基于港口物流場景的無人集裝箱卡車設計策略探析

梁慧慧 應放天

摘要：目的：文章致力于研究基于港口物流場景的高效、安全、可靠的無人集裝箱卡車設計策略，以滿足日益增長的特殊需求。方法：文章簡述港口無人集卡概念及場景化創新趨勢，進而分析港口運輸無人化解決方案，基于此分析港口物流場景的無人集裝箱卡車設計應用的技術，以進一步明確設計策略。結果：文章所提出的設計策略有一定的參考性，可大幅提高無人集裝箱卡車的運輸效率，減少物流成本，同時推動港口物流朝智能化、綠色化方向發展。這有助于緩解港口擁堵，提升整體物流效率，為全球貿易的繁榮發展注入新動力。結論：基于港口物流場景的高效、安全、可靠的無人集裝箱卡車設計具有重要意義。經過優化后的無人集裝箱卡車不僅能夠滿足特殊需求，提升運輸效能，降低成本，還能為其他物流場景提供有益的借鑒。相信在未來的發展中，無人集裝箱卡車將成為物流行業的寵兒，為全球貿易的繁榮發展作出更大貢獻。

關鍵詞：物流場景；無人駕駛；無人集裝箱卡車；港口物流

中圖分類號：F552；F259.2 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）07-0-03

0 引言

在當今全球化和數字化背景下，物流行業作為支撐現代經濟運轉的重要組成部分，面臨新的挑戰和機遇。為適應物流業日益復雜的需求，無人集裝箱卡車融合了新能源車輛和無人駕駛技術，為提高運輸效率、降低環境影響提供了全新的可能。然而，隨著物流場景的不斷變化和技術的飛速發展，物流行業正面臨愈發復雜的挑戰，也擁有更加廣闊的發展空間。本文以港口物流為基礎，深入探討基于物流場景的無人集卡的設計策略，以滿足日益復雜的物流需求。

1 港口無人集卡概念及場景化創新趨勢

1.1 港口無人集卡的概念及發展現狀

港口無人集卡是一種集成自動駕駛技術、傳感器融合、智能決策與規劃、車輛控制等多種先進技術于一身的智能物流運輸設備。在復雜的港口環境中，它具備自主導航、精確定位、智能避障、自動裝卸等功能優勢，從而完成集裝箱從碼頭到堆場之間的水平運輸任務，并利用先進的算法進行路徑規劃和決策。同時，能與上位管理系統對接，實現智能化管理和調度，提高港口物流的整體效率。目前，全球范圍內的多個港口已經開始嘗試或部署無人集卡。這些港口主要分布在歐洲、亞洲和北美等地區，其中我國的港口在無人集卡應用方面尤為積極。在技術方面，無人集卡已經能夠實現較為復雜的自動駕駛，如自動避障、自動換道、自動泊車等。同時，相比其他場景，港口內部的無人駕駛系統在環境感知、決策規劃、車輛控制等方面的難度和計算要求都顯著降低。因此，港口內部為實現無人駕駛集卡的大規模應用提供了更為便利的環境［1］。在應用方面，無人集卡主要用于港口內部的集裝箱運輸。港口環境相對封閉且固定，這為無人集卡的應用提供了較為有利的條件。但仍面臨一些挑戰和問題。例如，如何在復雜的港口環境中確保無人集卡的安全性和可靠性；如何進一步提升無人集卡的智能決策和規劃能力，以適應不斷變化的物流需求；如何降低無人集卡的制造成本和運營成本；等等。業界需要共同努力，通過技術創新和模式創新解決這些問題。

1.2 港口運輸無人化解決方案

在港口的無人化方面，落地方案有三種：智能移動運輸平板車、無人跨運車AGV、集卡。港用AGV是最早用于港口自動化水平運輸的設備，剛開始由內燃機驅動，后采用柴油發電機電力驅動，以磁釘導航技術為主，須鋪設磁軌配合運行，路線固定、不靈活［2］。智能平板運輸車自身結構性能相比集卡更為小巧靈活，但成本較高，一臺車要300萬～500萬元，而無人集卡通用性比較強，可實現量產，成本在100萬元以內。隨著傳感器和線控底盤等硬件的成本下降，還有進一步降本空間。對比智能平板車，集卡的駕駛艙較高，在駕駛艙上布置傳感器可以看得更遠，車輛整體的感知能力會更強。無人集卡不管是新建碼頭還是老舊碼頭，都能快速投入使用。綜合來看，無人集卡無疑是國內港口水平運輸無人化升級的主要方向，不僅能在港口復雜的環境中自主行駛，完成裝卸貨任務，而且其智能控制系統能實時監控車輛狀態和環境信息，確保運輸過程安全可靠，提高港口物流的整體效率。

