機(jī)場智慧物流無人智能技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：分析自動倉儲、無人運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，梳理和分析機(jī)場物流系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，研究面向無人化機(jī)場的智能物流系統(tǒng)，設(shè)計智慧物流云控系統(tǒng)、無人裝卸車輛、無人運(yùn)輸車輛。針對機(jī)場實(shí)際應(yīng)用中的安全性、穩(wěn)定性問題，研究智慧物流云控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、無人裝卸車輛關(guān)鍵技術(shù)、無人運(yùn)輸車輛關(guān)鍵技術(shù)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增進(jìn)機(jī)場物流的作業(yè)效率，促進(jìn)機(jī)場向自動化、智能化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧物流；智能倉儲；自動駕駛；無人運(yùn)輸

中圖分類號：TP274.2；TH69" " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）09-0104-03

0 引言

機(jī)場智慧物流是集倉儲和運(yùn)輸于一體的物資無人配送解決方案，其由智能倉儲[1]和無人運(yùn)輸車輛[2]構(gòu)成。其基本模式是物資需求方向機(jī)場倉庫管理方請領(lǐng)物資，由機(jī)場智慧物流鏈將各個流程深度集成起來，提供一站式服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程間的無縫對接，從而簡化機(jī)場中物資周轉(zhuǎn)流程，減少中間環(huán)節(jié)，節(jié)約物資配送時間，提高配送效率。

1 機(jī)場智慧物流技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

近年來，隨著物流業(yè)的極速發(fā)展，倉儲形式逐漸發(fā)生改變，美國于1959年產(chǎn)生世界上第一座自動化立體倉庫[3]，自動貨架、自動搬運(yùn)設(shè)備、自動引導(dǎo)車等先進(jìn)工具逐漸應(yīng)用于物流系統(tǒng)中。歐洲的Auto store（2019年）對倉儲庫位進(jìn)行設(shè)計，引入智能機(jī)器人對貨物揀選，提高了倉儲存儲率降低。美國亞馬遜公司的kiva機(jī)器人（2012年）是倉儲物流機(jī)器人領(lǐng)域的先驅(qū)[4]，通過調(diào)度AGV揀選作業(yè)，分揀人員每小時處理訂單量從 400 件提高到 600 件。硅谷的Fetch Robotics 企業(yè)（2017年）設(shè)計出Fetch機(jī)器人[5]，其采用取送結(jié)合的作業(yè)模式，相比于kiva機(jī)器人，其更加安全、靈活，所依賴的人工數(shù)量更少。

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無人智能等技術(shù)的應(yīng)用推廣，自動駕駛技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于物流運(yùn)輸行業(yè)。美國和歐洲國家在20世紀(jì)便開展了對自動駕駛技術(shù)和無人車的研究[6]。在 2019 年 2 月美國硅谷的初創(chuàng)公司Nuro，推出了可以在大多數(shù)城市道路上行駛的全自動無人配送車R-1，并于2020年獲得美國運(yùn)輸部批準(zhǔn)。英國Starship Technologies六輪機(jī)器人，被用于物流配送行業(yè)，單個機(jī)器人一天的配送量在10單左右。瑞典的Einride于2020年正式推出了一款新型自動駕駛電動運(yùn)輸車，該車沒有駕駛艙的卡車，通過搭載多類傳感器實(shí)現(xiàn)智能行駛功能。日本的無人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)已進(jìn)入落地商用階段，在全球4個國家的10個礦山應(yīng)用，包括銅礦、鐵礦和油砂礦[7]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在物流方面發(fā)展迅速，國內(nèi)不少商業(yè)巨頭和創(chuàng)業(yè)公司都積極推進(jìn)智能倉儲的探索[8]。海康威視針對倉儲環(huán)節(jié)中品類多、訂單小的分揀需求，于2016年推出“阡陌”倉儲系統(tǒng)。其智能作業(yè)機(jī)器人搭載高精度傳感器，具有自動避障、自主導(dǎo)航等功能，通過智能化調(diào)度控制系統(tǒng)輔助作業(yè)，極大地提高倉庫的自動化、智能化水平。該系統(tǒng)集成了多種優(yōu)化算法，如通過歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化出入庫策略，通過狀態(tài)監(jiān)控、交通管理等實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制。

