城市地下综合管廊物流舱无人化运输系统设计研究

城市地下综合管廊物流舱无人化运输系统设计研究

张一鸣   

通号通信信息集团有限公司

摘要：本文旨在探讨和设计一种适用于城市地下综合管廊的物流舱无人化运输系统，以期提高城市地下空间的利用效率，减少交通拥堵，并提升物流运输的安全性与时效性。文中将详细介绍系统的概念设计、关键技术、实施策略以及可能面临的挑战和应对措施。

关键词：城市地下管廊；无人化运输系统；物流舱；自动化；智能控制

一、引言

1.研究背景与意义

1)城市地下综合管廊的功能及发展概况

城市地下综合管廊是在城市地下空间建造的公共舱室或隧道，专门用来集中布置和敷设各类市政公用管线，如电力电缆、通信光缆、给排水管道、燃气管道、热力管道等被有组织地纳入同一地下空间的不同舱室内，实施统一规划、设计、施工和维护管理。

城市地下综合管廊的主要功能包括：空间整合，通过将原本独立分布于城市各处的管线集中到同一地下空间，极大地提高了城市地下空间的利用率。避免重复开挖，减少了因为单独维修或更换某条管线而频繁挖掘城市道路的现象，解决了“拉链马路”问题，保护路面完整，减缓交通拥堵，降低因施工带来的环境污染和安全隐患。便捷运维，所有管线均在一个易于进入的空间内，方便进行日常检查、维护和扩容改造，大大提升了管线系统的运行效率和维护管理水平。安全保障，增强了城市基础设施抵御自然灾害的能力，如地震、洪涝等，降低管线破损的风险，确保城市生命线工程的正常运行。经济耐用，虽然初期投资较大，但从长远看，综合管廊可以显著降低管线系统的总体维护成本和城市更新改造的费用。城市美化，消除地上管线杂乱无章的现象，提升城市景观效果。

2)物流舱的功能与作用

地下物流舱主要用于实现固体货物的高效、无污染、自动化运输。它通过布局货运能力大小不一的物流网络与交汇节点，大幅度提升物流效率，同时满足各区域的物流需求。这种运输方式以管道运输或管廊无人物流车辆为基础，减少了传统物流方式中的人力参与，从而提高了整体运输效率。

地下物流舱作为物流运输的载体，在物流运输过程中扮演着重要的角色。它采用自动驾驶、轮式或轨道行驶的电力货运舱，能够自动完成运输、装卸货物等功能。不仅减少了人力成本，还提高了运输的准确性和安全性。

地下物流舱的建设符合可持续发展战略，通过解决经济发展和环境污染、道路拥挤之间的矛盾，地下物流舱有助于提高城市居民的生活质量，减少环境污染、道路拥挤及交通事故的发生率。同时，它也体现了物流行业向智能化、自动化方向发展的趋势。

3)无人化运输系统的发展概况

随着科技的进步和物流需求的日益增长，无人化运输系统已经成为现代物流领域的重要发展方向。无人化运输系统主要依赖于先进的技术和设备，如无人机、无人驾驶车辆、自动化仓库等，实现了从订单处理、货物搬运、运输配送到仓储管理等多个环节的自动化和智能化。这一系统不仅提高了物流效率，降低了人力成本，还优化了物流路径，减少了运输时间和能源消耗。

自动驾驶车辆则是无人化运输系统的一个重要组成部分。通过搭载先进的传感器、控制系统和人工智能算法，自动驾驶车辆能够自主导航、感知环境并做出决策，实现无人驾驶的货物运输。这种技术不仅可以减少交通事故和拥堵情况，还可以降低物流成本和提高运输效率。

此外，自动化仓库也是无人化运输系统的重要组成部分。通过引入机器人、自动化设备和智能管理系统，实现了货物的快速、准确存储和检索，不仅提高了仓库作业效率，减少了人力成本，还降低了货物损坏和丢失的风险。

