自動(dòng)駕駛技術(shù)在港口的落地路線,在發(fā)展過程中除了學(xué)習(xí)和傳承成熟的港口AGV經(jīng)驗(yàn)外,還是不斷創(chuàng)新以貼合港口業(yè)務(wù)生產(chǎn)的過程體現(xiàn)
(中遠(yuǎn)海運(yùn)港口有限公司)
隨著5G和無人駕駛技術(shù)的日益成熟,加之港口又是典型的封閉和低速運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景,利用“5G網(wǎng)絡(luò)+自動(dòng)駕駛”實(shí)現(xiàn)港口的水平運(yùn)輸自動(dòng)化正成為集裝箱碼頭全流程自動(dòng)化作業(yè)建設(shè)的行業(yè)趨勢(shì)。港口匯集了眾多動(dòng)態(tài)作業(yè)單位和各式作業(yè)流程,考驗(yàn)的不單單是DCV(無人駕 駛集裝箱運(yùn)輸車輛)的自動(dòng)駕駛技術(shù),更需要耦合和承載碼頭業(yè)務(wù)邏輯功能。
業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為,傳統(tǒng)的土建開挖、光纖鋪設(shè)和預(yù)埋磁釘?shù)腁GV建設(shè)模式并不是港口自動(dòng)駕駛,因?yàn)锳GV行駛過程是通過自身的磁導(dǎo)航傳感器接收磁釘信息,并沒有使用到自動(dòng)駕駛技術(shù)。自動(dòng)駕駛技術(shù)主要指DCV采用激光雷 達(dá) SLAM(一般指即時(shí)定位與地圖構(gòu)建)、視覺 SLAM、導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及多傳感器融合定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)在不同場(chǎng)景下的自動(dòng)駕駛。我國(guó)港口的自動(dòng)駕駛是從2019 年左右開始起步的,產(chǎn)品從無到有,并在2020年至2022年呈現(xiàn)“百家爭(zhēng)鳴,百花齊放”的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
港口自動(dòng)駕駛解決方案主要有3種形式:第一種是在有人駕駛集卡的基礎(chǔ)上加裝激光雷達(dá)、相機(jī)、組合導(dǎo)航、計(jì)算單元等自動(dòng)駕駛套件來實(shí)現(xiàn)感知、定位、控制和規(guī)劃等功能,外形上同有人駕駛集卡基本一致,如寧波梅山碼頭(飛步科技)和深圳媽灣港(三一/中科云杉)的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景;第二種是在跨運(yùn)車上加裝自動(dòng)駕駛套件,由于跨運(yùn)車通常只能滿足 1~3 層集裝箱高度的堆放,而我國(guó)集裝箱碼頭普遍堆場(chǎng)密集,跨運(yùn)車方案在國(guó)內(nèi)港口使用不多,主要案例集中在歐洲港口,如丹麥的Arhus碼頭和瑞典的CTN碼頭 ;第三種是傳承了傳統(tǒng)的AGV 底盤架構(gòu),為平板式導(dǎo)引車,只是不再使用磁釘循跡方案,而是加裝了與集卡一樣的感知和定位傳感器來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能,如天津C段(主線科技/西井科技)和廈門遠(yuǎn)海碼頭(東風(fēng)悅享)的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2023年3月底,全國(guó)各港口和內(nèi)陸口岸開展自動(dòng)駕駛測(cè)試或運(yùn)營(yíng)的場(chǎng)景已近40家,其中,無人駕駛集卡已超過 250臺(tái),平板式自動(dòng)導(dǎo)引車近320臺(tái)。平板式自動(dòng)導(dǎo)引車的數(shù)量已超過其所傳承的AGV數(shù)量(306 臺(tái)),因其更具靈活性和穩(wěn)定性,平板式自動(dòng)導(dǎo)引車也正成為越來越多港口企業(yè)的主要選擇。