國內(nèi)智能運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速，全國多個地區(qū)，如上海、北京、深圳、長沙、南京、武漢等地，開展了自動駕駛示范區(qū)，并將其應(yīng)用于礦山、港口、末端物流配送等場景。目前神華北電勝利能源有限公司在勝利一號露天煤礦完成7臺220 t級自卸卡車無人化改裝，實(shí)現(xiàn)無人礦卡“裝、運(yùn)、卸”典型作業(yè)過程的完全無人自主運(yùn)行。新石器、京東、美團(tuán)、阿里巴巴等企業(yè)開展無人配送車規(guī)模化示范應(yīng)用。京東X事業(yè)部研發(fā)的無人物流車能夠準(zhǔn)確識別交通標(biāo)識，能夠避讓行人和車輛，在城市道路實(shí)現(xiàn)自動駕駛。新石器發(fā)布的無人車同樣具備城市道路的無人駕駛。達(dá)摩院自動駕駛實(shí)驗(yàn)室在云棲大會上發(fā)布一款無人駕駛物流車“小蠻驢”，其能夠?qū)χ車?100 個行人及車輛的意圖進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測時間僅需 0.01 s。

2 機(jī)場智慧物流系統(tǒng)構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)機(jī)場物流中倉儲和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的無人化、協(xié)同化，革新保障模式，可采用集成機(jī)場智慧物流云控系統(tǒng)、無人裝卸車輛的智能倉儲，并聯(lián)合無人運(yùn)輸車輛，形成倉儲運(yùn)輸協(xié)同作業(yè)方案，提高機(jī)場內(nèi)部物資供應(yīng)效率，降低機(jī)場保障人力成本，促進(jìn)現(xiàn)有機(jī)場向智能化轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)機(jī)場物資無人智能保障。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 智慧物流云控系統(tǒng)

智慧物流云控系統(tǒng)可分為倉儲物資管理模塊和作業(yè)車輛調(diào)度模塊兩個模塊。倉儲物資管理模塊是智能庫房系統(tǒng)的調(diào)度核心和信息存儲處理中心，基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸與數(shù)據(jù)庫，覆蓋入庫管理、出庫管理、庫位管理、庫存盤點(diǎn)、庫存預(yù)警、庫存統(tǒng)計和上下游系統(tǒng)集成等，實(shí)現(xiàn)智能倉儲庫房的信息化、智能化管理。作業(yè)車輛調(diào)度模塊主要協(xié)調(diào)各類自動化設(shè)備之間的運(yùn)行任務(wù)，通過任務(wù)引擎和消息引擎，實(shí)現(xiàn)對多個設(shè)備系統(tǒng)接口的集成、統(tǒng)一調(diào)度和監(jiān)控。

2.2 無人裝卸車輛

無人裝卸車輛在庫內(nèi)負(fù)責(zé)物資的出入架作業(yè)，在庫外負(fù)責(zé)與無人運(yùn)輸車輛的裝卸對接，其包括無人裝卸機(jī)構(gòu)、智能控制軟件等。裝卸機(jī)構(gòu)主要由裝卸底盤和裝卸上裝組成，裝卸底盤負(fù)責(zé)接收智慧物流云控系統(tǒng)的調(diào)度指令，按照預(yù)設(shè)的參考路徑等要求自主行駛，完成物料的自動搬運(yùn)。

智能控制軟件分為感知模塊、導(dǎo)航定位模塊和規(guī)劃控制模塊。感知模塊通過激光雷達(dá)等傳感器探測環(huán)境信息。導(dǎo)航定位模塊通過感知空間結(jié)構(gòu)或者特殊標(biāo)志物信息，獲得位置和姿態(tài)信息。規(guī)劃控制模塊接收感知模塊和定位模塊的信息，結(jié)合當(dāng)前作業(yè)任務(wù)，規(guī)劃底盤局部行駛路徑和叉臂作業(yè)軌跡，并控制各硬件模塊響應(yīng)執(zhí)行。

