無人駕駛技術在未來智慧港口的應用

孫羽 汪沛

摘 要：使用無人集卡車隊管理系統，調度和控制無人集卡車隊，取代港區(qū)內傳統的有人駕駛集卡，完成碼頭港區(qū)內各種生產場景的水平運輸作業(yè)，是實現碼頭智能化，自動化，節(jié)能減排，提高生產安全性和生產效率，建設智慧港口和綠色港口的有效途徑。對港口企業(yè)向綠色港口、智慧港口方向轉型具有重大意義，有廣闊的應用前景。

關鍵詞：智慧港口 集卡 無人駕駛 機器學習 智能化

1.未來智慧港口的發(fā)展趨勢

近年來，我國的港口大型化，專業(yè)化，自動化和智能化的水平不斷提升，港口通過能力顯著增加，自2016年以來，隨著廈門，青島，上海等地的全自動化碼頭相繼建成并開港運營，逐步掀起國內大型港口向智能化方向變革與創(chuàng)新的浪潮，整個港口行業(yè)都非常明確的認識到，“智慧港口”代表著未來港口的發(fā)展方向，是港口未來轉型和發(fā)展的關鍵點。

2017年1月，交通運輸部發(fā)布《關于展開智慧港口示范工程的通知》，決定要以港口智慧物流、危險貨物安全管理等為重點，選取一批港口開展智慧港口示范工程建設。在智慧港口的建設上，明確了要發(fā)揮信息化的引領作用，以互聯網、物聯網、大數據、人工智能等信息技術作為智慧港口的建設基礎，加快推動港口信息化和智能化進程，促進港口提質增效。

按國家綱領性文件的指導，未來智慧港口的建設，將以信息技術為依托，融合物聯網，互聯網，大數據，人工智能等最新技術，實現港口的人和設備的廣泛互聯，各類軟硬件系統的無縫連接和高效協同，進而實現整個港口集疏運體系的高度智能化。具體到港口內的生產場景智能化建設，主要體現在智能閘口和無人閘口建設、港區(qū)內智能化的水平運輸、堆場上裝卸作業(yè)智能化以及岸邊作業(yè)智能化等幾個方面。其中港區(qū)內水平運輸的智能化，主要采用無人水平運輸設備AGV，或將傳統的有人駕駛集卡改造為無人駕駛集卡，通過無人駕駛車隊調度管理系統對整個港區(qū)內的無人集卡車隊進行統一作業(yè)調度，路徑規(guī)劃，出勤管理等，確保整個無人集卡車隊在沒有司機參與的情況下，7x24小時持續(xù)穩(wěn)定的支撐碼頭港區(qū)內各種生產場景的水平運輸作業(yè)，實現碼頭港區(qū)內水平運輸的智能化。

2.無人駕駛技術在智慧港口中應用的可行性和必要性

無人駕駛車輛上路行駛，需要符合國家的相關政策法規(guī)，包括技術路線、行業(yè)標準、安全規(guī)范、交通執(zhí)法、保險責任等各個層面的內容。對于無人駕駛車輛在社會道路上行駛，我國目前只有部分城市出臺了政策，允許無人駕駛車輛在城市的指定路段上做行駛測試，按國家相關法律法規(guī)現狀，對于自動駕駛汽車在正規(guī)社會道路上測試及隨后的大規(guī)模推廣運營還存在著障礙。但無人駕駛集卡在碼頭港區(qū)內部道路行駛，具備一定的落地優(yōu)勢：碼頭港區(qū)內的無人駕駛車輛上路，能有效規(guī)避道路交通監(jiān)管方面的相關法規(guī)。無人集卡在港區(qū)內部的行駛速度最高不超過40KM/H，遠低于車輛在社會道路上40-80KM/H的行駛速度，降低了車載無人駕駛系統從信息采集到決策控制的整個處理流程的時間要求和算力要求，且港區(qū)內部路況單純，沒有橫穿道路的人和動物，作業(yè)車輛和機械都按道路指示方向行駛，整體上降低了無人駕駛系統的實現難度。因此，無人集卡在港區(qū)內上路作業(yè)比無人駕駛車輛在社會道路上行駛的可行性更高。