然而，无人化运输系统的发展仍面临一些挑战。首先是技术挑战，包括如何确保无人设备的安全性、稳定性和可靠性，以及如何应对复杂多变的环境条件。其次是法规和监管挑战，需要制定和完善相关的法律法规，明确无人化运输系统的运营规范和安全标准。最后是成本和投资挑战，无人化运输系统的建设和运营需要大量的资金投入，需要企业和社会各界共同合作，推动相关技术的研发和应用。

4)地下管廊物流舱无人化运输的意义

地下管廊物流舱中无人化运输的意义体现在提高运输效率、减少交通拥堵、保障城市安全等方面，这种运输方式可以在现代城市物流体系中扮演着重要角色，能够将地上的物流中心和配送中心通过地下管廊有效连接起来，形成一个高效的地下货物输送网络。地下物流可以显著降低交通复杂程度，并充分利用现有的人工智能技术，通过无人货车来完成货物的运送工作。这种方式不受地面交通管制和拥堵的影响，可以实现专线运输，其速度和效率都得到了质的提升。

城市地下物流系统的建设和应用，以其速度快、成本低、全自动化、准确性高等优势，已成为新型城市物流系统的发展趋势。例如，雄安新区的地下综合管廊就设计有专门的物流通道层，这些通道足够宽敞，可以容纳无人驾驶车辆和物流货运系统通行，从而保障了城市智能物流配送的需求。此外，无人化运输可以实现24小时不间断运行，其运力远超目前的公路物流，这就像是人体血细胞输送氧气一样，为城市的运转提供源源不断的动能。

2.国内外研究现状

1)国内外无人化运输技术的发展动态

无人化运输技术是当前物流行业发展的重要趋势，随着电子商务的快速发展，带来市场需求的快速增长，特别是在中国，电商市场的爆发式增长为物流技术创新提供了巨大的市场空间，主要电商企业产生的快递物流订单数量巨大，这促使物流行业追求更高效、快速的解决方案。同时，随着人口红利的消失和人力成本的不断上涨，用自动化设备替代人力完成物流作业成为了一个必然的趋势。政府出台了多项政策鼓励智能物流软硬件技术设备的研发创新和推广应用，为物流无人化创造了有利的政策环境。互联网、物联网、大数据和人工智能等技术的发展，为实现物流无人化提供了技术支持。这些技术的应用使得物流设备和系统更加高效智能。随着人工智能技术和机器人应用的广泛，物流公司正在通过这些前沿技术减少人工作业量，提高机器工作效率和工作时长，从而提高经济效益。未来，无人化物流将取代智能物流，形成一个以人工智能和机器人为主导的物流体系。尽管无人驾驶技术目前还处于实验阶段，但多家头部科技公司、汽车公司的尝试表明，无人驾驶技术在物流运输环节的应用正在逐步推进。

2)地下管廊物流系统的研究现状

地下管廊物流系统在近年来国内外得到了广泛的研究和关注。

在国际上，不同国家对地下管廊物流系统有着不同的定义和称呼，但基本理念和应用场景相似。例如，荷兰将其称为地下物流系统（ULS）或地下货运系统（UFlS），日本则称之为地下货运系统（UFIS）。这些系统都强调通过地下空间进行货物运输，以减少地面交通拥堵和污染。

在我国，针对地下管廊物流系统的关键技术进行了深入研究，包括地下空间的开发利用、运输车辆的自主导航和智能调度、货物的自动化分拣和装载等。同时，一些城市也开始探索地下管廊物流系统的实际应用，以缓解城市交通压力和提高物流效率。

二、物流舱的布局与发展策略

为了地下物流舱能够在最大程度上满足城市物流需求，优化资源配置，同时减轻城市地面交通压力，提升城市整体运行效率和可持续发展能力。地下物流舱的布局与发展策略设计需要结合多个因素，包括但不限于城市发展规划、交通网络、物流需求、地质条件、现有地下空间利用情况和技术可行性。

