项目编号：?? 2213??

面向港区物流场景的群体协同式绿色控制系统研究

Research on Group Collaborative Green Control System for Logistics Scenarios in Port Areas

项目研制单位：同济大学、上海友道智途科技有限公司

主要研制人员：胡笳、许正昊、高炳钊、洪金龙、安连华、李俊琦、李泓辰、孙凯、罗熙

主题词：自动化码头，自动驾驶，车队调度，绿色节能驾驶

1、研究内容介绍

1.1 研究目的和意义

在全球经济一体化快速发展的今天，作为全球运输网络中最重要的节点，港口对区域经济的发展至关重要。近年以来，随着国家和地方出台的一系列扶持政策，沿海城市的港口物流发展进入了快车道，如上海港、宁波舟山港更是跻身全球港口吞吐量前三。

然而港口物流“量”的提升并不意味着“质”的提升，根据《中国港口物流行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》，港口物流行业总的来说有以下三大问题：1）运输效率低，由于缺乏对港口集卡车队的综合调度管理，导致空车运输多、运输路线重复；2)运输成本高，港口运输过程中，人工调度决策指派车辆，为避免装卸设备空闲、投入过多运输车辆，一方面浪费运力资源，另一方面造成车辆频繁冲突、启停，造成能耗增加。此外，车辆缺乏应对港区复杂运输环境（坡度、人类车干扰）的能力，驾驶节能性差，造成能耗成本增加。上述问题严重影响了我国港口物流行业的发展，因此亟需一种新的技术形态整合运输资源、提升装卸效率，突破港口的发展瓶颈。

作为交通运输系统的最新发展方向,蓬勃发展的自动驾驶和5G通信技术极大地拓展了运载工具和道路基础设施的信息获取与交互手段，为提升港口的智能化和无人化水平提供了可能。通过利用智能集卡精准可控优势，开发群体协同式绿色控制系统，通过车车协同调度作业技术可以提高作业效率，通过车辆绿色驾驶控制可以节约能耗、降低成本，助力港区运输经济发展。

1.2 研究内容和技术方案

面向港区物流运输现实需求，设置研究内容如下：

1）面向港区物流的群体协同机制设计与机理解析

2）面向港区运输需求的车辆全域集群决策方法

3）面向港区全链运输效能的车辆节能绿色驾驶控制方法

• 面向港区场景的群体协同式绿色控制算法测试与验证

根据研究内容，项目技术方案分为“现状调研-理论研究-算法开发与集成-数值模拟验证-硬件在环仿真验证-实车测试验证-影子模式落地运营”八个步骤递进展开研究。

1.3 达到的效果和成果技术水平

（1）形成运输作业需求驱动下集卡集群调度决策技术，达到国际领先水平；

提出港区集群调度高效实时调度框架如图 1所示。运输任务调度模块以最大化港口作业效率为目标，为所有集卡分配运输作业任务；多车路径调整模块考虑港区内部路网时空资源分布，为车队集群规划合理的运输路径，最后协同速度规划模块关注更为微观的集卡运输速度，从而生成精确到时间的路径时空经由点，提高执行精准度的同时保证运输安全性。

图 1港区集群调度协同决策机制框架

针对调度技术的仿真测试显示，所提出的调度决策技术可有效降低集卡之间的冲突至2%以下，缩短集装箱装卸时间最高可达30%。通过测试验证说明，本技术在提升港口作业效率，降低运输能耗以及提升集卡运输安全性上具有显著的提升。

（a）完工时间

（b）冲突概率

图 2集群调度算法仿真测试结果

所提出的集群调度决策技术分别在上海外四码头、罗泾、福建泉州港口影子模式落地应用。调度模型通过调整车辆到达冲突区域的时间窗，化解90%车辆顶牛冲突，显著提高运营安全。

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(a) 外四码头

(b) 罗泾港

(c) 泉州港

图 3 项目落地港口的车队管理系统

• 构建基于预测控制的节能绿色驾驶控制技术，达到国际领先水平；

根据实车测试结果可知，在不同定速巡航下，面对拥堵交通路况，本项目开发的预测巡航控制（PCC）算法相比于友道智途(UTO)规控算法的节能率可达8.16%。

表1 各时间段测试节能效果

测试 时间	测试 功能	目标 车速[km/h]	行驶 里程[km]	平均 车速[km/h]	气量消耗[kg]	百公里气量消耗[kg/100km]	节能率[%]
12.27	PCC	51	11.05	41.99	5.24	47.42	9.41
	UTO	50	11.24	42.70	5.88	52.34
12.27	PCC	46	7.37	39.97	2.76	37.40	7.27
	UTO	45	8.23	40.18	3.32	40.33

 

表2 实车节能效果总结

测试 功能	总测试里程[km]	总气耗 [kg]	百公里气量消耗 [kg/100km]	节能率 [%]
PCC	18.43	8.00	43.41	8.16
UTO	19.47	9.20	47.26