碼頭港區(qū)內使用無人集卡承擔水平運輸作業(yè)，實際投入運營后，能大幅降低碼頭對內集卡司機的用工需求，減少相關管理成本。使用純電動無人集卡，能夠顯著降低碼頭水平運輸設備的燃油成本支出，經濟效益顯著，并且能夠實現車輛尾氣零排放，符合國家提出的綠色港口的建設方向，對綠色港口建設具有重大意義。使用無人集卡作為水平運輸設備，能有效緩解碼頭司機招工難，部分司機超時駕駛和疲勞駕駛的問題，提升安全生產水平，為碼頭帶來良好的社會效益。

通過研發(fā)無人駕駛車隊調度控制系統，碼頭可在系統中持續(xù)優(yōu)化全場的拖車調度算法，并且通過系統直接把最優(yōu)的作業(yè)任務信息下發(fā)到無人集卡上的車載無人駕駛系統，在信息系統層面流暢銜接，實時傳遞生產作業(yè)任務要求，更加科學的調度和控制全場的集卡完成港區(qū)內的水平運輸作業(yè)，減少人為因素，簡化作業(yè)流程，提高港區(qū)內水平運輸環(huán)節(jié)持續(xù)生產的安全性和穩(wěn)定性，進一步提高碼頭的勞動生產率。港區(qū)內的無人駕駛集卡按照碼頭的生產流程、工藝要求，以及無人駕駛系統預設的規(guī)則自動運行，能做到全天候24小時不間斷地安全、穩(wěn)定的自動行駛，有力支撐碼頭前沿和堆場的水平運輸作業(yè)的順暢進行，從而大力提升碼頭運營管理的現代化水平。

3.規(guī)劃與設計

3.1系統整體設計

為支持碼頭港區(qū)內水平運輸作業(yè)使用無人集卡的作業(yè)模式，設計一套無人駕駛車隊調度控制系統對碼頭內的無人集卡進行統一調度和控制，整個系統分為服務端的調度控制系統和車載的無人駕駛控制系統兩大部分。

服務端的調度控制系統具備全港區(qū)的路徑設置，全港區(qū)的無人集卡車隊管理，無人集卡作業(yè)指令下發(fā)、行駛路徑規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)控等功能，單車的無人駕駛控制系統具備環(huán)境感知，高精地圖，高精定位，決策規(guī)劃，車輛底盤控制等功能，在接收到服務端的調度控制系統下發(fā)的指令及初次路徑規(guī)劃信息后，能根據車輛上的環(huán)境感知模塊收集的信息，結合高精定位和高精地圖將信息傳遞給決策規(guī)劃系統，最終計算出當前車輛行駛軌跡，并輸出給底盤控制系統，控制車輛按規(guī)劃的路線軌跡向作業(yè)目的地行駛。同時，車載無人駕駛系統實時將無人集卡的狀態(tài)，位置，行駛方向，行駛速度等信息上報給服務端的調度控制系統，調度控制系統依托高精地圖定位和拖車全場調度算法的支持，實現全場的無人集卡的有序協同運行，以減少交通堵塞，提高道路通過能力，提高碼頭港區(qū)內道路的使用效率。同時針對碼頭道路作業(yè)忙閑程度，優(yōu)化無人集卡行駛路線，協調港區(qū)內行駛的各輛無人駕駛集卡之間，及無人集卡與場橋/岸橋等裝卸設備之間的相互作業(yè)配合，進而實現碼頭裝卸運輸作業(yè)的無縫銜接。

3.2系統實現目標

在碼頭港區(qū)內使用達到L4級自動駕駛（SAE自動駕駛分級，后文中所有提及的L4級均指SAE分級）的純電動無人集卡作為水平運輸設備，部署無人駕駛車隊調度控制系統，通過在碼頭架設的4G專網或未來更先進應用更廣的5G網絡，無線傳輸生產作業(yè)數據，與車載無人駕駛系統交互，控制這些無人集卡承擔碼頭港區(qū)內的水平運輸作業(yè)，主要作業(yè)場景包括：碼頭岸邊到堆場的卸船水平運輸作業(yè)，堆場到岸邊的裝船水平運輸作業(yè)，碼頭堆場內不同場區(qū)之間的移箱水平運輸作業(yè)，碼頭岸邊不同泊位的過駁水平運輸作業(yè)等。