城市规划配合：结合城市整体规划和交通网络布局，地下物流舱应优先设置在城市物流需求较高的区域，比如商业中心、工业园区、物流枢纽等地，便于与地面物流节点高效接驳。遵循城市地下空间开发利用的整体规划，充分利用地下综合管廊、地铁线路附近的闲置或预留空间，实现与地铁、地下交通系统的复合利用。

地理信息分析：利用地理信息系统（GIS）等技术对城市地理信息进行分析，评估地下空间的适宜性，避开地质条件复杂或不稳定的地段。根据人口密度、物流热点分布和预期的物流流向，科学预测物流需求，指导地下物流舱的布局点选择。

连通性和可达性：要保证地下物流舱之间的连通性，形成有效的网络结构，使货物能在地下快速流通。考虑与地上物流设施、交通枢纽及其他重要节点的垂直交通联系，如升降井、斜坡道等，确保货物顺利进出地下物流舱。

容量与规模设计：根据预期的货物吞吐量和品类特性，结合货物运输工具的规格，合理规划每个物流舱的大小、高度和货位数量，以满足仓储和分拣要求。同时，考虑地下物流舱的扩建可能性，使其在未来需求增长时能够灵活扩容。

环境保护与可持续性：布局时尽量减少对周边环境和居民生活的影响，如设置在远离居民区的合适位置，降低噪声和振动污染。利用清洁能源和高效能源管理系统，实现低碳、绿色的运营目标。

智能化与自动化：采用先进自动化物流技术和智能管理系统，提高地下物流舱的运营效率和服务水平。推进无人驾驶物流车、自动化输送系统和智能调度系统的应用，实现无人化作业。

三、无人化运输系统设计及关键技术

地下管廊物流舱室无人化运输系统，作为一个集高度自动化、智能化于一体的新型运输方式，其构成复杂而精细,主要由八大核心系统共同支撑，分别是运输载体、导航与定位系统、调度控制系统、通信系统、货物装卸系统、安全保障系统、能源供给系统以及运维管理系统。

1.运输载体

运输载体是系统的核心设备，采用无人驾驶的电动车辆，具备自主导航、避障、装载和卸载货物等功能。车辆需具有良好的密封性、防腐性和适应复杂地下环境的能力。

关键技术主要包括:

车辆结构设计：考虑到地下空间有限和通道可能狭窄的特点，车辆外形尺寸应紧凑，保证足够的承载能力和稳定性，适应狭小空间和复杂路况。车辆外壳材料需要防水防潮、耐腐蚀。

轻量化设计：采用轻质高强度材料，降低车身重量，提升续航能力。

动力系统：采用高性能电池供电，满足长距离、连续工作要求，配合高效电机驱动系统，确保低噪音、节能高效的行驶性能。

智能悬挂和转向系统：适合地下环境特殊地形的灵活转向和高度调整功能，确保在高低起伏、弯道较多的地下通道中稳定行驶。

多重冗余系统：关键部件如刹车、转向及导航系统设置备份冗余，确保单点故障不影响正常运行。

应急响应机制：当发生意外时，车辆能够立即采取安全措施，如紧急停车，并向控制中心发送警报。

2.导航与定位系统

通过无线通信信标、激光雷达、视觉导航、惯性导航等多种技术融合实现精确的位置定位和路径规划，确保无人运输车能在复杂的地下环境中安全高效运行。

关键技术主要包括:

无线通信信标：通过信标发出的无线信号，无人运输车可以实时接收并解析位置信息、指令数据等关键内容，不仅确保了信息的实时传输，还为无人运输车的精确导航提供了重要依据。无线通信信标还具备抗干扰能力，能够适应地下环境的复杂性和不确定性。

激光雷达：在无人运输车中，激光雷达用于障碍物检测、地形识别以及高精度地图构建等。通过激光雷达，无人运输车能够实时感知地下环境中的障碍物，并自动规划出安全的行驶路径。

视觉导航：利用摄像头捕捉周围环境的图像信息，并通过图像处理算法提取出有用的导航信息。视觉导航技术可以用于识别道路标志、交通信号以及行人、动物等关键元素，从而实现自主导航和避障。因视觉导航技术存在光照条件、图像质量等因素的影响，在实际应用中主要起到辅助作用。

