梁慧慧 應(yīng)放天

摘要：目的：文章致力于研究基于港口物流場景的高效、安全、可靠的無人集裝箱卡車設(shè)計(jì)策略，以滿足日益增長的特殊需求。方法：文章簡述港口無人集卡概念及場景化創(chuàng)新趨勢，進(jìn)而分析港口運(yùn)輸無人化解決方案，基于此分析港口物流場景的無人集裝箱卡車設(shè)計(jì)應(yīng)用的技術(shù)，以進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)策略。結(jié)果：文章所提出的設(shè)計(jì)策略有一定的參考性，可大幅提高無人集裝箱卡車的運(yùn)輸效率，減少物流成本，同時(shí)推動港口物流朝智能化、綠色化方向發(fā)展。這有助于緩解港口擁堵，提升整體物流效率，為全球貿(mào)易的繁榮發(fā)展注入新動力。結(jié)論：基于港口物流場景的高效、安全、可靠的無人集裝箱卡車設(shè)計(jì)具有重要意義。經(jīng)過優(yōu)化后的無人集裝箱卡車不僅能夠滿足特殊需求，提升運(yùn)輸效能，降低成本，還能為其他物流場景提供有益的借鑒。相信在未來的發(fā)展中，無人集裝箱卡車將成為物流行業(yè)的寵兒，為全球貿(mào)易的繁榮發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：物流場景；無人駕駛；無人集裝箱卡車；港口物流

中圖分類號：F552；F259.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）07-0-03

0 引言

在當(dāng)今全球化和數(shù)字化背景下，物流行業(yè)作為支撐現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分，面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。為適應(yīng)物流業(yè)日益復(fù)雜的需求，無人集裝箱卡車融合了新能源車輛和無人駕駛技術(shù)，為提高運(yùn)輸效率、降低環(huán)境影響提供了全新的可能。然而，隨著物流場景的不斷變化和技術(shù)的飛速發(fā)展，物流行業(yè)正面臨愈發(fā)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，也擁有更加廣闊的發(fā)展空間。本文以港口物流為基礎(chǔ)，深入探討基于物流場景的無人集卡的設(shè)計(jì)策略，以滿足日益復(fù)雜的物流需求。

1 港口無人集卡概念及場景化創(chuàng)新趨勢

1.1 港口無人集卡的概念及發(fā)展現(xiàn)狀

港口無人集卡是一種集成自動駕駛技術(shù)、傳感器融合、智能決策與規(guī)劃、車輛控制等多種先進(jìn)技術(shù)于一身的智能物流運(yùn)輸設(shè)備。在復(fù)雜的港口環(huán)境中，它具備自主導(dǎo)航、精確定位、智能避障、自動裝卸等功能優(yōu)勢，從而完成集裝箱從碼頭到堆場之間的水平運(yùn)輸任務(wù)，并利用先進(jìn)的算法進(jìn)行路徑規(guī)劃和決策。同時(shí)，能與上位管理系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)智能化管理和調(diào)度，提高港口物流的整體效率。目前，全球范圍內(nèi)的多個港口已經(jīng)開始嘗試或部署無人集卡。這些港口主要分布在歐洲、亞洲和北美等地區(qū)，其中我國的港口在無人集卡應(yīng)用方面尤為積極。在技術(shù)方面，無人集卡已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的自動駕駛，如自動避障、自動換道、自動泊車等。同時(shí)，相比其他場景，港口內(nèi)部的無人駕駛系統(tǒng)在環(huán)境感知、決策規(guī)劃、車輛控制等方面的難度和計(jì)算要求都顯著降低。因此，港口內(nèi)部為實(shí)現(xiàn)無人駕駛集卡的大規(guī)模應(yīng)用提供了更為便利的環(huán)境［1］。在應(yīng)用方面，無人集卡主要用于港口內(nèi)部的集裝箱運(yùn)輸。港口環(huán)境相對封閉且固定，這為無人集卡的應(yīng)用提供了較為有利的條件。但仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題。例如，如何在復(fù)雜的港口環(huán)境中確保無人集卡的安全性和可靠性；如何進(jìn)一步提升無人集卡的智能決策和規(guī)劃能力，以適應(yīng)不斷變化的物流需求；如何降低無人集卡的制造成本和運(yùn)營成本；等等。業(yè)界需要共同努力，通過技術(shù)創(chuàng)新和模式創(chuàng)新解決這些問題。

