基于5G技术的校园无人车配送系统设计与实施研究

马永红 魏敏敏

摘  要：文章以青岛职业技术学院为案例，基于5G技术设计了校园无人车配送系统。通过勘察和数据采集确定了配送需求和路径，并设计了无人车控制系统，实现自主行驶和环境感知。采用基于5G的通信模块实现与服务器的实时通信，通过仿真和优化，建立了系统原型，并进行了实地测试。结果表明，该系统能高效、安全地提高校园内配送效率和服务质量，对未来校园无人车配送系统具有重要参考价值。

关键词：5G技术;校园无人车;配送系统;路径规划;仿真

中图分类号：F252.14文献标志码：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.11.015

Abstract： This study takes Qingdao Vocational and Technical College as a case and designs a campus unmanned vehicle delivery system based on 5G technology. By conducting site surveys and data collection， the delivery requirements and feasible paths within the campus are determined. A control system for unmanned vehicles is designed to achieve autonomous driving， path planning， and environmental perception. The system incorporates a 5G-based communication module for real-time communication and data exchange between unmanned vehicles and servers. Simulation software is utilized to simulate and optimize the campus unmanned vehicle delivery system. Furthermore， a prototype of the system is developed and tested on-site using real scenarios and data. The test results demonstrate that the 5G-based campus unmanned vehicle delivery system efficiently and safely improves delivery efficiency and service quality within the campus. This research provides valuable insights for future studies and applications of campus unmanned vehicle delivery systems.

Key words： 5G technology; campus autonomous vehicles; delivery system; path planning; simulation

1  研究背景与问题陈述

5G（第五代移动通信技术）是指一种新一代的移动通信技术标准，是4G标准的升级版。它是一种高速、低延迟、高可靠性和大容量的无线通信技术，可以实现超高速的移动数据传输和实时视频传输。与4G相比，5G技术在传输速度、延迟、网络容量和网络连接等方面都有很大的提升。5G技术的理论峰值传输速度可以达到每秒20Gbps，延迟可以降到1毫秒以下，网络容量也可以大幅提高，从而支持更多的设备连接和数据传输。5G技术的广泛应用将会带来许多新的应用场景，例如智能家居、自动驾驶、工业物联网等。

1.1  5G技术的优势

（1）高速传输：5G技术的传输速度是4G的数倍，可以实现高速数据传输和实时视频传输。

低延迟：5G技术的延迟时间非常短，可以实现实时通信和控制，满足校园无人车配送系统对低延迟的要求。

（2）大容量：5G技术的网络容量大，可以支持更多的设备连接和数据传输，满足校园无人车配送系统的多设备接入需求。

（3）高可靠性：5G技术采用了多重技术，包括基站间的冗余和网络切换等，可以提高网络的可靠性和鲁棒性。

1.2  目前校园配送系统存在的问题

（1）人工调度困难：传统的校园配送系统需要人工调度，需要大量人力资源，且容易出现调度不当、效率低下等问题。

（2）配送效率低下：传统的校园配送系统无法实现自动化配送，无人车配送系统可以提高配送效率。

（3）安全隐患：无人车技术的发展还不成熟，需要解决安全隐患等问题，例如无人车与行人、其他车辆的安全交通问题等。

（4）技术成本高：无人车配送系统的技术成本相对较高，需要投入较多的资金和人力资源进行研发和实现。

2  系统设计与技术路线

校园智慧物流系统主要包括无人配送系统的规划与设计、无人配送设备的选择、无人配送路径的规划、订单分派问题等，基于青岛职业技术学院的规模和现实情况，选择无人车配送是最佳的，本文聚焦于校园无人车配送系统的规划设计和技术路线两个问题开展研究。

2.1  校园无人车配送系统架构

2.1.1  无人车模块

该模块是整个系统的核心部分，包括无人车的导航、避障、路径规划、定位和控制等功能。

（1）车载计算机

无人配送车配备的车载计算机，一般采用PLC或者单片机，它是无人配送车前进方向指令与运动逻辑的发源地，接收并执行上级控制枢纽传送过来的指令信息。

（2）导航设计

目前的导航技术原理效率各不相同，为了不同的场景给无人配送车选择合适的导航技术是必要的，目前无人小车使用的导航技术多为直接坐标导航技术、电磁导航技术、激光导航技术、视觉导航技术、北斗导航技术等。

