基于港口物流场景的无人集装箱卡车设计策略探析

梁慧慧 应放天

摘要：目的：文章致力于研究基于港口物流场景的高效、安全、可靠的无人集装箱卡车设计策略，以满足日益增长的特殊需求。方法：文章简述港口无人集卡概念及场景化创新趋势，进而分析港口运输无人化解决方案，基于此分析港口物流场景的无人集装箱卡车设计应用的技术，以进一步明确设计策略。结果：文章所提出的设计策略有一定的参考性，可大幅提高无人集装箱卡车的运输效率，减少物流成本，同时推动港口物流朝智能化、绿色化方向发展。这有助于缓解港口拥堵，提升整体物流效率，为全球贸易的繁荣发展注入新动力。结论：基于港口物流场景的高效、安全、可靠的无人集装箱卡车设计具有重要意义。经过优化后的无人集装箱卡车不仅能够满足特殊需求，提升运输效能，降低成本，还能为其他物流场景提供有益的借鉴。相信在未来的发展中，无人集装箱卡车将成为物流行业的宠儿，为全球贸易的繁荣发展作出更大贡献。

关键词：物流场景；无人驾驶；无人集装箱卡车；港口物流

中图分类号：F552；F259.2 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）07-0-03

0 引言

在当今全球化和数字化背景下，物流行业作为支撑现代经济运转的重要组成部分，面临新的挑战和机遇。为适应物流业日益复杂的需求，无人集装箱卡车融合了新能源车辆和无人驾驶技术，为提高运输效率、降低环境影响提供了全新的可能。然而，随着物流场景的不断变化和技术的飞速发展，物流行业正面临愈发复杂的挑战，也拥有更加广阔的发展空间。本文以港口物流为基础，深入探讨基于物流场景的无人集卡的设计策略，以满足日益复杂的物流需求。

1 港口无人集卡概念及场景化创新趋势

1.1 港口无人集卡的概念及发展现状

港口无人集卡是一种集成自动驾驶技术、传感器融合、智能决策与规划、车辆控制等多种先进技术于一身的智能物流运输设备。在复杂的港口环境中，它具备自主导航、精确定位、智能避障、自动装卸等功能优势，从而完成集装箱从码头到堆场之间的水平运输任务，并利用先进的算法进行路径规划和决策。同时，能与上位管理系统对接，实现智能化管理和调度，提高港口物流的整体效率。目前，全球范围内的多个港口已经开始尝试或部署无人集卡。这些港口主要分布在欧洲、亚洲和北美等地区，其中我国的港口在无人集卡应用方面尤为积极。在技术方面，无人集卡已经能够实现较为复杂的自动驾驶，如自动避障、自动换道、自动泊车等。同时，相比其他场景，港口内部的无人驾驶系统在环境感知、决策规划、车辆控制等方面的难度和计算要求都显著降低。因此，港口内部为实现无人驾驶集卡的大规模应用提供了更为便利的环境［1］。在应用方面，无人集卡主要用于港口内部的集装箱运输。港口环境相对封闭且固定，这为无人集卡的应用提供了较为有利的条件。但仍面临一些挑战和问题。例如，如何在复杂的港口环境中确保无人集卡的安全性和可靠性；如何进一步提升无人集卡的智能决策和规划能力，以适应不断变化的物流需求；如何降低无人集卡的制造成本和运营成本；等等。业界需要共同努力，通过技术创新和模式创新解决这些问题。

1.2 港口运输无人化解决方案

在港口的无人化方面，落地方案有三种：智能移动运输平板车、无人跨运车AGV、集卡。港用AGV是最早用于港口自动化水平运输的设备，刚开始由内燃机驱动，后采用柴油发电机电力驱动，以磁钉导航技术为主，须铺设磁轨配合运行，路线固定、不灵活［2］。智能平板运输车自身结构性能相比集卡更为小巧灵活，但成本较高，一台车要300万～500万元，而无人集卡通用性比较强，可实现量产，成本在100万元以内。随着传感器和线控底盘等硬件的成本下降，还有进一步降本空间。对比智能平板车，集卡的驾驶舱较高，在驾驶舱上布置传感器可以看得更远，车辆整体的感知能力会更强。无人集卡不管是新建码头还是老旧码头，都能快速投入使用。综合来看，无人集卡无疑是国内港口水平运输无人化升级的主要方向，不仅能在港口复杂的环境中自主行驶，完成装卸货任务，而且其智能控制系统能实时监控车辆状态和环境信息，确保运输过程安全可靠，提高港口物流的整体效率。

