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集裝箱碼頭AGV概述
隨著集裝箱碼頭吞吐量的迅速增加，自動化裝卸和搬運設備的廣泛應用，集裝箱碼頭的調度作業(yè)變得日益復雜，進而影響到集裝箱碼頭的整體作業(yè)效率。作為碼頭水平運輸系統(tǒng)中自動搬運設備的自動導引小車（AGV），面臨著空載時間長、重載率低等問題，目前已成為集裝箱碼頭調度研究的熱點。如何使AGV在復雜的工作環(huán)境中能保證有效的利用率，低故障率和高效率工作，需要全面分析集裝箱碼頭工作調度原理和如何調度AGV以實現(xiàn)最優(yōu)的動態(tài)分配。
一 背景
隨著全球貿易的發(fā)展，港口碼頭在進出口貿易中的地位越顯重要。集裝箱碼頭在集裝箱運輸中起著海陸貨物中轉、進出口貨物裝卸的作用，集裝箱運輸作為一種先進的運輸方式，促進了集裝箱碼頭的快速發(fā)展。
集裝箱碼頭（Container Terminal）是指能夠容納完整的集裝箱裝卸操作過程的具有明確界限的地方，其中包括貨運站、辦公生活區(qū)域、碼頭前沿、堆場等陸域部分和泊位、港池、航道、錨地等水域部分。集裝箱碼頭是貨物的緩沖地和交接點（集裝箱貨物在集裝箱碼頭轉換運輸方式），也是水運和陸運的樞紐站，集裝箱碼頭不僅在整個集裝箱運輸過程中扮演重要角色，而且在國民經(jīng)濟和區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展中起到日益加強的作用。
隨著集裝箱吞吐量的不斷增加，中國港口在國際海運業(yè)中的地位大幅上升，港口的發(fā)展模式已經(jīng)從依靠擴大港口規(guī)模轉變到注重提升港口服務質量、完善臨港產業(yè)鏈、提升港口運營效率等建設上來。目前隨著航運經(jīng)濟的復蘇，未來數(shù)年內，我國集裝箱碼頭的吞吐量增長速度仍然為年均 8%到 30%，為了滿足貨物裝卸需求，港口作業(yè)要從優(yōu)化作業(yè)方式和采用先進的自動化裝卸設備等方面進行改進。
港口是集裝箱的集散地,特別是大型港口,集裝箱在裝船前或卸船后都需要臨時堆放在多個不同分類的暫存區(qū)(貨場)。港口集裝箱每天的裝卸量很大,搬運頻率很高。目前國內采用的是人工操控的機械化、半自動化作業(yè)方式,實現(xiàn)在船———岸橋———貨場(往往還分前方和后方2級)——收發(fā)貨點之間的頻繁裝卸、往返搬運作業(yè)。往返搬運一般用牽引車帶平板掛車、跨運車、吊運車、集裝箱叉車等,均為人工操作。缺點是:
(1)種類雜,數(shù)量多,管理成本高;
(2)除集裝箱叉車外,其他設備每次搬運都需吊具重復抓持或夾持,故障率高,可靠性差,維護成本高;
(3)集裝箱叉車的平衡能力有限,大噸位的少;
(4)完全要人工操作,準確率低,勞動強度大,工作環(huán)境差,箱、車、人的安全性均不好；
(5)晝夜生產,每個作業(yè)環(huán)節(jié)都離不開人,人力成本高;
(6)機械化、自動化、電子化、信息化等技術只能在獨立單元內實現(xiàn),形不成系統(tǒng)。能力、速度、可靠性、安全性、效率、效益的提高受制約。