1. 創(chuàng)新突破:強(qiáng)單車弱平臺(tái)階段
AGV 經(jīng)過近30年的發(fā)展,無論是運(yùn)行效率、 定位精度,還是運(yùn)行穩(wěn)定性等方面,都達(dá)到了一個(gè)優(yōu)秀的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的要求,如青島港前灣自動(dòng)化碼頭和上海港洋山四期等。但基于AGV的水平運(yùn)輸方案需要在港口碼頭的地面埋下數(shù)萬枚磁釘,一般適用于新建碼頭,不太適用于舊碼頭的自動(dòng)化改造。作為存量最大的舊碼頭自動(dòng)化改造,自動(dòng)駕駛成為最佳的解決方案,也是自動(dòng)駕駛技術(shù)可以最快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的場(chǎng)景之一。
西井科技在2015年最先嗅到“自動(dòng)駕駛” 在港口的商業(yè)機(jī)會(huì),并在 2018 年首次在珠海港嘗試港口自動(dòng)駕駛。緊接著,主線科技和飛步科技橫空出世,兩家港口自動(dòng)駕駛公司的創(chuàng)始人是“百度”和“滴滴”的技術(shù)核心人物。作為新進(jìn)港口行業(yè)的科技公司,因成立時(shí)間不長(zhǎng),為快速占領(lǐng)市場(chǎng),主要挑戰(zhàn)來自自動(dòng)駕駛技術(shù) 能力。依托定位導(dǎo)航、環(huán)境感知、決策規(guī)劃、底層控制和安全保障政策等自動(dòng)駕駛技術(shù)取代了AGV原有運(yùn)行技術(shù)方案,西井科技公司實(shí)現(xiàn)了在港口應(yīng)用場(chǎng)景的快速落地試運(yùn)營(yíng),即強(qiáng)單車弱平臺(tái)階段。該階段的技術(shù)以自動(dòng)駕駛匹配簡(jiǎn)單的港口作業(yè)場(chǎng)景為主,車輛數(shù)量投入不多,也不需要太多的算法和調(diào)度邏輯。
同時(shí),鑒于港口相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景,資本市場(chǎng)對(duì)于港口自動(dòng)駕駛這一賽道頗為看好。在資本的加持下,科技公司可以不斷地把資金投入到產(chǎn)品中,使用多傳感器融合定位技術(shù)的DCV在導(dǎo)航技術(shù)、路徑規(guī)劃邏輯、車架設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了提升和改良。相較于AGV,DCV的單機(jī) 設(shè)備智能化程度更高,進(jìn)而推動(dòng)港口自動(dòng)駕駛技術(shù)落地地加速和快速普及。
2. 技術(shù)傳承:弱單車強(qiáng)平臺(tái)階段
單車能力的自動(dòng)駕駛解決方案并不能滿足碼頭的實(shí)際需求,碼頭用戶需要的是從上層調(diào)度和中臺(tái)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)車隊(duì)級(jí)別的集裝箱運(yùn)輸服務(wù)?;诜忾]場(chǎng)景下的 AGV路徑規(guī)劃讓港口自動(dòng)駕駛找到了借鑒的方向。所謂AGV路徑規(guī)劃,是指 AGV能夠根據(jù)算法最優(yōu)準(zhǔn)則,在具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下確定一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)路徑,并且保障 AGV在行駛過程中避免與其他物體碰撞。
