張 凱 王學(xué)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(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063 3武漢理工大學(xué)韶關(guān)研究院 韶關(guān) 512199

0 引言

隨著“工業(yè)4.0”和“互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)程不斷深入，港口碼頭積極向數(shù)字化、全自動(dòng)方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，自動(dòng)化碼頭采用無人集卡作為水平運(yùn)輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)無人化、能源綠色化的建設(shè)目標(biāo)。

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者針對(duì)自動(dòng)化碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，魏昆[1]將所提出的AGV路徑規(guī)劃算法和動(dòng)態(tài)調(diào)度方法與AGV控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃和遠(yuǎn)程作業(yè)調(diào)度；孫凌[2]對(duì)AGV遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，使用PID控制器實(shí)現(xiàn)了AGV路徑跟蹤和控制；趙黎明[3]設(shè)計(jì)了基于單目視覺技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)軟件，解決了港口AGV的自主定位、路徑規(guī)劃和避障檢測(cè)等問題；馮亞麗等[4]提出了一種基于分布式云平臺(tái)AGV遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，有效提高了AGV的導(dǎo)航效率和定位精度；Camilo Y L等[5]提出了一種AGV路線跟蹤遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間，提高了AGV的定位精度；張艷珍等[6]設(shè)計(jì)了一套控制AGV運(yùn)行路徑的車載控制器，該控制器基于嵌入式系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)車載控制器與上位機(jī)的通信。

由此可知，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水平運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)側(cè)重路徑規(guī)劃和作業(yè)調(diào)度，尚未形成一種一致的、全面的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)體系。本文結(jié)合自動(dòng)化集裝箱碼頭實(shí)際作業(yè)情況和5G技術(shù)，對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭智能水平運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，總結(jié)出了較為全面、智能的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能，為自動(dòng)化碼頭無人駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

水平運(yùn)輸設(shè)備往返于碼頭前沿和堆場(chǎng)間進(jìn)行裝卸船作業(yè)，其行駛過程全程無人化，需要遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)對(duì)水平運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，確保無人集卡能實(shí)現(xiàn)精確定位與路徑規(guī)劃，順利安全地完成作業(yè)任務(wù)。無人集卡遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)是港口自動(dòng)化集裝箱碼頭信息建設(shè)的核心，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

智能水平運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)包含車端、遠(yuǎn)程臺(tái)架、綜合調(diào)度系統(tǒng)和5G SA專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)4個(gè)部分。車端、遠(yuǎn)程臺(tái)架和綜合調(diào)度系統(tǒng)之間通過5G SA專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)集卡車輛的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制。其中，集卡車輛是整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象，搭載的硬件設(shè)備包括5G智能網(wǎng)關(guān)、高清攝像頭等，主要負(fù)責(zé)視頻采集、傳輸以及控車等任務(wù)。綜合調(diào)度系統(tǒng)是遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)的核心部分，通過5G專網(wǎng)與系統(tǒng)中所有部分進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其核心工作是對(duì)不同種類無人車的不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)智能化的運(yùn)營(yíng)管理，在特定場(chǎng)景或自動(dòng)駕駛出現(xiàn)異常時(shí)遠(yuǎn)程進(jìn)行人工干預(yù)接管。遠(yuǎn)程臺(tái)架端的硬件設(shè)備包括一體化臺(tái)架、顯示器、方向盤、擋位、油門制動(dòng)裝置等，主要負(fù)責(zé)臺(tái)架控車指令下發(fā)和視頻流展示。5G專網(wǎng)為車端和遠(yuǎn)程臺(tái)架提供固定IP，在保障上傳下行帶寬的情況下，提供低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸通道，為車端和遠(yuǎn)程臺(tái)架提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通。

2 5G車載云控網(wǎng)關(guān)

5G車載云控網(wǎng)關(guān)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(hù)功能等子模塊。其構(gòu)成如圖2所示。

圖2 5G車載云控網(wǎng)關(guān)

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(yīng)車軌級(jí)千兆以太網(wǎng)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(shí)現(xiàn)視頻編碼功能，支持?jǐn)z像頭采集到的視頻，編譯成H.265或H.264的碼流；可實(shí)現(xiàn)視頻采集功能，支持采集8路720 P視頻信號(hào)；可實(shí)現(xiàn)視頻傳輸功能，支持RTP/RTSP標(biāo)準(zhǔn)或TCP私有協(xié)議。高精度定位模塊和對(duì)應(yīng)天線接口結(jié)合，向系統(tǒng)提供車輛行駛過程中的經(jīng)度、緯度、航向角等定位信息。

車輛控制模塊可實(shí)現(xiàn)車輛行駛控制，可通過CAN總線向車輛下發(fā)遠(yuǎn)程控制指令（前進(jìn)、后退、加速、減速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、駐車等），對(duì)車輛進(jìn)行行車橫縱向控制；可根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令，通過CAN總線指令實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的電器（例如雨刷、空調(diào)，燈光等）的控制；可采集整車CAN總線信息；可支持在5G SA專網(wǎng)下高速低時(shí)延控車功能；支持定制的控車安全策略，能根據(jù)不同閾值實(shí)現(xiàn)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(shí)滿足系統(tǒng)內(nèi)的攝像頭POE供電。同時(shí)，OTA升級(jí)模塊具備在線升級(jí)功能。

