5G車聯網賦能港口自動駕駛探索

文 | 吳冬升

本系列介紹5G車聯網賦能自動駕駛環衛車、干線物流、末端物流、礦卡、港口自動駕駛、自動接駁車、Robotaxi、公交車等的解決方案、商業價值和典型案例。之前已介紹5G車聯網賦能自動駕駛環衛車、5G車聯網賦能干線物流、5G車聯網賦能末端物流、5G車聯網賦能礦卡，本篇介紹5G車聯網賦能港口自動駕駛，敬請期待下篇5G車聯網賦能自動接駁車。

（一）港口自動駕駛產業概述

港口作為交通運輸的樞紐，在促進國際貿易和地區發展中起著舉足輕重的作用，全球貿易中約90%由海運業承載，作業效率對于港口至關重要。2020年中國主要港口完成貨物吞吐量145.50億噸，完成集裝箱吞吐量26430萬標準箱（Twenty-feet Equivalent Unit，TEU）。
2019年11月，交通運輸部等九部門發布《關于建設世界一流港口的指導意見》，提出建設智能化港口系統。加強自主創新、集成創新，加大港作機械等裝備關鍵技術、自動化集裝箱碼頭操作系統、遠程作業操控技術研發與推廣應用，積極推進新一代自動化碼頭、堆場建設改造。建設基于5G、北斗、物聯網等技術的信息基礎設施，推動港區內部集卡和特殊場景集疏運通道集卡自動駕駛示范，深化港區聯動。到2025年，部分沿海集裝箱樞紐港初步形成全面感知、泛在互聯、港車協同的智能化系統。到2035年，集裝箱樞紐港基本建成智能化系統。集裝箱碼頭采用閘口—場橋—集裝箱貨車—岸橋的系統，配合碼頭作業的裝卸船、場堆吊裝和水平搬運設備，如圖1所示。集裝箱在港口的裝卸過程通常會涉及三個作業環節[1]。

①貨物通過岸橋設備，在碼頭面進行裝卸船。

②貨物通過水平運輸設備，在碼頭面和堆場之間運輸。

③貨物通過場橋設備，在堆場進行裝卸箱。

集裝箱水平運輸指的就是

②作業環節，將貨物按照指定的路徑，完成碼頭面和堆場之間的運送。

圖1 集裝箱在港口的流轉過程

港口集裝箱水平運輸面臨諸多挑戰。

（1）人員招聘難港口的天氣環境惡劣，駕駛員需要24小時倒班運輸，工作強度高、環境艱苦，對年輕人吸引力差。51.5%的司機年齡在35歲以上，司機新生力量不足。港口運輸集卡司機須持A2級駕照，考取A2級駕照至少需6年駕駛經驗（3年C1及3年B1/B2）?？ㄜ囁緳C中僅有48.5%的司機持A2駕照，導致用工短缺。

（2）管理成本高在我國100萬TEU吞吐量以上的集裝箱碼頭，共配置了6000~8000輛內集卡，擁有約1.5萬~2萬名內集卡司機。目前內集卡司機成本（含工資和社保）平均約15~20萬元/年，并且逐年上漲。此外當前港口運輸多采用柴油集卡，能耗大，人力及能耗成本占港口總成本65%以上。港口自動化解決方案通常有如下三種方式[2]。

（1）AGV方案自動導引運輸車（Automatic Guided Vehicle，AGV）在港口的應用普遍使用磁釘導航技術，需要在碼頭建設中預先鋪設非常多的磁釘。但磁釘導航技術對于金屬比較敏感，一旦磁釘附近有太多金屬，AGV導航會受到很大的干擾，要求整個碼頭的土建中不能使用常規的鋼筋澆筑混凝土結構。

（2）自動駕駛跨運車方案自動駕駛跨運車（Autonomous Straddle Carrier，ASC）單車成本較高，融合水平垂直運輸于一體，適合5層堆垛以內的堆場應用，在歐洲、美洲、大洋洲應用較多。我國集裝箱碼頭普遍堆場密集，為保證空間利用效率會堆放多層集裝箱。在我國的集裝箱堆場，普遍使用采用輪胎式和軌道式集裝箱龍門起重機方案。

