为了实现自动化集装箱码头AGV作业时能随时随地与中控系统保持实时可靠通信，设计研发AGV无线通信系统。该系统主要由车载子系统、无线网络子系统、有线网络子系统等构成。在现有5.8 GHz无线设备基础上，设计FRSP快速漫游切换协议，实现AGV行进时在基站间频繁无缝漫游切换；设计基于VLAN的LRSP双链路冗余切换协议，实现有线和无线链路同步切换。采用ICMP协议定制开发设备状态快速侦测功能，以满足无线链路拓扑关系的快速变化要求，实现数百网元的网络毫秒级拓扑刷新和设备故障报警。该系统已在青岛港自动化集装箱码头实际应用，能够在港口复杂的作业工况和电磁环境下，为AGV提供持续可靠的通信。

引言

在国际上，自动化码头已有30多年历史，经历从机械化到自动化、从自动化到智能化的发展历程。20世纪80年代中后期，英国泰晤士港、荷兰鹿特丹港、日本川崎港等码头率先尝试建设自动化码头，但受技术、经济和财政等方面影响一度陷入停滞状态。直到1993年世界第1个自动化集装箱码头荷兰鹿特丹港ETC码头投入运营，目前自动化码头已经发展到第4代。

随着“一带一路”建设的大力推进，自动化集装箱码头必将是未来国内外港口建设的重点方向。

AGV作为自动化集装箱码头水平作业区的重要运输装备，其运转效率直接影响整个码头的生产效率。安全、稳定、可靠的无线通信系统是AGV高效运行的技术保障，所以本文开展的研究是针对AGV无线通信系统进行的。

需求分析

1.1 集装箱码头环境现状

由于港口的特殊气候和环境，在集装箱码头部署1套无线通信系统，满足AGV生产作业所需的可靠通信要求，需要解决以下技术问题。

1.1.1 金属结构物的影响

由于金属能对无线电产生较强的反射作用，因此会对无线电系统传输效率和性能造成影响。码头堆场上有大量堆放的全金属结构的集装箱和金属结构的港机，且在集装箱堆场过道和交换区等区域AGV会受到金属物包围，造成该区域无线信号无法有效覆盖。

1.1.2 复杂的无线电频率环境

新建的无线通信系统将会面临码头内外复杂的频率干扰问题，主要包括码头内部现有的无线电设备频率干扰、邻近码头的无线电设备频率干扰等。

1.1.3 设备状态实时监测难度大

AGV生产作业时不间断行进导致无线通信网络的拓扑结构时刻在变化，网络管理系统需要具有快速发现故障网络设备和快速故障报警等能力。

1.1.4 剧烈振动

AGV在装卸集装箱作业过程中会产生机械撞击等，造成剧烈振动，需要解决车载设备的抗振性问题。

1.1.5 沿海气候环境

海港码头地处沿海区域，具有温差大、空气湿度大和盐雾浓度高等气候特点，需要解决设备的环境适应性问题。

1.2  AGV运行工况

AGV是码头前沿海侧作业区与堆场之间搬运集装箱的水平运输工具，工作在水平运输区、陆侧交换区等，其运转效率直接决定整个码头的生产效率。典型自动化集装箱码头作业区示意图见图1。

AGV在水平作业区的高效自动化运转需要持续的网络接入，以保障AGV的业务系统与中控室的中控系统实时通信，而AGV的工作特点又决定其必须采用无线方式进行通信。典型极限复杂工况描述如下：

（1）中控室3班倒，24 h连续作业。

（2）带箱AGV在岸桥后大梁下7条车道并排停靠时，须确保所有车道AGV停靠时通信可靠。

（3）岸桥下方多辆带箱AGV交错并排停靠时，须确保中间被包围的AGV停靠时通信可靠。

（4）带箱AGV在岸桥后大梁下7条车道并排停靠时，须确保所有带箱AGV行驶通过时通信可靠。

（5）多辆带箱AGV并排停靠时，须确保AGV穿行通过时通信可靠。

（6）多辆带箱AGV并排交错停靠时，须确保AGV穿行通过时通信可靠。

典型极限复杂工况示意图见图2。

为保证AGV生产作业效率，要求其整车系统运行的成功率不低于99%，高速车道行驶速度达26 km/h。

1.3  AGV通信业务

AGV是一种以电池为动力，装有非接触导向装置的无人驾驶自动化车辆，按中控室下发的路径规划和作业要求，精准地行驶并停靠到指定地点，完成一系列生产作业任务。AGV车辆见图3。

AGV车载控制系统主要由激光器、可编程控制器和导航控制器等3部分组成，这3部分均通过以太网接口与智能切换单元互联。AGV车载控制系统构成见图4。

AGV上的导航控制器与中控系统的设备控制系统之间通过无线通信系统建立连接，接收车队管理系统发出的作业指令。车队管理系统以100 ms为间隔周期向AGV发送数据包来检测通信链路的连接有效性，保证TCP协议报文传输的实时性。