1.2 港口運(yùn)輸無人化解決方案

在港口的無人化方面，落地方案有三種：智能移動運(yùn)輸平板車、無人跨運(yùn)車AGV、集卡。港用AGV是最早用于港口自動化水平運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，剛開始由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，后采用柴油發(fā)電機(jī)電力驅(qū)動，以磁釘導(dǎo)航技術(shù)為主，須鋪設(shè)磁軌配合運(yùn)行，路線固定、不靈活［2］。智能平板運(yùn)輸車自身結(jié)構(gòu)性能相比集卡更為小巧靈活，但成本較高，一臺車要300萬～500萬元，而無人集卡通用性比較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，成本在100萬元以內(nèi)。隨著傳感器和線控底盤等硬件的成本下降，還有進(jìn)一步降本空間。對比智能平板車，集卡的駕駛艙較高，在駕駛艙上布置傳感器可以看得更遠(yuǎn)，車輛整體的感知能力會更強(qiáng)。無人集卡不管是新建碼頭還是老舊碼頭，都能快速投入使用。綜合來看，無人集卡無疑是國內(nèi)港口水平運(yùn)輸無人化升級的主要方向，不僅能在港口復(fù)雜的環(huán)境中自主行駛，完成裝卸貨任務(wù)，而且其智能控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛狀態(tài)和環(huán)境信息，確保運(yùn)輸過程安全可靠，提高港口物流的整體效率。

1.3 港口物流場景創(chuàng)新趨勢

在封閉場景下，無人集卡的創(chuàng)新趨勢愈發(fā)明顯。由于封閉環(huán)境提供了更為穩(wěn)定、可控的作業(yè)條件，無人集卡在此類場景中的創(chuàng)新應(yīng)用尤為突出。一方面，無人集卡正逐步實(shí)現(xiàn)全流程自動化，從裝載、運(yùn)輸?shù)叫遁d，全程無須人工干預(yù)，作業(yè)效率與安全度大幅提高；另一方面，借助高精度地圖與定位技術(shù)，無人集卡可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航與避障，確保在封閉場景內(nèi)高效、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，封閉場景為無人集卡的創(chuàng)新應(yīng)用提供了廣闊舞臺，未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在該領(lǐng)域的創(chuàng)新趨勢將更加顯著。

在開放場景下，無人集卡的創(chuàng)新趨勢同樣引人注目，主要表現(xiàn)在以下方面：首先，隨著技術(shù)融合與創(chuàng)新成為關(guān)鍵，開放場景中有更多的未知，因此無人集卡須融合多種先進(jìn)技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、傳感器融合、V2X通信等，以實(shí)現(xiàn)更高級別的自動駕駛和智能決策；其次，動態(tài)路徑規(guī)劃與智能避障成為重點(diǎn)，與封閉場景不同，開放場景中的路況和障礙物更加多變，無人集卡須具備實(shí)時(shí)感知、動態(tài)路徑規(guī)劃和智能避障的能力，以確保安全、高效地完成任務(wù)；最后，與智能交通系統(tǒng)協(xié)同也是重要趨勢，無人集卡要與智能交通系統(tǒng)中的其他元素（如交通信號燈、路側(cè)設(shè)施、其他車輛等）協(xié)同，以實(shí)現(xiàn)更加流暢、安全的交通流。

2 港口無人集卡的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用

2.1 5G技術(shù)

在港口作業(yè)場景中，網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性與可靠性至關(guān)重要。過去，港口自動化主要依賴的通信技術(shù)存在維護(hù)成本高、穩(wěn)定性差等問題，難以滿足港口的核心需求，尤其是無人集卡的遠(yuǎn)程控制。5G技術(shù)與港口的核心需求十分契合，港口無人集卡是5G重要的應(yīng)用場景之一［3］。在高危險(xiǎn)的港口環(huán)境下，無人集卡對通信帶寬、時(shí)延和可靠性要求極高。5G的大帶寬、低時(shí)延、高可靠性和廣連接特性，結(jié)合高精度定位和車路協(xié)同等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了集卡的無人駕駛和實(shí)時(shí)路況回傳。5G技術(shù)為港口提供了高清監(jiān)控、高精度定位、智能網(wǎng)聯(lián)駕駛等整體解決方案，實(shí)現(xiàn)了對集卡的遠(yuǎn)程控制。結(jié)合邊緣計(jì)算、AI等技術(shù)，5G技術(shù)幫助港口設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步協(xié)調(diào)，為港口無人集卡駕駛應(yīng)用提供了更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)支持。國內(nèi)港口無人集卡駕駛基本采用5G網(wǎng)絡(luò)及V2X技術(shù)，不斷提升車端、路端的協(xié)同感知能力，實(shí)現(xiàn)無人駕駛集卡與港區(qū)自動化生產(chǎn)設(shè)備、系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

