基于5G技術(shù)的校園無人車配送系統(tǒng)設(shè)計與實施研究

摘

要：文章以青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院為案例，基于5G技術(shù)設(shè)計了校園無人車配送系統(tǒng)。通過勘察和數(shù)據(jù)采集確定了配送需求和路徑，并設(shè)計了無人車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自主行駛和環(huán)境感知。采用基于5G的通信模塊實現(xiàn)與服務(wù)器的實時通信，通過仿真和優(yōu)化，建立了系統(tǒng)原型，并進(jìn)行了實地測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能高效、安全地提高校園內(nèi)配送效率和服務(wù)質(zhì)量，對未來校園無人車配送系統(tǒng)具有重要參考價值。關(guān)鍵詞：5G技術(shù);校園無人車;配送系統(tǒng);路徑規(guī)劃;仿真1

研究背景與問題陳述5G（第五代移動通信技術(shù)）是指一種新一代的移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是4G標(biāo)準(zhǔn)的升級版。它是一種高速、低延遲、高可靠性和大容量的無線通信技術(shù)，可以實現(xiàn)超高速的移動數(shù)據(jù)傳輸和實時視頻傳輸。與4G相比，5G技術(shù)在傳輸速度、延遲、網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)連接等方面都有很大的提升。5G技術(shù)的理論峰值傳輸速度可以達(dá)到每秒20Gbps，延遲可以降到1毫秒以下，網(wǎng)絡(luò)容量也可以大幅提高，從而支持更多的設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸。5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用將會帶來許多新的應(yīng)用場景，例如智能家居、自動駕駛、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等。1.1

5G技術(shù)的優(yōu)勢（1）高速傳輸：5G技術(shù)的傳輸速度是4G的數(shù)倍，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和實時視頻傳輸。低延遲：5G技術(shù)的延遲時間非常短，可以實現(xiàn)實時通信和控制，滿足校園無人車配送系統(tǒng)對低延遲的要求。（2）大容量：5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)容量大，可以支持更多的設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸，滿足校園無人車配送系統(tǒng)的多設(shè)備接入需求。（3）高可靠性：5G技術(shù)采用了多重技術(shù)，包括基站間的冗余和網(wǎng)絡(luò)切換等，可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和魯棒性。1.2

目前校園配送系統(tǒng)存在的問題（1）人工調(diào)度困難：傳統(tǒng)的校園配送系統(tǒng)需要人工調(diào)度，需要大量人力資源，且容易出現(xiàn)調(diào)度不當(dāng)、效率低下等問題。（2）配送效率低下：傳統(tǒng)的校園配送系統(tǒng)無法實現(xiàn)自動化配送，無人車配送系統(tǒng)可以提高配送效率。（3）安全隱患：無人車技術(shù)的發(fā)展還不成熟，需要解決安全隱患等問題，例如無人車與行人、其他車輛的安全交通問題等。（4）技術(shù)成本高：無人車配送系統(tǒng)的技術(shù)成本相對較高，需要投入較多的資金和人力資源進(jìn)行研發(fā)和實現(xiàn)。2

系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)路線校園智慧物流系統(tǒng)主要包括無人配送系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計、無人配送設(shè)備的選擇、無人配送路徑的規(guī)劃、訂單分派問題等，基于青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院的規(guī)模和現(xiàn)實情況，選擇無人車配送是最佳的，本文聚焦于校園無人車配送系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計和技術(shù)路線兩個問題開展研究。2.1

校園無人車配送系統(tǒng)架構(gòu)2.1.1

無人車模塊該模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，包括無人車的導(dǎo)航、避障、路徑規(guī)劃、定位和控制等功能。（1）車載計算機(jī)無人配送車配備的車載計算機(jī)，一般采用PLC或者單片機(jī)，它是無人配送車前進(jìn)方向指令與運(yùn)動邏輯的發(fā)源地，接收并執(zhí)行上級控制樞紐傳送過來的指令信息。（2）導(dǎo)航設(shè)計目前的導(dǎo)航技術(shù)原理效率各不相同，為了不同的場景給無人配送車選擇合適的導(dǎo)航技術(shù)是必要的，目前無人小車使用的導(dǎo)航技術(shù)多為直接坐標(biāo)導(dǎo)航技術(shù)、電磁導(dǎo)航技術(shù)、激光導(dǎo)航技術(shù)、視覺導(dǎo)航技術(shù)、北斗導(dǎo)航技術(shù)等。（3）無人配送車裝載容量設(shè)計圖1為無人配送車車體圖，車體兩邊都可以安裝智能取貨快件箱，車體的半部分長1.2m，寬0.5m，車體載重200kg。（4）無人配送車取貨端設(shè)計采用二維碼掃碼取貨技術(shù)，用戶使用移動終端即手機(jī)端對其進(jìn)行掃描進(jìn)行開箱操作;用戶拿走貨物將箱門關(guān)閉，計算機(jī)獲取關(guān)閉信息，進(jìn)行下一地點配送。無人車通過激光雷達(dá)、相機(jī)、GPS等傳感器實時感知周圍環(huán)境，并根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑規(guī)劃和控制算法自主導(dǎo)航。2.1.2

