基于北斗衛(wèi)星定位的自動化集裝箱碼頭水平運輸安全系統(tǒng)關鍵技術

李嘉鍵

隨著現代科學技術的發(fā)展，集裝箱碼頭通過各種技術手段實現港區(qū)內自動化無人運輸。廣州港南沙港區(qū)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(wèi)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(tǒng)。本文以南沙四期碼頭為例，針對南沙四期碼頭IGV運行環(huán)境，從單機硬件保護、單機自動化控制保護、車隊管理系統(tǒng)（ vehicle management system，VMS）安全保護等方面介紹基于北斗衛(wèi)星定位的自動化集裝箱碼頭水平運輸安全系統(tǒng)關鍵技術。

1 南沙四期碼頭水平運輸安全系統(tǒng)簡介

南沙四期碼頭水平運輸安全系統(tǒng)主要由IGV和VMS組成。與傳統(tǒng)集卡相比，IGV同樣擁有動力系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)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(chuàng)造性地將無人駕駛技術和衛(wèi)星定位技術應用于環(huán)境封閉的港區(qū)，為實現IGV無人駕駛L4級技術提供便利，加之IGV在環(huán)境感知、決策規(guī)劃和車輛控制等智能化功能方面擁有一定優(yōu)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(yè)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(yè)任務。VMS能并發(fā)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(tài)調整后續(xù)作業(yè)路徑，確保作業(yè)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(tǒng)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(fā)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(fā)防撞限位傳感器；防撞限位傳感器發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)會發(fā)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(qū)（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(tǒng)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(qū)域。安全保護區(qū)域由紅色急停區(qū)、黃色滑停區(qū)和藍色減速區(qū)組成。若激光雷達器測量到有物體進入安全保護區(qū)域，則IGV執(zhí)行物體所在區(qū)域的相應保護動作。根據IGV的行駛特征和運行環(huán)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(huán)境，但受限于激光雷達器的安裝位置，依然存在檢測盲區(qū)：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?？梢?，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(chuàng)新性地將衛(wèi)星定位、激光雷達定位、視覺定位的結果動態(tài)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(huán)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(xù)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(wèi)星定位天線、雙目相機、激光雷達器等導航系統(tǒng)部件與導航控制器通信異常時，控制系統(tǒng)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(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)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(qū)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??；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(tǒng)一管理：VMS收到碼頭操作系統(tǒng)下發(fā)的作業(yè)任務后，規(guī)劃IGV行駛路徑，并向IGV發(fā)送指令；IGV通過定位系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)計算當前姿態(tài)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(qū)。IGV的鎖閉區(qū)是相互獨立的而不是重疊的，IGV發(fā)生碰撞。

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

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(yè)區(qū)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(qū)和禁行區(qū)。IGV禁行區(qū)（圖6中深色區(qū)域）是在GUI中人工添加的IGV禁止行駛區(qū)域。通常當某片區(qū)域存在風險較高的不安全因素（如技術人員進入IGV行駛區(qū)域搶修設備等）時，可臨時添加IGV禁行區(qū)，以消除碰撞風險。GUI保護機制如下：GUI系統(tǒng)將禁行區(qū)的區(qū)域信息發(fā)送至VMS；VMS在規(guī)劃IGV行駛路徑時避開禁行區(qū)，并在嘗試申請鎖閉區(qū)與禁行區(qū)重疊時駁回申請，從而防止IGV進入禁行區(qū)。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(qū)：一是行駛中的IGV恰好在新增的禁行區(qū)內，二是IGV的行駛終點落在禁行區(qū)內。

3 結束語

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

（編輯：曹莉瓊收稿日期：2021-12-12）