2.3 無人運(yùn)輸車輛

無人運(yùn)輸車輛是構(gòu)成智慧物流的重要裝置，其由無人運(yùn)輸?shù)妆P和智能導(dǎo)航模塊組成，可實(shí)現(xiàn)障礙物預(yù)測、高精度定位、自主避障、自動啟停、多平臺協(xié)同、燈光控制和限速控制等功能。無人運(yùn)輸平臺需要滿足多場景物資運(yùn)輸補(bǔ)給需求，其上裝需依據(jù)對接需求和物資特性來設(shè)計。智能導(dǎo)航模塊主要包括感知算法、融合定位算法、規(guī)劃與控制算法，實(shí)現(xiàn)可靠地運(yùn)輸作業(yè)。無人運(yùn)輸車輛在智慧物流云控系統(tǒng)的調(diào)配下，可實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)，互相避讓，保證安全。

3 機(jī)場智慧物流無人智能關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)場智慧物流無人智能關(guān)鍵技術(shù)，涵蓋多個學(xué)科領(lǐng)域，包括智慧物流云控系統(tǒng)、無人裝卸車輛、無人運(yùn)輸車輛3個方面。

3.1 智慧物流云控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

智慧物流云控系統(tǒng)通過倉儲物資數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)和面向倉儲運(yùn)輸協(xié)同的多裝置聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)機(jī)場物資倉儲的無人化、智能化。

3.1.1 倉儲物資數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)

智能倉儲庫房通過對倉儲物資數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)庫存管理、運(yùn)輸線路、出入庫效率的最優(yōu)。物資數(shù)據(jù)智能分析包括：對數(shù)據(jù)潛在規(guī)律提取；對倉儲物資數(shù)據(jù)分類、聚類、回歸、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘；對物資入庫、出庫、庫存等數(shù)據(jù)的分析和建模，提取規(guī)律和趨勢，預(yù)測未來庫存需求和庫存狀況，實(shí)現(xiàn)庫房智能需求預(yù)測、動態(tài)庫存優(yōu)化、智能補(bǔ)貨等方案。

3.1.2 面向倉儲運(yùn)輸協(xié)同的多裝置聯(lián)合調(diào)度技術(shù)

智慧物流云控系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控中心和決策中心，需對全局進(jìn)行調(diào)配和統(tǒng)籌安排，優(yōu)化機(jī)場物資補(bǔ)給作業(yè)流、數(shù)據(jù)流和控制流的協(xié)同，最大化提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.2 無人裝卸車輛關(guān)鍵技術(shù)

無人裝卸車輛需要在庫內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主且智能的物資無人揀選，在庫外能夠?qū)崿F(xiàn)與無人運(yùn)輸車輛間精準(zhǔn)對接，其關(guān)鍵技術(shù)分為庫房物資無人出架技術(shù)、無人裝卸-運(yùn)輸車輛精準(zhǔn)對接技術(shù)。

3.2.1 庫房物資無人出架技術(shù)

庫房無人出架技術(shù)主要涉及兩部分，一是料箱/托盤的類型和位置識別，二是裝卸機(jī)構(gòu)與控制算法的設(shè)計。精確地識別料箱并檢測出其位置，是裝卸裝置能精準(zhǔn)取放料箱的基礎(chǔ)。通常采用圖像輪廓提取算法獲取料箱的輪廓，利用激光雷達(dá)獲取的精準(zhǔn)三維信息，解算料箱精確的空間位置。裝卸機(jī)構(gòu)是完成取送料箱的重要機(jī)械結(jié)構(gòu)，包含升降模塊和伸縮模塊，需要針對機(jī)場庫房物資特性對其進(jìn)行設(shè)計。控制算法通過對周邊環(huán)境信息、裝置自身位置信息的處理，做出精密的控制指令，使物資無人揀選達(dá)到“快、穩(wěn)、準(zhǔn)”。