通信模塊該模塊通過5G網(wǎng)絡(luò)與無人車進(jìn)行通信，實現(xiàn)無人車和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信控制。無人車需要安裝5G通信模塊，以便能夠通過5G網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行通信。服務(wù)器需要設(shè)置5G通信接口，以便能夠與無人車進(jìn)行通信，無人車通過5G通信模塊與服務(wù)器建立連接，并發(fā)送需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。服務(wù)器接收無人車發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理和分析，服務(wù)器根據(jù)處理結(jié)果生成相應(yīng)的命令，通過5G通信接口向無人車發(fā)送命令。無人車接收到服務(wù)器發(fā)送的命令后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如改變行駛速度、方向、停止等。通信模塊需要具備低延遲、高可靠性和高帶寬等特點，以保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。2.1.3

配送中心模塊該模塊是系統(tǒng)的管理中心，主要負(fù)責(zé)無人車的任務(wù)調(diào)度、路徑規(guī)劃、車輛監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理等功能。本文將針對校園獨(dú)有的特點，研究校園無人配送系統(tǒng)總體構(gòu)成。建立校園無人配送整體框架，將該系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器層、任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度層、應(yīng)用層三個層次。然后規(guī)劃設(shè)計了校園無人配送系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備，著重設(shè)計了無人配送車的部分硬件方案。如圖2所示。（1）網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器層網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器共有兩部分組成，分別對應(yīng)兩大功能輸入信息和接收與存儲信息。（2）任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度層任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度層，主要是軟件層也是算法層，屬于整個系統(tǒng)的大腦，它處理外部數(shù)據(jù)，指揮后續(xù)進(jìn)程。（3）應(yīng)用層主要體現(xiàn)在物流階段和用戶收貨階段。物流階段主要應(yīng)用體現(xiàn)在配送中心擁有存儲貨物、訂單處理、分揀、裝載和指揮調(diào)度的功能;用戶收貨階段體現(xiàn)在收貨人與無人配送車之間的人機(jī)交互，完成收貨的過程。配送中心模塊需要實時獲取無人車和用戶的數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)用戶需求和交通狀況等因素進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和路徑規(guī)劃。2.1.4

用戶終端模塊該模塊是用戶接口，用戶可以通過APP、網(wǎng)站等方式提交訂單、查詢配送進(jìn)度和評價服務(wù)等。用戶終端模塊需要提供友好的界面和便捷的操作，以提高用戶體驗和滿意度。2.1.5

充電站模塊由于無人車需要進(jìn)行充電，所以系統(tǒng)需要建設(shè)充電站來保障無人車的正常運(yùn)行。充電站需要根據(jù)無人車的電量和位置等信息進(jìn)行智能調(diào)度和管理，以保證無人車能夠及時充電并維持運(yùn)行。以上是校園無人車配送系統(tǒng)的基本架構(gòu)，具體實現(xiàn)可能還需要結(jié)合具體的場景和需求進(jìn)行優(yōu)化和定制化。設(shè)計基于5G技術(shù)的校園無人車配送系統(tǒng)，包括系統(tǒng)架構(gòu)、通信協(xié)議、傳感器設(shè)備等，并確定系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)路線。2.2

校園無人車配送系統(tǒng)的技術(shù)路線主要內(nèi)容2.2.1

無人車導(dǎo)航和定位技術(shù)無人車需要具備自主導(dǎo)航和定位的能力，才能夠準(zhǔn)確地完成任務(wù)。無人車導(dǎo)航和定位技術(shù)可以采用激光雷達(dá)、相機(jī)、GPS等傳感器進(jìn)行實時感知和定位，同時還需要結(jié)合SLAM（SimultaneousLocalizationandMapping）算法進(jìn)行建圖和路徑規(guī)劃。2.2.2

無人車避障技術(shù)為了保證無人車在行駛過程中的安全，需要對障礙物進(jìn)行檢測和避讓。無人車避障技術(shù)可以采用激光雷達(dá)、相機(jī)等傳感器進(jìn)行環(huán)境感知，并結(jié)合避障算法進(jìn)行實時避讓。2.2.3

