程廣全 霍 彪 閆 峰 張 成

天津港股份有限公司

1 引言

冷鏈倉儲是利用溫控設(shè)施設(shè)備制造適宜的溫度環(huán)境并對商品實施儲存與保管的行為[1]。冷鏈倉儲作業(yè)具有頻繁裝卸貨物的特征，冷庫中通常使用叉車進行批量貨物的堆垛、短距離運輸以及日常裝卸，節(jié)省了大量的人力。由于冷庫作業(yè)環(huán)境溫度低、濕度大、貨物本身存在攜帶病菌風險等特點，使得冷庫接觸式作業(yè)可能對作業(yè)人員造成潛在的勞損、感染疫病風險。

遠程作業(yè)是一種半自動化作業(yè)模式，通常被用于動態(tài)的、直接操作困難的環(huán)境當中，可解決接觸式操作環(huán)境惡劣，對操作人員造成潛在風險的問題。同時遠程操作也面臨著一些新的挑戰(zhàn)，操作人員對現(xiàn)場環(huán)境的感知是否正確與及時，將影響他們的決策，最終決定遠程操作的效果。本文主要研究適應(yīng)冷庫環(huán)境的基于5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的非接觸式遠程駕駛高位叉車系統(tǒng)，并提出相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)方案，以提高高位叉車的自動化及智能化水平，實現(xiàn)高位叉車在冷庫中的無接觸作業(yè)。

2 系統(tǒng)功能需求

在冷鏈倉儲出入庫作業(yè)中，高位叉車用于將貨物從貨位上叉取至地下緩存區(qū)或從地下叉取至貨位。目前國內(nèi)冷鏈倉庫大多采取人工駕駛叉車方案，但是人工駕駛叉車面臨著許多問題。一方面，冷庫溫度可低達-18℃，長期處于該環(huán)境中作業(yè)，會對作業(yè)人員身體機能產(chǎn)生負面影響，導致運動失調(diào)、反應(yīng)減慢，不僅降低作業(yè)效率，更會對作業(yè)人員的身體健康產(chǎn)生損害；另一方面，冷鏈倉儲中生鮮產(chǎn)品有攜帶疾病傳染源的風險。因此實現(xiàn)遠程駕駛高位叉車作業(yè)具有重要意義。為使遠程操控作業(yè)模式有效地開展，遠程駕駛操作系統(tǒng)需向駕駛員提供豐富的實時現(xiàn)場信息和安全保障，從而使駕駛員能夠迅速、準確地對高位叉車作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境狀況進行判斷，并作出正確的操作決策，保證遠程駕駛高位叉車的作業(yè)效率和作業(yè)安全。通常遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足準確性與可靠性、高穩(wěn)定性、較強的實時性、平臺易用性、通用性及靈活性、系統(tǒng)功能完善等要求[2]，本文所提出的遠程駕駛高位叉車系統(tǒng)方案，具體包括操作環(huán)境可視化、低延遲多勢態(tài)的環(huán)境感知、安全駕駛與緊急制動等功能。

2.1 操作環(huán)境的可視化

操作現(xiàn)場的實時攝像反饋是遠程駕駛員掌握現(xiàn)場環(huán)境的最重要依據(jù)之一。駕駛員需要根據(jù)現(xiàn)場多角度、多方位的實時錄像，來確定高位叉車、貨物、貨位的位置及叉車周圍環(huán)境，決定高位叉車的行駛路徑、叉取升降操作的時機。作業(yè)過程中高位叉車作業(yè)會導致攝像裝置振動，系統(tǒng)應(yīng)具備消除攝像設(shè)備振動引起畫面抖動的能力，以保證畫面穩(wěn)定。