3.2.2 無人裝卸-運(yùn)輸車輛精準(zhǔn)對接技術(shù)

無人裝卸車輛與無人運(yùn)輸車輛精準(zhǔn)對接是實(shí)現(xiàn)物資自動裝卸功能的前提。針對運(yùn)輸車輛廂載庫位判斷、識別問題，基于機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的信息處理技術(shù)，對激光傳感器檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和分類，結(jié)合廂載庫位實(shí)際三維信息，完成激光數(shù)據(jù)中庫位關(guān)鍵信息的提取，實(shí)現(xiàn)廂載庫位的判斷、識別。針對裝卸設(shè)備與廂載庫位相對位姿關(guān)系精確求解問題，基于激光數(shù)據(jù)與標(biāo)簽信息融合的相對定位方法，通過點(diǎn)云特征關(guān)聯(lián)關(guān)系及最優(yōu)化理論構(gòu)建最小二乘優(yōu)化模型，獲取精確相對位姿數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)時測算的相對位姿，規(guī)劃最優(yōu)對接行駛路徑，控制無人裝卸車輛與運(yùn)輸車輛實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對接。

3.3 無人運(yùn)輸車輛關(guān)鍵技術(shù)

為保證無人運(yùn)輸車輛在機(jī)場道路中的智能行駛，需要運(yùn)輸車輛對環(huán)境信息進(jìn)行全方位感知，并在庫房、道路、機(jī)場等差異化場景中實(shí)現(xiàn)高精度定位，判定車輛的安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對車輛的魯棒控制。本文從感知、定位，以及規(guī)劃控制三個方面介紹無人運(yùn)輸車輛關(guān)鍵技術(shù)。

3.3.1 多源信息融合環(huán)境感知技術(shù)

為了確保環(huán)境感知的準(zhǔn)確性和可靠性，需要采用多類、多個傳感器從周圍環(huán)境中獲取足夠的數(shù)據(jù)和信息，并對其進(jìn)行準(zhǔn)確的解析和分類，以對運(yùn)輸車輛的周邊環(huán)境（車輛、行人、道路等）作出全面、準(zhǔn)確的感知。但單一傳感器的數(shù)據(jù)在視野感知范圍、感知精度、魯棒性等方面具有局限性，為此采用包含數(shù)據(jù)濾波融合、圖優(yōu)化等算法的多傳感器信息融合環(huán)境感知技術(shù)，進(jìn)行像素級或目標(biāo)級融合，消除單一傳感器噪聲和不確定性的影響，提高對環(huán)境信息的精度和魯棒性。

3.3.2 面向差異化場景的高精度定位技術(shù)

無人運(yùn)輸車輛作業(yè)區(qū)域包含衛(wèi)星信號受遮擋的庫房裝卸區(qū)域、衛(wèi)星信號受干擾的運(yùn)輸?shù)缆穮^(qū)域、環(huán)境特征缺失的機(jī)場導(dǎo)流屏區(qū)域。針對上述差異化場景下定位精度惡化難題，采用基于場景識別的北斗定位裝置、融合慣性數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的定位方法，來克服數(shù)據(jù)干擾和信號丟失等問題。

4 結(jié)束語

可通過應(yīng)用機(jī)場智慧物流技術(shù)，進(jìn)行精細(xì)化作業(yè)管理，大幅提升作業(yè)效率，加快物流運(yùn)轉(zhuǎn)，增強(qiáng)核心競爭力。為提高機(jī)場倉儲與運(yùn)輸?shù)臒o人智能化水平，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能駕駛等技術(shù)，設(shè)計智慧物流云控系統(tǒng)、無人裝卸車輛、無人運(yùn)輸車輛，共同構(gòu)建機(jī)場智慧物流，可實(shí)現(xiàn)入庫、存儲、出庫、運(yùn)輸全流程的無人化與協(xié)同化，促進(jìn)機(jī)場庫房物資保障鏈絡(luò)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)省物流成本，提高作業(yè)安全性。

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