為了滿足集裝箱船舶裝載能力最大化和集裝箱船舶?？扛劭跁r間最小化的要求，集裝箱碼頭需要不斷提高集裝箱碼頭裝卸作業(yè)水平，如果配備大量人員、集卡和堆場，將會導致增加營運成本，同時也會加大管理難度。由于集裝箱碼頭吞吐量日益增長，提高集裝箱碼頭競爭力迫在眉睫，自動化和半自動化采用的趨勢顯而易見。隨著計算機技術的發(fā)展和普及,特別是條碼、電子標簽、光電探測、圖像識別、激光掃描、網(wǎng)絡通訊等相關技術的進步,為集裝箱自動化奠定了技術基礎。實現(xiàn)港口集裝箱物流自動化是廣泛達成的共識,具體方法很多。高度自動化集成的裝卸和搬運作業(yè)設備將逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)集裝箱碼頭普遍采用的拖掛車設備。自動導引小車（AGV，Automated Guided Vehicles）作為一種比較先進的自動化搬運裝備，在效率，自動化水平和統(tǒng)一調度方面都要強于傳統(tǒng)的集卡運輸方式。AGV作為一種新型的中間搬運設備,近年來正逐漸應用于國際大型港口的集裝箱自動化搬運，如鹿特丹港、倫敦港、漢堡港、哥德堡港。
AGV的技術特點如下：
- 先進性
技術含量高,完全在計算機控制下工作,全自動、帶一定智能、快捷高效、準確無誤地實現(xiàn)集裝箱自動搬運;能有效地減輕勞動強度,節(jié)約人力、物力、財力;能優(yōu)化生產結構,改善生產環(huán)境,建立人機一體、和諧友好、科學文明的生產關系。
- 可靠性
在AGV系統(tǒng)的工作過程中,每一步都有一系列數(shù)字信息的通訊交換,后臺有強大的數(shù)據(jù)庫支持,消除了人為因素,充分保證AGV作業(yè)過程的可靠性、完成任務的及時性、信息數(shù)據(jù)的準確性。
- 兼容性
AGV不僅能獨立工作,而且更善于與其它執(zhí)行系統(tǒng)、控制管理系統(tǒng)等緊密結合,很容易進行重組或擴充,具有良好的兼容性。
- 獨特性
AGV作為無人駕駛的自動車輛,能夠在某些人工操作很困難的場合發(fā)揮優(yōu)勢,如AGV可準確地鉆到集裝箱下面進行托舉作業(yè)。
- 安全性
AGV的行駛和作業(yè)安全保護是一個嚴格受控的系統(tǒng),包含機電PLC邏輯控制、車輛調度、任務管理、交通管理、充電管理等。比人工操作搬運集裝箱更精確、更靈活、更安全。
AGV技術從20世紀50年代就開始推出,現(xiàn)已在全世界的各行各業(yè)中廣泛應用。從統(tǒng)計資料看,至少有70%用于物料搬運,但AGV的應用近年來才開始在國外大型港口興起,其主要原因是:
(1)早期的AGV導引技術水平有限。如早期應用最多的電磁導引技術,由地面埋的感應線導引,適合路徑簡單,距離不遠的場合,對在港口寬大面積的露天環(huán)境下保障有效導引控制很困難;而激光導引和圖像識別導引近些年才推出。
(2)早期的AGV系統(tǒng)控制水平有限。這主要指計算機性能,軟件開發(fā)工具和編程水平。
(3)早期的AGV通訊技術水平有限。像無線網(wǎng)絡、紅外通訊都是后來發(fā)展的新技術。
(4)早期的AGV工程實踐經(jīng)驗有限。AGV的工程特性很突出,許多問題與實際環(huán)境條件相關,只能在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)場解決,經(jīng)驗積累大有幫助,但需要一個過程。
(5)早期的AGV系統(tǒng)設計水平有限。只有對AGV技術的正確理解和準確把握,才能對傳統(tǒng)工藝進行科學分析,設計出先進適用的AGV系統(tǒng),這也需要長期的實踐鍛煉。
(6)早期的AGV相關技術發(fā)展有局限。推出激光障礙物探測系統(tǒng)后,才使AGV安全避碰有了質的飛躍;有了高能動力堿性電池及其充電系統(tǒng)的完善才使得AGV重量減輕,體積縮小,有效工作時間加長,同一系統(tǒng)的AGV數(shù)量減少,總投資降低。
