基于北斗衛星定位的自動化集裝箱碼頭水平運輸安全系統關鍵技術

李嘉鍵

隨著現代科學技術的發展，集裝箱碼頭通過各種技術手段實現港區內自動化無人運輸。廣州港南沙港區四期自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“南沙四期碼頭”）采用目前世界上最先進的基于北斗衛星定位的無人駕駛智能導引車（ intelligent guided vehicle，IGV），形成新一代自動化集裝箱碼頭水平運輸安全系統。本文以南沙四期碼頭為例，針對南沙四期碼頭IGV運行環境，從單機硬件保護、單機自動化控制保護、車隊管理系統（ vehicle management system，VMS）安全保護等方面介紹基于北斗衛星定位的自動化集裝箱碼頭水平運輸安全系統關鍵技術。

1 南沙四期碼頭水平運輸安全系統簡介

南沙四期碼頭水平運輸安全系統主要由IGV和VMS組成。與傳統集卡相比，IGV同樣擁有動力系統、制動系統、轉向系統等；兩者的差異在于IGV采用無人駕駛技術，沒有駕駛室。南沙四期碼頭創造性地將無人駕駛技術和衛星定位技術應用于環境封閉的港區，為實現IGV無人駕駛L4級技術提供便利，加之IGV在環境感知、決策規劃和車輛控制等智能化功能方面擁有一定優勢，從而促使南沙四期碼頭將內集卡升級為IGV，以實現碼頭與堆場間水平運輸自動化。在碼頭生產作業過程中，VMS整體調度、控制堆場內IGV自動運行，完成裝箱、卸箱、轉場等作業任務。VMS能并發控制多臺IGV按照指定路線行進，并能在檢測到沖突、故障等情況后動態調整后續作業路徑，確保作業集裝箱按計劃到達目標位置。

2 南沙四期碼頭水平運輸安全系統關鍵技術

2.1 單機硬件保護技術

2.1.1 機械電氣保護

機械電氣保護是IGV最基本的防撞保護方式。IGV頭尾均安裝保險杠，保險杠可沿著車身方向移動（見圖1）。當發生正面碰撞時，保險杠后部彈簧被壓縮，其后端限位擋板后移，觸發防撞限位傳感器；防撞限位傳感器發送信號至車輛控制器，控制行車制動器、駐車制動器、前后電機制動器動作，實現車輛緊急制動。機械電氣保護對障礙物的特性有一定要求，即障礙物觸發防撞限位傳感器需要克服彈簧力；因此，當某些障礙物受到IGV的沖擊力而猛然改變速度時，并不會觸發機械電氣保護。此外，防撞保險杠的安裝位置距離地面約30 cm且其自身寬度僅15 cm；因此，高度小于30 cm或固定在半空中的物體也不會觸發機械電氣保護。

2.1.2 反饋安全保護

IGV安裝8個轉角編碼器和4個輪速編碼器，通過編碼器可以獲得車輛實時運行參數（車輛的加速度和轉動速率）的反饋。當數據異常時，系統會發出警報或提示錯誤，并在特殊情況下控制車輛緊急制動，從而最大程度地減輕車輛損壞或避免車輛二次受損。

2.1.3 多線激光雷達保護

IGV每組對角處均布置2個16線激光雷達器，單個激光雷達器的掃描范圍為0°-270°，雙激光雷達器的掃描范圍互補，從而使IGV四周360°范圍內無盲區（見圖2）。通過對各個激光雷達器的數據實施標定，將其融合成為大的點云進行處理，并采用“聚類+深度學習”方式處理多個激光點云融合的數據。針對點云的深度學習主要基于VoxeINet基礎模型。VoxelNet是利用圖片深度學習檢測框架處理激光點云數據的框架，其先將三維點云轉化成Voxel結構，然后以鳥瞰圖的方式來處理這個結構，并輸出障礙物的位置、速度等信息。

激光雷達系統根據IGV的寬度、載質量、制動距離和行駛軌跡等特征，通過編寫程序設置安全保護區域。安全保護區域由紅色急停區、黃色滑停區和藍色減速區組成。若激光雷達器測量到有物體進入安全保護區域，則IGV執行物體所在區域的相應保護動作。根據IGV的行駛特征和運行環境，設置直行保護、斜行保護、直角彎保護和S彎保護等安全保護方案（見圖3）。

