廣州港南沙港區(qū)四期工程岸橋與智能導(dǎo)引車自動裝卸交互方案應(yīng)用

黃炳林 劉政剛

我國已經(jīng)建成投產(chǎn)的全自動化集裝箱碼頭岸邊裝卸作業(yè)大多采用自動化雙小車岸橋和軌后裝卸模式，水平運輸作業(yè)采用基于磁釘導(dǎo)航定位技術(shù)的自動導(dǎo)引車;而廣州港南沙港區(qū)四期工程（以下簡稱“四期工程”）建成的全自動化集裝箱碼頭岸邊裝卸作業(yè)采用自動化單小車岸橋和軌內(nèi)裝卸模式，水平運輸作業(yè)采用基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位、慣性導(dǎo)航定位等融合導(dǎo)航定位技術(shù)的智能導(dǎo)引車（intelligent guided vehicle，IGV）。鑒于此，我國已建成的全自動化集裝箱碼頭的岸橋與水平運輸機械交互方案無法應(yīng)用于四期工程，必須另行設(shè)計適用于四期工程的岸橋與IGV自動裝卸交互方案。

1 IGV自動導(dǎo)航定位存在的問題

四期工程IGV采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位和慣性導(dǎo)航定位等融合導(dǎo)航定位技術(shù)，裝備多種安全保護機構(gòu)和輔助機構(gòu)，能夠在相對封閉的港區(qū)內(nèi)沿規(guī)劃路徑自動行駛。集多種導(dǎo)航定位技術(shù)于一體的融合導(dǎo)航定位精度滿足岸橋與IGV自動裝卸交互要求，但某些特殊情況可能會影響IGV定位精度，主要包括：（1）當(dāng)多臺岸橋并排作業(yè)時，衛(wèi)星定位信號減弱，從而影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度;（2）激光導(dǎo)航定位利用岸橋下方物理圍網(wǎng)立柱作為激光定位桿，當(dāng)多臺IGV帶箱在岸橋下方并行時，激光定位桿可能會被IGV遮擋，從而影響激光導(dǎo)航定位精度;（3）地面積水或定位標(biāo)志污損可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法識別地面視覺定位標(biāo)志，從而影響視覺導(dǎo)航定位精度。當(dāng)多種導(dǎo)航定位系統(tǒng)同時失效時，導(dǎo)航定位精度無法滿足岸橋與IGV自動裝卸交互要求，需要采取其他輔助技術(shù)手段。

2 四期工程岸橋與IGV自動裝卸交互主要系統(tǒng)

四期工程岸橋與IGV自動裝卸交互主要系統(tǒng)包括岸橋大車定位系統(tǒng)、岸橋小車定位系統(tǒng)、岸橋吊具檢測系統(tǒng)和水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)等（見圖1）。

2.1 岸橋大車定位系統(tǒng)

在岸橋陸側(cè)大車上安裝磁釘天線，并沿岸橋陸側(cè)軌道方向鋪設(shè)磁釘，通過磁釘位置信息獲取岸橋大車位置，從而獲取岸橋與IGV交互的目標(biāo)位置。

2.2 岸橋小車定位系統(tǒng)

在岸橋小車架上安裝磁尺式天線，并沿岸橋小車軌道方向布設(shè)磁釘。當(dāng)岸橋小車運行時，通過天線獲取的磁釘位置信息確定小車位置，并根據(jù)設(shè)備控制系統(tǒng)選定的IGV在岸橋軌內(nèi)的作業(yè)車道調(diào)整小車目標(biāo)位置。

2.3 岸橋吊具檢測系統(tǒng)

岸橋吊具檢測系統(tǒng)用于檢測岸橋吊具位置。在岸橋小車架上安裝1臺近紅外相機，并在吊具上安裝3套光源設(shè)備，利用吊具檢測系統(tǒng)工控機處理數(shù)據(jù)，計算吊具空間位置和姿態(tài)，從而獲取吊具位置信息。

2.4 水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)