從強(qiáng)單車弱平臺(tái)階段的自動(dòng)駕駛到借鑒AGV車隊(duì)級(jí)的自動(dòng)駕駛,DCV 需要在每一個(gè)環(huán)節(jié)重新迭代和改造,以滿足這個(gè)場(chǎng)景中的需求。如DCV調(diào)度任務(wù)分配與路徑規(guī)劃的選擇問題,考慮DCV在運(yùn)輸過程中因沖突死鎖等產(chǎn)生的擁堵情形,為DCV實(shí)時(shí)分配作業(yè)任務(wù)箱岸橋交換區(qū)、行駛路徑以及堆存交換區(qū)。此外,DCV在行駛過程中可能會(huì)因沖突死鎖而產(chǎn)生的擁堵需要通過算例驗(yàn)證路徑規(guī)劃的可靠性,提前調(diào)度DCV做減速或優(yōu)先級(jí)避讓。強(qiáng)大的平臺(tái)可以為DCV 構(gòu)建“上帝視角”, 實(shí)現(xiàn)對(duì)港口內(nèi)人、車、物等要素的全息管理,形成系統(tǒng)性智能,提供路徑規(guī)劃和全局調(diào)度能力,提升駕駛安全和道路通行效率。在這個(gè)封閉場(chǎng)景里,DCV借鑒了AGV的模式,可以不那么智能,只要通過視覺和激光識(shí)別技術(shù),保證準(zhǔn)確的控制執(zhí)行和車道保持。隨著平臺(tái)建設(shè) 和路徑規(guī)劃算法的優(yōu)化,落地實(shí)施的港口場(chǎng)景開始有能力增加DCV的數(shù)量以滿足車隊(duì)級(jí)別運(yùn)營(yíng),如天津C段投入的 DCV運(yùn)營(yíng)數(shù)量最高達(dá)到了92臺(tái)。
3. 走向未來:強(qiáng)單車強(qiáng)平臺(tái)階段
路徑規(guī)劃和港區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)的物體存在很大協(xié)同關(guān)系,天津C段使用空間或時(shí)間的隔離方式將人工集卡與DCV分開作業(yè)。但在開放式場(chǎng)景內(nèi),路徑規(guī)劃很難將人工集卡、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員納入路徑規(guī)劃算法的整體規(guī)劃及管控。從產(chǎn)業(yè)化的思維出發(fā),如何將自動(dòng)駕駛技術(shù)投放到大量開放式場(chǎng)景的傳統(tǒng)碼頭,在碼頭區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)有人駕駛與無人駕駛的混行,才是港口自動(dòng)駕駛走向規(guī)模商用化的最終目標(biāo)。
在開放式的港口場(chǎng)景中,因存在多種異常工況,平臺(tái)的路徑規(guī)劃必須更強(qiáng)大,通過安裝定位軟件等手段將人工集卡、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員納入碼頭整體規(guī)劃及管控,具有處理港口實(shí)時(shí)環(huán)境中各種不確定性的能力,最終形成可以應(yīng)對(duì)港區(qū)內(nèi)設(shè)備全息管理的VMP(Vehicle Management Platform)系統(tǒng)。此外,為減少人機(jī)混合作業(yè)不確定性,需要在關(guān)鍵控制點(diǎn)間的路徑執(zhí)行做邊界分割,提升DCV自動(dòng)駕駛的自主性,如根據(jù)具體環(huán)境和單車姿態(tài)由DCV自主選擇最優(yōu)的行駛路徑等。
隨著VMP對(duì)有人集卡的協(xié)調(diào)調(diào)度進(jìn)一步提升,DCV環(huán)境感知技術(shù)也需進(jìn)一步發(fā)展,強(qiáng)單車強(qiáng)平臺(tái)的港口自動(dòng)駕駛技術(shù)將可實(shí)現(xiàn)在混合場(chǎng)景下的車隊(duì)級(jí)作業(yè),并逐步提高船舶作業(yè)效率的穩(wěn)定性和可靠性,為大量開放式場(chǎng)景的傳統(tǒng)碼頭帶來價(jià)值。
以上港口自動(dòng)駕駛技術(shù)演化路線的3個(gè)階段走勢(shì)總覽圖見圖1。
圖1 港口自動(dòng)駕駛技術(shù)演化路線
1. 持續(xù)耦合港口核心作業(yè)流程