1.3 港口物流场景创新趋势

在封闭场景下，无人集卡的创新趋势愈发明显。由于封闭环境提供了更为稳定、可控的作业条件，无人集卡在此类场景中的创新应用尤为突出。一方面，无人集卡正逐步实现全流程自动化，从装载、运输到卸载，全程无须人工干预，作业效率与安全度大幅提高；另一方面，借助高精度地图与定位技术，无人集卡可实现精准导航与避障，确保在封闭场景内高效、稳定运行。因此，封闭场景为无人集卡的创新应用提供了广阔舞台，未来随着技术的不断进步，其在该领域的创新趋势将更加显著。

在开放场景下，无人集卡的创新趋势同样引人注目，主要表现在以下方面：首先，随着技术融合与创新成为关键，开放场景中有更多的未知，因此无人集卡须融合多种先进技术，如深度学习、传感器融合、V2X通信等，以实现更高级别的自动驾驶和智能决策；其次，动态路径规划与智能避障成为重点，与封闭场景不同，开放场景中的路况和障碍物更加多变，无人集卡须具备实时感知、动态路径规划和智能避障的能力，以确保安全、高效地完成任务；最后，与智能交通系统协同也是重要趋势，无人集卡要与智能交通系统中的其他元素（如交通信号灯、路侧设施、其他车辆等）协同，以实现更加流畅、安全的交通流。

2 港口无人集卡的创新技术应用

2.1 5G技术

在港口作业场景中，网络通信的稳定性与可靠性至关重要。过去，港口自动化主要依赖的通信技术存在维护成本高、稳定性差等问题，难以满足港口的核心需求，尤其是无人集卡的远程控制。5G技術与港口的核心需求十分契合，港口无人集卡是5G重要的应用场景之一［3］。在高危险的港口环境下，无人集卡对通信带宽、时延和可靠性要求极高。5G的大带宽、低时延、高可靠性和广连接特性，结合高精度定位和车路协同等技术，实现了集卡的无人驾驶和实时路况回传。5G技术为港口提供了高清监控、高精度定位、智能网联驾驶等整体解决方案，实现了对集卡的远程控制。结合边缘计算、AI等技术，5G技术帮助港口设备和生产系统实现同步协调，为港口无人集卡驾驶应用提供了更优质的网络支持。国内港口无人集卡驾驶基本采用5G网络及V2X技术，不断提升车端、路端的协同感知能力，实现无人驾驶集卡与港区自动化生产设备、系统的互联互通。

2.2 能源管理

物流场景的独特性要求无人集卡在运输过程中既能保障效率，又要最大限度地降低对环境的影响［4］。纯电动无人集卡不仅能大幅减少港口水平运输设备的燃油支出，带来显著的经济效益，还能实现尾气零排放，这与国家推动的绿色港口建设理念高度契合。能源管理则是新能源车辆的关键技术点，不仅要满足运输需求，还要通过优化能源利用，实现低碳环保的目标。首先，通过智能路径规划和实时监控系统，能够避免拥堵、减少等待时间，以最短路径和最优策略运输，避免能源浪费。其次，不同物流场景可能存在多样化的运输需求，结合先进的环境感知传感器，无人集卡能够实时感知并适应不同的物流环境，确保高效运输。最后，在物流场景中设置快速充电基础设施，结合智能调度系统，能够实现高效的能源补给，保障无人集卡高效稳定完成运输任务。

2.3 车队监管系统

集卡车队监管系统的核心职责是调度整个无人集卡车队，并与每辆集卡进行高效的任务交互管理，确保水平运输作业高效进行。其中包括为当前作业规划最佳路径和有效管理执行时间。同时，为满足码头作业人员的实时监控需求，系统利用5G网络迅速将每辆集卡的关键信息（如位置、速度、运行轨迹等）以及实时图像和激光雷达点云数据传输至服务端，同时展示当前执行的任务。在调度模块，高效的调度算法设计是系统的关键。算法的主要思路是选择合适的集卡与待分配的指令进行匹配，以最小化无人集卡执行作业指令所需时间。通过科学的算法建立集卡调度数学模型，实现全场无人集卡的实时最优调度，这样的监管系统在提高作业效率方面具有重要作用。

