AGV 裝卸位非平行于岸線的前沿作業區布置設計

金建明，夏 劍

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

引言

裝卸工藝系統設計是自動化集裝箱碼頭規劃設計的“龍頭”，對整個碼頭的功能實現和生產效率起著決定性作用[1]。自動化集裝箱碼頭前沿作業區的布局設計直接影響到碼頭系統作業效率及碼頭陸域縱深的需求。本文在總結目前國內外自動化集裝箱碼頭前沿作業區布局設計特點的基礎上，創新性地提出了一種AGV 裝卸位非平行于碼頭岸線的前沿作業區布局，可為未來集裝箱碼頭的規劃設計提供參考。

1 自動化集裝箱碼頭前沿作業區常規布置

傳統集裝箱碼頭的港內水平運輸設備多數采用在岸橋大車軌間進行裝卸作業的方式，此方式通常要求水平運輸設備排隊從船尾方向進入船頭方向離開，且裝卸完成后須向前繞行駛向堆場，從而影響裝卸效率。為了規避上述布置方式的缺點，當前國內外已經實施的以AGV 作為水平運輸設備且堆場垂直于岸線的自動化集裝箱碼頭，其前沿作業區通常布置在岸橋陸側軌后區域；該作業區在縱向方向從海側向陸側依次劃分為裝卸區、緩沖區和高速道區三大區域[2-3]，見圖1。

圖1 典型AGV 前沿作業區域劃分示意圖

上述布置方式中，AGV 從前沿裝卸區駛向堆場目標裝卸位，單程通常至少要經過3 個轉彎。其中，與裝卸道和通行道互相垂直的緩沖區的布置方式[4]，作為實現整個裝卸過程的必經之路，增加了AGV 轉彎次數，不僅造成了AGV 循環能耗的增加[5]，而且也不利于AGV 效率的提升[6]，更是前沿作業區寬度占用大的主要原因之一。

這種典型的AGV 前沿作業區布置方式，雖然實現了裝卸區內AGV 車長方向與岸線保持平行，但是該區域占地面積通常較大。以近年國內建成的洋山四期、青島新前灣自動化碼頭為例，其對應的占用寬度如表1 所示。

表1 岸橋陸側軌至堆場裝卸位的距離

從表1 可以看出，前沿作業區的寬度為123～125 m，而傳統集裝箱碼頭前沿作業區的寬度通常只有40～50 m，因此該種布置形式對碼頭場地的占用面積要遠遠高于傳統碼頭[7]。

2 裝卸位非平行于岸線的作業區布置方式

2.1 裝卸設備配置

目前現有雙小車岸橋的主小車或門架小車在水平面內的主運動方向均垂直于岸線，在平行岸線方向上吊具只能實現厘米級的微量位移；自動化碼頭普遍使用的AGV 僅能沿車長方向直線行走、斜行或轉彎，而無90 °橫向行走功能。

為滿足AGV 裝卸位非平行于岸線的裝卸作業要求，結合現有岸橋和AGV 已經具有的功能特點，裝卸設備和水平搬運設備的功能配置需要考慮作如下改變：

1）在岸橋小車或吊具上增加0～180 °回轉功能，以實現吊具下的集裝箱可回轉至相應的角度，并在岸橋小車或吊具上增加厘米級橫向移動的功能，以實現在不移動或少移動岸橋大車時實現對地面多個AGV 的裝卸作業；

2）在AGV 上增加橫向行走功能，以實現AGV的橫移功能。

2.2 前沿作業區布置

前沿作業區從海側向陸側依次布置為裝卸區、低速進出區和高速道區三個區域，典型布置圖見圖2 所示。

圖2 前沿作業區劃分示意圖

1）裝卸區布置

裝卸區由一系列并排布置的裝卸位組成。根據裝卸位與岸線之間所形成的夾角不同，AGV 非平行于岸線的裝卸位可具體分為兩種典型形式：一種是AGV 裝卸位與岸線垂直（即夾角=90 °），另一種是AGV 裝卸位與岸線呈銳角（即0 °＜夾角＜90 °）。

受AGV 自身寬度及運行避障要求，相鄰裝卸位間隔不宜小于4 m。裝卸位的長度需充分考慮AGV 轉彎進出的空間要求。受到岸橋結構尺寸限制，同一臺岸橋下可分配作業的裝卸位數量不宜過多。附近未被占用的裝卸位可作為臨時緩沖區使用。

裝卸區的寬度與AGV 裝卸位與岸橋夾角的大小密切相關。當AGV 裝卸位垂直于岸線時，裝卸區的寬度約26 m；當AGV 裝卸位與岸線呈銳角時，所需的裝卸區寬度將會更小些。

