集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行技術(shù)方案研究

◎ 張肇倫 周鴻茂 石浛錕 郭肇森 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所

1.引言

在新建和改造的自動(dòng)化集裝箱碼頭規(guī)劃階段，碼頭前沿裝卸作業(yè)和碼頭堆場裝卸作業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)十分成熟，國內(nèi)的自動(dòng)化集裝箱碼頭都采用相似的方案。相比之下，在制定集裝箱碼頭水平運(yùn)輸作業(yè)工藝時(shí)，要充分考慮堆場箱區(qū)布置型式、交通組織方式、無人水平運(yùn)輸設(shè)備性能三方面因素，各個(gè)因素的不同選擇都會(huì)對效率產(chǎn)生很大影響。堆場箱區(qū)布置型式主要受碼頭進(jìn)出口業(yè)務(wù)比重、作業(yè)點(diǎn)數(shù)要求、碼頭平面布局的限制，為保證碼頭整體裝卸任務(wù)的高效完成，堆場箱區(qū)布置型式一般不會(huì)改變。無人運(yùn)輸設(shè)備性能則是取決于碼頭選取的設(shè)備，現(xiàn)有的無人水平運(yùn)輸設(shè)備均可以滿足環(huán)境相對封閉的碼頭作業(yè)需求。所以在堆場箱區(qū)布置型式和無人水平運(yùn)輸設(shè)備性能已經(jīng)確定的情況下，交通組織方式就成為影響水平運(yùn)輸作業(yè)效率的唯一因素。順岸開放式堆場布置必然會(huì)出現(xiàn)無人水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡混行工況，目前國內(nèi)自動(dòng)化集裝箱碼頭采用的交通組織方式可分為有人和無人水平運(yùn)輸設(shè)備的完全隔離、空間隔離、時(shí)間隔離。集裝箱碼頭水平運(yùn)輸作業(yè)工藝制定流程如圖1所示。集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行指自動(dòng)化集裝箱碼頭內(nèi)無人水平運(yùn)輸設(shè)備與外集卡共享碼頭道路基礎(chǔ)設(shè)施、自由行駛。本文通過分析現(xiàn)有自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行現(xiàn)狀和所應(yīng)用的水平運(yùn)輸解決方案，提出一套適用于順岸開放式堆場布置的集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行技術(shù)方案，并總結(jié)了其推廣意義。

圖1 集裝箱碼頭水平運(yùn)輸作業(yè)工藝制定流程

2.集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行現(xiàn)狀

國外集裝箱碼頭應(yīng)用有人和無人水平運(yùn)輸設(shè)備混行方式進(jìn)行水平運(yùn)輸作業(yè)開始的時(shí)間較早。2020年4月泰國林查班港D碼頭應(yīng)用6輛西井科技的Q-Truck無人駕駛集卡完成了12小時(shí)的不間斷混行裝卸作業(yè)。2021年5月，經(jīng)過一年的安全作業(yè)，Q-Truck正式全面投入商業(yè)運(yùn)營，這是全球首個(gè)將無人駕駛集卡和有人集卡混行作業(yè)投入商業(yè)運(yùn)營的項(xiàng)目，因?yàn)榛煨蟹桨傅膽?yīng)用區(qū)域是岸橋到場橋的水平作業(yè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)的是碼頭內(nèi)集卡和Q-Truck無人駕駛集卡的混行作業(yè)，不存在與外集卡交互的情況。西井科技所提供的混行解決方案包括其自主開發(fā)的車隊(duì)管理系統(tǒng)FMS（Fleet Management System）和自主研發(fā)的Q-Truck無人駕駛集卡。FMS系統(tǒng)對無人駕駛集卡進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和路線規(guī)劃；Q-Truck通過車輛自帶的環(huán)境感知傳感器對周圍的人員、車輛、環(huán)境進(jìn)行識別，根據(jù)其內(nèi)置的駕駛邏輯自主完成跟車、換道、超車、避讓等動(dòng)作。與Q-Truck混行的有人駕駛集卡的駕駛員在上崗前需要經(jīng)過簡單的操作培訓(xùn)和安全教育。通過應(yīng)用西井科技公司提供的混行駕駛方案，集裝箱碼頭不需要為無人駕駛集卡提供封閉的作業(yè)區(qū)域。