惯性导航：利用惯性传感器（如陀螺仪和加速度计）测量无人运输车的加速度和角速度信息，并通过积分运算推算出车辆的位置和姿态。具有自主性强、不受外界信号干扰等优点，可以在地下环境中提供连续的定位信息。由于惯性传感器存在误差累积问题，在实际应用中，惯性导航技术与其他导航方式进行组合使用，以提高无人运输车的定位精度和可靠性。

3.调度控制系统

调度控制系统是整个无人化运输系统的“大脑”，负责协调各个运输载体的运行，确保整个系统的高效、有序运转。包括中央调度系统和车载控制系统，中央调度系统负责整体任务分配、路径规划、交通管理等。车载控制系统则负责接收指令、执行操作、反馈状态信息。

关键技术主要包括:

中央调度系统的任务分配：根据整体运输需求和资源状况，对运输载体的能力评估、任务优先级设定以及实时运输需求的动态调整等多个方面，采用优化算法，对运输任务进行合理分配，以确保任务分配的合理性和高效性。

中央调度系统的路径规划：为了实现运输载体的最优行驶路径，综合考虑道路状况、交通流量、行驶时间、距离等因素，采用先进的路径规划算法，为运输载体规划出既安全又高效的行驶路径。还可以对突发情况或交通变化进行实时调整，规划最优路径，以减少延误并提高运输效率。

中央调度系统的交通管理：在多车协同运行的环境中，通过实时分析来自各个运输载体的数据，调整交通流，对交通信号的协调控制、交通拥堵的预测与疏导以及交通事故的应急处理，实现对无人化运输系统的全局监控和调度，负责监控和控制车辆流动，避免拥堵和事故，以确保整个系统的运行流畅和安全。

车载控制系统的指令接收与执行：车载控制系统能够准确接收中央调度系统发送的目的地、路径、速度和其他操作参数等指令，并根据指令内容执行启动、加速、转向和制动等相应的操作。

车载控制系统的状态反馈：车载控制系统能够实时采集无人运输车的状态信息，如位置、速度、电量、电机状态、故障信息等，并将这些信息反馈给中央调度系统实时了解各个运输载体的运行状况，从而进行更加精准的任务分配和路径规划，状态反馈对于维护整个系统的透明性和及时响应任何异常情况至关重要。

4.通信系统

通信系统则是连接各个系统组件的“神经”，通过建立稳定可靠的地下通信网络，并提供无线通信信标，确保地面控制中心与地下无人运输车辆之间的实时信息交互，确保信息的实时传递和共享，使系统能够做出快速、准确的决策。

关键技术主要包括:

地下通信网络建设：鉴于地下环境可能存在信号屏蔽的情况，通信系统需要采用特制的地下分布式无线通信技术，比如专用的地下无线局域网、无线Mesh网络、高频(VHF)或超高频(UHF)无线电通信等，以确保在复杂环境中的信号覆盖和传输质量。为了增强通信系统的可靠性，采用多模、多路径的通信技术，如光纤通信、有线+无线混合通信等建立冗余通信链路，以备在某一路由失效时仍能维持通信。

无线通信信标：无线通信信标是放置在地下环境中已知位置的固定装置，帮助无人运输车辆确定自己的位置和导航。在地下环境中布置一系列定位通信一体化信标，提供定位参考信号帮助无人运输车辆进行定位，还能作为通信节点，实现车辆与控制中心间的双向通信。

实时信息交互：采用TCP/IP、UDP等网络协议，结合MQTT、DDS等实时数据分发协议，实现信息的实时、低延迟传输。为了提高通信效率和安全性，对传输的数据进行压缩处理，并通过加密算法进行数据加密，确保信息交互的安全可靠。

多源异构数据融合：从不同系统组件获取的各种传感器数据、状态信息、命令指示等，利用云计算平台或边缘计算设备，经过信息融合处理，形成一致、准确的系统视图，为决策提供全面而及时的信息支持。

