基于5G通訊的港口冷鏈倉(cāng)庫(kù)遠(yuǎn)程駕駛高位叉車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程廣全 霍 彪 閆 峰 張 成

天津港股份有限公司

1 引言

冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)是利用溫控設(shè)施設(shè)備制造適宜的溫度環(huán)境并對(duì)商品實(shí)施儲(chǔ)存與保管的行為[1]。冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)具有頻繁裝卸貨物的特征，冷庫(kù)中通常使用叉車(chē)進(jìn)行批量貨物的堆垛、短距離運(yùn)輸以及日常裝卸，節(jié)省了大量的人力。由于冷庫(kù)作業(yè)環(huán)境溫度低、濕度大、貨物本身存在攜帶病菌風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，使得冷庫(kù)接觸式作業(yè)可能對(duì)作業(yè)人員造成潛在的勞損、感染疫病風(fēng)險(xiǎn)。

遠(yuǎn)程作業(yè)是一種半自動(dòng)化作業(yè)模式，通常被用于動(dòng)態(tài)的、直接操作困難的環(huán)境當(dāng)中，可解決接觸式操作環(huán)境惡劣，對(duì)操作人員造成潛在風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題。同時(shí)遠(yuǎn)程操作也面臨著一些新的挑戰(zhàn)，操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的感知是否正確與及時(shí)，將影響他們的決策，最終決定遠(yuǎn)程操作的效果。本文主要研究適應(yīng)冷庫(kù)環(huán)境的基于5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的非接觸式遠(yuǎn)程駕駛高位叉車(chē)系統(tǒng)，并提出相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，以提高高位叉車(chē)的自動(dòng)化及智能化水平，實(shí)現(xiàn)高位叉車(chē)在冷庫(kù)中的無(wú)接觸作業(yè)。

2 系統(tǒng)功能需求

在冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)出入庫(kù)作業(yè)中，高位叉車(chē)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(guó)內(nèi)冷鏈倉(cāng)庫(kù)大多采取人工駕駛叉車(chē)方案，但是人工駕駛叉車(chē)面臨著許多問(wèn)題。一方面，冷庫(kù)溫度可低達(dá)-18℃，長(zhǎng)期處于該環(huán)境中作業(yè)，會(huì)對(duì)作業(yè)人員身體機(jī)能產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)失調(diào)、反應(yīng)減慢，不僅降低作業(yè)效率，更會(huì)對(duì)作業(yè)人員的身體健康產(chǎn)生損害；另一方面，冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)中生鮮產(chǎn)品有攜帶疾病傳染源的風(fēng)險(xiǎn)。因此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程駕駛高位叉車(chē)作業(yè)具有重要意義。為使遠(yuǎn)程操控作業(yè)模式有效地開(kāi)展，遠(yuǎn)程駕駛操作系統(tǒng)需向駕駛員提供豐富的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息和安全保障，從而使駕駛員能夠迅速、準(zhǔn)確地對(duì)高位叉車(chē)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況進(jìn)行判斷，并作出正確的操作決策，保證遠(yuǎn)程駕駛高位叉車(chē)的作業(yè)效率和作業(yè)安全。通常遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足準(zhǔn)確性與可靠性、高穩(wěn)定性、較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、平臺(tái)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(yuǎn)程駕駛高位叉車(chē)系統(tǒng)方案，具體包括操作環(huán)境可視化、低延遲多勢(shì)態(tài)的環(huán)境感知、安全駕駛與緊急制動(dòng)等功能。

2.1 操作環(huán)境的可視化

操作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)攝像反饋是遠(yuǎn)程駕駛員掌握現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的最重要依據(jù)之一。駕駛員需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多角度、多方位的實(shí)時(shí)錄像，來(lái)確定高位叉車(chē)、貨物、貨位的位置及叉車(chē)周?chē)h(huán)境，決定高位叉車(chē)的行駛路徑、叉取升降操作的時(shí)機(jī)。作業(yè)過(guò)程中高位叉車(chē)作業(yè)會(huì)導(dǎo)致攝像裝置振動(dòng)，系統(tǒng)應(yīng)具備消除攝像設(shè)備振動(dòng)引起畫(huà)面抖動(dòng)的能力，以保證畫(huà)面穩(wěn)定。

