基于多优先级控制策略的码头智能交通管理系统设计

柴 浩 张 朋 张 煜 徐 扬

1 天津港第二集装箱码头有限公司 2 武汉理工大学交通与物流工程学院

1 引言

近年来，各传统集装箱码头积极向自动化、智能化转型，国际贸易不断增多，港口集装箱吞吐量迎来大幅增长，如何有效管控港区道路交通流，提升港口集装箱作业效率得到国内外学者的广泛关注[1]。

刘耀徽等针对自动化集装箱码头中水平运输系统最优行驶路径的问题，从码头布局、任务划分、车道选择及路径优化等多方面进行探究，提出一套自动导引车(AGV)运行路径规划系统方案[2]；潘迎新等在考虑集装箱装卸作业的基础上，就AGV调度问题建立最小化岸桥完工时间的混合整数规划模型，设计离散差分进化算法近似求解，结果表明，所提方法可为自动化集装箱码头多AGV调度提供参考[3]；梁承姬等为解决自动化码头水平运输区域拥堵问题，采用多学科变量耦合优化设计方法对AGV调度与配置问题进行研究，通过构建协调调度耦合模型，应用遗传算法进行求解，取得了良好的实验结果[4]；韩冬冬等针对全自动化集装箱码头管控系统设计方案展开研究，围绕生产管理、设备控制、自动化集装箱闸口等方面进行阐述，结果表明，该设计方案可提高自动化码头管控效率[5]。

上述文献多针对港区水平运输调度进行研究，而对港区内外集卡行驶管控策略研究较少。结合该自动化集装箱码头堆场布置特点，开发车路协同、堆场智能道闸及内外集卡管控等智能作业系统，提出基于多优先级控制策略的码头智能交通管理系统架构，开发车辆追踪识别、信息自动采集、集卡行驶管控等集装箱码头智能作业的关键技术，实现信息技术、智能技术与港口作业的深度融合与集成，为缓解码头交通拥堵、提升码头运行效率提供决策支撑。

2 自动化码头智能交通管理系统设计

2.1 应用背景

为提升自动化区域内作业效率，本工程采用堆场平行于码头前沿岸线布置形式，从距码头前沿线121 m处开始，按集装箱箱型组成比例布置码头堆场，选用双悬臂轨道桥(ARMG)平行于码头岸线的边装卸作业方式，提高整个码头装卸工艺系统的智能化程度及作业效率。

在码头堆场内部交通中，ART(Artificial Intelligence Robot of Transportation，人工智能运输机器人)及集疏运司机驾驶外集卡分道隔离运行(见图1)。纵向主干道分道通过物理隔离实现，外集卡从进闸口→堆场提送箱作业形成外圈顺时针环路，ART从码头装卸船→堆场装卸箱形成内圈逆时针环路；横向装卸车道分道亦通过物理隔离实现。为减少ART及外集卡横纵向车道交叉点，设计堆场内相邻2台ARMG布置同类型集卡车道，形式为“1+2+1”，9条堆场按照ART-外集卡交替布置。

图1 内部交通流向

2.2 系统架构

智能交通管理系统包括车路协同控制单元、堆场智能道闸系统和内外集卡管控系统等交通控制系统及装置，通过各系统之间相互配合，实现数据交换、数据存储和显示等，管控内外集卡的通行次序(见图2)。在路侧感知模块及其他多类型感知器件的支持下，智能交通管理系统实时检测并分析集卡车辆的行驶状态，经由内外集卡管控系统分析调度，确定集卡车辆的最优通行顺序，提高港内车辆通行效率，保证车辆通行安全。

图2 系统架构

3 车路协同系统

3.1 系统组成

车路协同控制单元包含路侧感知模块、边缘计算单元、中央处理模块等(见图3)。

图3 车路协同系统结构

路侧感知模块监控外集卡，由单目摄像机、雷达设备和智能处理单元组成。其中，单目摄像机安装在内外集卡交叉路口处，主要进行集卡位置检测和运动信息跟踪；雷达设备与摄像机视频信息形成互补，共同监测路口车辆信息与运动状态；智能处理单元部署于传感器下方电器柜中，利用深度神经网络车辆识别模型对车辆进行识别和跟踪。同时，将摄像机和雷达设备使用固件固定为一组感知模块，安装于堆场的灯柱上，每组完成2个车道的监控。

边缘计算单元根据摄像头和雷达获得的数据，动态感知车辆的实时状态，监测在内外集卡交叉路口处外集卡实时等待的数量与时间。

智能交通系统中控端将边缘计算单元的感知结果发送到内外集卡管控系统，内外集卡管控系统根据输入数据统计各路段及路口的外集卡流量分布和排队数量，实时决策内外集卡当前的优先级和集卡放行次序。同时，中央处理模块为内外集卡管控系统控制外集卡车道上的红绿灯、挡杆提供依据，为调控内集卡经过交叉路口时的速度提供参考，减少停车和拥堵。

3.2 系统功能

(1)视频监视功能。将监控系统和智能处理单元布置在多道路与作业区域，实现对其他工程车辆、作业工人、港口设备等的全方位监视，自动提取环境和物体特征并进行处理，及时发现异常。中控端加入港口全息监控功能，实现对各区域的异常事故、安全隐患的全方位监视和预警。

(2)信息接收与发布功能。通过光纤连接路口监控系统和智能处理单元，获取全时空港口道路信息、交通信息、运动目标信息、异常事件信息等，同时利用港口设备和内集卡上的V2X设备，发布网口设备位置、工作状态，以及集卡状态、传感数据等内容。为中控平台提供内集卡位置及作业进程信息、岸桥/轨道桥排队车辆信息，提供安全、高效的信息应用服务，保障作业运输过程的稳定。

