基于北斗卫星定位的自动化集装箱码头水平运输安全系统关键技术

李嘉键

随着现代科学技术的发展，集装箱码头通过各种技术手段实现港区内自动化无人运输。广州港南沙港区四期自动化集装箱码头（以下简称“南沙四期码头”）采用目前世界上最先进的基于北斗卫星定位的无人驾驶智能导引车（ intelligent guided vehicle，IGV），形成新一代自动化集装箱码头水平运输安全系统。本文以南沙四期码头为例，针对南沙四期码头IGV运行环境，从单机硬件保护、单机自动化控制保护、车队管理系统（ vehicle management system，VMS）安全保护等方面介绍基于北斗卫星定位的自动化集装箱码头水平运输安全系统关键技术。

1 南沙四期码头水平运输安全系统简介

南沙四期码头水平运输安全系统主要由IGV和VMS组成。与传统集卡相比，IGV同样拥有动力系统、制动系统、转向系统等；两者的差异在于IGV采用无人驾驶技术，没有驾驶室。南沙四期码头创造性地将无人驾驶技术和卫星定位技术应用于环境封闭的港区，为实现IGV无人驾驶L4级技术提供便利，加之IGV在环境感知、决策规划和车辆控制等智能化功能方面拥有一定优势，从而促使南沙四期码头将内集卡升级为IGV，以实现码头与堆场间水平运输自动化。在码头生产作业过程中，VMS整体调度、控制堆场内IGV自动运行，完成装箱、卸箱、转场等作业任务。VMS能并发控制多台IGV按照指定路线行进，并能在检测到冲突、故障等情况后动态调整后续作业路径，确保作业集装箱按计划到达目标位置。

2 南沙四期码头水平运输安全系统关键技术

2.1 单机硬件保护技术

2.1.1 机械电气保护

机械电气保护是IGV最基本的防撞保护方式。IGV头尾均安装保险杠，保险杠可沿着车身方向移动（见图1）。当发生正面碰撞时，保险杠后部弹簧被压缩，其后端限位挡板后移，触发防撞限位传感器；防撞限位传感器发送信号至车辆控制器，控制行车制动器、驻车制动器、前后电机制动器动作，实现车辆紧急制动。机械电气保护对障碍物的特性有一定要求，即障碍物触发防撞限位传感器需要克服弹簧力；因此，当某些障碍物受到IGV的冲击力而猛然改变速度时，并不会触发机械电气保护。此外，防撞保险杠的安装位置距离地面约30 cm且其自身宽度仅15 cm；因此，高度小于30 cm或固定在半空中的物体也不会触发机械电气保护。

2.1.2 反馈安全保护

IGV安装8个转角编码器和4个轮速编码器，通过编码器可以获得车辆实时运行参数（车辆的加速度和转动速率）的反馈。当数据异常时，系统会发出警报或提示错误，并在特殊情况下控制车辆紧急制动，从而最大程度地减轻车辆损坏或避免车辆二次受损。

2.1.3 多线激光雷达保护

IGV每组对角处均布置2个16线激光雷达器，单个激光雷达器的扫描范围为0°-270°，双激光雷达器的扫描范围互补，从而使IGV四周360°范围内无盲区（见图2）。通过对各个激光雷达器的数据实施标定，将其融合成为大的点云进行处理，并采用“聚类+深度学习”方式处理多个激光点云融合的数据。针对点云的深度学习主要基于VoxeINet基础模型。VoxelNet是利用图片深度学习检测框架处理激光点云数据的框架，其先将三维点云转化成Voxel结构，然后以鸟瞰图的方式来处理这个结构，并输出障碍物的位置、速度等信息。

激光雷达系统根据IGV的宽度、载质量、制动距离和行驶轨迹等特征，通过编写程序设置安全保护区域。安全保护区域由红色急停区、黄色滑停区和蓝色减速区组成。若激光雷达器测量到有物体进入安全保护区域，则IGV执行物体所在区域的相应保护动作。根据IGV的行驶特征和运行环境，设置直行保护、斜行保护、直角弯保护和S弯保护等安全保护方案（见图3）。