（3）无人配送车装载容量设计

图1为无人配送车车体图，车体两边都可以安装智能取货快件箱，车体的半部分长1.2m，宽0.5m，车体载重200kg。

（4）无人配送车取货端设计

采用二维码扫码取货技术，用户使用移动终端即手机端对其进行扫描进行开箱操作;用户拿走货物将箱门关闭，计算机获取关闭信息，进行下一地点配送。无人车通过激光雷达、相机、GPS等传感器实时感知周围环境，并根据预设的路径规划和控制算法自主导航。

2.1.2  通信模块

该模块通过5G网络与无人车进行通信，实现无人车和服务器之间的数据传输和通信控制。无人车需要安装5G通信模块，以便能够通过5G网络与服务器进行通信。服务器需要设置5G通信接口，以便能够与无人车进行通信，无人车通过5G通信模块与服务器建立连接，并发送需要传输的数据。服务器接收无人车发送的数据，并对其进行处理和分析，服务器根据处理结果生成相应的命令，通过5G通信接口向无人车发送命令。无人车接收到服务器发送的命令后，执行相应的操作，例如改变行驶速度、方向、停止等。

通信模块需要具备低延迟、高可靠性和高带宽等特点，以保证系统的实时性和稳定性。

2.1.3  配送中心模块

该模块是系统的管理中心，主要负责无人车的任务调度、路径规划、车辆监控和数据管理等功能。

本文将针对校园独有的特点，研究校园无人配送系统总体构成。建立校园无人配送整体框架，将该系统分为网络与服务器层、任务规划与调度层、应用层三个层次。然后规划设计了校园无人配送系统所需的硬件设备，着重设计了无人配送车的部分硬件方案。如图2所示。

（1）网络与服务器层

网络与服务器共有两部分组成，分别对应两大功能输入信息和接收与存储信息。

（2）任务规划与调度层

任务规划与调度层，主要是软件层也是算法层，属于整个系统的大脑，它处理外部数据，指挥后续进程。

（3）应用层

主要体现在物流阶段和用户收货阶段。物流阶段主要应用体现在配送中心拥有存储货物、订单处理、分拣、装载和指挥调度的功能;用户收货阶段体现在收货人与无人配送车之间的人机交互，完成收货的过程。

配送中心模块需要实时获取无人车和用户的数据信息，并根据用户需求和交通状况等因素进行任务调度和路径规划。

2.1.4  用户终端模块

该模块是用户接口，用户可以通过APP、网站等方式提交订单、查询配送进度和评价服务等。用户终端模块需要提供友好的界面和便捷的操作，以提高用户体验和满意度。

2.1.5  充电站模块

由于无人车需要进行充电，所以系统需要建设充电站来保障无人车的正常运行。充电站需要根据无人车的电量和位置等信息进行智能调度和管理，以保证无人车能够及时充电并维持运行。

以上是校园无人车配送系统的基本架构，具体实现可能还需要结合具体的场景和需求进行优化和定制化。设计基于5G技术的校园无人车配送系统，包括系统架构、通信协议、传感器设备等，并确定系统实现的技术路线。

2.2  校园无人车配送系统的技术路线主要内容

2.2.1  无人车导航和定位技术

无人车需要具备自主导航和定位的能力，才能够准确地完成任务。无人车导航和定位技术可以采用激光雷达、相机、GPS等传感器进行实时感知和定位，同时还需要结合SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）算法进行建图和路径规划。

2.2.2  无人车避障技术

为了保证无人车在行驶过程中的安全，需要对障碍物进行检测和避让。无人车避障技术可以采用激光雷达、相机等传感器进行环境感知，并结合避障算法进行实时避让。

2.2.3  无人车控制技术

无人车需要进行精确的控制，以保证其行驶的稳定性和安全性。无人车控制技术可以采用PID控制算法或者模型预测控制算法等方法，实现无人车的精准控制。

2.2.4  5G通信技术

5G技术可以提供低延迟、高带宽和高可靠性的通信服务，为校园无人车配送系统提供了良好的通信基础。无人车和服务器之间的通信可以采用5G通信技术进行实时传输和控制。

2.2.5  任务调度和路径规划技术

校园无人车配送系统需要根据用户需求和交通状况等因素进行任务调度和路径规划，以最优化地完成配送任务。任务调度和路径规划技术可以采用A*算法、Dijkstra算法等方法进行优化。