相比于采用AGV運(yùn)營(yíng)的全自動(dòng)化碼頭,傳統(tǒng)碼頭的TOS系統(tǒng)智能化程度普遍較低,經(jīng)常出現(xiàn)指令任務(wù)發(fā)錯(cuò)等情況;同時(shí),大部分傳統(tǒng)碼頭的場(chǎng)橋、岸橋設(shè)備未做自動(dòng)化改造,無法準(zhǔn)確獲取設(shè)備詳細(xì)信息。為解決以上這些挑戰(zhàn),港口自動(dòng)駕駛綜合解決方案在功能上不僅提供了與傳統(tǒng)碼頭TOS系統(tǒng)的對(duì)接方案,而且通過對(duì)接智能理貨、自動(dòng)充電樁、集中扭鎖站等系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)作業(yè)要素的采集和功能調(diào)度優(yōu)化,緊密耦合港口作業(yè)流程。
港口作業(yè)過程中對(duì)DCV的定位精度要求高,采用5G網(wǎng)絡(luò)的港口自動(dòng)駕駛技術(shù)極易受到集裝箱金屬結(jié)構(gòu)對(duì)GPS信號(hào)的干擾。此外,艙單不準(zhǔn)確、岸橋作業(yè)位變動(dòng)等因素導(dǎo)致DCV在作業(yè)過程中比傳統(tǒng)AGV模式受到的挑戰(zhàn)更多更復(fù)雜。通過在岸橋加裝掃描設(shè)備,結(jié)合單車視覺和激光識(shí)別技術(shù),提升了岸橋下定位和相對(duì)位置精度,滿足了DCV匹配作業(yè)流程點(diǎn)位的精確引導(dǎo)。
2. 創(chuàng)新突破路徑規(guī)劃策略邏輯
在強(qiáng)單車弱平臺(tái)階段,路徑規(guī)劃由DCV決策,車與車之間不互通,在路口經(jīng)常會(huì)遇到擁堵和死鎖的情況。相比傳統(tǒng)的AGV路徑規(guī)劃,創(chuàng)新突破的DCV 路徑規(guī)劃策略通過在行駛中不斷申請(qǐng)前行的覆蓋區(qū)域?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行語義分割和障礙物分析,計(jì)算路徑的通過性,生成路徑規(guī)劃算法完成任務(wù)。DCV基于對(duì)空間和時(shí)間的連續(xù)點(diǎn)的分析,確定路徑和時(shí)間窗口,當(dāng)時(shí)空軌跡在同一時(shí)間窗口并在特定區(qū)域發(fā)生匯集時(shí),預(yù)判為擁堵區(qū)域,路徑規(guī)劃根據(jù)擁堵區(qū)域情況,計(jì)算新的路線或采用速度控制策略避免加塞,以提高通行效率,有效避免擁堵發(fā)生。 此外,路徑規(guī)劃的創(chuàng)新突破讓單車和平臺(tái)各取所長(zhǎng)。平臺(tái)根據(jù)車輛規(guī)劃的瞬時(shí)速度預(yù)測(cè)多車的時(shí)空軌跡,下達(dá)路徑規(guī)劃;但由于單車個(gè)體差異、載重、道路條件不同等因素,平臺(tái)下達(dá)的路徑為建議參考路徑,DCV需根據(jù)車輛的姿態(tài)和允許偏差做自主路徑規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、變道、避障等自主決策。
3. 雙線協(xié)同能源管理與作業(yè)調(diào)度
無論 AGV還是DCV,大多采用電力驅(qū)動(dòng),在作業(yè)過程中均存在電池續(xù)航問題,需要雙線協(xié)同車輛能源管理與作業(yè)調(diào)度之間的關(guān)系。AGV運(yùn)行時(shí)會(huì)在集卡交換區(qū)做機(jī)會(huì)充電調(diào)度管理,DCV同樣傳承采用了輪換充電策略,分批 次調(diào)度車輛完成充電,輪班上線作業(yè)和下線充電,平衡車輛電量和充電設(shè)施資源的關(guān)系。