二?國內外研究現(xiàn)狀
水平運輸設備在集裝箱碼頭裝卸作業(yè)過程中的主要作用是將集裝箱從岸邊運輸?shù)蕉褕龌驅⒓b箱從堆場運輸?shù)桨哆?。AGV 具有自動導航、準確定位、無人操作、路徑優(yōu)化以及安全避碰等智能化特征，在自動化集裝箱碼頭中逐漸代替集裝箱卡車成為碼頭集裝箱水平運輸?shù)闹饕ぞ?。集裝箱碼頭水平搬運設備的調度是一個隨機、復雜的系統(tǒng)，一直貫穿于整個碼頭前沿和堆場之間，承擔著集裝箱運載的作用。
外國的專家和學者主要對自動化或半自動化集裝箱碼頭的水平運輸設備進行研究，研究重點主要集中在自動化碼頭 AGV 調度系統(tǒng)上，該系統(tǒng)十分利于調度算法的實施，國外的專家和學者從不同的角度研究分析了 AGV 的調度系統(tǒng)。
柏林科技大學的 Hans?Otto 等探討了進口集裝箱裝載和卸載操作時集卡的最優(yōu)路徑問題，同時還研究了集卡最優(yōu)路徑求解問題和進口集裝箱在堆場上的箱位安排問題，并且運用啟發(fā)式算法求解和分析了所建立的模型。QIU 等研究和分析了自動化的集裝箱碼頭的 AGV
調度問題，對所建立的模型利用啟發(fā)式算法進行求解。?Kap Hwan Kim 和 Jong wook Bae 研究 AGV 調度問題是采用事件發(fā)生時間方法，并且以船舶延誤時間和 AGV 車輛運行時間最小為目標建立數(shù)學模型，利用整數(shù)規(guī)劃和啟發(fā)式算法進行分配 AGV 的數(shù)量。Gobal 和 Kasiligam 建立的關于 AGV 在集裝箱碼頭運行中空駛時間和等待機械裝卸時間最短的仿真模型，并求解 AGV 在任務量恒定的情況下的最優(yōu)配置數(shù)輛。Vis 以 AGV 的分配數(shù)量最小化為目標，建立了帶有時間窗約束的車輛動態(tài)調度模型，并進行求解。Bish 等運用啟發(fā)式算法建立了集裝箱碼頭的集卡分配數(shù)量模型，從不同的角度分析了集裝箱的裝卸順序問題以及集裝箱與集卡運輸中的匹配問題，使得集裝箱裝卸船舶靠港時間最短。Nishimura 等，首先分析了集卡的靜態(tài)調度模型和動態(tài)調度模型的優(yōu)缺點，并且建立了集卡路徑動態(tài)優(yōu)化數(shù)學模型。Chin-I.Liu,Hossein Jula 建立了自動化碼頭作業(yè)調度模型，該模型優(yōu)化了 AGV、岸橋以及堆場的龍門吊的作業(yè)順序。
由于國內集裝箱碼頭的自動化程度不高，對集裝箱碼頭水平運輸設備的研究主要集中在單掛集卡上，對 AGV 的調度系統(tǒng)的研究甚少。
邱躍龍通過分析自動化集裝箱碼頭的 AGV 運作的狀況，提出了基于時間 Petri網(wǎng)對 AGV 調度系統(tǒng)進行建模和性能分析，并且建立了 AGV 的路線運輸模型。
康志敏首先對集裝箱自動化碼頭 AGV 的物流系統(tǒng)進行分析，并且提出了基于無效時間最短的 AGV 調度模型，利用遺傳算法進行求解，著重研究了模糊控制策略在交通路口 AGV 交通控制中的應用。
潘常虹不單純的考慮集卡在“作業(yè)線”情況下的作業(yè)情況，通過分析集裝箱碼頭的水平運輸系統(tǒng)，建立了集裝箱卡車調度優(yōu)化模型，并利用遺傳算法對所建立的調度模型進行求解和分析。
高瑋、周強從對集卡在碼頭前沿作業(yè)時，出現(xiàn)的排隊等待作業(yè)現(xiàn)象，造成了集卡資源浪費，這個角度進行研究，利用排隊論的思想建立數(shù)學模型，并且利用所建立的數(shù)學模型進行了仿真模擬。
