自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備選型

喬冠翔 王淼 孫敬 王軍

摘要：水平運(yùn)輸設(shè)備對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)效率影響較大。對(duì)自動(dòng)化碼頭常用水平運(yùn)輸設(shè)備AGV及跨運(yùn)車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)、劣勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目前AGV通用性較強(qiáng)。針對(duì)AGV及L-AGV與軌道吊間的不同耦合方式，總結(jié)出各自?xún)?yōu)勢(shì)及適用情況，并對(duì)洋山四期水平運(yùn)輸設(shè)備選型案例進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化集裝箱碼頭;水平運(yùn)輸設(shè)備;選型

引言

隨著船舶大型化及貨物集裝化的趨勢(shì)，集裝箱碼頭規(guī)模越來(lái)越大，越來(lái)越多的碼頭采用自動(dòng)化設(shè)備來(lái)提高集裝箱操作效率降低成本。本文研究的碼頭是一種新型自動(dòng)化集裝箱碼頭，不同于一般碼頭的柔性運(yùn)輸系統(tǒng)，該碼頭的水平運(yùn)輸系統(tǒng)是剛性的，所有的設(shè)備在其相應(yīng)的軌道上運(yùn)作，所以其調(diào)度不同于現(xiàn)有的碼頭系統(tǒng)。系統(tǒng)靈活性變差，對(duì)調(diào)度的要求更高。

1碼頭水平運(yùn)輸區(qū)域整體布局

AGV路徑規(guī)劃與碼頭平面布局規(guī)劃密切相關(guān)，青島港自動(dòng)化集裝箱碼頭采用的整體布局方案為：岸橋后大梁下布置7條平行于岸線方向的高速車(chē)道，其中3條為通行車(chē)道，僅用于AGV穿越通行，其余4條為岸橋與AGV進(jìn)行集裝箱交互作業(yè)車(chē)道，每條車(chē)道寬4m。車(chē)道后方為水平緩沖區(qū)，垂直于岸線布局，數(shù)量同泊位寬度成正比，每條車(chē)道寬約8m，主要用于停放等待作業(yè)的AGV。水平緩沖區(qū)后方是6條高速行駛車(chē)道，平行于岸線方向布置，用于AGV在岸邊和堆場(chǎng)之間高速運(yùn)輸集裝箱。高速車(chē)道后方是堆場(chǎng)海側(cè)交互區(qū)，每個(gè)海側(cè)交互區(qū)有5條垂直于岸線方向的車(chē)道，每條車(chē)道寬約5m，主要用于AGV和堆場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行集裝箱收發(fā)交互作業(yè)，AGV路徑規(guī)劃的基本工況為：AGV從堆場(chǎng)收箱后送至岸橋，需要經(jīng)過(guò)海側(cè)交互區(qū)、高速車(chē)道、水平緩沖區(qū)和岸橋下通行車(chē)道到達(dá)指定交互作業(yè)車(chē)道;AGV從岸橋下收箱完成后送至堆場(chǎng)，需要經(jīng)過(guò)岸橋下通行車(chē)道、水平緩沖區(qū)、高速車(chē)道到達(dá)指定的海側(cè)交互區(qū)作業(yè)車(chē)道;AGV從堆場(chǎng)收箱后去另一堆場(chǎng)送箱需要經(jīng)過(guò)海側(cè)交互區(qū)和高速車(chē)道。