國內(nèi)自動(dòng)化集裝箱碼頭近些年建設(shè)和改造案例較多，對于開放式堆場中水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡混行的解決方案主要有三種。第一種方案是通過道閘處理無人水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡的交互，道閘的開啟或關(guān)閉狀態(tài)由碼頭的車輛管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，目前天津港北疆港區(qū)C段集裝箱碼頭正在應(yīng)用這種方案。在混行條件下，IGV和有人駕駛集卡分別有自己的專屬車道，但兩條車道存在交匯處，IGV在進(jìn)入堆場作業(yè)時(shí)會(huì)穿行過有人駕駛集卡的專用車道。碼頭車輛管理系統(tǒng)監(jiān)測車輛的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)IGV距離交匯處有足夠的距離時(shí)，車輛管理系統(tǒng)會(huì)打開道閘放行外集卡。第二種方案是外集卡從進(jìn)閘口到出閘口整個(gè)過程走U型路線，無人水平運(yùn)輸設(shè)備有自己的獨(dú)立車道，整個(gè)作業(yè)過程不存在行駛軌跡上的交叉，目前應(yīng)用這種方案的碼頭有山東港口日照港自動(dòng)化集裝箱碼頭和北部灣港欽州港域自動(dòng)化集裝箱碼頭。第三種方案是在堆場后方設(shè)置無人水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡的作業(yè)交互區(qū)，通過車輛管理系統(tǒng)的調(diào)度和路徑規(guī)劃控制無人水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡通過作業(yè)交互區(qū)的時(shí)間。目前廣州南沙四期自動(dòng)化集裝箱碼頭應(yīng)用的是這種方案。

國內(nèi)外應(yīng)用混行技術(shù)的集裝箱碼頭詳細(xì)信息如表1所示。

表1 國內(nèi)外應(yīng)用混行技術(shù)的集裝箱碼頭詳細(xì)信息

綜上所述，國內(nèi)外對于港口內(nèi)車輛的管理和調(diào)度都是基于車輛管理系統(tǒng)，在不同的混行方案中，車輛管理系統(tǒng)在處理有人車和無人車交匯時(shí)所采取的措施是不一樣的。目前泰國林查班港D碼頭實(shí)現(xiàn)了無人和有人車輛在港口內(nèi)無需物理隔離的混行，但是混行區(qū)域僅限于碼頭岸橋到場橋之間的混行，并沒有和外集卡有交互，這個(gè)區(qū)域道路結(jié)構(gòu)相對簡單。國內(nèi)的自動(dòng)化集裝箱碼頭對于混行的處理方式都是應(yīng)用物理隔離或者設(shè)置單獨(dú)交互區(qū)的方式，實(shí)現(xiàn)無人水平運(yùn)輸工具和外集卡在空間和時(shí)間上的隔離。目前缺少一套無需物理隔離且應(yīng)用作業(yè)范圍更大的混行技術(shù)方案。

3.集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行技術(shù)方案

集裝箱進(jìn)出堆場的作業(yè)包括水平運(yùn)輸設(shè)備在堆場的取箱、放箱和外集卡在堆場的取箱、放箱。由于開放式平面布局的堆場內(nèi)存在交叉道路，所以即使規(guī)劃出水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡的專用通道后也會(huì)存在兩種設(shè)備交匯的情況。混行技術(shù)方案就是通過技術(shù)手段使無人駕駛水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡混行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)在行駛和交匯時(shí)合理避讓，不再通過單獨(dú)劃分獨(dú)自車道且在交叉路口設(shè)置道閘等方式來確保行車安全，從而提升碼頭的裝卸效率和作業(yè)安全性?；煨屑夹g(shù)方案是對自動(dòng)化碼頭原有方案的補(bǔ)充和完善，在碼頭已經(jīng)具備了水平運(yùn)輸無人化作業(yè)的功能后，根據(jù)混行作業(yè)工況的作業(yè)需求增添硬件設(shè)備、添加軟件功能、融合高新技術(shù)，相當(dāng)于讓已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的碼頭更加的智能化。集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行技術(shù)方案架構(gòu)如圖2所示。