2.4.1 系統(tǒng)布置

傳統(tǒng)集裝箱碼頭水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要用于人工駕駛集卡導(dǎo)航定位;而四期工程采用無人駕駛IGV，加之岸橋軌內(nèi)車道布置也有別于傳統(tǒng)集裝箱碼頭，因而需要配備相適應(yīng)的水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)。四期工程水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)用于引導(dǎo)IGV在岸橋下精準(zhǔn)停車，掃描IGV或IGV上的集裝箱位置，便于岸橋?qū)GV實施集裝箱裝卸作業(yè)，從而縮短岸橋下IGV裝卸時間，提高裝卸效率。如圖2所示，四期工程岸橋軌內(nèi)布置7條車道，其中：海側(cè)第1條車道為工作通道，海側(cè)第2～7條車道為IGV作業(yè)和行車車道;第1條車道與第2條車道之間設(shè)置物理圍網(wǎng)，用于隔離自動化設(shè)備與非自動化設(shè)備。為了確保水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)的覆蓋范圍和IGV導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性，在岸橋每條聯(lián)系梁上各安裝2套三維激光掃描器，組成2套水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)，用于第2～7條車道IGV導(dǎo)航定位。

2.4.2 系統(tǒng)與IGV通信

傳統(tǒng)集卡由司機駕駛操作;而IGV為無人駕駛設(shè)備，需要解決水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)與IGV通信問題。為此，對比研究以下2種通信方案：方案一采用系統(tǒng)層面通信模式，相應(yīng)通信流程見圖3;方案二采用超寬帶通信模式，相應(yīng)通信流程見圖4。超寬帶通信模式的實現(xiàn)方式如下：在岸橋左右聯(lián)系梁上各安裝1個超寬帶信號發(fā)射模塊，并接入水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng);在每臺IGV前后各安裝1個超寬帶信號接收模塊;超寬帶通信模塊的有效通信距離大于，信號發(fā)送時間間隔約為2 ms。經(jīng)測試：系統(tǒng)層面通信模式延時較長，不滿足使用要求;超寬帶通信模式延時較短，滿足使用要求。鑒于此，四期工程選擇超寬帶通信模式作為水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)與IGV通信模式。

3 四期工程岸橋與IGV自動裝卸交互方案

3.1 確認(rèn)岸橋作業(yè)位置

將靠泊船舶信息錄入碼頭操作系統(tǒng)。通過岸橋大車定位系統(tǒng)獲取大車位置，遠程控制岸橋大車行走至作業(yè)貝位。岸橋大車到達作業(yè)貝位的合適位置后，在操作界面實施確認(rèn)操作，并將相關(guān)信息發(fā)送至設(shè)備控制系統(tǒng)、岸橋管理系統(tǒng)和岸橋自動控制系統(tǒng)。

3.2 IGV運行至交互岸橋下方目標(biāo)位置

（1）IGV向交互岸橋方向運行。在碼頭操作系統(tǒng)中確認(rèn)需要與岸橋交互的IGV及其行車和作業(yè)車道，將相關(guān)信息發(fā)送至設(shè)備控制系統(tǒng)。設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送信息至車隊管理系統(tǒng)，車隊管理系統(tǒng)控制IGV自動運行至岸橋下方距離岸橋25 m左右位置并減速。此時，IGV利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位、慣性導(dǎo)航定位中的1種或多種定位技術(shù)實現(xiàn)粗略定位。