2.2 能源管理

物流場景的獨(dú)特性要求無人集卡在運(yùn)輸過程中既能保障效率，又要最大限度地降低對環(huán)境的影響［4］。純電動無人集卡不僅能大幅減少港口水平運(yùn)輸設(shè)備的燃油支出，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還能實(shí)現(xiàn)尾氣零排放，這與國家推動的綠色港口建設(shè)理念高度契合。能源管理則是新能源車輛的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，不僅要滿足運(yùn)輸需求，還要通過優(yōu)化能源利用，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的目標(biāo)。首先，通過智能路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠避免擁堵、減少等待時(shí)間，以最短路徑和最優(yōu)策略運(yùn)輸，避免能源浪費(fèi)。其次，不同物流場景可能存在多樣化的運(yùn)輸需求，結(jié)合先進(jìn)的環(huán)境感知傳感器，無人集卡能夠?qū)崟r(shí)感知并適應(yīng)不同的物流環(huán)境，確保高效運(yùn)輸。最后，在物流場景中設(shè)置快速充電基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)合智能調(diào)度系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能源補(bǔ)給，保障無人集卡高效穩(wěn)定完成運(yùn)輸任務(wù)。

2.3 車隊(duì)監(jiān)管系統(tǒng)

集卡車隊(duì)監(jiān)管系統(tǒng)的核心職責(zé)是調(diào)度整個無人集卡車隊(duì)，并與每輛集卡進(jìn)行高效的任務(wù)交互管理，確保水平運(yùn)輸作業(yè)高效進(jìn)行。其中包括為當(dāng)前作業(yè)規(guī)劃最佳路徑和有效管理執(zhí)行時(shí)間。同時(shí)，為滿足碼頭作業(yè)人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求，系統(tǒng)利用5G網(wǎng)絡(luò)迅速將每輛集卡的關(guān)鍵信息（如位置、速度、運(yùn)行軌跡等）以及實(shí)時(shí)圖像和激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)端，同時(shí)展示當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)。在調(diào)度模塊，高效的調(diào)度算法設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的關(guān)鍵。算法的主要思路是選擇合適的集卡與待分配的指令進(jìn)行匹配，以最小化無人集卡執(zhí)行作業(yè)指令所需時(shí)間。通過科學(xué)的算法建立集卡調(diào)度數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)全場無人集卡的實(shí)時(shí)最優(yōu)調(diào)度，這樣的監(jiān)管系統(tǒng)在提高作業(yè)效率方面具有重要作用。

2.4 運(yùn)輸卡車新技術(shù)應(yīng)用

首先是多傳感器融合。無人集卡通常配備有激光雷達(dá)（LiDAR）、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器等，這些傳感器能夠捕捉周圍環(huán)境的三維信息等，通過多傳感器融合算法提供精準(zhǔn)、魯棒的環(huán)境感知能力。其次是深度學(xué)習(xí)算法。利用深度學(xué)習(xí)算法處理傳感器數(shù)據(jù)，無人集卡能夠識別行人、車輛、道路標(biāo)記、交通信號燈等關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的場景理解和決策。最后是遠(yuǎn)程駕駛與控制。當(dāng)自動駕駛系統(tǒng)遇到難以處理的特殊情況時(shí)，遠(yuǎn)程駕駛員可以通過5G網(wǎng)絡(luò)接管車輛的控制權(quán)，確保集卡安全運(yùn)行。V2X通信使無人集卡能夠接收道路信息、交通流量數(shù)據(jù)、緊急車輛接近警告等，從而作出更加安全和高效的駕駛決策。基于云計(jì)算的智能調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)收集并分析港口內(nèi)所有無人集卡的位置、狀態(tài)和任務(wù)信息，進(jìn)行全局優(yōu)化調(diào)度。智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合高精度地圖和實(shí)時(shí)交通信息，為每輛無人集卡規(guī)劃最優(yōu)路徑，減少空駛、擁堵和等待時(shí)間。利用SLAM技術(shù)，同時(shí)借助傳感器實(shí)時(shí)捕獲的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建或刷新環(huán)境地圖，并精準(zhǔn)定位自身在地圖中的位置。