2.2 低延遲多勢(shì)態(tài)的環(huán)境感知

高位叉車(chē)遠(yuǎn)程駕駛系統(tǒng)需提供視頻信息以外的多勢(shì)態(tài)環(huán)境感知信息，包括車(chē)身與周?chē)h(huán)境物體的距離、環(huán)境音等。當(dāng)視頻信息不足時(shí)，雙聲道音頻使操作員能夠利用三維定位分辨音源[3]。叉車(chē)在不同的作業(yè)狀態(tài)時(shí)，會(huì)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(yuǎn)程操作中心的噪聲，實(shí)時(shí)掌握叉車(chē)運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)程駕駛高位叉車(chē)應(yīng)該與周?chē)h(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(cè)距設(shè)備并實(shí)時(shí)反饋至操作中心。遠(yuǎn)程操作員需實(shí)時(shí)掌握高位叉車(chē)作業(yè)時(shí)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(dòng)

為了保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全，駕駛員應(yīng)根據(jù)適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)和故障分析模式，安全地遠(yuǎn)程操作叉車(chē)。系統(tǒng)還應(yīng)能通過(guò)用戶界面向駕駛員提供危險(xiǎn)反饋和警告；當(dāng)緊急事件發(fā)生，系統(tǒng)能自動(dòng)激活緊急制動(dòng)裝置。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在電動(dòng)高位叉車(chē)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程駕駛高位叉車(chē)系統(tǒng)方案，系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程車(chē)載端、模擬駕駛艙和網(wǎng)絡(luò)通道。車(chē)載端在車(chē)身安裝多個(gè)帶有音頻錄制功能的攝像頭進(jìn)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(jìn)行輔助校準(zhǔn)。高位叉車(chē)上還安裝有安全傳感器以保證盲區(qū)安全，傳感器會(huì)在操作中心的用戶界面上提供警告指示，要求操作員對(duì)此作出響應(yīng)。本系統(tǒng)配備緊急停止裝置，當(dāng)高位叉車(chē)作業(yè)處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，可一鍵停止高位叉車(chē)作業(yè)，避免危險(xiǎn)事故發(fā)生。模擬駕駛艙側(cè)配置計(jì)算機(jī)、顯示器、高位叉車(chē)遙控器以及緊急停止按鈕。遠(yuǎn)程控制平臺(tái)將駕駛員的操作指令傳遞至高位叉車(chē)車(chē)載控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)高位叉車(chē)的遠(yuǎn)程控制。5G無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程車(chē)載端與模擬駕駛艙之間的信息傳輸。

圖1 高位叉車(chē)遠(yuǎn)程駕駛系統(tǒng)

3.2 遠(yuǎn)程控制

模擬駕駛艙包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器、揚(yáng)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(chē)載攝像機(jī)的實(shí)時(shí)錄像以及傳感器信息。駕駛員直接操縱遙控器對(duì)叉車(chē)下達(dá)控制指令，遙控器與計(jì)算機(jī)相連并向其輸入控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰?chē)載計(jì)算單元，車(chē)載計(jì)算單元會(huì)及時(shí)接收、處理遠(yuǎn)程控制指令，并通過(guò)CAN協(xié)議控制叉車(chē)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)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(jī)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給駕駛艙端的各個(gè)處理器。倉(cāng)庫(kù)安裝5G微基站、5G工業(yè)CPE、AR路由器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與車(chē)載控制單元連接。5G微基站可以接收5G信號(hào)，同時(shí)5G微基站分別與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)交換，從而使模擬駕駛艙與倉(cāng)庫(kù)均實(shí)現(xiàn)5G信號(hào)全覆蓋，最終實(shí)現(xiàn)駕駛艙端與車(chē)端的之間的信息交換。