1.3 港口物流場景創新趨勢

在封閉場景下，無人集卡的創新趨勢愈發明顯。由于封閉環境提供了更為穩定、可控的作業條件，無人集卡在此類場景中的創新應用尤為突出。一方面，無人集卡正逐步實現全流程自動化，從裝載、運輸到卸載，全程無須人工干預，作業效率與安全度大幅提高；另一方面，借助高精度地圖與定位技術，無人集卡可實現精準導航與避障，確保在封閉場景內高效、穩定運行。因此，封閉場景為無人集卡的創新應用提供了廣闊舞臺，未來隨著技術的不斷進步，其在該領域的創新趨勢將更加顯著。

在開放場景下，無人集卡的創新趨勢同樣引人注目，主要表現在以下方面：首先，隨著技術融合與創新成為關鍵，開放場景中有更多的未知，因此無人集卡須融合多種先進技術，如深度學習、傳感器融合、V2X通信等，以實現更高級別的自動駕駛和智能決策；其次，動態路徑規劃與智能避障成為重點，與封閉場景不同，開放場景中的路況和障礙物更加多變，無人集卡須具備實時感知、動態路徑規劃和智能避障的能力，以確保安全、高效地完成任務；最后，與智能交通系統協同也是重要趨勢，無人集卡要與智能交通系統中的其他元素（如交通信號燈、路側設施、其他車輛等）協同，以實現更加流暢、安全的交通流。

2 港口無人集卡的創新技術應用

2.1 5G技術

在港口作業場景中，網絡通信的穩定性與可靠性至關重要。過去，港口自動化主要依賴的通信技術存在維護成本高、穩定性差等問題，難以滿足港口的核心需求，尤其是無人集卡的遠程控制。5G技術與港口的核心需求十分契合，港口無人集卡是5G重要的應用場景之一［3］。在高危險的港口環境下，無人集卡對通信帶寬、時延和可靠性要求極高。5G的大帶寬、低時延、高可靠性和廣連接特性，結合高精度定位和車路協同等技術，實現了集卡的無人駕駛和實時路況回傳。5G技術為港口提供了高清監控、高精度定位、智能網聯駕駛等整體解決方案，實現了對集卡的遠程控制。結合邊緣計算、AI等技術，5G技術幫助港口設備和生產系統實現同步協調，為港口無人集卡駕駛應用提供了更優質的網絡支持。國內港口無人集卡駕駛基本采用5G網絡及V2X技術，不斷提升車端、路端的協同感知能力，實現無人駕駛集卡與港區自動化生產設備、系統的互聯互通。

2.2 能源管理

物流場景的獨特性要求無人集卡在運輸過程中既能保障效率，又要最大限度地降低對環境的影響［4］。純電動無人集卡不僅能大幅減少港口水平運輸設備的燃油支出，帶來顯著的經濟效益，還能實現尾氣零排放，這與國家推動的綠色港口建設理念高度契合。能源管理則是新能源車輛的關鍵技術點，不僅要滿足運輸需求，還要通過優化能源利用，實現低碳環保的目標。首先，通過智能路徑規劃和實時監控系統，能夠避免擁堵、減少等待時間，以最短路徑和最優策略運輸，避免能源浪費。其次，不同物流場景可能存在多樣化的運輸需求，結合先進的環境感知傳感器，無人集卡能夠實時感知并適應不同的物流環境，確保高效運輸。最后，在物流場景中設置快速充電基礎設施，結合智能調度系統，能夠實現高效的能源補給，保障無人集卡高效穩定完成運輸任務。

2.3 車隊監管系統

集卡車隊監管系統的核心職責是調度整個無人集卡車隊，并與每輛集卡進行高效的任務交互管理，確保水平運輸作業高效進行。其中包括為當前作業規劃最佳路徑和有效管理執行時間。同時，為滿足碼頭作業人員的實時監控需求，系統利用5G網絡迅速將每輛集卡的關鍵信息（如位置、速度、運行軌跡等）以及實時圖像和激光雷達點云數據傳輸至服務端，同時展示當前執行的任務。在調度模塊，高效的調度算法設計是系統的關鍵。算法的主要思路是選擇合適的集卡與待分配的指令進行匹配，以最小化無人集卡執行作業指令所需時間。通過科學的算法建立集卡調度數學模型，實現全場無人集卡的實時最優調度，這樣的監管系統在提高作業效率方面具有重要作用。