調度控制系統能夠實現全場的水平運輸作業(yè)統籌，合理的下發(fā)作業(yè)指令給不同場區(qū)的集卡。調度控制系統能實現精準的集卡作業(yè)控制，調度控制系統直接與車載無人駕駛系統對接，實時下發(fā)指令到每一輛集卡，實時接收每輛集卡的車載系統上報的車輛位置狀態(tài)等信息，并依據全場的集卡作業(yè)情況調整和優(yōu)化下一步的指令分派。

車載無人駕駛系統具備深度融合感知功能，車輛安裝了激光雷達，毫米波雷達和高清相機等多種傳感器，能準確感知全天候各種工況下的作業(yè)場景中的障礙物和周邊環(huán)境信息。車載無人駕駛系統搭載高精地圖，基于GPS/慣性測量單元/輪速計/激光雷達等技術融合制圖，并且能進行自主的道路學習和自動制圖。車載無人駕駛系統具備高精定位能力，通過GPS/IMU/激光SLAM/視覺/輪速計等多種幀內和幀間定位技術相結合，無人集卡可達到10CM以內的絕對定位精度，。對碼頭堆場內和岸邊橋吊裝卸箱的作業(yè)場景，能基于視覺識別和激光雷達定位技術，讓無人集卡在場橋和岸橋下作業(yè)區(qū)域的定位達到3厘米以內的相對定位精度。車載無人駕駛控制系統具備AI智能決策能力，能夠通過構建的基準模型，深度模型等進行持續(xù)迭代的機器學習（深度學習），在行駛過程中根據實時的場景生成加速、減速，換道，停車等行為。車載無人駕駛系統具備安全防護功能，對于行駛過程中感知到的道路異常狀況，能夠控制車輛采取緊急制動或簡單繞行等行為，避免碰撞發(fā)生。

3.3系統處理流程

系統整體處理流程上，首先由碼頭的生產系統生成水平運輸作業(yè)指令，并將指令發(fā)給無人集卡車隊調度控制系統。調度控制系統收到作業(yè)指令后，會對根據不同的作業(yè)場景，將指令轉換為不同類型的拖車調度指令，并根據港區(qū)內當前各個集卡作業(yè)狀態(tài)、位置等信息，選擇最合適執(zhí)行當前作業(yè)指令的無人集卡，再通過4G或5G無線網絡，將調度指令下發(fā)給選中的無人集卡，無人集卡接收到調度指令后，會規(guī)劃路線，在規(guī)定的時間窗內自動行駛到作業(yè)地點，最后與港區(qū)內的其他作業(yè)機械協同，完成集裝箱的水平運輸作業(yè)，然后等待調度控制系統下發(fā)新的作業(yè)調度指令，整個作業(yè)流程在系統層面通過數據交互自動完成。

3.4系統主要功能

整個無人駕駛系統分為服務端的無人集卡車隊調度控制系統和集卡上的車載無人駕駛控制系統兩大部分。無人集卡車隊調度控制系統中主要包含基礎設置，集卡控制，集卡監(jiān)控等模塊。車載無人駕駛系統主要包含環(huán)境感知，高精地圖，高精度定位，決策規(guī)劃，車輛控制等模塊。

無人集卡車隊調度與控制系統功能模塊。基礎設置模塊包括邏輯地圖初始化，車道信息等調度無人集卡行駛的關鍵信息設置。集卡控制模塊包括了集卡作業(yè)任務下發(fā)，集卡路徑規(guī)劃，任務執(zhí)行時間控制，集卡出勤管理等功能。集卡監(jiān)控模塊能夠收集每輛無人集卡當前的位置，姿態(tài)，速度，運行軌跡，當前執(zhí)行任務等信息，若碼頭將來架設了5G網絡，還可向服務端實時回傳車輛行駛過程中相機拍攝的高清視頻和激光雷達掃描的點云數據。