（3）自動駕駛集卡方案自動駕駛集卡與其他港口自動駕駛解決方案相比，成本較低，僅限于水平運輸應用，適合全部類型的堆場應用，亞洲港口應用較多。綜合考慮下，自動駕駛集卡對場地改造要求低、單車成本較低且使用靈活便利，是新舊港口水平運輸自動化改造的最優解決方案。

自動駕駛技術在港口落地的技術難點在于作業環境特殊、作業精度要求高和場景標準化程度低。

（1）作業環境特殊自動駕駛集卡需要在大雨、大霧、臺風等極端天氣下持續作業，對自動駕駛感知與決策要求高，同時高鹽潮濕的作業環境也會加快硬件器械的損耗，增加替換成本。

（2）作業精度要求高港口金屬集裝箱、大型基建設備都會干擾自動駕駛集卡的定位信號，擴大基于GPS的RTK高精定位誤差。自動駕駛集卡配合中大型機械交互作業時，融入碼頭生產業務流程，需要實現厘米級的對位作業精度要求，比如與吊橋交互作業時，?？烤嚯x誤差不超過5厘米。

（3）場景標準化程度低港口雖然是半封閉的低速限制環境，但集裝箱裝卸靈活，集裝箱堆放形態、道路軌跡面臨經常性變更，環境高度動態變化。比如當堆場面積不夠、或者臨時集裝箱數量增多時，港區內道路可能會用于臨時堆放集裝箱。

（二）5G車聯網賦能港口自動駕駛

5G+C-V2X可滿足港口自動駕駛集卡感知和決策共享、遠程控制、智慧道路感知和決策共享、視頻監控和AI識別等涉及的數據傳輸需求，幫助港口自動駕駛集卡車隊在智能車管系統和TOS系統管理下實現協同作業[3]。

（1）自動駕駛集卡感知和決策共享

5G+C-V2X可為自動駕駛集卡提供地圖動態位置共享及跟蹤、實時路徑規劃調整、內外部傳感器實時信息采集、車輛內外部數據實時計算及融合等。自動駕駛集卡的數據量大，每天單車可高達40TB。自動駕駛集卡還可以與正前方車輛通過C-V2X直連通信的方式實時交互位置、方向角、速度、加速度等信息。當存在碰撞危險時，自動駕駛集卡依據前車信息及時做出決策，避免碰撞事故發生，提高自動駕駛安全性。

（2）遠程控制

自動駕駛集卡也將具有遠程控制能力，當自動駕駛集卡在作業場中出現故障，操作人員可通過攝像頭查看周邊環境、進行故障判斷，并可遠程操作自動集卡退出故障區。另外，集裝箱碼頭中，軌道吊、輪胎吊是使用最為廣泛的兩種龍門吊。軌道吊在堆場內軌道上移動；輪胎吊裝有輪胎，機動靈活能夠轉場作業。目前存量碼頭多使用輪胎吊，新建碼頭多使用軌道吊，輪胎吊在存量碼頭中占比高。龍門吊高度約30米，司機室在龍門吊頂部。司機作業條件艱苦，現場操作容易疲勞有安全隱患。港口為保證24小時作業，每臺龍門吊配備三名司機輪換，一個碼頭通常需要上百名龍門吊司機，對司機人力需求高。龍門吊通過5G大帶寬低時延網絡實現遠程控制，可大幅度降低人力成本。裝卸作業區中主要業務單元是橋吊，橋吊高度60~70米，電氣房高度50米，需要無線網絡實現作業區域網絡覆蓋。遠程控制場景下單個橋吊同時回傳攝像頭數量及以此產生的上行帶寬需求是龍門吊的數倍。同時橋吊的部署相對密集，通常1公里長的港口海岸線會部署8~12臺橋吊。此外，橋吊由于垂直、水平移動速度都高于輪胎吊，遠程控制對時延要求也更高。

（3）智慧道路感知和決策共享

5G+C-V2X可為智慧道路提供地圖實時定位更新、實時路徑規劃調整、實時道路信息采集、實時道路數據計算及共享等。路側設備通過傳感器將道路障礙物（如臨時集裝箱等）、路面狀況（如積水、結冰等）等道路狀況的感知信息，通過5G網絡實時上傳至云平臺，由云平臺進行智能分析，再將道路事件信息實時發送給可能受影響的自動駕駛集卡；或者通過路側部署的邊緣計算設備在本地分析感知信息，再由RSU將道路信息發送給可能受影響的自動駕駛集卡，從而避免事故發生。