無人車控制技術(shù)無人車需要進(jìn)行精確的控制，以保證其行駛的穩(wěn)定性和安全性。無人車控制技術(shù)可以采用PID控制算法或者模型預(yù)測控制算法等方法，實現(xiàn)無人車的精準(zhǔn)控制。2.2.4

5G通信技術(shù)5G技術(shù)可以提供低延遲、高帶寬和高可靠性的通信服務(wù)，為校園無人車配送系統(tǒng)提供了良好的通信基礎(chǔ)。無人車和服務(wù)器之間的通信可以采用5G通信技術(shù)進(jìn)行實時傳輸和控制。2.2.5

任務(wù)調(diào)度和路徑規(guī)劃技術(shù)校園無人車配送系統(tǒng)需要根據(jù)用戶需求和交通狀況等因素進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和路徑規(guī)劃，以最優(yōu)化地完成配送任務(wù)。任務(wù)調(diào)度和路徑規(guī)劃技術(shù)可以采用A*算法、Dijkstra算法等方法進(jìn)行優(yōu)化。2.2.6

用戶終端技術(shù)用戶終端可以采用APP、網(wǎng)站等方式提供用戶接口，以方便用戶提交訂單、查詢配送進(jìn)度和評價服務(wù)等。用戶終端技術(shù)需要提供友好的界面和便捷的操作，以提高用戶體驗和滿意度。3

系統(tǒng)建模與仿真3.1

校園無人車配送系統(tǒng)建模3.1.1

符號定義（1）索引與集合O為派送訂單，O∈0，0為所有未配送訂單集合;μ為無人配送車，μ∈U，U為無人配送車輛集合。（2）模型參數(shù)每一個訂單O存在三個屬性，x表示訂單配送坐標(biāo)，t表示訂單期望配送時間，h表示訂單貨物的大小，h=1表示該訂單為大型貨物，否則h=0;d為訂單i到訂單j的距離;B為每個無人配送車擁有的大型貨物快件箱數(shù)目，B為每個無人配送車擁有的小型貨物快件箱的數(shù)目;T為當(dāng)前的送貨時間段，且每段時間內(nèi)每輛無人配送車只配送一趟;c≥1為超時懲罰系數(shù);若x>0，sgnx=1，否則sgnx=0。μ=1表示選用第i個配送車進(jìn)行配送，否則μ=0。（3）決策變量P=1表示若車輛μ運(yùn)送訂單o后繼續(xù)運(yùn)送訂單o，否則P=0。3.1.2

模

型當(dāng)送貨時段為r時，模型如下：P∈0，1foru∈U，o，o∈0（7）目標(biāo)函數(shù)式（1）表示最小化所有車輛的行駛距離之和。目標(biāo)函數(shù)式（2）表示最小化派送超時懲罰。約束式（3）表示無人配送車配送大件貨物的數(shù)量不超過B，其中∑oP∈0，1且當(dāng)且僅當(dāng)訂單o被車輛u派送時為1。約束式（4）表示每臺無人配送車總共運(yùn)送訂單不超過貨物取件箱大小容量之和B+B。約束式（5）、式（6）表示每個訂單最多被一輛車配送一次，值為0時表示該訂單還暫未被配送。約束式（7）表示決策變量P的取值范圍。3.2

校園無人車配送系統(tǒng)仿真校園無人車配送系統(tǒng)仿真可以采用一些仿真軟件進(jìn)行，如MATLAB、Simulink、V-REP等。具體仿真過程如下：環(huán)境建模：通過仿真軟件建立校園無人車配送系統(tǒng)的環(huán)境模型，包括校園道路、建筑物、交通規(guī)則等。車輛建模：建立無人車的模型，包括車體、傳感器、控制系統(tǒng)等，通過仿真軟件對車輛進(jìn)行仿真。任務(wù)建模：建立校園內(nèi)的任務(wù)模型，包括任務(wù)的數(shù)量、類型、位置等，通過仿真軟件對任務(wù)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)控制建模：建立校園無人車配送系統(tǒng)的控制模型，包括任務(wù)調(diào)度、路徑規(guī)劃、避障控制等，通過仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真運(yùn)行：將任務(wù)分配給無人車進(jìn)行配送，通過仿真軟件模擬無人車的行駛過程，觀察無人車是否能夠效果和性能。仿真結(jié)果分析：通過仿真軟件輸出仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，分析校園無人車配送系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如任務(wù)完成率、配送時間、能耗等。優(yōu)化設(shè)計：根據(jù)仿真結(jié)果分析，對校園無人車配送系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，包括無人車的數(shù)量、配送路線、控制策略等。通過仿真，可以模擬實際環(huán)境下的校園無人車配送系統(tǒng)，減少了開發(fā)過程中的試錯成本，優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計，并且能夠提供量化的性能指標(biāo)，為系統(tǒng)的實現(xiàn)和部署提供了依據(jù)。4