2.4 运输卡车新技术应用

首先是多传感器融合。无人集卡通常配备有激光雷达（LiDAR）、毫米波雷达、超声波传感器等，这些传感器能够捕捉周围环境的三维信息等，通过多传感器融合算法提供精准、鲁棒的环境感知能力。其次是深度学习算法。利用深度学习算法处理传感器数据，无人集卡能够识别行人、车辆、道路标记、交通信号灯等关键信息，实现复杂的场景理解和决策。最后是远程驾驶与控制。当自动驾驶系统遇到难以处理的特殊情况时，远程驾驶员可以通过5G网络接管车辆的控制权，确保集卡安全运行。V2X通信使无人集卡能够接收道路信息、交通流量数据、紧急车辆接近警告等，从而作出更加安全和高效的驾驶决策。基于云计算的智能调度系统能够实时收集并分析港口内所有无人集卡的位置、状态和任务信息，进行全局优化调度。智能调度系统结合高精度地图和实时交通信息，为每辆无人集卡规划最优路径，减少空驶、拥堵和等待时间。利用SLAM技术，同时借助传感器实时捕获的数据来创建或刷新环境地图，并精准定位自身在地图中的位置。

3 无人集装箱卡车的五大设计策略

3.1 优化感知与导航系统

港口环境复杂多变，无人集装箱卡车须具备高精度的感知和导航能力。设计时应注重雷达、激光雷达、摄像头等传感器的选型和布局优化，以提高感知精度。同时，结合港口地图信息和实时定位技术，构建高效、稳定的导航系统，确保卡车在港口内的精确导航和定位。

3.2 智能化决策与控制系统

针对港口运输的特定需求，设计智能化的决策与控制系统。该系统能够根据感知信息、交通规则和港口作業计划，自主规划行驶路线、避让障碍物、优化运输顺序等。同时，控制系统必须拥有对车辆的高精度与高可靠性控制能力，确保卡车在港口内安全、高效行驶。

3.3 通信系统与安全机制

港口运输涉及多个作业环节和设备的协同作业，无人集装箱卡车须与其他设备、管理系统进行实时、稳定的通信，应着重确保通信系统的可靠与安全。

采用加密通信、防干扰等技术手段，确保数据传输的安全和稳定。同时，建立完善的安全机制，包括故障自诊断、紧急制动、远程监控等功能，提高卡车在港口运输中的安全性能。

3.4 耐用性与维护性考虑

港口运输环境恶劣，对无人集装箱卡车的耐用性和维护性要求较高。应注重选用耐腐蚀、抗磨损的材料和零部件，增强卡车的耐用性。同时，优化车辆结构，便于日常维护和保养，降低运营成本。

3.5 人机交互与远程监控

虽然无人集装箱卡车在港口运输中能够自主驾驶，但仍须考虑人机交互和远程监控的需求。设计简洁的操作界面，方便操作人员进行远程监控和干预。同时，建立完善的远程监控系统，实时监测卡车的运行状态和位置信息，确保港口运输安全和高效。

综上所述，在港口运输场景下，无人集装箱卡车的设计应注重优化感知与导航系统、智能化决策与控制系统、通信系统与安全机制、考虑耐用性与维护性、人机交互与远程监控等方面。这些设计策略有助于提高无人集装箱卡车在港口运输中的安全性和效率。

4 结语

基于港口物流场景的无人集装箱卡车设计，不仅是对现有物流体系的一次技术革新，还是对未来智能物流趋势的积极响应。通过深入研究港口物流的特性和需求，提出一系列有针对性的设计策略，旨在提升无人集卡在安全性、效率、可靠性、经济性等多个维度的表现。这些策略的实施，有助于应对传统港口物流中面临的种种挑战。此外，还有望引领物流行业迈向更智能、更高效、更环保的未来。

参考文献：

［1］ 汪沛，孙羽.无人驾驶技术在港口中的应用［J］.港口科技，2020（5）：1-4，19.

［2］ 孙景龙，张晋恺，刘红宇.简述智慧物流对港口发展建设的影响［J］.港工技术，2023，60（3）：98-101.

［3］ 刘晓菲，刘国强，于雪涛. 5G技术在智慧物流行业应用及发展趋势研究［J］.制造业自动化，2022，44（9）：142-145，174.

［4］ 邰能灵，王萧博，黄文焘，等.港口综合能源系统低碳化技术综述［J］.电网技术，2022，46（10）：3749-3764.

作者简介：梁慧慧（1997—），女，河南开封人，硕士在读，研究方向：交通运输。

应放天（1970—），男，江西南昌人，本科，教授，研究方向：科技设计提升传统产业。