（4）視頻監控和AI識別

視頻監控在港口非常普遍，港區很多區域無法部署光纖，對于臨時部署場景和移動場景，無線回傳作為光纖的補充具有部署靈活、調整便捷、低成本的優勢。具體可以應用在：吊車攝像頭對集裝箱編碼ID進行AI識別，自動理貨；對司機面部表情、駕駛狀態進行智能分析，對疲勞、瞌睡等異?，F象預警；車牌號識別、人臉識別、貨物識別管理；利用無人機、機器人快速智能巡檢。

（5）融入港口TOS系統

集裝箱碼頭實現自動化是一個系統工程，碼頭操作系統（Terminal Operating System，TOS）下達指令后需依賴于設備控制系統（Equipment Control System，ECS）去執行。TOS系統負責碼頭最高層級的邏輯控制，包括船舶計劃、集裝箱庫存維護、工作指令生成、閘口操作等。TOS負責將最高層級的任務發布，告知ECS在港口作業任務的起點和終點，然后閘口、岸橋、堆場等機械設備的運行路線和相應動作在ECS的控制下進行驅動執行。對車輛行駛的決策規劃分為全局規劃和局部規劃。全局規劃指車輛的起點/終點位置規劃和特定線路規劃；局部規劃指車輛在道路行駛過程中如何選擇具體車道。其中，全局規劃中的起點/終點位置由TOS系統根據作業邏輯自動生成。自動駕駛集卡通過車隊管理系統融入港口TOS系統，與港口對接，實現后臺統一調度、規劃路線、車輛遠程監控、智能化管理等功能。

（三）網聯港口自動駕駛商業價值

港口自動駕駛集卡產業鏈上游包括感知設備（攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等）、計算平臺、高精地圖和定位、線控底盤等關鍵零部件供應商。

港口自動駕駛集卡產業鏈中游是解決方案提供商和主機廠/機械設備商。港口自動駕駛集卡產業鏈下游是港口企業。自動駕駛主要存在兩種商業模式。

第一種，輕資產模式。

自動駕駛科技公司和主機廠/機械設備商向港口企業提供可規?；慨a的前裝自動駕駛集卡，或者進行后裝融合改造。另外，港口自動駕駛整體解決方案除了自動駕駛集卡外，還需要和TOS系統融合，因此自動駕駛科技公司還會向港口企業提供各種技術服務。如圖2所示。

圖2 港口自動駕駛集卡輕資產模式

第二種，重資產模式。

自動駕駛科技公司向主機廠/機械設備商采購定制的自動駕駛集卡，并且，自動駕駛科技公司自建或合資成立自動駕駛工程承包商，向最終客戶提供集裝箱水平運輸服務。這種商業化“代運營”新模式，實際按集裝箱量收費，大大降低了最終客戶前期的采購資金。如圖3所示。

圖3 港口自動駕駛集卡重資產模式

由于內集卡對速度要求不高，普遍配置16線激光雷達，加毫米波雷達和攝像頭為主的感知系統。自動駕駛集卡成本大約120萬元。典型內集卡需配置4名駕駛員“三班倒”，每名駕駛員年薪15萬元，需要人力總成本60萬元/車。采用自動駕駛技術后，大約1年多就能回收成本，同時消除部分有人駕駛的安全隱患。如表1所示。表1 港口自動駕駛集卡帶來的盈利變化

5G+C-V2X將智能路側技術感知到的實時道路信息，與港口自動駕駛集卡共享，使車輛擁有超視距感知能力，提前預判危險，更換路徑規劃，減少單車傳感器的搭載數量。

將提升安全性，彌補車輛感知盲區，拓展感知范圍和距離，有效避免港口各種障礙物，尤其是隨機出現的集裝箱障礙物影響；可以減少單車傳感器搭載數量和對單車計算能力的要求，有效節約單車成本；提前感知路況、進行路徑規劃，減少事故，有效提高單車工作效率。