2.2.6  用户终端技术

用户终端可以采用APP、网站等方式提供用户接口，以方便用户提交订单、查询配送进度和评价服务等。用户终端技术需要提供友好的界面和便捷的操作，以提高用户体验和满意度。

3  系统建模与仿真

3.1  校园无人车配送系统建模

3.1.1  符号定义

（1）索引与集合

O为派送订单，O∈0，0为所有未配送订单集合;μ为无人配送车，μ∈U，U为无人配送车辆集合。

（2）模型参数

每一个订单O存在三个属性，x表示订单配送坐标，t表示订单期望配送时间，h表示订单货物的大小，h=1表示该订单为大型货物，否则h=0;d为订单i到订单j的距离;B为每个无人配送车拥有的大型货物快件箱数目，B为每个无人配送车拥有的小型货物快件箱的数目;T为当前的送货时间段，且每段时间内每辆无人配送车只配送一趟;c≥1为超时惩罚系数;若x>0，sgnx=1，否则sgnx=0。μ=1表示选用第i个配送车进行配送，否则μ=0。

（3）决策变量P=1表示若车辆μ运送订单o后继续运送订单o，否则P=0。

3.1.2  模  型

当送货时段为r时，模型如下：

P∈0，1 for u∈U， o， o∈0 （7）

目标函数式（1）表示最小化所有车辆的行驶距离之和。目标函数式（2）表示最小化派送超时惩罚。

约束式（3）表示无人配送车配送大件货物的数量不超过B，其中∑oP∈0，1且当且仅当订单o被车辆u派送时为1。约束式（4）表示每台无人配送车总共运送订单不超过货物取件箱大小容量之和B+B。约束式（5）、式（6）表示每个订单最多被一辆车配送一次，值为0时表示该订单还暂未被配送。约束式（7）表示决策变量P的取值范围。

3.2  校园无人车配送系统仿真

校园无人车配送系统仿真可以采用一些仿真软件进行，如MATLAB、Simulink、V-REP等。具体仿真过程如下：

环境建模：通过仿真软件建立校园无人车配送系统的环境模型，包括校园道路、建筑物、交通规则等。

车辆建模：建立无人车的模型，包括车体、传感器、控制系统等，通过仿真软件对车辆进行仿真。

任务建模：建立校园内的任务模型，包括任务的数量、类型、位置等，通过仿真软件对任务进行仿真。

系统控制建模：建立校园无人车配送系统的控制模型，包括任务调度、路径规划、避障控制等，通过仿真软件对系统进行仿真。

仿真运行：将任务分配给无人车进行配送，通过仿真软件模拟无人车的行驶过程，观察无人车是否能够效果和性能。

仿真结果分析：通过仿真软件输出仿真结果数据，分析校园无人车配送系统的性能指标，如任务完成率、配送时间、能耗等。

优化设计：根据仿真结果分析，对校园无人车配送系统的设计进行优化，包括无人车的数量、配送路线、控制策略等。

通过仿真，可以模拟实际环境下的校园无人车配送系统，减少了开发过程中的试错成本，优化了系统设计，并且能够提供量化的性能指标，为系统的实现和部署提供了依据。

4  系统实施与测试

在校园内建立系统原型，测试系统的各项功能和性能，分析系统的可行性和可靠性，完善系统设计。

4.1  建立校园无人车配送系统原型步骤

4.1.1  确定系统需求

根据校园实际情况和需求，确定系统的功能、性能和安全等要求。

4.1.2  选取无人车型号

根据校园无人车配送系统的需求，选择合适的无人车型号。

4.1.3  搭建物理模型

根据无人车的型号，选择相应的底盘、电机、传感器等组件，搭建出无人车的物理模型。

4.1.4  开发控制软件

根据校园无人车配送系统的需求，开发控制软件，实现路径规划、避障控制、任务调度等功能。

4.1.5  部署无人车配送系统

将搭建好的无人车和开发好的控制软件进行整合，部署在校园内，进行测试和调试。

4.1.6  测试和优化

对部署好的无人车配送系统进行测试和优化，包括无人车的运行稳定性、配送效率、能耗等指标。

通过建立校园无人车配送系统原型，可以测试系统的功能和性能，验证控制软件的正确性和有效性，并对无人车配送系统进行优化和改进，提高系统的可靠性和实用性。

4.2  校园无人车配送系统可行性分析

校园无人车配送系统的可行性分析主要从技术、经济、社会等方面进行分析。

4.2.1  技术可行性分析

随着5G技术的发展和无人车技术的成熟，校园无人车配送系统的技术可行性得到了保证。现有的5G网络和传感器技术能够支持无人车的实时通信和避障控制，同时无人车技术在实际应用中也得到了验证，证明了技术的可行性。