AGV上的可编程控制器将AGV的坐标、速度、液压、电池、陀螺仪等遥测数据以200 ms为周期上报传输至中控系统的港机设备管理系统服务器。

综上所述，AGV车载业务的通信传输数据量小于100 kb/s，但对数据传输的实时性要求较高，基本以100 ms为周期与中控系统进行持续通信。

1.4  AGV通信安全

AGV与中控系统通信的主要内容包括生产作业调度控制指令、AGV本身的遥测状态等信息，所以对无线通信安全要求是极高的。无线电信号本身是在空中开放领域进行传播的，除了在有线网络中添加工业防火墙等安全设备外，无线通信设备本身要具有完备的安全技术措施，防止信息被截获和控制而导致停车、撞车等安全生产事故。

关键技术和指标

由于AGV运行时对通信可靠性的要求较高，采用双链路冗余热备方案来保障AGV与中控系统的通信。由于AGV的通信链路是由无线网络链路和有线网络链路等2部分组成的，目前国内外还没有标准的网络保护协议适用于这样特殊场景的应用，因此定制开发LRSP双链路冗余切换协议。考虑到要对AGV无线通信系统的设备运行状态进行实时监控，定制开发具有设备状态快速侦测功能的网络设备管理系统。

2.1 先进无线技术

2.1.1 先进的射频技术

2.1.1.1  MIMO和OFDM技术

MIMO（多入多出）和OFDM（正交频分复用）技术是WLAN的核心技术，在4G LTE和高端的无线设备上也采用此技术。利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。OFDM技术将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，再调制到在每个子信道上进行传输。采用OFDM技术的无线设备具有极强的抗多径干扰能力。

2.1.1.2 宽频段射频技术

由于采用宽频段射频技术，无线设备能够在4.9~6.0 GHz连续频段工作且具有ACS自动信道扫描功能。该技术为在港口复杂电磁环境下组网避开无线电频率干扰提供有力的保障。

2.1.2  SLA技术

基站采用TDD时隙划分技术，按照业务需求为其接入的每台远端站提供固定时隙，每台远端站可独享基站为其分配的承诺的带宽。

2.1.3 时钟同步技术

当多个基站设备安装在同一个站点时，可能会出现无线电同频干扰、临频干扰和噪声干扰等。这种干扰会造成网络不稳定、带宽下降、延时加大等问题。

系统采用时钟同步技术和使用统一的时钟源，可以最大化地利用无线电频率并保证无线系统的稳定性、可靠性。通过时钟同步单元，将GPS同步脉冲信号发送到每个基站，同步彼此的信号传输。基站在同一时间收发数据，消除相互干扰的可能性。

此外，时钟同步技术还可保障远端站在基站之间漫游切换过程中的信号收发同步，以达到无缝漫游切换的目的。多基站时钟同步序列示意图见图5，图中：Tx代表基站发送信号；Rx代表基站接收信号；RFP代表无线电频率模式。

2.1.4 安全加密技术

在无线网络系统中采用的安全加密技术措施主要包括：

（1）对业务数据采用AES 128位编码加密，防止业务数据被非法访问。

（2）通过分权管理，可设置3种权限级别，根据用户级别分配不同操作权限。

（3）为每条无线链路设定特定密码，对链路进行加密，防范不法分子入侵网络。即便能获取链路通信信道，也无法获取正确的通信内容。

（4）采用私有的无线空中接口传输协议，不会被基于标准802.11无线协议的Wi-Fi系统搜索到，可有效避免开放性无线接入设备的入侵，防止被其他设备接收和截获传输信息。

（5）无线链路必须采用相同的ID号才能通过通信握手协议建立连接，ID号由至少8位字母或数字组成。

2.2 私有的链路保护快速切换技术

AGV无线通信系统采用A、B双链路冗余热备，即一个是主用链路，另一个是备用链路。链路保护切换技术主要由无线漫游切换和双链路冗余切换等2部分构成。

2.2.1 无线漫游切换技术

无线设备的漫游切换采用定制开发的FRSP快速漫游协议，每个基站内部预配置相邻基站信息，为远端站切换提供依据。远端站与当前基站通信主要有3种信息：基站HBS数据为远端站接收的相邻基站信息；re-learning报文为远端站向基站发送的重新学习报文；GPS时钟是远端站从基站获取的同步时钟信息。无线漫游切换是由远端站和基站自主协商来实现的，系统时钟源来自网络中的GPS同步单元。