（四）網聯港口自動駕駛典型案例

案例1：西井科技全時無人電動集卡Q-Truck

Q-Truck徹底取消了人類駕駛室，在車頭安裝電池和冷卻系統，保護核心硬件系統免受港口作業等復雜工況影響。車輛搭載了雙目人工智能攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等工業級傳感器，配合整套全棧式系統，輸出超高精度的定位和識別功能，使得Q-Truck無需事先在地下鋪設磁釘進行導引，即可保證續航達200公里，載重80噸運行?？梢皂樌瓿绍囕v轉彎借道、安全超車等智能操作，并實現港口場景的深度耦合，如在岸橋和場橋下，吊具鎖頭與集裝箱鎖孔對位誤差不超過3厘米，準確率接近100%。

在港區C-V2X全域感知車路協同系統，可實現無人駕駛移動端快速云上接入能力，解決了Q-Truck在碼頭無人化場景中，移動網絡穩定性問題，保障碼頭內部實現純遠程自動駕駛，車與車、車與碼頭控制中心網絡穩定互聯。西井科技自主研發的車隊管理系統FMS（Fleet Management System），可在港口場景中對車隊進行信息化的有效管理，進行一對一的任務配對，減少車輛空駛率，實時定位監控，掌握車輛以及貨物情況。車隊系統能同時管理多輛無人集卡，甚至實現無人駕駛和有人駕駛車輛之間的混行運營。遭遇不尋常交通狀況或惡劣氣候，Q-Truck遠控系統也能實現人工接管，通過場內通信系統，對車輛進行緊急停車等遠程控制。

針對不同的應用場景，西井科技也研發了Q-simulation場景快速仿真系統，快速搭建一套仿真平臺，為用戶真實模擬使用狀態，并籍此為用戶的場景設計[4]。

案例2：主線科技港口無人駕駛集卡

面向傳統碼頭改造升級與新建智能集裝箱碼頭的不同市場需求，主線科技先后推出了2款港口無人駕駛集卡。一款為常規外形設計的電動集卡，可實現人機共駕，除了在港口啟用完全無人駕駛功能，亦滿足了客戶現階段“多場景使用”的需求。

另一款則為ART人工智能運輸機器人，專為新建智能化集裝箱碼頭研發設計的新一代無人駕駛電動集卡。其在外形上徹底去除了駕駛艙設計，自重更輕、高度更低、寬度更窄，可正反雙向行駛，兼具完全無人駕駛和5G遠程駕駛功能，能夠完美地適應水平岸線地面解鎖工藝。

2020年1月，主線科技首次實現了天津港25臺無人駕駛電動集卡的商業交付與編隊作業。25臺無人駕駛電動集卡已在天津港港口自動駕駛示范區完成130條船舶實船作業，作業效率持續提升，達到33自然箱/小時，單箱能耗下降20%，綜合運營成本下降10%。

2021年10月，主線科技助力天津港正式完成全球首創傳統集裝箱碼頭全流程自動化升級改造項目的全面運營，并先后向北疆港區C段智能化集裝箱碼頭交付了6臺無人駕駛電動集卡與60臺ART，實現全球首個智慧零碳碼頭投產運營。ART搭載主線科技自研L4級自動駕駛系統“Trunk Master”，達到了在港口真實復雜作業場景中的高精度、全無人、全天候、安全穩定的集裝箱自主水平運輸作業，有效提高了碼頭的整體運營效率。同時，ART采用新能源動力，可實現自主充電、智能算法節電等功能，減少能源消耗，降低運營成本，真正實現“零碳”排放[5]。

參考文獻

[1] 辰韜資本. 自動駕駛賦能智慧港口[N]. 2020,10.

[2] 億歐智庫. 中國高等級自動駕駛港口應用[R]. 2020,10.

[3] 華為, 上海振華重工,移動,Vodafone. 5G智慧港口白皮書[R]. 2019

[4] 億歐. 用真正的無人駕駛集卡，定義港口數智化轉型的商業價值[N]. 2021,7.

[5] 主線科技. 商業交付破百，主線科技落地全球最大規模自動駕駛卡車車隊[N]. 2021,11.