2.4 運輸卡車新技術應用

首先是多傳感器融合。無人集卡通常配備有激光雷達（LiDAR）、毫米波雷達、超聲波傳感器等，這些傳感器能夠捕捉周圍環境的三維信息等，通過多傳感器融合算法提供精準、魯棒的環境感知能力。其次是深度學習算法。利用深度學習算法處理傳感器數據，無人集卡能夠識別行人、車輛、道路標記、交通信號燈等關鍵信息，實現復雜的場景理解和決策。最后是遠程駕駛與控制。當自動駕駛系統遇到難以處理的特殊情況時，遠程駕駛員可以通過5G網絡接管車輛的控制權，確保集卡安全運行。V2X通信使無人集卡能夠接收道路信息、交通流量數據、緊急車輛接近警告等，從而作出更加安全和高效的駕駛決策?；谠朴嬎愕闹悄苷{度系統能夠實時收集并分析港口內所有無人集卡的位置、狀態和任務信息，進行全局優化調度。智能調度系統結合高精度地圖和實時交通信息，為每輛無人集卡規劃最優路徑，減少空駛、擁堵和等待時間。利用SLAM技術，同時借助傳感器實時捕獲的數據來創建或刷新環境地圖，并精準定位自身在地圖中的位置。

3 無人集裝箱卡車的五大設計策略

3.1 優化感知與導航系統

港口環境復雜多變，無人集裝箱卡車須具備高精度的感知和導航能力。設計時應注重雷達、激光雷達、攝像頭等傳感器的選型和布局優化，以提高感知精度。同時，結合港口地圖信息和實時定位技術，構建高效、穩定的導航系統，確?？ㄜ囋诟劭趦鹊木_導航和定位。

3.2 智能化決策與控制系統

針對港口運輸的特定需求，設計智能化的決策與控制系統。該系統能夠根據感知信息、交通規則和港口作業計劃，自主規劃行駛路線、避讓障礙物、優化運輸順序等。同時，控制系統必須擁有對車輛的高精度與高可靠性控制能力，確?？ㄜ囋诟劭趦劝踩?、高效行駛。

3.3 通信系統與安全機制

港口運輸涉及多個作業環節和設備的協同作業，無人集裝箱卡車須與其他設備、管理系統進行實時、穩定的通信，應著重確保通信系統的可靠與安全。

采用加密通信、防干擾等技術手段，確保數據傳輸的安全和穩定。同時，建立完善的安全機制，包括故障自診斷、緊急制動、遠程監控等功能，提高卡車在港口運輸中的安全性能。

3.4 耐用性與維護性考慮

港口運輸環境惡劣，對無人集裝箱卡車的耐用性和維護性要求較高。應注重選用耐腐蝕、抗磨損的材料和零部件，增強卡車的耐用性。同時，優化車輛結構，便于日常維護和保養，降低運營成本。

3.5 人機交互與遠程監控

雖然無人集裝箱卡車在港口運輸中能夠自主駕駛，但仍須考慮人機交互和遠程監控的需求。設計簡潔的操作界面，方便操作人員進行遠程監控和干預。同時，建立完善的遠程監控系統，實時監測卡車的運行狀態和位置信息，確保港口運輸安全和高效。

綜上所述，在港口運輸場景下，無人集裝箱卡車的設計應注重優化感知與導航系統、智能化決策與控制系統、通信系統與安全機制、考慮耐用性與維護性、人機交互與遠程監控等方面。這些設計策略有助于提高無人集裝箱卡車在港口運輸中的安全性和效率。

4 結語

基于港口物流場景的無人集裝箱卡車設計，不僅是對現有物流體系的一次技術革新，還是對未來智能物流趨勢的積極響應。通過深入研究港口物流的特性和需求，提出一系列有針對性的設計策略，旨在提升無人集卡在安全性、效率、可靠性、經濟性等多個維度的表現。這些策略的實施，有助于應對傳統港口物流中面臨的種種挑戰。此外，還有望引領物流行業邁向更智能、更高效、更環保的未來。

參考文獻：

［1］ 汪沛，孫羽.無人駕駛技術在港口中的應用［J］.港口科技，2020（5）：1-4，19.

［2］ 孫景龍，張晉愷，劉紅宇.簡述智慧物流對港口發展建設的影響［J］.港工技術，2023，60（3）：98-101.

［3］ 劉曉菲，劉國強，于雪濤. 5G技術在智慧物流行業應用及發展趨勢研究［J］.制造業自動化，2022，44（9）：142-145，174.

［4］ 邰能靈，王蕭博，黃文燾，等.港口綜合能源系統低碳化技術綜述［J］.電網技術，2022，46（10）：3749-3764.

作者簡介：梁慧慧（1997—），女，河南開封人，碩士在讀，研究方向：交通運輸。

應放天（1970—），男，江西南昌人，本科，教授，研究方向：科技設計提升傳統產業。