2.2 低延遲多勢態(tài)的環(huán)境感知

高位叉車遠程駕駛系統(tǒng)需提供視頻信息以外的多勢態(tài)環(huán)境感知信息，包括車身與周圍環(huán)境物體的距離、環(huán)境音等。當視頻信息不足時，雙聲道音頻使操作員能夠利用三維定位分辨音源[3]。叉車在不同的作業(yè)狀態(tài)時，會產(chǎn)生特定的噪聲，因此雙聲道音頻還可以協(xié)助操作人員依據(jù)反饋至遠程操作中心的噪聲，實時掌握叉車運行狀態(tài)。遠程駕駛高位叉車應(yīng)該與周圍環(huán)境中物體保持合適的作業(yè)距離，所以該系統(tǒng)需配備測距設(shè)備并實時反饋至操作中心。遠程操作員需實時掌握高位叉車作業(yè)時采集的信息，并要求傳輸至操作中心的信息具備高幀率、高分辨率。

2.3 安全駕駛與緊急制動

為了保障現(xiàn)場作業(yè)人員的安全，駕駛員應(yīng)根據(jù)適當?shù)娘L險和故障分析模式，安全地遠程操作叉車。系統(tǒng)還應(yīng)能通過用戶界面向駕駛員提供危險反饋和警告；當緊急事件發(fā)生，系統(tǒng)能自動激活緊急制動裝置。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在電動高位叉車的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套遠程駕駛高位叉車系統(tǒng)方案，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)包括遠程車載端、模擬駕駛艙和網(wǎng)絡(luò)通道。車載端在車身安裝多個帶有音頻錄制功能的攝像頭進行環(huán)境影像數(shù)據(jù)捕捉采集，貨叉中間安裝激光傳感器進行輔助校準。高位叉車上還安裝有安全傳感器以保證盲區(qū)安全，傳感器會在操作中心的用戶界面上提供警告指示，要求操作員對此作出響應(yīng)。本系統(tǒng)配備緊急停止裝置，當高位叉車作業(yè)處于危險狀態(tài)時，可一鍵停止高位叉車作業(yè)，避免危險事故發(fā)生。模擬駕駛艙側(cè)配置計算機、顯示器、高位叉車遙控器以及緊急停止按鈕。遠程控制平臺將駕駛員的操作指令傳遞至高位叉車車載控制器，實現(xiàn)對高位叉車的遠程控制。5G無線通信實現(xiàn)遠程車載端與模擬駕駛艙之間的信息傳輸。

圖1 高位叉車遠程駕駛系統(tǒng)

3.2 遠程控制

模擬駕駛艙包括工業(yè)計算機、顯示器、揚聲器、遙控器、急停按鈕、數(shù)據(jù)匯集器、視頻處理顯示軟件、狀態(tài)信息處理顯示軟件等[4]。液晶顯示器顯示車載攝像機的實時錄像以及傳感器信息。駕駛員直接操縱遙控器對叉車下達控制指令，遙控器與計算機相連并向其輸入控制信號?？刂菩盘柾ㄟ^5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰囕d計算單元，車載計算單元會及時接收、處理遠程控制指令，并通過CAN協(xié)議控制叉車實現(xiàn)相應(yīng)的動作。

3.3 信息傳輸

駕駛艙端設(shè)有5G微基站、AR路由器和網(wǎng)絡(luò)交換機，網(wǎng)絡(luò)交換機將數(shù)據(jù)傳輸給駕駛艙端的各個處理器。倉庫安裝5G微基站、5G工業(yè)CPE、AR路由器和網(wǎng)絡(luò)交換機，網(wǎng)絡(luò)交換機與車載控制單元連接。5G微基站可以接收5G信號，同時5G微基站分別與網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)信號交換，從而使模擬駕駛艙與倉庫均實現(xiàn)5G信號全覆蓋，最終實現(xiàn)駕駛艙端與車端的之間的信息交換。

