自動化集裝箱碼頭遠程駕駛控制系統(tǒng)設(shè)計*

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)+”進程不斷深入，港口碼頭積極向數(shù)字化、全自動方向轉(zhuǎn)型升級，自動化碼頭采用無人集卡作為水平運輸設(shè)備，實現(xiàn)了作業(yè)無人化、能源綠色化的建設(shè)目標(biāo)。

國內(nèi)外一些學(xué)者針對自動化碼頭水平運輸設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計進行了相關(guān)研究，魏昆[1]將所提出的AGV路徑規(guī)劃算法和動態(tài)調(diào)度方法與AGV控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了對小車的實時路徑規(guī)劃和遠程作業(yè)調(diào)度；孫凌[2]對AGV遠程控制系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，使用PID控制器實現(xiàn)了AGV路徑跟蹤和控制；趙黎明[3]設(shè)計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)劃和避障檢測等問題；馮亞麗等[4]提出了一種基于分布式云平臺AGV遠程監(jiān)測控制系統(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路線跟蹤遠程控制系統(tǒng)，減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲時間，提高了AGV的定位精度；張艷珍等[6]設(shè)計了一套控制AGV運行路徑的車載控制器，該控制器基于嵌入式系統(tǒng)，能實現(xiàn)車載控制器與上位機的通信。

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

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

水平運輸設(shè)備往返于碼頭前沿和堆場間進行裝卸船作業(yè)，其行駛過程全程無人化，需要遠程駕駛控制系統(tǒng)對水平運輸設(shè)備進行實時監(jiān)測和調(diào)控，確保無人集卡能實現(xiàn)精確定位與路徑規(guī)劃，順利安全地完成作業(yè)任務(wù)。無人集卡遠程駕駛控制系統(tǒng)是港口自動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)

智能水平運輸設(shè)備遠程駕駛控制系統(tǒng)包含車端、遠程臺架、綜合調(diào)度系統(tǒng)和5G SA專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)4個部分。車端、遠程臺架和綜合調(diào)度系統(tǒng)之間通過5G SA專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對集卡車輛的動態(tài)實時控制。其中，集卡車輛是整個系統(tǒng)的服務(wù)對象，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)中所有部分進行數(shù)據(jù)交互，其核心工作是對不同種類無人車的不同業(yè)務(wù)場景實現(xiàn)智能化的運營管理，在特定場景或自動駕駛出現(xiàn)異常時遠程進行人工干預(yù)接管。遠程臺架端的硬件設(shè)備包括一體化臺架、顯示器、方向盤、擋位、油門制動裝置等，主要負(fù)責(zé)臺架控車指令下發(fā)和視頻流展示。5G專網(wǎng)為車端和遠程臺架提供固定IP，在保障上傳下行帶寬的情況下，提供低時延的數(shù)據(jù)傳輸通道，為車端和遠程臺架提供點對點的數(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；可實現(xiàn)視頻采集功能，支持采集8路720 P視頻信號；可實現(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。

車輛控制模塊可實現(xiàn)車輛行駛控制，可通過CAN總線向車輛下發(fā)遠程控制指令（前進、后退、加速、減速、轉(zhuǎn)向、制動、駐車等），對車輛進行行車橫縱向控制；可根據(jù)遠程控制指令，通過CAN總線指令實現(xiàn)對車輛的電器（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，同時滿足系統(tǒng)內(nèi)的攝像頭POE供電。同時，OTA升級模塊具備在線升級功能。

3 一體化靜態(tài)臺架

一體化靜態(tài)臺架組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件包括一體化繼承顯示器、操控機構(gòu)和控制計算器，支持LAN通信和Wi-Fi通信。軟件部分包括遠程駕駛操控軟件和視頻解碼顯示軟件，遠程駕駛操控軟件能夠?qū)囕v控制指令進行下發(fā)，同時可實現(xiàn)對車輛電器的控制，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的碼流的解碼和實時展示，同時支持基于RTP/RTSP或TCP私有協(xié)議解碼和實時展示。

圖3 臺架構(gòu)成

4 5G遠程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)

5G遠程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)支持臺架和車輛一控一、一控多、多控多的應(yīng)用場景，在終端側(cè)、平臺側(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)；能對車輛的不同業(yè)務(wù)場景實現(xiàn)智能化的運營管理，提供車輛路徑規(guī)劃、智能充電管理、智能車序管理、動態(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，同時也支持嵌入原有系統(tǒng)。

圖4 5G遠程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)

1）車輛路徑規(guī)劃模塊基于動態(tài)高精度地圖，結(jié)合動態(tài)路徑規(guī)劃算法，能實現(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，確保集卡車隊連續(xù)作業(yè)，同時平衡車輛電量水平，降低車輛充電次數(shù)，保護電池壽命。

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

5）車序管理模塊對集卡實行差速控制，在行駛過程中根據(jù)碼頭實際情況動態(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顯示集裝箱門式起重機（以下簡稱場橋）、岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）、集卡、鎖站、充電樁、堆場等設(shè)備的空間位置和信息狀態(tài)，同時能夠支持異常情況處理，提高生產(chǎn)效率。

圖5所示為5G遠程駕駛綜合調(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、場橋區(qū)域、AGV區(qū)域和充電區(qū)域的現(xiàn)場實時信息。

圖5 遠程駕駛綜合調(diào)度系統(tǒng)界面

5 遠程駕駛控制系統(tǒng)運行機制

自動化集裝箱碼頭智能水平運輸設(shè)備遠程駕駛控制系統(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)進行編碼并通過RTSP協(xié)議傳輸至臺架，同時將車身電量、速度等信息通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳給綜合調(diào)度系統(tǒng)；

2）遠程臺架端對來自車端的視頻信息解碼之后進行視頻流展示；同時接收綜合調(diào)度系統(tǒng)的指令，然后對控車指令進行下發(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，同時將指令下發(fā)給臺架端。

4）車端接收臺架的控車指令，將臺架控車指令轉(zhuǎn)化為車身域控制器（或車身CAN總線）認(rèn)可的實際控車指令下發(fā)至域控制器（或車身CAN總線），實現(xiàn)對車輛的實時調(diào)控。

6 總結(jié)

自動化集裝箱碼頭智能水平運輸設(shè)備遠程駕駛控制系統(tǒng)包含車端、遠程臺架、綜合調(diào)度系統(tǒng)和5G專網(wǎng)4個部分。車端主要負(fù)責(zé)視頻采集、車輛信息傳輸和控車任務(wù)，遠程臺架主要進行控車指令下發(fā)和視頻流展示，綜合調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)臺架和車輛一控一、一控多、多控多的應(yīng)用場景，能夠?qū)囕v的不同業(yè)務(wù)場景實現(xiàn)智能化的運營管理，車端、遠程臺架和綜合調(diào)度系統(tǒng)之間通過5G SA專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對集卡車輛的動態(tài)實時控制。該系統(tǒng)重在發(fā)揮5G的領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)5G SA網(wǎng)絡(luò)下的視頻回傳和遠程駕駛控制，助力港口自動化、智能化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。