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2024年4月12日发(作者：create table student是什么意思)
基于 5G通讯的无人清舱研发与应用
摘要：码头散货作业过程中的辅助作业机械挖掘机进行系统性研发改造，传
统挖掘机需要操作人员跟随设备同步操作，本文主要介绍通过设备研发与改造，
通过5G信号传输技
术，实现控制远程挖掘机的目的。
关键词：挖掘机 5G 远程操控 控制系统 改造
概述：本文基于物联网、互联网、远程控制等技术平台，突破电控液转换技
术，采用高精度陀螺仪、雷达聚集感知、CAN网络、OBD模块、监控布防等先进
技术的集成应用，研发了具有远程控制、姿态回馈、安全互锁、5G通讯、船舱安
防等功能于一体的无人清舱系统，清舱作业和船舱指挥实现了远程化、无人化、
可视化。
正文：
一、课题背景：目前日照港股份二公司大泊位清舱辅助作业以挖掘机为主，
作业过程由辅助作业人员将设备吊入船舱内，操作手由船舶自由走梯进入舱内，
操作挖掘机配合卸船机、门座式起重机开展作业。此作业过程目前主要存在以下
几个方面的问题：
1、安全风险大
（1）挖掘机操作人员由船舶自有走梯上下，然后进入舱内挖掘机进行操作，
上下船舱过程的安全隐患较大。在人员不足的情况下，人员需跨舱操作多台挖掘
机进行作业，增加了上下船舱的次数，操作人员的劳动强度、安全风险进一步增
大。
（2）大机抓斗与清舱挖掘机在同一个舱口作业，需进行分区作业，当分区
视线不明显或舱口尺寸较小时，存在交叉作业危险。
（3）舱内作业环境较为封闭、操作司机的作业条件相对恶劣。
2、疫情防控风险大
在疫情防控严峻的形势下，作为外防输入的重要关口，疫情期间作业操作司
机需尽力避免与外轮及外轮船员的接触，操作人员进舱作业增大了疫情防控的风
险。且操作人员必须穿好防护服上下舱作业，使得行动更加不便，更增大了上下
船舱爬梯时的安全风险。
3、作业效率受限制
一名操作人员只能操作一台挖掘机，操作多台设备只能靠司机自行跨舱交替
作业，增加了操作人员的劳动强度和用工数量，限制了船舶作业效率。且根据疫
情防控需要遵守相关隔离规定，使得人员的利用受到限制。
针对以上卸船作业过程中，人员入舱作业存在安全的问题，研发了一种基于
5G通讯技术的无人清舱系统。通过5G通信技术，将挖掘机设备的驾驶室移到了
办公室，解决了司机必须跟随设备一起下舱作业的操作模式，有5G信号覆盖的
区域即可对设备进行远程操作，从根本上解决人员出入舱带来的安全隐患，通过
信号源的切换实现一对多操作，减少操作人员的数量并有效减少设备待机时间，
提升设备的利用效率以及降低人员的操作强度。本系统利用5G高速率、低时延
的特性，对船舶舱口进行智慧布防，辅助无人清舱作业的同时，实现布控球视频
图像实时回传，完全替代船舱指挥工，保障大机司机高效安全进行装卸作业。是
5G技术在国内工程机械应用领域的首次新突破。
二、系统组成：于5G通讯技术的无人清舱系统，主要依托三大系统和5G通
道作为技术架构，两大控制系统分别是“车身控制系统”和“中央控制系统”，
辅助以“船舱布控安防系统”，三大系统以5G技术作为通道，通过两端信号编
码器互联互通，实现船舱布控视频的实时回传，以及电控模块、液压模块和车辆
状态远程控制和实时同步。
三、功能特性：
（1）5G通讯技术。充分发挥出移动5G网络高带宽、低时延、大容量的突出
优势，满足了挖掘机远程操控对网络质量的需要。
（2）远程控制。突破电控液转换技术，通过比例电流控制液压控制挖掘机，
实现远程低延迟控制。
（3）姿态反馈。采用了挖掘机姿态反馈系统，做到远程操控平台与舱内挖
掘机操作室的1：1还原，司机在操作平台能够感受真实的作业环境。
（4）安全互锁。双通路控制，互控互锁，保障设备控制本质安全。
（5）船舱布防。使用方便、传输稳定、配置灵活、安全可靠的快捷船舱安
防监控手段。
四、技术方案
1、实现功能
电控模块：远程通断电、远程启动熄火、灯光、雨刮控制、发动机远程调速、
工作模式选择。
液压模块：大小臂铲斗控制、回转、行走控制。
作业环境与车辆状态采集：车身倾角1:1反馈、运行数据实时显示、作业环
境采集。
船舱布防系统：使用一种牢固、轻便、可拆卸、易安装的专用设备支架，利