3 無人集裝箱卡車的五大設(shè)計(jì)策略

3.1 優(yōu)化感知與導(dǎo)航系統(tǒng)

港口環(huán)境復(fù)雜多變，無人集裝箱卡車須具備高精度的感知和導(dǎo)航能力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器的選型和布局優(yōu)化，以提高感知精度。同時(shí)，結(jié)合港口地圖信息和實(shí)時(shí)定位技術(shù)，構(gòu)建高效、穩(wěn)定的導(dǎo)航系統(tǒng)，確?？ㄜ囋诟劭趦?nèi)的精確導(dǎo)航和定位。

3.2 智能化決策與控制系統(tǒng)

針對港口運(yùn)輸?shù)奶囟ㄐ枨?，設(shè)計(jì)智能化的決策與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)感知信息、交通規(guī)則和港口作業(yè)計(jì)劃，自主規(guī)劃行駛路線、避讓障礙物、優(yōu)化運(yùn)輸順序等。同時(shí)，控制系統(tǒng)必須擁有對車輛的高精度與高可靠性控制能力，確?？ㄜ囋诟劭趦?nèi)安全、高效行駛。

3.3 通信系統(tǒng)與安全機(jī)制

港口運(yùn)輸涉及多個作業(yè)環(huán)節(jié)和設(shè)備的協(xié)同作業(yè)，無人集裝箱卡車須與其他設(shè)備、管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的通信，應(yīng)著重確保通信系統(tǒng)的可靠與安全。

采用加密通信、防干擾等技術(shù)手段，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩头€(wěn)定。同時(shí)，建立完善的安全機(jī)制，包括故障自診斷、緊急制動、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，提高卡車在港口運(yùn)輸中的安全性能。

3.4 耐用性與維護(hù)性考慮

港口運(yùn)輸環(huán)境惡劣，對無人集裝箱卡車的耐用性和維護(hù)性要求較高。應(yīng)注重選用耐腐蝕、抗磨損的材料和零部件，增強(qiáng)卡車的耐用性。同時(shí)，優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)，便于日常維護(hù)和保養(yǎng)，降低運(yùn)營成本。

3.5 人機(jī)交互與遠(yuǎn)程監(jiān)控

雖然無人集裝箱卡車在港口運(yùn)輸中能夠自主駕駛，但仍須考慮人機(jī)交互和遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求。設(shè)計(jì)簡潔的操作界面，方便操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和干預(yù)。同時(shí)，建立完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測卡車的運(yùn)行狀態(tài)和位置信息，確保港口運(yùn)輸安全和高效。

綜上所述，在港口運(yùn)輸場景下，無人集裝箱卡車的設(shè)計(jì)應(yīng)注重優(yōu)化感知與導(dǎo)航系統(tǒng)、智能化決策與控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)與安全機(jī)制、考慮耐用性與維護(hù)性、人機(jī)交互與遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面。這些設(shè)計(jì)策略有助于提高無人集裝箱卡車在港口運(yùn)輸中的安全性和效率。

4 結(jié)語

基于港口物流場景的無人集裝箱卡車設(shè)計(jì)，不僅是對現(xiàn)有物流體系的一次技術(shù)革新，還是對未來智能物流趨勢的積極響應(yīng)。通過深入研究港口物流的特性和需求，提出一系列有針對性的設(shè)計(jì)策略，旨在提升無人集卡在安全性、效率、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多個維度的表現(xiàn)。這些策略的實(shí)施，有助于應(yīng)對傳統(tǒng)港口物流中面臨的種種挑戰(zhàn)。此外，還有望引領(lǐng)物流行業(yè)邁向更智能、更高效、更環(huán)保的未來。

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作者簡介：梁慧慧（1997—），女，河南開封人，碩士在讀，研究方向：交通運(yùn)輸。

應(yīng)放天（1970—），男，江西南昌人，本科，教授，研究方向：科技設(shè)計(jì)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。