安全性和隐私保护：采用加密通信、安全认证机制和防火墙等安全措施，防止未经授权的访问和潜在的数据泄露。

5.货物装卸系统

货物装卸系统专注于货物的自动装载和卸载，通过机械臂、传送带等自动化设备，实现货物的快速、准确处理，减少了人工参与，降低了作业错误率和劳动强度，大大提高了物流运输效率。

关键技术主要包括:

机械臂技术：采用机器视觉配合深度学习算法，对货物进行实时识别和三维定位，指导机械臂准确抓取目标货物。通过伺服电机、力矩传感器和高精度编码器等元件实现机械臂的精准动作控制，确保抓取和放置货物的准确性。通过柔顺控制功能，在抓取过程中根据接触力大小自动调整抓取力度，为避免在接触货物瞬间产生冲击导致损坏。

自动化输送设备：利用连续或间歇式传送带，将货物从一处自动输送到另一处，根据需求设计成直线型、曲线型或升降型，满足不同作业场合的需求。

系统集成与联动控制：将装卸系统中的各个设备联网，通过可编程逻辑控制器与数据采集系统实现货物装卸系统的自动化控制和监控，实现设备间的互联互通，确保各个环节之间的协调运作。

 AGV/AMR对接技术：与自动导引车（AGV）或自主移动机器人（AMR）实现无缝对接，自动将货物从传送带转移到运输车上，或从运输车卸载至指定地点。

货物识别与分拣技术：通过3D相机等设备获取货物尺寸和形状信息，确保机械臂选择合适的抓取方式和位置，并利用射频识别（RFID）标签或条形码技术对货物进行唯一标识，通过读取设备获取货物信息，实现货物的精准分拣和装载。

6.安全保障系统

安全保障系统包括环境监控、紧急制动、故障报警处置等功能，通过多重安全防护措施，保障系统在各种异常情况下的安全运行，确保在突发情况下能够迅速响应，保障人员和设备的安全。

关键技术主要包括:

环境监控：通过部署各类环境传感器（如温湿度传感器、烟雾传感器、气体检测传感器、光照传感器等）实时监测地下环境的各项指标，一旦发现异常，如火灾隐患、有害气体泄漏等情况，系统能迅速发出预警信号。并采用高清摄像头和智能视频分析技术，对地下环境进行全面监控，以便及时发现安全隐患或异常行为。

紧急制动：无人运输车判断存在潜在碰撞风险时，通过车载传感器实时感知前方障碍物或潜在风险，结合智能算法预测可能发生的碰撞，提前启动紧急制动程序，如电子稳定程序ESP来实施制动，包括电子制动系统EBS和防抱死制动系统ABS等，确保在紧急情况下能快速、准确地制动停车。

故障报警处置：通过车辆内置的各类传感器和诊断系统，实时监测车辆各部件运行状态，一旦出现故障或异常，立即触发故障报警机制，并将车辆的运行数据和故障信息实时上传至地面控制中心，以便调度控制系统能及时获取故障报警并启动应急预案。

冗余安全设计：操作系统和关键控制软件具备冗余备份和自恢复功能，即便某个系统模块出现问题，也能迅速切换至备份系统，确保安全运行。

7.能源供给系统

根据地下环境特点，在适当区域设置充电站，系统提供合理的能源供给管理，保证无人运输车辆的持续稳定运行。

关键技术主要包括:

智能充电站设计：采用大功率直流快速充电技术，可在较短时间内为无人运输车辆充满电，减少停驶等待时间，提高运输效率。充电站可根据接入车辆的数量和需求，动态调整输出功率，实现多辆无人运输车辆的同时快速充电。

充电接口标准化与兼容性：标准化充电接口设计，确保不同型号的无人运输车辆可以通用充电站，简化基础设施建设和运维管理。

电池管理系统（BMS）：通过电池管理系统实时监控电池的电压、电流、温度等参数，确保充电过程安全，延长电池使用寿命。通过智能充电算法根据电池的健康状态、剩余电量和预计工作负荷等因素，制定最优化的充电策略。

