基于5G通讯的港口冷链仓库远程驾驶高位叉车系统设计

程广全 霍 彪 闫 峰 张 成

天津港股份有限公司

1 引言

冷链仓储是利用温控设施设备制造适宜的温度环境并对商品实施储存与保管的行为[1]。冷链仓储作业具有频繁装卸货物的特征，冷库中通常使用叉车进行批量货物的堆垛、短距离运输以及日常装卸，节省了大量的人力。由于冷库作业环境温度低、湿度大、货物本身存在携带病菌风险等特点，使得冷库接触式作业可能对作业人员造成潜在的劳损、感染疫病风险。

远程作业是一种半自动化作业模式，通常被用于动态的、直接操作困难的环境当中，可解决接触式操作环境恶劣，对操作人员造成潜在风险的问题。同时远程操作也面临着一些新的挑战，操作人员对现场环境的感知是否正确与及时，将影响他们的决策，最终决定远程操作的效果。本文主要研究适应冷库环境的基于5G网络环境的非接触式远程驾驶高位叉车系统，并提出相应的系统设计、系统实现方案，以提高高位叉车的自动化及智能化水平，实现高位叉车在冷库中的无接触作业。

2 系统功能需求

在冷链仓储出入库作业中，高位叉车用于将货物从货位上叉取至地下缓存区或从地下叉取至货位。目前国内冷链仓库大多采取人工驾驶叉车方案，但是人工驾驶叉车面临着许多问题。一方面，冷库温度可低达-18℃，长期处于该环境中作业，会对作业人员身体机能产生负面影响，导致运动失调、反应减慢，不仅降低作业效率，更会对作业人员的身体健康产生损害；另一方面，冷链仓储中生鲜产品有携带疾病传染源的风险。因此实现远程驾驶高位叉车作业具有重要意义。为使远程操控作业模式有效地开展，远程驾驶操作系统需向驾驶员提供丰富的实时现场信息和安全保障，从而使驾驶员能够迅速、准确地对高位叉车作业现场环境状况进行判断，并作出正确的操作决策，保证远程驾驶高位叉车的作业效率和作业安全。通常远程监控系统需要满足准确性与可靠性、高稳定性、较强的实时性、平台易用性、通用性及灵活性、系统功能完善等要求[2]，本文所提出的远程驾驶高位叉车系统方案，具体包括操作环境可视化、低延迟多势态的环境感知、安全驾驶与紧急制动等功能。

2.1 操作环境的可视化

操作现场的实时摄像反馈是远程驾驶员掌握现场环境的最重要依据之一。驾驶员需要根据现场多角度、多方位的实时录像，来确定高位叉车、货物、货位的位置及叉车周围环境，决定高位叉车的行驶路径、叉取升降操作的时机。作业过程中高位叉车作业会导致摄像装置振动，系统应具备消除摄像设备振动引起画面抖动的能力，以保证画面稳定。

2.2 低延迟多势态的环境感知

高位叉车远程驾驶系统需提供视频信息以外的多势态环境感知信息，包括车身与周围环境物体的距离、环境音等。当视频信息不足时，双声道音频使操作员能够利用三维定位分辨音源[3]。叉车在不同的作业状态时，会产生特定的噪声，因此双声道音频还可以协助操作人员依据反馈至远程操作中心的噪声，实时掌握叉车运行状态。远程驾驶高位叉车应该与周围环境中物体保持合适的作业距离，所以该系统需配备测距设备并实时反馈至操作中心。远程操作员需实时掌握高位叉车作业时采集的信息，并要求传输至操作中心的信息具备高帧率、高分辨率。

2.3 安全驾驶与紧急制动

为了保障现场作业人员的安全，驾驶员应根据适当的风险和故障分析模式，安全地远程操作叉车。系统还应能通过用户界面向驾驶员提供危险反馈和警告；当紧急事件发生，系统能自动激活紧急制动装置。

3 系统方案

3.1 系统架构

在电动高位叉车的基础上设计了一套远程驾驶高位叉车系统方案，系统架构见图1。该系统包括远程车载端、模拟驾驶舱和网络通道。车载端在车身安装多个带有音频录制功能的摄像头进行环境影像数据捕捉采集，货叉中间安装激光传感器进行辅助校准。高位叉车上还安装有安全传感器以保证盲区安全，传感器会在操作中心的用户界面上提供警告指示，要求操作员对此作出响应。本系统配备紧急停止装置，当高位叉车作业处于危险状态时，可一键停止高位叉车作业，避免危险事故发生。模拟驾驶舱侧配置计算机、显示器、高位叉车遥控器以及紧急停止按钮。远程控制平台将驾驶员的操作指令传递至高位叉车车载控制器，实现对高位叉车的远程控制。5G无线通信实现远程车载端与模拟驾驶舱之间的信息传输。