在1个多基站部署的网络内，远端站同时比较相邻基站的RSS接收信号值强度，选择信号最强的基站为切换目标接入点。无线网络漫游切换原理示意图见图6。

在同一无线覆盖网络（A或B）内漫游切换过程为：

第1步，远端站寻找到新的目标基站，切断与当前基站的连接，并向目标基站发送连接请求，此报文发送间隔为10 ms。

第2步，目标基站与远端站建立新的连接，给当前基站发送切换通知，并快速学习、更新MAC地址表。

第3步，当前基站接收到切换通知，通过基站间的安全通道转移相关信息至目标基站，并清除本地的远端站相关信息。

第4步，目标基站接收到远端站相关信息并存储，远端站切换至目标基站。

2.2.2 双链路冗余切换技术

基于AGV通信应用场景要求，并参照《以太网线性保护倒换技术要求》，定制开发无线和有线混合组网的LRSP双链路冗余切换协议。在AGV车载智能切换单元、汇聚交换机和中心网络控制器上分别加载双链路冗余切换协议固件程序，实现双链路冗余切换功能。

A、B链路由无线网络链路和有线网络链路构成：远端站与基站之间通过无线网络链路连接；远端站与智能切换单元、基站与汇聚交换机、汇聚交换机与中心网络控制器之间都通过有线网络链路连接。

远端站和基站均划分为A、B 2套，车载A、B 2台远端站均连接到智能切换单元，由其保障在同一时间有且仅有1台远端站链路可正常传输AGV业务数据VLAN。当任意一台远端站与基站之间的链路因外界因素中断时，另外一台远端站链路可迅速启用。双链路工作原理示意图见图7。

智能切换单元使用私有的智能探针（Smart Probe，SP）技术实时监控无线链路的状态，能够及时探测RSS接收信号强度、射频口和网口状态等信息，并发送给中心网络控制器。

在采用冗余链路切换技术的有线网络A、B链路中实时发送私有协议的报文，报文主要包括连接性故障管理（CFM）协议和智能探针等信息。

CFM协议被用来检测二层链路状态，通过配置一个适当的发包周期（10 ms或100 ms），当发包周期内接收不到报文时，报告链路故障。

双链路冗余切换协议为自动倒换协议，响应CFM和SP上报的事件。当CFM可以发现远端且无线网络正常时，系统认为当前工作链路正常，不进行业务倒换。当CFM检测到3倍的发包周期时间内丢失远端或无线网络异常时，系统会上报冗余切换协议DOWN事件，将业务切换到正常链路。如果主用、备用链路都故障时，系统将业务切到主链路（此时不考虑主链路的状态）。当链路正常后，CFM会再次发现远端并上报冗余切换协议UP事件，响应后由自动保护切换状态机进行业务切换。

2.3 设备状态快速侦测技术

由于AGV生产作业时处于运动状态中，整网数百个网元的网络拓扑关系时刻都在变化，因此采用基于ICMP协议的快速网络链路状态侦测技术，在300 ms内对全网设备工作状态进行监视和故障报警。

2.4 系统技术指标

无线网络系统的关键技术指标主要包括：AGV的远端站在同网基站之间漫游切换时间小于50 ms；A、B双链路冗余切换时间小于50 ms；无线网络子系统Ping包平均延时小于50 ms；毫秒级链路拓扑刷新，实时监控整个系统运行状态；AGV在各种工况条件下工作正常，通信系统可靠性达到99.999%。

设计方案

集装箱自动化码头AGV无线通信系统主要由车载子系统、无线网络子系统、有线网络子系统等构成。中控系统中的网络设备管理系统软件是为AGV无线通信系统运维管理而配套开发的。AGV无线通信系统拓扑结构示意图见图8。

车载子系统主要由激光器、导航控制器、可编程控制器、智能切换单元等构成。无线网络子系统主要由AGV上的远端站、堆场侧的基站、GSU时钟同步单元等构成。基站架设在堆场前端，主要完成AGV车载子系统的无线接入。有线网络子系统主要由基站汇聚交换机、中心网络控制器和核心交换机等构成，完成堆场基站与中控系统之间的数据回传和A、B双链路冗余切换。中控系统一共有5套业务应用系统，其中网络设备管理系统负责对AGV无线通信系统进行运维管理，同时也负责对码头所有IP设备进行实时状态监控、故障告警、资产管理等。

整个AGV无线通信系统分为A、B 2套独立的网络系统，通过双链路冗余切换协议互为热备，保障AGV业务通信接入的持续性和可靠性。

3.1 车载子系统

车载子系统上的激光器、导航控制器和可编程控制器以智能切换单元为核心进行组网。智能切换单元加载运行LRSP双链路冗余切换协议程序，具有抗振、防盐雾、宽温、高可靠等特点。车载子系统构成见图9。