4.2.2  经济可行性分析

校园无人车配送系统能够提高配送效率，减少人工成本，降低能耗，对校园管理和运营成本也有积极的影响。虽然初期投资较大，但长期运营收益可观，因此从经济角度来看，校园无人车配送系统的可行性得到了保证。

4.2.3  社会可行性分析

校园无人车配送系统不仅能够提高配送效率，减少人力资源浪费，还可以减少交通拥堵和环境污染等社会问题。同时，校园无人车配送系统还可以为校园内的学生和教职工提供更加便利和高效的服务，因此从社会角度来看，校园无人车配送系统的可行性也得到了保证。

综上所述，校园无人车配送系统在技术、经济和社会等方面均具备可行性，但需要充分考虑系统的实际应用场景和需求，进行系统设计和优化，以提高系统的实用性和可靠性。

5  案例分析与应用

在校园内选取一定的区域，进行实际的应用测试，分析系统在实际应用场景下的表现和优化方案。

本文以青岛职业技术学院为案例，设计了一套基于5G技术的校园无人车配送系统，并对其进行了仿真和系统原型建立。该校园无人车配送系统旨在提高校园内的配送效率和服务质量，同时减少人力和能源成本。

首先，进行了场地勘察和数据采集，以确定校园内的配送需求和可行的无人车路径。然后，设计了一套无人车控制系统，实现无人车的自主行驶、路径规划和环境感知等功能。在无人车控制系统中，采用了基于5G技术的通信模块，实现无人车与服务器之间的实时通信和数据交互。

其次，利用仿真软件对校园无人车配送系统进行了仿真，并对系统进行了优化。在仿真中，考虑了各种因素，如无人车的速度、配送任务的优先级和时限、路线规划等，以评估系统的性能和效果。

最后，利用校园内的实际场景和数据建立了校园无人车配送系统的原型，并进行了实地测试和调试。测试结果表明，基于5G技术的校园无人车配送系统能够在校园内高效、安全地进行各种配送任务，有效地提高了校园内的配送效率和服务质量。

综上所述，基于5G技术的校园无人车配送系统在青岛职业技术学院的实际应用中具有很大的应用前景。通过本文，得出了一些结论和启示，如加强系统的安全性和隐私保护措施、提高无人车的智能化和自主化水平、优化系统的配送策略等，这些启示对于未来校园无人车配送系统的研究和应用都具有重要的参考价值。

6  结论与展望

本文基于5G技术，设计了一套校园无人车配送系统，并进行了仿真和系统原型建立。通过系统的建模和仿真，发现基于5G技术的校园无人车配送系统能够显著提高校园内的配送效率和服务质量，同时减少人力和能源成本，对校园的运营管理和环保方面都有积极的影响。同时，本文也发现当前校园无人车配送系统面临的主要问题包括技术成熟度不高、安全性和隐私保护问题等。因此，需要加强技术研究和优化，提高无人车的智能化和自主化水平，加强安全和隐私保护措施，以确保系统的安全稳定运行。

展望未来，本文认为基于5G技术的校园无人车配送系统具有广阔的应用前景。随着5G技术的不断发展和普及，无人车的技术和应用场景也将越来越丰富，校园无人车配送系统也将逐步普及和应用。同时，无人车技术也将逐步向着智能化和自主化方向发展，为校园内的各种配送和服务提供更加高效、便利和安全的解决方案。

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收稿日期：2023-05-27

基金项目：中国物流学会2022年课题项目“基于5G技术的校园无人车配送系统设计与实施研究”（2022CSLK03-122）

作者简介：马永红（1975—），女，山东菏泽人，青岛职业技术学院商学院，教授，硕士，研究方向：智慧物流与供应链管理、职业教育;魏敏敏（1984—），女，山东肥城人，青岛职业技术学院商学院，讲师，硕士，研究方向：高等教育管理、思政教育。

引文格式：马永红，魏敏敏. 基于5G技术的校园无人车配送系统设计与实施研究[J]. 物流科技，2024，47（11）：60-63，80.