陳方鼎研究了采用“大作業(yè)面”工藝時集卡的調度問題，將集卡調度同岸橋作業(yè)相結合，建立了協(xié)調岸橋的集卡調度優(yōu)化模型，同時采用了群體智能算法進行求解，最后進行實例分析證明所提出的模型和算法求解調度模型的優(yōu)越性。
陸游利用集裝箱碼頭內的 RFID 監(jiān)控系統(tǒng)，以集卡的調度為優(yōu)化目標，提出了內集卡的共享式動態(tài)調度模式和外集卡的分離式調度模式，并對兩種調度模式分別使用變鄰域禁忌搜索算法和基于 QEA 的算法進行求解。
張海青主要研究集裝箱碼頭的集卡調度的優(yōu)化算法，并以傳統(tǒng)調度算法、最小等待時間算法、最短路徑調度算法為基礎進行研究，并采用仿真軟件對青島前灣港集卡調度進行仿真。
王軍、許曉雷基于“作業(yè)面”和“作業(yè)線”調度模式建立了混合調度數(shù)學模型，充分考慮了岸橋的作業(yè)時間、場橋時間、集卡的運輸時間，基于時間最短建立了集卡調度模型，并進行了數(shù)值仿真分析。
楊靜蕾基于集卡行駛路徑最短，建立了集裝箱碼頭物流作業(yè)系統(tǒng)路徑優(yōu)化模型，并進行了算例分析。
曾慶成一方面是建立裝船和卸船的協(xié)同調度模型，并設計了求解調度方案的兩階段禁忌搜索算法；另一方面是對調度方法的研究，提出了集裝箱碼頭作業(yè)調度仿真優(yōu)化方法。
綜上所述，國內外的專家學者都已經(jīng)在集裝箱碼頭的布局、車輛的調度、任務的調度，
交通管理、路徑的規(guī)劃等幾方面進行了研究。但AGV調度問題還有很長的路要走。
三?集裝箱碼頭AGV運輸系統(tǒng)
集裝箱碼頭的水平運輸系統(tǒng)是由碼頭前沿的水平運輸、堆場內的水平運輸以及進出大門的水平運輸系統(tǒng)組成。。集裝箱自動化碼頭內的水平運輸設備多為 AGV，其中集裝箱碼頭的總體布置設計、裝卸設施的密切配合程度以及調度模式的科學性等因素都會影響到 AGV 的路徑優(yōu)化設計。
圖3.1?AGV在搬運集裝箱
AGV的系統(tǒng)構成如圖3.2所示：
圖3.2?AGV的系統(tǒng)構成
3.1集裝箱碼頭布置形式
集裝箱碼頭管理工作的規(guī)范化、標準化、現(xiàn)代化以及裝卸機械作業(yè)的高效化、自動化，加快了集裝箱船舶、水平運輸車輛、集裝箱的周轉速度，為了使港口能夠適應集裝箱運輸?shù)囊?，為此發(fā)展了集裝箱專用碼頭。集裝箱專用碼頭的建設應滿足以下幾個條件:
- 具備足夠的前沿水深和水域面積，以及所必需的泊位寬度和岸線長度，確保集裝箱船舶安全的航行、靠港和離港。
- 具備能夠保證堆場堆存作業(yè)以及車輛運行道路所需要的碼頭前沿寬度、碼頭縱深、以及堆場面積，還應該具有前瞻性發(fā)展所需的陸域面積。
- (為實現(xiàn)集裝箱碼頭內各項作業(yè)高效化、自動化、機械化的要求，應該具備適應堆場堆存作業(yè)、水平運輸作業(yè)、岸橋裝卸作業(yè)所需的機械設施和裝備。
- 具有完善的集疏運系統(tǒng)，以保證集裝箱能夠高效地集中和疏散，防止港口內出現(xiàn)交通堵塞。
- 為保證集裝箱碼頭內的正常作業(yè)的需要，應當配備維修保養(yǎng)機械設備相應的技術人員和集裝箱碼頭運營的管理人員。
- 為滿足現(xiàn)代管理和作業(yè)的需要，應當采用先進的電子信息手段，如 EDI。
為實現(xiàn)集裝箱碼頭機械化、高效化、規(guī)?；囊?，在集裝箱碼頭的建設過程