图1 高位叉车远程驾驶系统

3.2 远程控制

模拟驾驶舱包括工业计算机、显示器、扬声器、遥控器、急停按钮、数据汇集器、视频处理显示软件、状态信息处理显示软件等[4]。液晶显示器显示车载摄像机的实时录像以及传感器信息。驾驶员直接操纵遥控器对叉车下达控制指令，遥控器与计算机相连并向其输入控制信号。控制信号通过5G网络传输到车载计算单元，车载计算单元会及时接收、处理远程控制指令，并通过CAN协议控制叉车实现相应的动作。

3.3 信息传输

驾驶舱端设有5G微基站、AR路由器和网络交换机，网络交换机将数据传输给驾驶舱端的各个处理器。仓库安装5G微基站、5G工业CPE、AR路由器和网络交换机，网络交换机与车载控制单元连接。5G微基站可以接收5G信号，同时5G微基站分别与网络交换机实现信号交换，从而使模拟驾驶舱与仓库均实现5G信号全覆盖，最终实现驾驶舱端与车端的之间的信息交换。

3.4 视觉和传感辅助导航

远程驾驶时，驾驶员对作业现场环境的势态感知能力十分重要。冷链仓储出库作业过程中，高位叉车根据WMS(Warehouse Management System，仓储管理系统)发出的指令，从货位中叉取指定货物至缓存区，完成任务后确定信息，反馈至WMS。入库作业为相反流程。实际远程操控作业时，驾驶员需要借助视觉和传感信息辅助导航，代替人的视觉、听觉以及触觉感知能力完成以上任务。叉车上安装6台CCD(Charge-Coupled Device，电荷耦合器件)摄像机，CCD摄像机是一种半导体成像器件，具有优秀的光探测能力、空间分辨能力和相应线性[5]。摄像机与驾驶室计算机系统连接，6台摄像机分别覆盖叉车驾驶室前侧、后侧、左侧、右侧、上方以及叉桅杆前侧，实现叉车周围环境的全覆盖(见图2)。通过前侧、上方、叉桅杆等位置摄像头，可查看升降、拾取和放置货物的作业过程(见图3)；查看前侧、后侧、右侧及左侧位置的摄像头可掌握车身周围环境(见图4)。在叉车左右两侧安装麦克风，其录制的声音作为立体声源，驾驶员可通过立体声对叉车作业环境、叉车作业状态进行辅助判断。音视频信息经5G通信模块传输至模拟驾驶室内计算机，由流媒体软件处理后通过终端设备实现音视频展示。高位叉车后保险杠上安装激光测距传感器，传感器电缆连接到驾驶室计算机系统，通过WiFi将数据传输到操作中心，驾驶员可通过用户界面查看叉车后侧与环境物体的实时距离。

1.摄像机1 2.摄像机2 3.摄像机3 4.摄像机4 5.摄像机5 6.摄像机6

图3 前侧、上方及叉桅杆处摄像机视野

图4 前侧、后侧、右侧及左侧摄像机视野

3.5 安全警告与紧急制动

为了保障高位叉车作业安全，设计了安全警告和紧急制动的功能。高位叉车的底盘安装安全传感器，当叉车与周围物体发生碰撞时，向操作中心反馈警告信号，直到危险消除。当需要紧急限制叉车运动时，可触发紧急制动装置。被改造叉车的控制面板包含集成式紧急停止装置。本系统使用FORT机器人VSC-006车辆安全控制器对叉车进行急停控制。叉车外部和叉车上各安装1台车辆安全控制器，安装在外部的车辆安全控制器与操作中心的紧急停止按钮有线连接，以2.4 GHz的无线电传播控制信号。叉车上的车辆安全控制器可接收外部控制器与放置在冷库中的FORT机器人WES-001无线紧急停止按钮的控制信号，并通过X99连接器接入叉车，实现对叉车的急停控制。无线紧急停止按钮与车辆安全控制器进行配对后，通过快速跳频实现稳定信号传输。以上2种控制方式可同时实现，并均为一键操作，能迅速制动运动中的叉车。

4 结语

设计了一个5G环境下包括叉车车载端、模拟驾驶舱、网络传输设备的电动叉车远程操作系统方案，在电动叉车的基础上进行升级改造，使叉车具备实时录像、环境感知的能力。在模拟驾驶舱内配置显示器、遥控器、急停控制器等设备，驾驶员在驾驶舱内即可掌握叉车的作业状况，并对处于作业现场的叉车进行远程控制。方案中叉车与模拟驾驶舱可通过5G网络通道实现高速数据传输，满足低时延、高带宽控制需求。该系统充分考虑了冷库作业环境、高位叉车作业流程等基本条件，具备作业灵活、响应迅速的特点，对其他冷链仓储作业的叉车远程驾驶操作系统设计具有一定的借鉴意义。