无人驾驶技术在未来智慧港口的应用

孙羽 汪沛

摘 要：使用无人集卡车队管理系统，调度和控制无人集卡车队，取代港区内传统的有人驾驶集卡，完成码头港区内各种生产场景的水平运输作业，是实现码头智能化，自动化，节能减排，提高生产安全性和生产效率，建设智慧港口和绿色港口的有效途径。对港口企业向绿色港口、智慧港口方向转型具有重大意义，有广阔的应用前景。

关键词：智慧港口 集卡 无人驾驶 机器学习 智能化

1.未来智慧港口的发展趋势

近年来，我国的港口大型化，专业化，自动化和智能化的水平不断提升，港口通过能力显著增加，自2016年以来，随着厦门，青岛，上海等地的全自动化码头相继建成并开港运营，逐步掀起国内大型港口向智能化方向变革与创新的浪潮，整个港口行业都非常明确的认识到，“智慧港口”代表着未来港口的发展方向，是港口未来转型和发展的关键点。

2017年1月，交通运输部发布《关于展开智慧港口示范工程的通知》，决定要以港口智慧物流、危险货物安全管理等为重点，选取一批港口开展智慧港口示范工程建设。在智慧港口的建设上，明确了要发挥信息化的引领作用，以互联网、物联网、大数据、人工智能等信息技术作为智慧港口的建設基础，加快推动港口信息化和智能化进程，促进港口提质增效。

按国家纲领性文件的指导，未来智慧港口的建设，将以信息技术为依托，融合物联网，互联网，大数据，人工智能等最新技术，实现港口的人和设备的广泛互联，各类软硬件系统的无缝连接和高效协同，进而实现整个港口集疏运体系的高度智能化。具体到港口内的生产场景智能化建设，主要体现在智能闸口和无人闸口建设、港区内智能化的水平运输、堆场上装卸作业智能化以及岸边作业智能化等几个方面。其中港区内水平运输的智能化，主要采用无人水平运输设备AGV，或将传统的有人驾驶集卡改造为无人驾驶集卡，通过无人驾驶车队调度管理系统对整个港区内的无人集卡车队进行统一作业调度，路径规划，出勤管理等，确保整个无人集卡车队在没有司机参与的情况下，7x24小时持续稳定的支撑码头港区内各种生产场景的水平运输作业，实现码头港区内水平运输的智能化。

2.无人驾驶技术在智慧港口中应用的可行性和必要性

无人驾驶车辆上路行驶，需要符合国家的相关政策法规，包括技术路线、行业标准、安全规范、交通执法、保险责任等各个层面的内容。对于无人驾驶车辆在社会道路上行驶，我国目前只有部分城市出台了政策，允许无人驾驶车辆在城市的指定路段上做行驶测试，按国家相关法律法规现状，对于自动驾驶汽车在正规社会道路上测试及随后的大规模推广运营还存在着障碍。但无人驾驶集卡在码头港区内部道路行驶，具备一定的落地优势：码头港区内的无人驾驶车辆上路，能有效规避道路交通监管方面的相关法规。无人集卡在港区内部的行驶速度最高不超过40KM/H，远低于车辆在社会道路上40-80KM/H的行驶速度，降低了车载无人驾驶系统从信息采集到决策控制的整个处理流程的时间要求和算力要求，且港区内部路况单纯，没有横穿道路的人和动物，作业车辆和机械都按道路指示方向行驶，整体上降低了无人驾驶系统的实现难度。因此，无人集卡在港区内上路作业比无人驾驶车辆在社会道路上行驶的可行性更高。

码头港区内使用无人集卡承担水平运输作业，实际投入运营后，能大幅降低码头对内集卡司机的用工需求，减少相关管理成本。使用纯电动无人集卡，能够显著降低码头水平运输设备的燃油成本支出，经济效益显著，并且能够实现车辆尾气零排放，符合国家提出的绿色港口的建设方向，对绿色港口建设具有重大意义。使用无人集卡作为水平运输设备，能有效缓解码头司机招工难，部分司机超时驾驶和疲劳驾驶的问题，提升安全生产水平，为码头带来良好的社会效益。

通过研发无人驾驶车队调度控制系统，码头可在系统中持续优化全场的拖车调度算法，并且通过系统直接把最优的作业任务信息下发到无人集卡上的车载无人驾驶系统，在信息系统层面流畅衔接，实时传递生产作业任务要求，更加科学的调度和控制全场的集卡完成港区内的水平运输作业，减少人为因素，简化作业流程，提高港区内水平运输环节持续生产的安全性和稳定性，进一步提高码头的劳动生产率。港区内的无人驾驶集卡按照码头的生产流程、工艺要求，以及无人驾驶系统预设的规则自动运行，能做到全天候24小时不间断地安全、稳定的自动行驶，有力支撑码头前沿和堆场的水平运输作业的顺畅进行，从而大力提升码头运营管理的现代化水平。