圖2 集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行技術(shù)方案架構(gòu)

混行交通規(guī)則：根據(jù)碼頭的具體作業(yè)工況和道路規(guī)劃，制定共同適用于無人水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡的交通規(guī)則，導(dǎo)入車輛管理系統(tǒng)，在接收到無人駕駛水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡終端實(shí)時(shí)行駛狀態(tài)和位置信息后，通過智能算法確定無人駕駛水平運(yùn)輸設(shè)備和外集卡進(jìn)行交匯的位置，然后根據(jù)交通規(guī)則確定車輛行駛的優(yōu)先級，適時(shí)給無人駕駛水平運(yùn)輸設(shè)備發(fā)送停車等待指令或給有人車輛發(fā)送提醒；提出交通規(guī)則也方便有人車輛駕駛員上崗前培訓(xùn)，快速適應(yīng)碼頭內(nèi)作業(yè)環(huán)境。

車輛管理系統(tǒng)：自動(dòng)化碼頭中的必備系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)碼頭內(nèi)作業(yè)設(shè)備的調(diào)度、路徑規(guī)劃、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。針對混行的特殊工況，需要對車輛管理系統(tǒng)進(jìn)行升級，將更多的傳感器和終端等融入到其中，無人水平運(yùn)輸車輛、外集卡智能終端、路側(cè)車路協(xié)同系統(tǒng)等采集的信息傳入到車輛管理系統(tǒng)中進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)車輛管理系統(tǒng)對混行車輛的集中調(diào)度、集中管理。

外集卡車輛智能終端：外集卡車輛智能終端的功能包括碼頭內(nèi)導(dǎo)航、接收調(diào)度信息、增強(qiáng)外集卡駕駛員對車輛運(yùn)行狀態(tài)和行車環(huán)境的感知。智能終端輔助駕駛員在行駛過程中對即將發(fā)生的事件進(jìn)行提前預(yù)判，同時(shí)與車輛管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，接受車輛管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和路口通行時(shí)的通行指引。

路側(cè)車路協(xié)同設(shè)備：路側(cè)車路協(xié)同設(shè)施的主要功能是采集道路情況、交通狀況、外來人或設(shè)備進(jìn)入作業(yè)區(qū)域的信息。通過路側(cè)傳感器和攝像頭等采集的感知信息通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)杰囕v管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)、補(bǔ)充、驗(yàn)證無人車和外集卡司機(jī)的感知不足，以便車輛管理系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確的管理；通過路側(cè)的攝像頭對闖入作業(yè)區(qū)域內(nèi)的人或物進(jìn)行追蹤，同時(shí)向車輛管理系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警。

邊緣計(jì)算：邊緣計(jì)算的主要目的是分散混行條件下產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理負(fù)荷，通過對部分計(jì)算內(nèi)容在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)中計(jì)算來緩解碼頭計(jì)算中心的計(jì)算壓力，從而確保數(shù)據(jù)的高效處理和傳輸。

港口高精地圖：港口高精地圖的主要功能是輔助無人車輛的厘米級別定位和外集卡的車道級別定位和導(dǎo)航。

通訊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施：通訊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供高可靠、低延時(shí)、廣連接、快速接入的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確保在混行條件下大量的感知設(shè)備和車載終端的數(shù)據(jù)傳輸需求。

4.結(jié)論

集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備混行技術(shù)方案是對現(xiàn)有的自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案的補(bǔ)充，為水平運(yùn)輸作業(yè)工藝的制定提供了新思路，而且該技術(shù)方案所應(yīng)用的技術(shù)成熟度高，可規(guī)模性推廣應(yīng)用。應(yīng)用混行技術(shù)方案，可大幅度的提升港口整體自動(dòng)化水平、提高集裝箱碼頭水平運(yùn)輸作業(yè)效率、降低集裝箱碼頭建設(shè)和改造成本、提升傳統(tǒng)集裝箱碼頭升級意愿。