雖然應用2個16線激光雷達器能全角度地掃描IGV周圍環境，但受限于激光雷達器的安裝位置，依然存在檢測盲區：在以IGV對角布置的激光雷達器中心為圓心的1.4m半徑范圍內，無法檢測到40 cm高的障礙物；只有在IGV前后接近2.8m的位置，激光雷達器才有可能檢測到地面上的小物體；此外，受激光雷達器實際安裝位置的影響，停車時的車輪擺角（車輪會擋住激光線束）會導致車身側面激光雷達器的掃描范圍并非與設計嚴格一致。可見，僅靠激光雷達器無法滿足IGV防撞要求，需要采取其他防撞技術進行補充，才能保證IGV安全運行。

2.2 單機自動化控制保護技術

2.2.1 多傳感器導航保護

南沙四期碼頭水平運輸設備導航技術創新性地將衛星定位、激光雷達定位、視覺定位的結果動態加權融合，從而提高IGV定位的準確性，保證IGV安全運行。根據IGV運行環境，設置多種保護工況：當單個定位源與加權融合定位結果相差超過閾值時，當IGV連續行駛25 m沒有新的定位源數據時，以及當IGV前部控制點或后部控制點偏離車道中心12 cm且累計行駛超過4m時，IGV都會立即停車。此外，當衛星定位天線、雙目相機、激光雷達器等導航系統部件與導航控制器通信異常時，控制系統亦會控制IGV緊急停車。

2.2.2 車道線偏離保護

車道線檢測裝置是智能輔助駕駛系統和自動駕駛系統的重要組成部分。IGV前后都裝有雙目攝像頭，可通過高幀率拍照及時獲取車輛前后方的圖像信息。從獲取圖像到識別車道線大致可分為圖像預處理、特征提取、車道線擬合等3個階段：首先，對圖像進行區域篩選，過濾大部分影響識別的干擾因素；然后，IGV利用自動學習特征的深度學習技術完成特征提取；最后，通過擬合算法，利用特征提取后的車道線坐標畫出車道線。IGV在行駛過程中可以實時獲取前方車道線信息，并判斷是否偏離車道（見圖4）；若超出程序設定的車道偏離閾值，IGV會緊急停車，以免IGV偏離車道或占用其他車道，從而保障IGV安全運行。

2.3 VMS安全保護技術

2.3.1 VMS保護設計

IGV車隊由VMS統一管理：VMS收到碼頭操作系統下發的作業任務后，規劃IGV行駛路徑，并向IGV發送指令；IGV通過定位系統、運動控制系統計算當前姿態并將數據反饋至VMS；VMS綜合考慮工況、網絡延遲、定位誤差等因素后生成行車局部鎖閉區。IGV的鎖閉區是相互獨立的而不是重疊的，IGV發生碰撞。

鎖閉區分為自身鎖閉區（見圖5）、已申請鎖閉區和嘗試申請鎖閉區：自身鎖閉區包括IGV自身所在區域，在任何情況下都需要覆蓋；已申請鎖閉區即IGV正在占用的區域；嘗試申請鎖閉區即當前嘗試請求的鎖閉區。鎖閉區的更新周期為1s，所有作業IGV會在1s后釋放自身鎖閉區，同時生成新的自身鎖閉區。自身鎖閉區受嘗試申請鎖閉區影響：在IGV正常行駛過程中，自身鎖閉區隨著嘗試申請鎖閉區的申請成功而變化；若嘗試申請鎖閉區申請不成功，IGV會在已申請鎖閉區內減速行駛直至停止，其自身鎖閉區隨之釋放，直到IGV完全停止時只剩下自身鎖閉區。

2.3.2 圖形用戶界面保護應用

圖形用戶界面（ graphical user interface，GUI）涵蓋整個碼頭自動化作業區域的整合信息，包括IGV、軌道吊、岸橋的當前位置和行駛路徑等以及與IGV防撞相關的IGV鎖閉區和禁行區。IGV禁行區（圖6中深色區域）是在GUI中人工添加的IGV禁止行駛區域。通常當某片區域存在風險較高的不安全因素（如技術人員進入IGV行駛區域搶修設備等）時，可臨時添加IGV禁行區，以消除碰撞風險。GUI保護機制如下：GUI系統將禁行區的區域信息發送至VMS；VMS在規劃IGV行駛路徑時避開禁行區，并在嘗試申請鎖閉區與禁行區重疊時駁回申請，從而防止IGV進入禁行區。需要注意的是，在某些特殊情況下，IGV會不可避免地出現在禁行區：一是行駛中的IGV恰好在新增的禁行區內，二是IGV的行駛終點落在禁行區內。

3 結束語

基于北斗衛星定位的自動化集裝箱碼頭水平運輸安全系統融合多種先進技術，采用IGV替代傳統集卡，實現在VMS規劃下的自動運行、搬運和防撞，從而有效消除傳統集卡運輸模式存在的安全風險，并提升碼頭作業效率。

（編輯：曹莉瓊收稿日期：2021-12-12）