系統(tǒng)實施與測試在校園內(nèi)建立系統(tǒng)原型，測試系統(tǒng)的各項功能和性能，分析系統(tǒng)的可行性和可靠性，完善系統(tǒng)設(shè)計。4.1

建立校園無人車配送系統(tǒng)原型步驟4.1.1

確定系統(tǒng)需求根據(jù)校園實際情況和需求，確定系統(tǒng)的功能、性能和安全等要求。4.1.2

選取無人車型號根據(jù)校園無人車配送系統(tǒng)的需求，選擇合適的無人車型號。4.1.3

搭建物理模型根據(jù)無人車的型號，選擇相應(yīng)的底盤、電機(jī)、傳感器等組件，搭建出無人車的物理模型。4.1.4

開發(fā)控制軟件根據(jù)校園無人車配送系統(tǒng)的需求，開發(fā)控制軟件，實現(xiàn)路徑規(guī)劃、避障控制、任務(wù)調(diào)度等功能。4.1.5

部署無人車配送系統(tǒng)將搭建好的無人車和開發(fā)好的控制軟件進(jìn)行整合，部署在校園內(nèi)，進(jìn)行測試和調(diào)試。4.1.6

測試和優(yōu)化對部署好的無人車配送系統(tǒng)進(jìn)行測試和優(yōu)化，包括無人車的運(yùn)行穩(wěn)定性、配送效率、能耗等指標(biāo)。通過建立校園無人車配送系統(tǒng)原型，可以測試系統(tǒng)的功能和性能，驗證控制軟件的正確性和有效性，并對無人車配送系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高系統(tǒng)的可靠性和實用性。4.2

校園無人車配送系統(tǒng)可行性分析校園無人車配送系統(tǒng)的可行性分析主要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會等方面進(jìn)行分析。4.2.1

技術(shù)可行性分析隨著5G技術(shù)的發(fā)展和無人車技術(shù)的成熟，校園無人車配送系統(tǒng)的技術(shù)可行性得到了保證?，F(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)能夠支持無人車的實時通信和避障控制，同時無人車技術(shù)在實際應(yīng)用中也得到了驗證，證明了技術(shù)的可行性。4.2.2

經(jīng)濟(jì)可行性分析校園無人車配送系統(tǒng)能夠提高配送效率，減少人工成本，降低能耗，對校園管理和運(yùn)營成本也有積極的影響。雖然初期投資較大，但長期運(yùn)營收益可觀，因此從經(jīng)濟(jì)角度來看，校園無人車配送系統(tǒng)的可行性得到了保證。4.2.3

社會可行性分析校園無人車配送系統(tǒng)不僅能夠提高配送效率，減少人力資源浪費(fèi)，還可以減少交通擁堵和環(huán)境污染等社會問題。同時，校園無人車配送系統(tǒng)還可以為校園內(nèi)的學(xué)生和教職工提供更加便利和高效的服務(wù)，因此從社會角度來看，校園無人車配送系統(tǒng)的可行性也得到了保證。綜上所述，校園無人車配送系統(tǒng)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會等方面均具備可行性，但需要充分考慮系統(tǒng)的實際應(yīng)用場景和需求，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的實用性和可靠性。5

案例分析與應(yīng)用在校園內(nèi)選取一定的區(qū)域，進(jìn)行實際的應(yīng)用測試，分析系統(tǒng)在實際應(yīng)用場景下的表現(xiàn)和優(yōu)化方案。本文以青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院為案例，設(shè)計了一套基于5G技術(shù)的校園無人車配送系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了仿真和系統(tǒng)原型建立。該校園無人車配送系統(tǒng)旨在提高校園內(nèi)的配送效率和服務(wù)質(zhì)量，同時減少人力和能源成本。首先，進(jìn)行了場地勘察和數(shù)據(jù)采集，以確定校園內(nèi)的配送需求和可行的無人車路徑。然后，設(shè)計了一套無人車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無人車的自主行駛、路徑規(guī)劃和環(huán)境感知等功能。在無人車控制系統(tǒng)中，采用了基于5G技術(shù)的通信模塊，實現(xiàn)無人車與服務(wù)器之間的實時通信和數(shù)據(jù)交互。其次，利用仿真軟件對校園無人車配送系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。在仿真中，考慮了各種因素，如無人車的速度、配送任務(wù)的優(yōu)先級和時限、路線規(guī)劃等，以評估系統(tǒng)的性能和效果。最后，利用校園內(nèi)的實際場景和數(shù)據(jù)