3.4 視覺(jué)和傳感輔助導(dǎo)航

遠(yuǎn)程駕駛時(shí)，駕駛員對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的勢(shì)態(tài)感知能力十分重要。冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)出庫(kù)作業(yè)過(guò)程中，高位叉車(chē)根據(jù)WMS(Warehouse Management System，倉(cāng)儲(chǔ)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(kù)作業(yè)為相反流程。實(shí)際遠(yuǎn)程操控作業(yè)時(shí)，駕駛員需要借助視覺(jué)和傳感信息輔助導(dǎo)航，代替人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及觸覺(jué)感知能力完成以上任務(wù)。叉車(chē)上安裝6臺(tái)CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)攝像機(jī)，CCD攝像機(jī)是一種半導(dǎo)體成像器件，具有優(yōu)秀的光探測(cè)能力、空間分辨能力和相應(yīng)線性[5]。攝像機(jī)與駕駛室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，6臺(tái)攝像機(jī)分別覆蓋叉車(chē)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(shí)現(xiàn)叉車(chē)周?chē)h(huán)境的全覆蓋(見(jiàn)圖2)。通過(guò)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(guò)程(見(jiàn)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(chē)身周?chē)h(huán)境(見(jiàn)圖4)。在叉車(chē)左右兩側(cè)安裝麥克風(fēng)，其錄制的聲音作為立體聲源，駕駛員可通過(guò)立體聲對(duì)叉車(chē)作業(yè)環(huán)境、叉車(chē)作業(yè)狀態(tài)進(jìn)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(jì)算機(jī)，由流媒體軟件處理后通過(guò)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)音視頻展示。高位叉車(chē)后保險(xiǎn)杠上安裝激光測(cè)距傳感器，傳感器電纜連接到駕駛室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲僮髦行?，駕駛員可通過(guò)用戶界面查看叉車(chē)后側(cè)與環(huán)境物體的實(shí)時(shí)距離。

1.攝像機(jī)1 2.攝像機(jī)2 3.攝像機(jī)3 4.攝像機(jī)4 5.攝像機(jī)5 6.攝像機(jī)6

圖3 前側(cè)、上方及叉桅桿處攝像機(jī)視野

圖4 前側(cè)、后側(cè)、右側(cè)及左側(cè)攝像機(jī)視野

3.5 安全警告與緊急制動(dòng)

為了保障高位叉車(chē)作業(yè)安全，設(shè)計(jì)了安全警告和緊急制動(dòng)的功能。高位叉車(chē)的底盤(pán)安裝安全傳感器，當(dāng)叉車(chē)與周?chē)矬w發(fā)生碰撞時(shí)，向操作中心反饋警告信號(hào)，直到危險(xiǎn)消除。當(dāng)需要緊急限制叉車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可觸發(fā)緊急制動(dòng)裝置。被改造叉車(chē)的控制面板包含集成式緊急停止裝置。本系統(tǒng)使用FORT機(jī)器人VSC-006車(chē)輛安全控制器對(duì)叉車(chē)進(jìn)行急?？刂啤２孳?chē)外部和叉車(chē)上各安裝1臺(tái)車(chē)輛安全控制器，安裝在外部的車(chē)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(wú)線電傳播控制信號(hào)。叉車(chē)上的車(chē)輛安全控制器可接收外部控制器與放置在冷庫(kù)中的FORT機(jī)器人WES-001無(wú)線緊急停止按鈕的控制信號(hào)，并通過(guò)X99連接器接入叉車(chē)，實(shí)現(xiàn)對(duì)叉車(chē)的急停控制。無(wú)線緊急停止按鈕與車(chē)輛安全控制器進(jìn)行配對(duì)后，通過(guò)快速跳頻實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定信號(hào)傳輸。以上2種控制方式可同時(shí)實(shí)現(xiàn)，并均為一鍵操作，能迅速制動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的叉車(chē)。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一個(gè)5G環(huán)境下包括叉車(chē)車(chē)載端、模擬駕駛艙、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的電動(dòng)叉車(chē)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)方案，在電動(dòng)叉車(chē)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，使叉車(chē)具備實(shí)時(shí)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(chē)的作業(yè)狀況，并對(duì)處于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的叉車(chē)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。方案中叉車(chē)與模擬駕駛艙可通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)通道實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，滿足低時(shí)延、高帶寬控制需求。該系統(tǒng)充分考慮了冷庫(kù)作業(yè)環(huán)境、高位叉車(chē)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(diǎn)，對(duì)其他冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的叉車(chē)遠(yuǎn)程駕駛操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。