3.规划与设计

3.1系统整体设计

为支持码头港区内水平运输作业使用无人集卡的作业模式，设计一套无人驾驶车队调度控制系统对码头内的无人集卡进行统一调度和控制，整个系统分为服务端的调度控制系统和车载的无人驾驶控制系统两大部分。

服务端的调度控制系统具备全港区的路径设置，全港区的无人集卡车队管理，无人集卡作业指令下发、行驶路径规划、状态监控等功能，单车的无人驾驶控制系统具备环境感知，高精地图，高精定位，决策规划，车辆底盘控制等功能，在接收到服务端的调度控制系统下发的指令及初次路径规划信息后，能根据车辆上的环境感知模块收集的信息，结合高精定位和高精地图将信息传递给决策规划系统，最终计算出当前车辆行驶轨迹，并输出给底盘控制系统，控制车辆按规划的路线轨迹向作业目的地行驶。同时，车载无人驾驶系统实时将无人集卡的状态，位置，行驶方向，行驶速度等信息上报给服务端的调度控制系统，调度控制系统依托高精地图定位和拖车全场调度算法的支持，实现全场的无人集卡的有序协同运行，以减少交通堵塞，提高道路通过能力，提高码头港区内道路的使用效率。同时针对码头道路作业忙闲程度，优化无人集卡行驶路线，协调港区内行驶的各辆无人驾驶集卡之间，及无人集卡与场桥/岸桥等装卸设备之间的相互作业配合，进而实现码头装卸运输作业的无缝衔接。

3.2系统实现目标

在码头港区内使用达到L4级自动驾驶（SAE自动驾驶分级，后文中所有提及的L4级均指SAE分级）的纯电动无人集卡作为水平运输设备，部署无人驾驶车队调度控制系统，通过在码头架设的4G专网或未来更先进应用更广的5G网络，无线传输生产作业数据，与车载无人驾驶系统交互，控制这些无人集卡承担码头港区内的水平运输作业，主要作业场景包括：码头岸边到堆场的卸船水平运输作业，堆场到岸边的装船水平运输作业，码头堆场内不同场区之间的移箱水平运输作业，码头岸边不同泊位的过驳水平运输作业等。

调度控制系统能够实现全场的水平运输作业统筹，合理的下发作业指令给不同场区的集卡。调度控制系统能实现精准的集卡作业控制，调度控制系统直接与车载无人驾驶系统对接，实时下发指令到每一辆集卡，实时接收每辆集卡的车载系统上报的车辆位置状态等信息，并依据全场的集卡作业情况调整和优化下一步的指令分派。

车载无人驾驶系统具备深度融合感知功能，车辆安装了激光雷达，毫米波雷达和高清相机等多种传感器，能准确感知全天候各种工况下的作业场景中的障碍物和周边环境信息。车载无人驾驶系统搭载高精地图，基于GPS/惯性测量单元/轮速计/激光雷达等技术融合制图，并且能进行自主的道路学习和自动制图。车载无人驾驶系统具备高精定位能力，通过GPS/IMU/激光SLAM/视觉/轮速计等多种帧内和帧间定位技术相结合，无人集卡可达到10CM以内的绝对定位精度，。对码头堆场内和岸边桥吊装卸箱的作业场景，能基于视觉识别和激光雷达定位技术，让无人集卡在场桥和岸桥下作业区域的定位达到3厘米以内的相对定位精度。车载无人驾驶控制系统具备AI智能决策能力，能够通过构建的基准模型，深度模型等进行持续迭代的机器学习（深度学习），在行駛过程中根据实时的场景生成加速、减速，换道，停车等行为。车载无人驾驶系统具备安全防护功能，对于行驶过程中感知到的道路异常状况，能够控制车辆采取紧急制动或简单绕行等行为，避免碰撞发生。

3.3系统处理流程

系统整体处理流程上，首先由码头的生产系统生成水平运输作业指令，并将指令发给无人集卡车队调度控制系统。调度控制系统收到作业指令后，会对根据不同的作业场景，将指令转换为不同类型的拖车调度指令，并根据港区内当前各个集卡作业状态、位置等信息，选择最合适执行当前作业指令的无人集卡，再通过4G或5G无线网络，将调度指令下发给选中的无人集卡，无人集卡接收到调度指令后，会规划路线，在规定的时间窗内自动行驶到作业地点，最后与港区内的其他作业机械协同，完成集装箱的水平运输作业，然后等待调度控制系统下发新的作业调度指令，整个作业流程在系统层面通过数据交互自动完成。