中要求布局要合理，各項設施配置要得當，使得各項作業(yè)密切配合、管理工作協(xié)調統(tǒng)一，形成一個有機整體。圖3.3是一般常見碼頭的平面布局方式。
圖3.3 集裝箱碼頭平面布局方式
在平面布局圖中，碼頭前沿：是指沿碼頭岸壁到集裝箱編排場之間的區(qū)域，設置有岸橋及運行軌道，應當滿足所設計船型吃水要求的前沿水深，至少為12米。
前方堆場：
前方堆場是指將即將卸下的集裝箱以及即將裝船的集裝箱排列待裝所備好的
堆存場所。為了確保船舶裝卸集裝箱作業(yè)不間斷的進行，通常布置在集裝箱后方堆
場與碼頭前沿之間。
集裝箱堆場：
集裝箱堆場（又稱為“后方堆場”），是指對集裝箱碼頭內的集裝箱安檢，保管，交接的區(qū)域。集裝箱堆方在碼頭的堆場位置稱作“場箱位”，場箱位是在場內依照集裝箱的尺寸，箱型預設的標準區(qū)域，并用一組代碼表示出它的物理位置。
大門：
大門是集裝箱碼頭的出入口。在大門所有的集裝箱都要進行安檢，交接并制作單據(jù)。也是與集裝箱碼頭其他部門劃分責任的場所。
控制塔：
控制塔是一個集裝箱碼頭的運營指揮中心，其主要職責是監(jiān)管和指揮船舶裝卸作業(yè)和堆場作業(yè)。控制塔設在碼頭的最高處，以便能準確，及時的觀察到碼頭集裝箱的各項作業(yè)狀態(tài)，進而有效的進行調度和指揮作業(yè)。
3.2 集裝箱碼頭裝卸機械
一般將集裝箱碼頭的機械化系統(tǒng)劃分為三個部分，碼頭前沿裝卸設施、水平運輸設備、碼頭堆場機械。
- 碼頭前沿裝卸設備
集裝箱碼頭前沿主要是將集裝箱進行裝卸，以保證碼頭物流的正常運行。常用的碼頭前沿機械是岸壁集裝箱裝卸橋（Quayside ?Container ?Crane ）簡稱“岸橋”，主要承擔著將集裝箱裝卸在集裝箱船舶上的作業(yè)任務。其裝卸效率一般為 20～35TEU/h，起重量為 50t，外伸距離為 55m，內伸距離為 18m，軌距一般為 30m。圖3.4為集裝箱碼頭岸橋示意圖。
圖3.4 集裝箱碼頭碼頭岸橋示意圖
集裝箱船裝卸AGV搬運如圖3.5所示：
圖3.5?集裝箱船裝卸AGV搬運
- 集裝箱碼頭內的水平運輸設備
集裝箱碼頭內的水平運輸設備主要承擔著運輸和搬運碼頭內集裝箱的任務。其水平運輸設備包括跨運車、牽引車、自動導引小車（AGV）等，AGV 是在自動化集裝箱碼頭使用最多的水平運輸設備。
自動導引小車（AGV）是使用在自動化或半自動化碼頭的水平運輸設備，具有無人駕駛、自動導航、準確定位、路徑優(yōu)化以及安全避碰等特征，并且能夠沿規(guī)定的導引路徑自動行駛的運輸車輛。在集裝箱運輸作業(yè)中，AGV 根據(jù)搬運任務要求，由計算機管理系統(tǒng)優(yōu)化運算得出最優(yōu)運輸路徑后，通過控制系統(tǒng)向 AGV 發(fā)出指令信息，AGV 在接收到指令信息后，通過機體上的導向探測器檢測到導向信息，對信息進行實時處理，沿規(guī)定的路徑行走，完成運輸搬運任務。如圖3.6?所示為自動導引小車。
圖3.6集裝箱碼頭AGV
集裝箱AGV裝卸過程如圖3.7所示：
圖3.7?集裝箱AGV裝卸過程
- 碼頭堆場作業(yè)
碼頭堆場作業(yè)機械主要承擔堆場內搬運、裝卸、堆垛集裝箱的任務。這些機械包括龍門起重機、集裝箱叉車、集裝箱正面吊運機、空箱堆高機等，其中龍門起重機在堆場中起著重要作用。
龍門起重機（Transtainer）包括輪胎式和軌道式兩種形式。又稱“龍門吊”，主要承擔著堆場內集裝箱堆垛和裝卸的任務。