（2）IGV在交互岸橋下方目標(biāo)位置精準(zhǔn)停車。IGV利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位中的任意2種定位技術(shù)實施定位，停車精度達到50 mm。特殊情況下，IGV也可利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光導(dǎo)航定位、視覺導(dǎo)航定位中的1種定位技術(shù)或慣性導(dǎo)航定位技術(shù)實施定位，向交互岸橋下方目標(biāo)位置靠近。IGV駛?cè)雽?yīng)作業(yè)岸橋水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)有效掃描范圍后，水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)將掃描獲取的IGV和集裝箱信息以及岸橋大車行走方向IGV停車位置與目標(biāo)位置的差值（見圖5）發(fā)送至超寬帶通信模塊;超寬帶通信模塊向有效信號范圍內(nèi)的所有IGV發(fā)送相關(guān)信號;IGV自動駕駛系統(tǒng)接收相關(guān)信號后，通過可編程邏輯控制器控制IGV行走或停車。隨著水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)不斷掃描并將IGV位置與目標(biāo)位置的差值發(fā)送至IGV自動駕駛系統(tǒng)，自動駕駛系統(tǒng)不斷調(diào)整IGV行車路徑并控制IGV減速。當(dāng)差值接近50 cm時，IGV速度減至最慢。現(xiàn)場實測結(jié)果顯示：受輪胎磨損情況、IGV載箱狀態(tài)以及水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)掃描精度和處理延時等因素的影響，定位偏差在35 mm內(nèi)。當(dāng)差值小于15 mm時，IGV執(zhí)行制動停車命令，從而確保IGV在岸橋大車運行方向的停車位置與目標(biāo)位置的差值不超過50 mm。

3.3 岸橋與IGV自動裝卸交互

3.3.1 裝箱交互

IGV上裝有導(dǎo)板，導(dǎo)板斜面沿岸橋大車運行方向和小車運行方向的垂直投影長140 mm。只要IGV在岸橋大車運行方向偏離目標(biāo)位置不超過140 mm，岸橋吊具均可將集裝箱放到IGV上，從而覆蓋IGV停車精度。IGV在岸橋下裝箱對應(yīng)的船舶工藝為卸船作業(yè)。IGV空載運行至岸橋下的目標(biāo)位置后，岸橋自動控制系統(tǒng)接收來自IGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)或水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)（僅限當(dāng)IGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)不滿足定位要求時）的IGV空車位置信號，并確認(rèn)將集裝箱裝到IGV上的某個位置。岸橋先從船上抓取集裝箱，再通過吊具檢測系統(tǒng)檢測吊具位置，自動調(diào)整吊具將集裝箱放至系統(tǒng)設(shè)定的IGV上，從而實現(xiàn)岸橋與IGV自動裝箱交互。

3.3.2 卸箱交互

岸橋吊具導(dǎo)板喇叭口直徑約為150 mm，導(dǎo)板能使吊具位移150 mm，可以實現(xiàn)IGV沿岸橋大車運行方向偏離目標(biāo)位置75 mm以內(nèi)岸橋吊具對IGV上集裝箱的抓取，從而覆蓋IGV停車精度。IGV在岸橋下卸箱對應(yīng)的船舶工藝為裝船作業(yè)。IGV帶箱運行至岸橋下的目標(biāo)位置后，岸橋自動控制系統(tǒng)接收來自IGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)或水平運輸導(dǎo)航定位系統(tǒng)（僅限當(dāng)IGV導(dǎo)航定位系統(tǒng)不滿足定位要求時）的IGV上集裝箱位置信息，通過吊具檢測系統(tǒng)檢測吊具位置，自動調(diào)整吊具與集裝箱的相對位置，控制吊具抓取IGV上的集裝箱;抓取集裝箱后，岸橋自動控制系統(tǒng)控制吊具帶箱起升，完成IGV卸箱;集裝箱起升到一定高度后，IGV駛離岸橋下，完成岸橋與IGV自動卸箱交互。

4 結(jié)束語

四期工程采用自動化單小車岸橋?qū)崿F(xiàn)與IGV自動裝卸交互，大大降低設(shè)備投入成本和土建工程成本。我國傳統(tǒng)集裝箱碼頭大多使用單小車岸橋，在對傳統(tǒng)集裝箱碼頭實施岸橋與IGV自動裝卸交互升級改造時，無須改造碼頭軌道梁基礎(chǔ)，從而可大大節(jié)約投資成本，縮短改造工期。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2022-04-28）