用5G高速率、低时延的特性，实现船舱布防。
2、整体架构
整体构成分为: 工程车辆端、远程操控端、船舱布控端、远程传输，通讯采
用5G网络。
（1）工程车辆端：
5组车载摄像头：用于车前端工作环境、大小臂的工作姿态、正后及侧后方
环境监控；1组仓顶摄像头：用于从远处检测整车周围环境；开关量及其他控制
模块：用于启停、灯光、先导等开关；车辆参数获取模块：车OBD获取车实时参
数；减压阀组：用于控制先导油压；阀组电控单元：用于控制减压阀组。
（2）远程操控端：
2组手柄：模拟真实手柄的工作，分辨率可以达到20ms，模拟真实操作手感；
1组踏板：模拟真实踏板的工作，分辨率可以达到10ms，模拟真实的脚踏板感觉；
开关量及控制面板：用于开启和关闭等开关量操作。实现远程的启动、停止、模
式切换、灯的亮灭以及一些鸣笛等常用的开关量设备。还原驾驶室里的开关。显
示模块：获取车辆实时参数和实时车辆的状态。
包括有:车载5个摄像头的图像，可以切换;仓顶上的摄像头用于监视车周围;
显示车辆现在运行状态，包括油温水温转速等；正前方图像与两侧前方图像可根
据实际操作位置及需要自动切换，避免双手脱离工作手柄；可根据实际工作需要
增配立体视频处理，实现远程操作环面3D立体化。
（3）远程传输：
发射与接受单元：在挖掘机上安装指令执行单元及信号采集单元，发射和接
收通过两端透传的形式进行通讯，远程操纵端通过挖掘机上采集并发送的信息，
经过人员分析形成动作指令，发送并回传给挖掘机；挖掘机接受单元接到远程操
纵端的行动指令后，控制挖掘机各执行单元动作执行。
此过程与实际人员驾驶过程基本一致，所有动作指令均有操作人员发出，仅
为中间传递环节由原来的实物直接到人，然后人直接到实物，变成了实物—信号
采集—信号发送—信号接收—人员操作—信号发送—信号接收—执行。此传输过
程均为数字信号，总延迟小于200ms。
（4）船舱布控端：
利用5G高速率、低时延的特性，实现布控球视频图像实时回传。布控球能
提供1080P视频图像并支持声音回传功能，支持自动彩转黑功能，实现昼夜监控，
支持GPS定位功能，设备配置可拆卸电池，可支持9小时连续工作（为增加设备
续航能力，改良加入移动电源后可供使用约4-5天时间），底部配有高吸力磁铁，
安装便捷，并根据生产现场定制支架安装，可对港口特殊区域如船舱、封闭区域
等缺少传输及供电资源的地点，实施视频布控监管。
四、实现目的：
1、减少人员：无需人员跨舱作业，只需远程切换操作台控制就行，从而减
少操作人员的数量并有效减少设备待机时间。可减少50%的操作人员，解决了挖
掘机司机人员不足的问题；布控球为司机室提供船舱内全景，可减少80%指挥工，
以达到减员增效目的。
2、降低成本：减少燃油消耗和润滑材料消耗；无人下舱作业，减少50%操作
人员，每年节约人力成本70万元；无人登船指挥，减少80%指挥工，每船次可节
约人工费3750元。
3、提高效率：一个控制台切换控制多台挖掘机，避免操作人员经常需跨舱
操作多台挖掘机，减少操作人员的劳动强度，提高作业效率；
4、提升安全：避免了人员登船入舱，减少人机交叉、机机交叉等不安全因
素，作为外防疫情输入的重要关口，保障了人员防疫安全。
5、增加利润：本系统通过远程切换操控，一次跨舱作业可减少1小时，通
过效率提升，单船增加利润约960元。
该技术可降低员工的劳动强度，减少操作用工，摆脱港口对用工的依赖，缓
解普遍存在的招工难问题。本技术将挖掘机司机室移至办公室，改善了司机作业
环境，提高了员工的幸福感；避免挖掘机司机登船入舱作业，减少了司机在各舱
之间攀爬作业，能够提高生产作业效率以及挖掘机周转率。使用船舱布控安防技
术，大幅减少指挥工数量，用工减少，人力成本降低；无人下舱、无人指挥、无
人驾驶，避免了人机交叉作业，实现了本质安全。
目前，国内散货型港口中，人员和机械吊装清舱作业非常普遍，为保障大机
设备装卸作业安全，使用船舶指挥工也普遍存在，保有量大，尤其是当前国内外
疫情严峻的形势下，减少人员登船接触是防止疫情内防外输的重要手段，拥有非
常大的推广空间。本系统有利于散货码头行业内装备技术水平以及生产效率的提
升，借助5G通讯技术优势，应用潜力巨大，推广前景广阔。
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