3.4系统主要功能

整个无人驾驶系统分为服务端的无人集卡车队调度控制系统和集卡上的车载无人驾驶控制系统两大部分。无人集卡车队调度控制系统中主要包含基础设置，集卡控制，集卡监控等模块。车载无人驾驶系统主要包含环境感知，高精地图，高精度定位，决策规划，车辆控制等模块。

无人集卡车队调度与控制系统功能模块。基础设置模块包括逻辑地图初始化，车道信息等调度无人集卡行驶的关键信息设置。集卡控制模块包括了集卡作业任务下发，集卡路径规划，任务执行时间控制，集卡出勤管理等功能。集卡监控模块能够收集每辆无人集卡当前的位置，姿态，速度，运行轨迹，当前执行任务等信息，若码头将来架设了5G网络，还可向服务端实时回传车辆行驶过程中相机拍摄的高清视频和激光雷达扫描的点云数据。

车载无人驾驶系统功能模块。环境感知模块主要负责手集车辆上安装的各种传感器采集的行车周边环境信息，然后将这些信息传递给依托于高精地图的定位和决策规划模块，实时计算出集卡的行驶轨迹和速度，并持续将运算结果传给集卡控制模块，控制无人驾驶集卡按作业指令的要求向目标位置行驶。整个车载无人驾驶系统会使用人工智能的机器学习算法，融合各类车载传感器传回的数据，进行目标检测，目标识别和分类，目标定位，运动预测等，并最终完成车辆行驶路径的决策规划。

4.系统应用

4.1系统在码头的应用场景

在码头港区内的所有水平运输作业场景，都能够应用无人驾驶车队调度与控制系统，调度无人集卡完成作业，主要作业场景包括：集装箱卸船作业，集装箱装船作业，集装箱过驳作业，集装箱场内转堆作业。具体应用时，首先由生产系统将指令派发给无人驾驶车队调度与控制系统，调度与控制系统收到指令后，会将作业指令拆分为多条具体调度无人集卡到指定地点作业的指令，并逐一发给无人集卡的车载无人驾驶控制系统执行，车载系统按调度指令的要求，控制无人集卡在规定的时间内行驶到指定的作业位置，并与港区内的岸桥、场桥完成集装箱交接前的吊具对位，然后桥吊下放吊具，完成对集卡的抓放箱操作，集卡就完成了一次港区内的水平运输作业。在集卡接收调度指令向作业目标位置行驶的过程中，若规划的行驶路径上，某段道路通行情况发生变化，例如某段道路禁止通行，调度控制系统会下发道路禁行的信息给无人集卡，集卡收到信息后，需要重新规划通往作业目标位置的行驶路线。

4.2系统研发实施为码头带来的显著效益

整个无人驾驶系统研发实施并在码头落地后，将码头港区内的水平运输作业由传统的有人驾驶的集卡替换为纯电动无人集卡，可为码头带来非常积极的社会影响。一是能缓解码头生产对周边环境的污染问题，电动集卡能够实现尾气零排放，与国家建设绿色港口，大力发展清洁能源的环保政策相契合，也符合国家在《中国制造2025》中提出的大力发展新能源汽车和无人驾驶汽车等先进智能设备制造业，将来通过“三步走”实现制造强国的战略目标。二是解放生产力，使用无人集卡后，能有效缓解码头拖车司机招工难的问题，还规避了实际生产中司机驾驶时间超长带来的安全生产隐患，同时也避免由此产生的人员不安定因素等问题。码头生产引入无人驾驶技术，符合国家的创新政策，对码头这类传统行业在科技创新方面实现突破，能有效提升码头的社会形象。

在经济效益方面，集卡司机人力成本逐年渐长，因人力成本问题导致集卡车队盈利能力越来越弱，码头引入无人集卡后，集卡司机的人力成本能大幅缩减。另外，港区内集卡改为使用纯电动无人集卡后，集卡能耗从用油改为用电，仅此一项，单台集卡全年的能耗支出的电费将会缩减到原来油费支出的30%，能为码头带来显著的经济效益。

5.结语

在码头引入L4级的纯电动无人集卡，并研发无人驾驶车队调度与控制系统对无人集卡车队进行生产上的统一调度和管理，替代港区内传统的有人驾驶的柴油集卡，能够实现港区内水平运输作业的智能化。同时，无人集卡在码头落地，能够显著降低集卡司机人力成本和集卡能耗，实现集卡尾气零排放，提高港口生产安全性和港口的生产效率，符合国家节能减排和环境保护政策，对港口企业将来向绿色港口、智慧港口方向转型具有重大意义，无人驾驶技术在码头具有广阔的应用前景。