2自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備方案比選

2.1L-AGV方案與AGV+伴侶方案伴侶比較

AGV有兩種形式，一種帶有舉升裝置（即L-AGV），另一種不帶舉升裝置。L-AGV能夠增強(qiáng)軌道吊間的耦合能力，減少AGV及ARMG等待時(shí)間，從而減少AGV的配置數(shù)量，提高堆場(chǎng)的整體裝卸效率。但其缺點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上增設(shè)1套舉升機(jī)構(gòu)，使自質(zhì)量增加近5t，能耗相應(yīng)增加。特別是對(duì)電動(dòng)AGV而言，這不僅增加了電耗，還會(huì)縮短AGV（與帶相同容量電池組相比）的可持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，降低AGV的利用率。采用不帶舉升裝置的AGV（如振華為廈門(mén)遠(yuǎn)海碼頭提供的采用不帶舉升功能的AGV與AGV伴侶的組合方式），將舉升裝置安置在交接區(qū)的支架上，實(shí)現(xiàn)AGV與軌道吊的快速交接。以上形式雖然可以降低AGV自身質(zhì)量，減小能源消耗，但每個(gè)交接區(qū)都要安裝AGV伴侶和動(dòng)力電源，故障率較高，初期投資較大。將L-AGV與AGV+伴侶模式做進(jìn)一步比較，第1種模式將舉升裝置設(shè)置在整機(jī)上，第2種模式將舉升裝置設(shè)置在海側(cè)交換區(qū)。一旦發(fā)生故障，首選處理方案為放棄舉升方式，令軌道吊直接對(duì)AGV進(jìn)行作業(yè)。但就日常維修而言，L-AGV的優(yōu)勢(shì)明顯大于AGV伴侶，AGV可以自動(dòng)開(kāi)回維修區(qū)，維修工人可以在維修車(chē)間對(duì)其進(jìn)行修理。對(duì)比之下，第2種模式不得不終止其所在堆場(chǎng)的作業(yè)，并進(jìn)行維修，這對(duì)前場(chǎng)作業(yè)效率的影響較大。

2.2洋山四期水平運(yùn)輸設(shè)備方案選擇

AGV+伴侶模式與L-AGV模式的作業(yè)方式及特點(diǎn)均能夠滿(mǎn)足洋山四期對(duì)水平運(yùn)輸機(jī)械的基本需求，對(duì)于開(kāi)港初期箱量相對(duì)較少的情況而言，這兩種模式都能夠有效運(yùn)作。但是，洋山四期年吞吐量設(shè)計(jì)為630萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，開(kāi)港后港區(qū)箱量將會(huì)逐年攀升，最終達(dá)到設(shè)計(jì)值。此時(shí)，在高負(fù)荷的作業(yè)狀態(tài)下，AGV+伴侶模式難以在碼頭海側(cè)交換區(qū)與軌道吊實(shí)現(xiàn)較好的耦合效果。此外，額外增加的AGV數(shù)量會(huì)導(dǎo)致投資成本大幅上升。相較而言，L-AGV模式不僅能夠有效地解決AGV與海側(cè)軌道吊耦合的問(wèn)題，還能夠迎合高效率、低成本等碼頭經(jīng)營(yíng)理念。綜上，洋山四期在水平運(yùn)輸方式上選用了L-AGV方案。在今后的發(fā)展中，L-AGV模式勢(shì)必憑借其優(yōu)越性，成為自動(dòng)化裝卸模式的發(fā)展趨勢(shì)。

3AGV路徑規(guī)劃重點(diǎn)解決思路和方法

3.1作業(yè)任務(wù)劃分

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)碼頭和自動(dòng)化集裝箱碼頭海側(cè)區(qū)域生產(chǎn)作業(yè)方式進(jìn)行研究，總結(jié)出AGV的作業(yè)任務(wù)類(lèi)型主要分為收箱和送箱。根據(jù)AGV收送箱與岸橋和堆場(chǎng)海側(cè)交互區(qū)的作業(yè)情況不同，因此水平運(yùn)輸設(shè)備控制系統(tǒng)必須具備以下路徑規(guī)劃的功能：1）在任意AGV運(yùn)行區(qū)域?qū)GV去堆場(chǎng)海側(cè)交互區(qū)或岸橋交互區(qū)收箱和送箱作業(yè)進(jìn)行路徑規(guī)劃;2）不考慮單、雙箱起始目標(biāo)箱門(mén)方向和最終目標(biāo)箱門(mén)方向，規(guī)劃AGV最短行駛路徑;3）綜合考慮單、雙箱起始目標(biāo)箱門(mén)方向和最終目標(biāo)箱門(mén)方向，規(guī)劃AGV調(diào)整箱門(mén)的路徑;4）AGV在行駛過(guò)程中，遇到異常情況，需要對(duì)從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的路徑進(jìn)行重新規(guī)劃。