3 一體化靜態(tài)臺(tái)架

一體化靜態(tài)臺(tái)架組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件包括一體化繼承顯示器、操控機(jī)構(gòu)和控制計(jì)算器，支持LAN通信和Wi-Fi通信。軟件部分包括遠(yuǎn)程駕駛操控軟件和視頻解碼顯示軟件，遠(yuǎn)程駕駛操控軟件能夠?qū)囕v控制指令進(jìn)行下發(fā)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛電器的控制，例如雨刷、空調(diào)、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(shí)時(shí)展示，同時(shí)支持基于RTP/RTSP或TCP私有協(xié)議解碼和實(shí)時(shí)展示。

圖3 臺(tái)架構(gòu)成

4 5G遠(yuǎn)程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)

5G遠(yuǎn)程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)支持臺(tái)架和車輛一控一、一控多、多控多的應(yīng)用場(chǎng)景，在終端側(cè)、平臺(tái)側(cè)具備多協(xié)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(fā)；能對(duì)車輛的不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)智能化的運(yùn)營(yíng)管理，提供車輛路徑規(guī)劃、智能充電管理、智能車序管理、動(dòng)態(tài)鎖站調(diào)度、智能交通管控和人性化的UI交互功能。

系統(tǒng)包含的功能模塊如圖4所示。綜合調(diào)度系統(tǒng)各模塊支持本地化部署，同時(shí)也支持嵌入原有系統(tǒng)。

圖4 5G遠(yuǎn)程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)

1）車輛路徑規(guī)劃模塊基于動(dòng)態(tài)高精度地圖，結(jié)合動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃算法，能實(shí)現(xiàn)車輛精確引導(dǎo)和駕駛協(xié)管控。

2）智能鎖站管理模塊支持動(dòng)態(tài)鎖站布置和車輛自適應(yīng)路徑規(guī)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(duì)連續(xù)作業(yè)，同時(shí)平衡車輛電量水平，降低車輛充電次數(shù)，保護(hù)電池壽命。

4）交通管控模塊融合了車路協(xié)同技術(shù)，采取動(dòng)態(tài)通行管控策略，并在車輛端集成導(dǎo)航APP，實(shí)現(xiàn)智能交通管控，確保內(nèi)、外集卡安全通行。

5）車序管理模塊對(duì)集卡實(shí)行差速控制，在行駛過程中根據(jù)碼頭實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整車序，支持嚴(yán)格裝船、靈活裝船和自由裝船模式。

6）UI界面能夠?qū)崟r(shí)顯示集裝箱門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱場(chǎng)橋）、岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）、集卡、鎖站、充電樁、堆場(chǎng)等設(shè)備的空間位置和信息狀態(tài)，同時(shí)能夠支持異常情況處理，提高生產(chǎn)效率。

圖5所示為5G遠(yuǎn)程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)的圖形用戶界面。從系統(tǒng)界面中可以看到岸橋區(qū)域、鎖站區(qū)域、場(chǎng)橋區(qū)域、AGV區(qū)域和充電區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息。

圖5 遠(yuǎn)程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)界面

5 遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

自動(dòng)化集裝箱碼頭智能水平運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)的執(zhí)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(huán)境視頻信息，將視頻信息通過5G車載云控網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編碼并通過RTSP協(xié)議傳輸至臺(tái)架，同時(shí)將車身電量、速度等信息通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳給綜合調(diào)度系統(tǒng)；

2）遠(yuǎn)程臺(tái)架端對(duì)來自車端的視頻信息解碼之后進(jìn)行視頻流展示；同時(shí)接收綜合調(diào)度系統(tǒng)的指令，然后對(duì)控車指令進(jìn)行下發(fā)。

3）綜合調(diào)度系統(tǒng)接收車輛速度、電量水平等信息，結(jié)合碼頭實(shí)際作業(yè)情況，使用內(nèi)置智能算法生成車輛控制指令，同時(shí)將指令下發(fā)給臺(tái)架端。

4）車端接收臺(tái)架的控車指令，將臺(tái)架控車指令轉(zhuǎn)化為車身域控制器（或車身CAN總線）認(rèn)可的實(shí)際控車指令下發(fā)至域控制器（或車身CAN總線），實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)調(diào)控。

6 總結(jié)

自動(dòng)化集裝箱碼頭智能水平運(yùn)輸設(shè)備遠(yuǎn)程駕駛控制系統(tǒng)包含車端、遠(yuǎn)程臺(tái)架、綜合調(diào)度系統(tǒng)和5G專網(wǎng)4個(gè)部分。車端主要負(fù)責(zé)視頻采集、車輛信息傳輸和控車任務(wù)，遠(yuǎn)程臺(tái)架主要進(jìn)行控車指令下發(fā)和視頻流展示，綜合調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)臺(tái)架和車輛一控一、一控多、多控多的應(yīng)用場(chǎng)景，能夠?qū)囕v的不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)智能化的運(yùn)營(yíng)管理，車端、遠(yuǎn)程臺(tái)架和綜合調(diào)度系統(tǒng)之間通過5G SA專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)集卡車輛的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制。該系統(tǒng)重在發(fā)揮5G的領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)5G SA網(wǎng)絡(luò)下的視頻回傳和遠(yuǎn)程駕駛控制，助力港口自動(dòng)化、智能化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。