3.2 无线网络子系统

无线网络子系统主要由基站、远端站和GSU时钟同步单元等构成。基站和远端站加载运行定制的FRSP快速漫游切换协议。多个基站安装在堆场前端水平作业区一侧的立杆上，通过天线将基站的信号覆盖整个水平作业区。远端站安装在AGV上，与智能切换单元连接，通过无线链路接入基站，再通过有线网络连接到中控系统。时钟同步设备负责协调所有基站的无线信号收发同步和远端站在不同基站之间无缝漫游切换的信号同步。系统使用的连续工作频率为4.9~6.0 GHz，可以根据现场实际情况选择工作频率。

无线网络子系统的主要技术指标特点：单设备支持宽频段4.9~6.0 GHz，便于在港口环境下进行无线电频率规划；支持无缝漫游切换；在集装箱码头环境下，单基站覆盖距离可达3 km；支持MIMO、空间分集、波束赋形等技术；采用时钟同步技术，支持基站间收发同步；具有SLA服务等级机制，确保每个无线远端站享有独立的带宽；无线设备采用防盐雾涂层、IP67防护和工业级宽温工作器件设计，适合在海边盐雾、潮湿、高低温等环境下工作；有车载抗振检测认证，满足港机振动工况要求。

3.2.1 基 站

为实现整个水平作业区（AGV作业和行走区域）的无线网络信号全覆盖，在堆场海侧交换区灯塔处、水平运输区最左侧立杆处部署基站。

选择在堆场AGV交互区的部分灯塔上各架设A、B 2套基站。每套基站通过2副扇区天线对堆场进行无线网络信号覆盖，保障AGV在作业和行走区域的整体无线网络信号全覆盖。典型的无线网络信号覆盖示意图见图10。基站部署连接示意图见图11。

3.2.2 远端站

安装在AGV上的A、B 2台远端站通过网络接口分别与智能切换单元连接。每台远端站连接2副车载全向天线，天线分别安装在AGV前方两侧和后方两侧。无论哪一台远端站接入到基站的链路中断都可通过智能切换单元进行链路切换，均不会影响AGV与中控系统的网络通信。AGV在运载集装箱的情况下，无论小车如何转弯，始终有1副天线不被遮挡且处于基站的无线网络信号覆盖范围内。远端站部署示意图见图12。

3.3 有线网络子系统

AGV无线通信系统按照3层架构进行设计，即接入层、汇聚层和核心层，其中：接入层为无线网络子系统，汇聚层和核心层为有线网络子系统。为实现AGV无线通信系统的高可靠性，从汇聚层到核心层都采用主备设计，以防止因单点设备故障而引起的整体系统故障。

控制整个有线网络子系统的核心设备是中心网络控制器，其与汇聚交换机、智能切换单元配套部署，汇聚交换机均接入GSU时间同步单元，以确保所有下连的无线设备的时钟同步。采用定制的LRSP双链路冗余切换协议实现A、B链路的智能切换，其工作原理是实时监测A、B链路的性能，选择更优者进行通信，保障整体链路的可靠性。有线网络子系统拓扑结构示意图见图13。

3.4 网络设备管理系统

网络设备管理系统采用基于ICMP协议的快速网络链路状况侦测技术和路由策略，定制开发设备状态快速侦测功能，即对单台设备和多台设备工作状态的快速侦测程序，实现快速的设备故障诊断和网络链路拓扑更新，满足AGV无线通信系统的运维管理需求。

基于SNMP、ICMP、SSH、Telnet、Onvif、Modbus等标准或私有协议，该系统采用人工智能和大数据技术，对无线设备、网络交换设备、服务器、IPC、PLC和物联网传感器等进行深度智能管理。除了具有实时监控、故障报警、性能管理等基本功能外，该系统还具有健康预测、知识管理、安全管理和智慧运维等功能，且支持集中、分级和私有云等3种部署方式。

网络设备管理系统是AGV无线通信系统必不可少的一部分。网络设备管理系统软件界面截图见图14。

结语

AGV无线通信系统已成功地应用于青岛港自动化集装箱码头，为数十台AGV提供持续不断、稳定可靠的无线通信，其中网络设备管理系统在设备安装、调试、运行和维护等阶段发挥至关重要的作用。经过码头现场极限工况和压力耐久等测试，AGV无线通信系统各项技术指标和功能均达到或优于设计要求，并顺利通过振华重工和青岛港集团组织的验收。自2017年5月11日青岛港自动化集装箱码头投产运行至今，AGV无线通信系统运行可靠，故障率为零，表明该系统完全能够满足自动化集装箱码头AGV生产作业的通信要求。

文章刊发于《港口科技》2020年第1期；

原文标题：自动化集装箱码头AGV无线通信系统设计

作者：缪平平，王宇，唐启勇，李卫国，王超，范国良；北京国基科技股份有限公司