3.2車(chē)道狀態(tài)劃分

根據(jù)自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸場(chǎng)地的布局特點(diǎn)，在水平運(yùn)輸系統(tǒng)中將AGV運(yùn)行區(qū)域劃分為4大部分：岸橋交互區(qū)、水平緩沖區(qū)、高速車(chē)道運(yùn)行區(qū)和海側(cè)交互區(qū)，系統(tǒng)分別對(duì)各區(qū)域的每條車(chē)道位置、行駛方向、作業(yè)屬性及充電狀態(tài)等信息進(jìn)行定義，在系統(tǒng)層面將車(chē)道狀態(tài)劃分為空閑、申請(qǐng)、占用和禁用共4種，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)道狀態(tài)的綜合管理來(lái)實(shí)現(xiàn)AGV目標(biāo)位置的路徑規(guī)劃。當(dāng)車(chē)道處于空閑狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)允許AGV申請(qǐng)?jiān)撥?chē)道;申請(qǐng)成功后，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)任務(wù)規(guī)劃AGV的最優(yōu)行駛路徑，使其到達(dá)目標(biāo)車(chē)道;隨后系統(tǒng)將車(chē)道狀態(tài)修改為占用;等待AGV離開(kāi)后，車(chē)道釋放變成空閑狀態(tài)。在車(chē)道的4種狀態(tài)中，空閑和占用狀態(tài)的車(chē)道能被設(shè)置成禁用狀態(tài)，但申請(qǐng)狀態(tài)的車(chē)道不允許設(shè)置禁用狀態(tài);就系統(tǒng)層面而言，不允許AGV申請(qǐng)禁用狀態(tài)的車(chē)道，也不允許該車(chē)道的AGV申請(qǐng)其他空閑車(chē)道。

3.3水平緩沖區(qū)選擇

選擇水平緩沖區(qū)車(chē)道首先考慮的因素是岸橋大車(chē)的位置，系統(tǒng)根據(jù)岸橋大車(chē)位置、岸橋交互區(qū)車(chē)流循環(huán)方向的設(shè)定、岸橋擁擠程度和AGV設(shè)備的轉(zhuǎn)彎半徑等因素，綜合計(jì)算得出AGV進(jìn)入和駛出岸橋交互區(qū)的最佳水平緩沖區(qū)車(chē)道?？蓪⒕嚯x岸橋中心前后一定距離多條水平緩沖區(qū)車(chē)道設(shè)置為AGV進(jìn)、出車(chē)道，距離的設(shè)置同岸橋下各AGV位置相關(guān)，若需要轉(zhuǎn)出的AGV相鄰車(chē)道未被申請(qǐng)占用，該距離可設(shè)置為AGV最小轉(zhuǎn)彎半徑;若相鄰車(chē)道存在AGV或已經(jīng)被申請(qǐng)占用，該距離的設(shè)置須考慮AGV間的安全避讓?zhuān)O(shè)置為AGV最小轉(zhuǎn)彎半徑加1個(gè)AGV車(chē)身長(zhǎng)度。確定第1個(gè)進(jìn)、出車(chē)道后，向兩邊各順延5條車(chē)道作為緩沖通行車(chē)道，并始終保留1條車(chē)道作為備用通行車(chē)道。當(dāng)出現(xiàn)岸橋肩并肩作業(yè)時(shí)，被另一岸橋遮擋的進(jìn)、出車(chē)道將重新選擇。此種設(shè)計(jì)能夠拓寬水平緩沖區(qū)進(jìn)、出車(chē)道的選擇范圍，保障車(chē)道的最優(yōu)選擇。

結(jié)語(yǔ)

以啟發(fā)式仿真優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，研究了新型自動(dòng)化立體碼頭的中間運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)備動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題。該方法能夠非枚舉地從所有可能的動(dòng)態(tài)調(diào)度方案中搜到最佳方案，為碼頭的合理動(dòng)態(tài)調(diào)度提供了科學(xué)的依據(jù)。雖然對(duì)啟發(fā)式仿真優(yōu)化算法作了系統(tǒng)的研究，使用該方法也能得到較好的結(jié)果，但是由于碼頭系統(tǒng)的復(fù)雜性和隨機(jī)性，還有諸如仿真模型對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的逼近程度等方面的問(wèn)題有待進(jìn)一步提高。

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