AGV 進出裝卸位的方式與AGV 是否具有橫向行走功能具有密切關系。可分兩種以下情況：

①當AGV 無橫向行走功能時，AGV 只能沿裝卸位方向進出。雖然附近未被占用的空閑裝卸位可以兼用作臨時緩沖位，但由于AGV 無橫移功能，當該處AGV 被調用時，只能原路后退離開臨時緩沖位后再進入指定裝卸位。圖3 是AGV 沿一定夾角進出某一裝卸位的示意圖。需要注意的是，AGV以小夾角進出裝卸位時會影響到較多的區域，因此夾角不宜過小。

圖3 AGV 進出裝卸位方式1 示意圖

當AGV 無橫向行走時，岸橋吊具所需的橫移距離與裝卸位夾角大小和大車不動時所要求覆蓋的裝卸區域密切相關。以AGV 裝卸位與岸線夾角α=45 °為例（見圖4），在滿足岸橋能作業相鄰AGV上的前20 尺和后20 尺箱的工況條件下，岸橋吊具需沿岸線方向的橫移范圍L1=±5.5 m 左右。當AGV 裝卸位與岸線夾角α 越小，滿足相鄰裝卸位裝卸所需的岸橋吊具橫移范圍值L1 就越大；反之，當夾角α 越大，則所需的岸橋吊具橫移范圍值L1就越小。考慮岸橋門框結構尺寸的限制，裝卸位與岸線的夾角不宜過小。

圖4 裝卸位呈45°夾角時的布置示意圖

因此，綜合考慮AGV 進出裝卸位便利性及岸橋吊具橫移范圍等因素，AGV 裝卸位與岸線的夾角不宜過小，以垂直岸線為最佳。

②當AGV 具有橫向行走功能時，同一臺岸橋所能覆蓋的裝卸位將不再完全受限于岸橋吊具的最大橫移范圍，對AGV 的調度也將更加靈活。如果岸橋所覆蓋區域的某一裝卸位正好空閑時，AGV可直接進入該空閑裝卸位進行裝卸作業，任務完成后再后退離開。如果岸橋吊具覆蓋區域內的裝卸位全被占用時，此時AGV 可先進入附近的臨時緩沖位，然后按先進先出原則通過AGV 橫移方式從側面到達裝卸位，裝卸完成后再后退離開裝卸位（見圖5）。

圖5 AGV 進出裝卸位方式2 示意圖

因此，在AGV 具有橫移功能的作業模式下，AGV 的進出方式更為靈活，但也對AGV 的路徑規劃和調度協調能力提出了更高的要求[8]。

2）高速通道區布置

高速通道是岸橋與堆場之間水平運輸的主干道。高速通道一般仍按雙向6 車道布置，總寬度約為26 m。

3）低速進出區布置

為盡量減少或避免AGV 進出裝卸區時與高速道區產生互相等待或干擾，在裝卸區與高速道區之間設置了低速進出通道區。在裝卸作業繁忙時期，低速進出道也可兼作AGV 轉彎進入裝卸位前的緩沖等待位。低速進出區一般可考慮按雙向兩車道布置。單車道寬度為4 m，總寬度為8 m。

通過上述裝卸區、高速通道區和低速進出區的布置，岸橋陸側軌至堆場裝卸位之間的寬度約為104 m，比現有AGV 裝卸位平行于岸線的布局方式可節約20 m 左右。即在同等規模碼頭條件下，前沿作業區的占地面積可比現有碼頭節省16 %；或者說，在同等碼頭縱深條件下，可比現有碼頭增加約7 %的堆場容量。

2.3 對AGV 循環效率和能耗的影響

與目前普遍采用的AGV 裝卸位平行于岸橋的前沿作業區循環路徑（見圖6）相比，采用AGV 裝卸位非平行于岸線的前沿作業區循環路徑（見圖7）可以顯著減少轉彎次數、縮短循環路徑、提高效率和降低能耗。經粗略估算，在某一循環路徑下，后者AGV 的循環距離可減少12 %，轉彎次數減少33 %，循環效率提高15 %，相應可節約能耗13 %。

圖6 裝卸位平行于岸線的AGV 循環路徑示意圖

圖7 裝卸位非平行于岸線的AGV 循環路徑示意圖

3 結語

AGV 裝卸位非平行于岸線方向的前沿作業區布置，不僅克服了傳統碼頭前沿作業水平運輸設備在岸橋軌間排隊進出、裝卸前后需從船尾、船頭方向繞行進出作業區的不足，而且在繼承了自動化集裝箱碼頭AGV 在岸橋軌后作業能快速進出裝卸位的優點的基礎上，進一步減少了AGV 的轉彎次數，縮短了AGV 的循環路徑，提高了AGV 的運行效率，節約了土地或提高了堆場通過能力，具有顯著的經濟效益。