(3)行驶管控功能。基于全局管控模型生成路口行车管理方案，根据管控策略生成外集卡路口通行的控制指令，并下发到交通杆、红绿灯、显示屏等控制模块，实现对内外集卡的行驶管控调节。

4 堆场智能道闸系统

4.1 平面布置

为实现自动化集装箱码头信息化管理，建设堆场智能道闸系统，实现对进出堆场车辆、集装箱等信息的自动采集，在堆场出入口交叉点处设置道闸，对内外集卡进行交通管制，实现时间隔离，为内外集卡的通行调度提供精确的数据服务。

堆场智能道闸平面布置方式见图4，在堆场外集卡横向车道上共布置3套外集卡进出口道闸系统，相邻2套道闸系统的布置间距为41 m。每套系统的进口道闸与第一出口道闸的布置间距为280.5 m，第一出口道闸与第二出口道闸的布置间距为10 m。道闸系统作为顺岸式码头边装卸堆场的智能闸口布置方法的终端，在物理空间上隔离了内集卡和外集卡，可有效杜绝内外集卡作业相互干扰现象。

图4 道闸系统平面布置

4.2 系统组成

堆场智能道闸系统包含RFID电子车牌识别系统、雷达探测系统、语音与屏幕显示设备、红绿灯、档杆等，同时在外集卡进场口布置1道进口道闸，在外集卡出场口的内集卡通道两侧布置2道出口道闸。

(1)RFID电子车牌识别系统。RFID系统由车辆触发工业雷达检测设备、电子RFID读写器、GPIO模块(上位机通讯、控制模块)、读写天线及车载电子标签组成。其中，RFID标签应安装在集卡挡风玻璃特定的位置或集卡驾驶员左侧后方，通过集卡车牌号与RFID的TAG绑定，实现对作业集卡的管控，以及集装箱和集卡匹配信息比对。

车辆到达识别地后，触发工业雷达检测设备向系统发送车辆到达信号，由RFID电子车牌读写器通过读写天线对车载电子标签进行读取，并通过整个码头的以太网络传到数据库管理系统。通过数据库的分析，把集卡车牌等信息发给TOS等管理系统处理相关作业任务。

(2)雷达探测系统。雷达探测系统与RFID系统协同工作，检测外集卡是否进入第一出口道闸的等待区，如果判断车辆已进入等待区域，向内外集卡管控系统申请抬杆，当雷达检测到车辆依次通过第一、第二出口道闸后落杆。

4.3 系统功能

(1)交互功能。对外部集装箱车辆数据进行收集、分类、筛选，为显示模块提供数据支持。通过信息交互，向码头业务系统、内外集卡控制系统发送数据，完成数据信息交互操作，接收后台系统放行指令后通过显示屏对车辆进行引导。

(2)存储功能。利用RFID技术存储和维护综合数据信息，对堆场出入口车辆采集及放行等信息进行存储，提供日志查询统计功能，为车辆管控中心制定车辆管理策略提供数据支撑。

5 内外集卡管控系统

内外集卡管控系统部署于中控室，通过与路侧智能单元、无人集卡、港口作业系统和设备连接，获取并统计分析各路段区域内的内外集卡流量分布，以全局作业效率为优化目标，实时生成内外集卡行驶管控策略。基于获取的各路段及路口内外集卡流量分布和排队数量，设计一种基于以规则为主，辅助以全局优化模型的内外集卡行驶管控策略。

5.1 管控策略规则

规则上，以保障作业中岸桥不闲置为最高优先级，在外集卡不形成拥堵的情况下，内集卡在路口指定区域内优先通行，具体排序如下：①作业中岸桥不闲置；②路口和码头前沿区域内集卡不形成拥堵；③外集卡不形成拥堵，且没有超出规定作业时间；④内集卡通行；⑤外集卡通行。

但内集卡优先原则会随着外集卡等待时间和数量的增加降低优先级别，当外集卡等待时间过长或外集卡等待超过2辆时，会适当暂停内集卡路口通行，优先放行外集卡。

5.2 管控策略流程

图5为内外集卡行驶管控策略流程图，以保障作业中岸桥不闲置为最高优先级，保障外集卡不形成拥堵的情况下，在路口指定区域优先保证内集卡通行。当外集卡等待时间即将超出规定，或外集卡堆场只进不出造成了路口排队拥堵时，暂停内集卡路口通行，加快外集卡流通。在实际作业过程中，若内外集卡流量和位置分布处于规则允许的交叉范围，则使用基于全局作业效率最优的管控模型进行内外集卡行驶的宏观控制。通过系统仿真和实际作业数据分析，优化模型参数，提高港区装卸设备和集卡作业效率。

图5 内外集卡管控策略流程

6 结语

该系统应用表明，将智能感知器件与堆场闸口装置进行融合，可实时监控并分析内外集卡交通状态，为内外集卡的通行调度提供精确的数据服务；实时融合并分析摄像机视频数据、雷达检测数据、RFID电子标签等多源传感器信息，保证集卡行驶位置及状态检测的精确性，为集卡通行状态监测提供多重信息保障；在保证岸桥装卸作业效率最大化的前提下，通过控制内外集卡的通行次序，提高港区集卡设备的运输作业效率；通过建立内外集卡行驶管控策略，来优化实际作业中集卡通行管控方法，降低集卡拥堵等待时间，提高集卡资源综合利用率，保证港区有序的作业秩序。