車載無人駕駛系統功能模塊。環(huán)境感知模塊主要負責手集車輛上安裝的各種傳感器采集的行車周邊環(huán)境信息，然后將這些信息傳遞給依托于高精地圖的定位和決策規(guī)劃模塊，實時計算出集卡的行駛軌跡和速度，并持續(xù)將運算結果傳給集卡控制模塊，控制無人駕駛集卡按作業(yè)指令的要求向目標位置行駛。整個車載無人駕駛系統會使用人工智能的機器學習算法，融合各類車載傳感器傳回的數據，進行目標檢測，目標識別和分類，目標定位，運動預測等，并最終完成車輛行駛路徑的決策規(guī)劃。

4.系統應用

4.1系統在碼頭的應用場景

在碼頭港區(qū)內的所有水平運輸作業(yè)場景，都能夠應用無人駕駛車隊調度與控制系統，調度無人集卡完成作業(yè)，主要作業(yè)場景包括：集裝箱卸船作業(yè)，集裝箱裝船作業(yè)，集裝箱過駁作業(yè)，集裝箱場內轉堆作業(yè)。具體應用時，首先由生產系統將指令派發(fā)給無人駕駛車隊調度與控制系統，調度與控制系統收到指令后，會將作業(yè)指令拆分為多條具體調度無人集卡到指定地點作業(yè)的指令，并逐一發(fā)給無人集卡的車載無人駕駛控制系統執(zhí)行，車載系統按調度指令的要求，控制無人集卡在規(guī)定的時間內行駛到指定的作業(yè)位置，并與港區(qū)內的岸橋、場橋完成集裝箱交接前的吊具對位，然后橋吊下放吊具，完成對集卡的抓放箱操作，集卡就完成了一次港區(qū)內的水平運輸作業(yè)。在集卡接收調度指令向作業(yè)目標位置行駛的過程中，若規(guī)劃的行駛路徑上，某段道路通行情況發(fā)生變化，例如某段道路禁止通行，調度控制系統會下發(fā)道路禁行的信息給無人集卡，集卡收到信息后，需要重新規(guī)劃通往作業(yè)目標位置的行駛路線。

4.2系統研發(fā)實施為碼頭帶來的顯著效益

整個無人駕駛系統研發(fā)實施并在碼頭落地后，將碼頭港區(qū)內的水平運輸作業(yè)由傳統的有人駕駛的集卡替換為純電動無人集卡，可為碼頭帶來非常積極的社會影響。一是能緩解碼頭生產對周邊環(huán)境的污染問題，電動集卡能夠實現尾氣零排放，與國家建設綠色港口，大力發(fā)展清潔能源的環(huán)保政策相契合，也符合國家在《中國制造2025》中提出的大力發(fā)展新能源汽車和無人駕駛汽車等先進智能設備制造業(yè)，將來通過“三步走”實現制造強國的戰(zhàn)略目標。二是解放生產力，使用無人集卡后，能有效緩解碼頭拖車司機招工難的問題，還規(guī)避了實際生產中司機駕駛時間超長帶來的安全生產隱患，同時也避免由此產生的人員不安定因素等問題。碼頭生產引入無人駕駛技術，符合國家的創(chuàng)新政策，對碼頭這類傳統行業(yè)在科技創(chuàng)新方面實現突破，能有效提升碼頭的社會形象。

在經濟效益方面，集卡司機人力成本逐年漸長，因人力成本問題導致集卡車隊盈利能力越來越弱，碼頭引入無人集卡后，集卡司機的人力成本能大幅縮減。另外，港區(qū)內集卡改為使用純電動無人集卡后，集卡能耗從用油改為用電，僅此一項，單臺集卡全年的能耗支出的電費將會縮減到原來油費支出的30%，能為碼頭帶來顯著的經濟效益。

5.結語

在碼頭引入L4級的純電動無人集卡，并研發(fā)無人駕駛車隊調度與控制系統對無人集卡車隊進行生產上的統一調度和管理，替代港區(qū)內傳統的有人駕駛的柴油集卡，能夠實現港區(qū)內水平運輸作業(yè)的智能化。同時，無人集卡在碼頭落地，能夠顯著降低集卡司機人力成本和集卡能耗，實現集卡尾氣零排放，提高港口生產安全性和港口的生產效率，符合國家節(jié)能減排和環(huán)境保護政策，對港口企業(yè)將來向綠色港口、智慧港口方向轉型具有重大意義，無人駕駛技術在碼頭具有廣闊的應用前景。