虽然应用2个16线激光雷达器能全角度地扫描IGV周围环境，但受限于激光雷达器的安装位置，依然存在检测盲区：在以IGV对角布置的激光雷达器中心为圆心的1.4m半径范围内，无法检测到40 cm高的障碍物；只有在IGV前后接近2.8m的位置，激光雷达器才有可能检测到地面上的小物体；此外，受激光雷达器实际安装位置的影响，停车时的车轮摆角（车轮会挡住激光线束）会导致车身侧面激光雷达器的扫描范围并非与设计严格一致。可见，仅靠激光雷达器无法满足IGV防撞要求，需要采取其他防撞技术进行补充，才能保证IGV安全运行。

2.2 单机自动化控制保护技术

2.2.1 多传感器导航保护

南沙四期码头水平运输设备导航技术创新性地将卫星定位、激光雷达定位、视觉定位的结果动态加权融合，从而提高IGV定位的准确性，保证IGV安全运行。根据IGV运行环境，设置多种保护工况：当单个定位源与加权融合定位结果相差超过阈值时，当IGV连续行驶25 m没有新的定位源数据时，以及当IGV前部控制点或后部控制点偏离车道中心12 cm且累计行驶超过4m时，IGV都會立即停车。此外，当卫星定位天线、双目相机、激光雷达器等导航系统部件与导航控制器通信异常时，控制系统亦会控制IGV紧急停车。

2.2.2 车道线偏离保护

车道线检测装置是智能辅助驾驶系统和自动驾驶系统的重要组成部分。IGV前后都装有双目摄像头，可通过高帧率拍照及时获取车辆前后方的图像信息。从获取图像到识别车道线大致可分为图像预处理、特征提取、车道线拟合等3个阶段：首先，对图像进行区域筛选，过滤大部分影响识别的干扰因素；然后，IGV利用自动学习特征的深度学习技术完成特征提取；最后，通过拟合算法，利用特征提取后的车道线坐标画出车道线。IGV在行驶过程中可以实时获取前方车道线信息，并判断是否偏离车道（见图4）；若超出程序设定的车道偏离阈值，IGV会紧急停车，以免IGV偏离车道或占用其他车道，从而保障IGV安全运行。

2.3 VMS安全保护技术

2.3.1 VMS保护设计

IGV车队由VMS统一管理：VMS收到码头操作系统下发的作业任务后，规划IGV行驶路径，并向IGV发送指令；IGV通过定位系统、运动控制系统计算当前姿态并将数据反馈至VMS；VMS综合考虑工况、网络延迟、定位误差等因素后生成行车局部锁闭区。IGV的锁闭区是相互独立的而不是重叠的，IGV发生碰撞。

锁闭区分为自身锁闭区（见图5）、已申请锁闭区和尝试申请锁闭区：自身锁闭区包括IGV自身所在区域，在任何情况下都需要覆盖；已申请锁闭区即IGV正在占用的区域；尝试申请锁闭区即当前尝试请求的锁闭区。锁闭区的更新周期为1s，所有作业IGV会在1s后释放自身锁闭区，同时生成新的自身锁闭区。自身锁闭区受尝试申请锁闭区影响：在IGV正常行驶过程中，自身锁闭区随着尝试申请锁闭区的申请成功而变化；若尝试申请锁闭区申请不成功，IGV会在已申请锁闭区内减速行驶直至停止，其自身锁闭区随之释放，直到IGV完全停止时只剩下自身锁闭区。

2.3.2 图形用户界面保护应用

图形用户界面（ graphical user interface，GUI）涵盖整个码头自动化作业区域的整合信息，包括IGV、轨道吊、岸桥的当前位置和行驶路径等以及与IGV防撞相关的IGV锁闭区和禁行区。IGV禁行区（图6中深色区域）是在GUI中人工添加的IGV禁止行驶区域。通常当某片区域存在风险较高的不安全因素（如技术人员进入IGV行驶区域抢修设备等）时，可临时添加IGV禁行区，以消除碰撞风险。GUI保护机制如下：GUI系统将禁行区的区域信息发送至VMS；VMS在规划IGV行驶路径时避开禁行区，并在尝试申请锁闭区与禁行区重叠时驳回申请，从而防止IGV进入禁行区。需要注意的是，在某些特殊情况下，IGV会不可避免地出现在禁行区：一是行驶中的IGV恰好在新增的禁行区内，二是IGV的行驶终点落在禁行区内。

3 结束语

基于北斗卫星定位的自动化集装箱码头水平运输安全系统融合多种先进技术，采用IGV替代传统集卡，实现在VMS规划下的自动运行、搬运和防撞，从而有效消除传统集卡运输模式存在的安全风险，并提升码头作业效率。

（编辑：曹莉琼收稿日期：2021-12-12）