠程駕駛綜合調度系統

5G遠程駕駛綜合調度系統支持臺架和車輛一控一、一控多、多控多的應用場景，在終端側、平臺側具備多協議適配能力，支持多種車型、多種泛智能終端的接入和指令下發；能對車輛的不同業務場景實現智能化的運營管理，提供車輛路徑規劃、智能充電管理、智能車序管理、動態鎖站調度、智能交通管控和人性化的UI交互功能。

系統包含的功能模塊如圖4所示。綜合調度系統各模塊支持本地化部署，同時也支持嵌入原有系統。

圖4 5G遠程駕駛綜合調度系統

1）車輛路徑規劃模塊基于動態高精度地圖，結合動態路徑規劃算法，能實現車輛精確引導和駕駛協管控。

2）智能鎖站管理模塊支持動態鎖站布置和車輛自適應路徑規劃，使用智能分配算法均衡鎖站利用率。

3）充電管理模塊采用階梯充電策略，確保集卡車隊連續作業，同時平衡車輛電量水平，降低車輛充電次數，保護電池壽命。

4）交通管控模塊融合了車路協同技術，采取動態通行管控策略，并在車輛端集成導航APP，實現智能交通管控，確保內、外集卡安全通行。

5）車序管理模塊對集卡實行差速控制，在行駛過程中根據碼頭實際情況動態調整車序，支持嚴格裝船、靈活裝船和自由裝船模式。

6）UI界面能夠實時顯示集裝箱門式起重機（以下簡稱場橋）、岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）、集卡、鎖站、充電樁、堆場等設備的空間位置和信息狀態，同時能夠支持異常情況處理，提高生產效率。

圖5所示為5G遠程駕駛綜合調度系統的圖形用戶界面。從系統界面中可以看到岸橋區域、鎖站區域、場橋區域、AGV區域和充電區域的現場實時信息。

圖5 遠程駕駛綜合調度系統界面

5 遠程駕駛控制系統運行機制

自動化集裝箱碼頭智能水平運輸設備遠程駕駛控制系統的執行流程如圖6所示。

1）集卡車輛在行駛過程中通過搭載的高清攝像頭采集周圍環境視頻信息，將視頻信息通過5G車載云控網關進行編碼并通過RTSP協議傳輸至臺架，同時將車身電量、速度等信息通過5G網絡上傳給綜合調度系統；

2）遠程臺架端對來自車端的視頻信息解碼之后進行視頻流展示；同時接收綜合調度系統的指令，然后對控車指令進行下發。

3）綜合調度系統接收車輛速度、電量水平等信息，結合碼頭實際作業情況，使用內置智能算法生成車輛控制指令，同時將指令下發給臺架端。

4）車端接收臺架的控車指令，將臺架控車指令轉化為車身域控制器（或車身CAN總線）認可的實際控車指令下發至域控制器（或車身CAN總線），實現對車輛的實時調控。

6 總結

自動化集裝箱碼頭智能水平運輸設備遠程駕駛控制系統包含車端、遠程臺架、綜合調度系統和5G專網4個部分。車端主要負責視頻采集、車輛信息傳輸和控車任務，遠程臺架主要進行控車指令下發和視頻流展示，綜合調度系統能夠實現臺架和車輛一控一、一控多、多控多的應用場景，能夠對車輛的不同業務場景實現智能化的運營管理，車端、遠程臺架和綜合調度系統之間通過5G SA專網網絡進行數據通信，實現對集卡車輛的動態實時控制。該系統重在發揮5G的領先技術優勢，實現5G SA網絡下的視頻回傳和遠程駕駛控制，助力港口自動化、智能化的產業發展。