3.4 視覺和傳感輔助導航

遠程駕駛時，駕駛員對作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的勢態(tài)感知能力十分重要。冷鏈倉儲出庫作業(yè)過程中，高位叉車根據(jù)WMS(Warehouse Management System，倉儲管理系統(tǒng))發(fā)出的指令，從貨位中叉取指定貨物至緩存區(qū)，完成任務(wù)后確定信息，反饋至WMS。入庫作業(yè)為相反流程。實際遠程操控作業(yè)時，駕駛員需要借助視覺和傳感信息輔助導航，代替人的視覺、聽覺以及觸覺感知能力完成以上任務(wù)。叉車上安裝6臺CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)攝像機，CCD攝像機是一種半導體成像器件，具有優(yōu)秀的光探測能力、空間分辨能力和相應(yīng)線性[5]。攝像機與駕駛室計算機系統(tǒng)連接，6臺攝像機分別覆蓋叉車駕駛室前側(cè)、后側(cè)、左側(cè)、右側(cè)、上方以及叉桅桿前側(cè)，實現(xiàn)叉車周圍環(huán)境的全覆蓋(見圖2)。通過前側(cè)、上方、叉桅桿等位置攝像頭，可查看升降、拾取和放置貨物的作業(yè)過程(見圖3)；查看前側(cè)、后側(cè)、右側(cè)及左側(cè)位置的攝像頭可掌握車身周圍環(huán)境(見圖4)。在叉車左右兩側(cè)安裝麥克風，其錄制的聲音作為立體聲源，駕駛員可通過立體聲對叉車作業(yè)環(huán)境、叉車作業(yè)狀態(tài)進行輔助判斷。音視頻信息經(jīng)5G通信模塊傳輸至模擬駕駛室內(nèi)計算機，由流媒體軟件處理后通過終端設(shè)備實現(xiàn)音視頻展示。高位叉車后保險杠上安裝激光測距傳感器，傳感器電纜連接到駕駛室計算機系統(tǒng)，通過WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲僮髦行?，駕駛員可通過用戶界面查看叉車后側(cè)與環(huán)境物體的實時距離。

1.攝像機1 2.攝像機2 3.攝像機3 4.攝像機4 5.攝像機5 6.攝像機6

圖3 前側(cè)、上方及叉桅桿處攝像機視野

圖4 前側(cè)、后側(cè)、右側(cè)及左側(cè)攝像機視野

3.5 安全警告與緊急制動

為了保障高位叉車作業(yè)安全，設(shè)計了安全警告和緊急制動的功能。高位叉車的底盤安裝安全傳感器，當叉車與周圍物體發(fā)生碰撞時，向操作中心反饋警告信號，直到危險消除。當需要緊急限制叉車運動時，可觸發(fā)緊急制動裝置。被改造叉車的控制面板包含集成式緊急停止裝置。本系統(tǒng)使用FORT機器人VSC-006車輛安全控制器對叉車進行急?？刂?。叉車外部和叉車上各安裝1臺車輛安全控制器，安裝在外部的車輛安全控制器與操作中心的緊急停止按鈕有線連接，以2.4 GHz的無線電傳播控制信號。叉車上的車輛安全控制器可接收外部控制器與放置在冷庫中的FORT機器人WES-001無線緊急停止按鈕的控制信號，并通過X99連接器接入叉車，實現(xiàn)對叉車的急?？刂?。無線緊急停止按鈕與車輛安全控制器進行配對后，通過快速跳頻實現(xiàn)穩(wěn)定信號傳輸。以上2種控制方式可同時實現(xiàn)，并均為一鍵操作，能迅速制動運動中的叉車。

4 結(jié)語

設(shè)計了一個5G環(huán)境下包括叉車車載端、模擬駕駛艙、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的電動叉車遠程操作系統(tǒng)方案，在電動叉車的基礎(chǔ)上進行升級改造，使叉車具備實時錄像、環(huán)境感知的能力。在模擬駕駛艙內(nèi)配置顯示器、遙控器、急停控制器等設(shè)備，駕駛員在駕駛艙內(nèi)即可掌握叉車的作業(yè)狀況，并對處于作業(yè)現(xiàn)場的叉車進行遠程控制。方案中叉車與模擬駕駛艙可通過5G網(wǎng)絡(luò)通道實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，滿足低時延、高帶寬控制需求。該系統(tǒng)充分考慮了冷庫作業(yè)環(huán)境、高位叉車作業(yè)流程等基本條件，具備作業(yè)靈活、響應(yīng)迅速的特點，對其他冷鏈倉儲作業(yè)的叉車遠程駕駛操作系統(tǒng)設(shè)計具有一定的借鑒意義。