因DCV充電設(shè)施相比AGV減少了很多,為保障生產(chǎn)作業(yè)連續(xù)性,港口自動(dòng)駕駛創(chuàng)新使用了對(duì)DCV按照階梯型時(shí)間或電量差異化的充電調(diào)度策略。具體策略主要指,作業(yè)的DCV通過智能算法交替充電,避免參與作業(yè)的DCV電量同步消耗導(dǎo)致同一時(shí)間段出現(xiàn)集體低電量的情況,形成充電高峰對(duì)充電樁設(shè)施資源使用造成壓力。此外,還需同步考慮同一時(shí)間段過少DCV充電則充電樁閑置的問題,因?yàn)閰⑴c作業(yè)的DCV電量同步消耗也會(huì)導(dǎo)致下一個(gè)充電高峰的形成。
為解決以上幾類充電調(diào)度可能產(chǎn)生的問題,港口自動(dòng)駕駛利用多系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng),在信息互聯(lián)的基礎(chǔ)上執(zhí)行優(yōu)化可變的能源管理方案,將生產(chǎn)要素從單一能耗單元轉(zhuǎn)化為充儲(chǔ)一體化的管理體系,提高作業(yè)效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源的有效管理。
4. 開拓賦能開放場(chǎng)景混行策略
港口自動(dòng)駕駛正超越AGV的場(chǎng)景限制,在海內(nèi)外多個(gè)開放式的傳統(tǒng)碼頭落地試運(yùn)營(yíng),并開始嘗試進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用階段。對(duì)于開放式碼頭場(chǎng)景,需要解決混行策略問題。如DCV在堆場(chǎng)口轉(zhuǎn)出操作時(shí),因車身未出堆場(chǎng),攝像頭和傳感器完全被堆場(chǎng)中的集裝箱遮蔽,這是開發(fā)式混行中最高危的場(chǎng)景之一。港口自動(dòng)駕駛技術(shù)開拓式地借鑒了有人集卡駕駛習(xí)慣,如出堆場(chǎng)時(shí)由DCV在堆場(chǎng)口探出一定的距離停車等待N秒,判斷路口無安全風(fēng)險(xiǎn)后再行進(jìn)。
在混合場(chǎng)景的自動(dòng)駕駛決策中,需要兼顧強(qiáng)平臺(tái)的集中調(diào)度能力和強(qiáng)單車智能規(guī)劃能力。決策過程中需要建立平臺(tái)和單車之間的申請(qǐng)和批準(zhǔn)機(jī)制,保證兩者之間行為具有相互作用時(shí),各主體可以根據(jù)所掌握信息及對(duì)自身能力的認(rèn)知,做出有利的決策。在混行策略下,港口自動(dòng)駕駛不僅極大發(fā)揮了單車智能的特性與參與度,同樣也與上層平臺(tái)系統(tǒng)緊密配合。車輛依賴自己的感知算法和規(guī)控算法在區(qū)域內(nèi)行駛,云端同時(shí)保證車輛的安全性,同時(shí)吸取了云端和車端的長(zhǎng)處。
在港口自動(dòng)駕駛到來之前,以磁釘為導(dǎo)航定位方式的AGV模式就配備了車輛管理系統(tǒng)(VMS)、岸橋管理系統(tǒng)(QCMS)和場(chǎng)橋管理系統(tǒng)(BMS)等,各個(gè)系統(tǒng)通過與上層碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接,給 AGV 路徑規(guī)劃以最終完成作業(yè)。
港口自動(dòng)駕駛也將繼續(xù)傳承和創(chuàng)新AGV的模式,利用自動(dòng)駕駛設(shè)備的行為數(shù)據(jù)積累進(jìn)行全方位信息化擴(kuò)展,一方面耦合港內(nèi)車輛、岸橋、場(chǎng)橋、圍欄、道路、交通燈等靜態(tài)要素和配套系統(tǒng),另一方面融合流動(dòng)機(jī)械、人員、船舶等動(dòng)態(tài)要素和系統(tǒng)要素,全面深化數(shù)字化在碼頭的決策管控、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、安全監(jiān)管方面的應(yīng)用,助力港口數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
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