针对实车测试过程中的典型工况进行本项目开发算法（PCC）节能效果分析如下：

图 4 典型工况分析

测试工况：本车巡航车速为50km/h，前车以30km/h切入本车道后，加速至40km/h后保持匀速行驶。

UTO模式下，本车驱/制动行为激烈，车速震荡较为激烈，导致发动机处于恶劣工作状态，燃油消耗较大。

PCC模式下，本车驱/制动行为平缓，车速变化平缓，发动机处于平稳工作状态，燃油消耗较小。

• 开发面向港区运输作业的仿真平台，达到国内领先水平

面向港区运输作业环境和功能，开发硬件在环仿真测试平台，通过开发港区作业功能模块和单车动力学仿真模块，仿真平台具备模拟复现港区实际作业流程、模拟不同车辆动力学性能的能力。

图 5 港区运营仿真平台架构

考虑不同车辆性能差异，仿真平台内嵌可配置参数的HiL硬件在环单车模拟仿真模块，提供高拟真实车动力学模拟功能。

图 6 HiL在环仿真的车辆仿真模块

2、技术创新点

港区集卡集群调度技术先进性主要体现在：

• 解决车辆决策与车辆执行割裂问题，高效利用作业资源；
• 可应对港口作业状况动态变化状况，确保车辆任务执行率；
• 大幅提升调度问题求解效率，满足实时调度落地需求。

?????? 港区集卡绿色驾驶技术先进性体现在：

• 提出多时空尺度的预测能量优化方案，最大程度发挥节能效果、提升节能鲁棒性；
• 解决车载级控制器算力不足问题，提出控制模型高效求解算法，降低算法耗时，满足实时性要求。

港区运输作业的仿真平台先进性体现在：

• 支持真实模拟港区道路环境和作业流程；
• 支持真实模拟车辆运行仿真，具备硬件在环的车辆动力学模拟模块。
• 专利/论文/获奖情况

论文：

1. A dispatching method for automated container terminals: What is next when precise execution is available?. IEEE International Intelligent Transportation Systems Conference2023，发表时间：2.13，EI收录（检索号：20241015673682）
2. A Conflict-free dispatching method for AIVs in automated container terminals. China Automation congress 2023，发表时间：3.19，待EI收录
3. Predictive Cruise Control Algorithm Design for Commercial Vehicle Energy Saving Based on Mixed Integer Programming. Conference on Vehicular Control and Intelligence 2023（CVCI），发表时间：1.25, EI收录（检索号：24508428）
4. Eco-driving for Truck Platoon Velocity Planning Based on V2X Communication Considering Road Geometry. International Federation of Automatic Control 2023（IFAC）, 发表时间：1.25, EI收录（检索号：20240515478687）

专利：

1. 一种考虑作业优先级的港区智能集卡通行权分配方法、系统、设备及介质，申请号：9
2. 一种基于多工况数据拟合商用车能耗及万有特性方法，申请号：2

获奖：

1. IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC 2023) 最佳论文提名奖（10/1688），国际奖励

4、成果应用及经济效益（量化）

港区集卡调度技术建立了当前码头操作系统（TOS）和车队管理系统的联系，使得友道车队管理系统能够根据TOS系统发布的任务指令，进行车辆任务分配、路径和速度规划，从而减少车辆空载、空驶，减少作业冲突启停等。据统计，港区作业人工成本已达到港口物流整体成本70%，并且呈现出逐渐增加的趋势。本项目研发的港区内集卡调度技术充分挖掘自动化潜力，将创造巨大经济效益。对于车队运营方，可以减少能耗最高31%，按照每辆卡车节约成本40.5元/百公里，综合车队规模与运输距离，本技术具备节约能耗成本100万元/年的潜力。同样运输效率下，使用本技术后所需车辆数降低1/4，按照自动化集卡价格100万/辆, 百辆车的车队具备节约2500万/年的潜力。目前，本项目开发的港区内集卡调度技术已应用于上海外四码头、罗泾港口、福建泉州港，实现作业车辆冲突化解，其产生的经济效益将随时间积累，不断增加。

本项目研发的港区集卡绿色驾驶技术已通过实车验证，通过在上海港推广应用，可以助力友道大幅节约升本。据悉，2023年，洋山深水港集装箱吞吐量突破2500万标准箱，全年车流量突破1000万辆次，对于友道智途LNG半挂车来说，截至目前共有45辆，假设平均气耗为35kg/100km，天然气价格为6元/kg，洋山港干线物流线路长度约30km左右，若能实现5%以上的节能率，则每年至少可节省天然气16吨，共计10万元左右，同时每年可减少45吨CO2排放，因此本项目开发能够显著降低车辆能耗成本，创造可观的经济效益，同时显著提升能源利用率、降低碳排放，积极助力上海洋山港向“绿色化，低碳化”转型。