充电站分布规划与调度算法：考虑地下环境的空间布局和交通流量特性，合理规划充电站的位置和数量，减少运输车辆寻找充电站的距离和时间成本。利用调度算法，动态制定无人运输车辆的充电计划，使其在运送货物间隙能高效地完成充电，降低无效等待时间。

8.运维管理系统

对整个地下物流舱无人化运输系统的运行数据进行实时监控、分析，为优化运营策略、预防性维护提供支持，确保系统的长期稳定运行。

关键技术主要包括:

数据采集：在无人运输车辆、充电站、仓储节点等关键部位设置各类传感器，如位置传感器、速度传感器、载重传感器、电池状态传感器等，实时收集车辆运行状态、货物信息、能源消耗等各种数据。部分数据在前端进行边缘计算，初步处理和筛选，减轻后台服务器压力，提高数据处理效率。

实时监控：通过构建实时监控系统，可以实时显示运输车辆的位置、速度、电量等信息，以及环境参数和系统性能数据，帮助管理人员及时发现问题并进行处理，确保系统的稳定运行。

大数据分析：收集到的运行数据通过数据挖掘、机器学习等算法对数据进行处理和分析，对车辆故障、电池寿命、零部件损耗等进行预测，提取出影响系统效率、能耗、故障率等方面的规律和趋势，以识别系统性能瓶颈、优化运输路径、预测维护需求等，帮助系统管理人员识别潜在的风险和故障，为预防性维护提供支持。 

智能监控与运维系统：利用GIS、3D建模等技术实现运输线路、车辆位置、系统状态等信息的可视化展示，便于管理人员全面掌握系统运行情况。系统设置阈值规则，当关键指标超出设定范围时，立即触发告警，并通过智能算法快速定位问题原因，启动相应的应急预案。

四、总结与展望

无人化运输系统通过自动化、智能化的技术手段，实现了对物流舱无人运输车的精确控制和高效调度，显著提高了物流运输的速度和效率。这不仅缩短了货物从起点到终点的运输时间，也减少了因人为因素导致的延误和错误。通过无人化操作，无人化运输系统避免了人为因素可能导致的安全风险，如驾驶失误、疲劳驾驶等。系统还配备了先进的安全监控和预警机制，能够及时发现并处理潜在的安全隐患。同时，系统能够根据实时数据优化运输路径和调度方案，进一步降低能源消耗和运营成本，物流运输过程中的人力成本得到了大幅度降低。

随着人工智能、5G通信、云计算等前沿技术的快速发展，未来城市地下综合管廊物流舱无人化运输系统将有更大的发展空间和潜力。无人化运输系统将继续在技术上实现创新突破，包括更高效的自动驾驶技术、更精准的物流调度算法、更智能的安全监控系统等，都将为系统性能的提升提供有力支撑。随着数据分析和人工智能技术的发展，无人化运输系统将能够实现对物流过程的精细化管理和优化，对历史数据的挖掘和分析，系统能够预测未来的物流需求，并提前制定相应的调度方案，进一步提高运输效率和降低成本。

未来，无人化运输系统不仅将应用于城市内部的物流配送，还可能拓展到城际物流、跨境物流等领域，随着地下空间的进一步开发和利用，无人化运输系统将在更多领域发挥重要作用。同时，无人化运输系统将更多地与其他智慧化城市基础设施和系统进行融合，如智能交通系统、智慧能源系统等进行联动，实现资源的高效共享和优化配置。这种融合将有助于实现城市资源的优化配置和高效利用，推动城市的智慧化和可持续发展。

综上所述，通过对城市地下综合管廊物流舱无人化运输系统的持续研发与推广，推动城市地下空间的高效利用，为解决城市交通拥堵、环境保护等重大问题提供新的解决方案，将在未来发挥更加重要的作用，并迎来更加广阔的发展前景。

参考文献

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