軌道式龍門起重機（Rali Mounted Transtainer）是集裝箱碼頭堆場進行堆碼和裝卸集裝箱的專用機械。該機優(yōu)點是可堆 4～5 層集裝箱，可跨多列集裝箱和一個車道，堆存能力高，堆場面積利用率高，采用自動控制的軌道式集裝箱龍門起重機（ARMG），易于實現(xiàn)自動化。缺點是要沿軌道運行，靈活性差。
輪胎式龍門起重機（Rubber-tired Transtainer）主要承擔著集裝箱碼頭堆場內堆碼和裝卸集裝箱的任務。其優(yōu)點是機動靈活，可以從一個堆場轉移到另一個堆場，缺點是自重比較大，輪胎易磨損。在自動化堆場常用的是自動控制的輪胎式集裝箱龍門起重機（ARTG），采用垂直于碼頭布置，堆箱區(qū)采用封閉，無人化管理。
3.3集裝箱碼頭AGV運輸系統(tǒng)組成及特點
3.3.1 集裝箱碼頭AGV運輸系統(tǒng)組成
集裝箱碼頭的水平運輸系統(tǒng)，由碼頭前沿水平運輸系統(tǒng)、堆場水平運輸系統(tǒng)、進/出閘口的水平運輸系統(tǒng)等三部分組成。如圖3.8所示。
圖3.8集裝箱碼頭水平運輸系統(tǒng)原理圖
圖3.9 AGV在集裝箱碼頭中的工作流程
集裝箱碼頭的水平運輸是集裝箱碼頭裝卸工藝很重要的一個環(huán)節(jié)，其運行效率高低將會影響整個碼頭的運作的快慢。集裝箱碼頭的 AGV 水平運輸系統(tǒng)主要包括三部分：AGV與岸橋的銜接、AGV水平運輸以及AGV與場橋的銜接等。其工作過程如下：AGV在運行的時候，首先要接到中央控制室生產過程控制系統(tǒng)（PSC）的指令，將小車運行到固定的停車位，當有作業(yè)調度指令下達時，AGV根據(jù)指令運行到指定的岸橋下方，岸橋上裝有位置傳感器，能夠感知AGV的實際位置，然后將位置信息傳給PCS，PCS再向AGV發(fā)出停車指令，用來確保 AGV精準的?？吭谧鳂I(yè)點位置上。
AGV的水平運輸也是由PCS指揮控制的，主要包括AGV的定點停車、安全避碰、行駛路徑優(yōu)化以及集裝箱裝卸作業(yè)任務管理等，進而完成從碼頭前沿到堆場之間的自動化運輸集裝箱的任務。在使用自動堆垛起重機(ASC)的自動化碼頭，當AGV與ASC配合作業(yè)時，AGV 只要進入ASC下方的裝卸作業(yè)位置，PCS就會指令ASC配合完成與AGV的集裝箱裝卸工作，其工作流程圖如圖3.9所示。
3.3.2集裝箱碼頭AGV水平運輸?shù)奶攸c
AGV 水平運輸系統(tǒng)是一個復雜、科學的系統(tǒng)工程，不僅要求安全可靠的硬件支持，還需要高效穩(wěn)定的軟件的匹配，AGV 成功應用到集裝箱碼頭的水平運輸上，呈現(xiàn)出以下幾特點：
- 自動化程度高
在集裝箱碼頭的裝卸工藝上可以看出，AGV 水平運輸系統(tǒng)是一個信息化、智能化、數(shù)字化，綠色化的系統(tǒng)工程。在碼頭前沿有自動化裝卸岸橋，水平運輸系統(tǒng)上有自動導引小車（AGV)，在集裝箱碼頭堆場上有自動控制的軌道式集裝箱龍門起重機（ARMG）或自動控制的輪胎式集裝箱龍門起重機（ARTG），這些自動化機械統(tǒng)一匹配，協(xié)調工作，形成一個集成化較高的系統(tǒng)工程。
- 靈活性高，具有柔性化的特征
集裝箱碼頭的集裝箱裝卸的數(shù)量具有不平衡性，即在集裝箱裝卸船時，出口箱的數(shù)量和進口箱的數(shù)量不相等，這要求具有高度靈活的調度方案；以及集裝箱船舶在靠泊的時間上也存在不確定性，船舶的靠泊時間受很多因素的影響，比如天氣的好壞，泊位的空缺等，這自然會影響到碼頭裝卸工藝生產的進行，這就對調度決策產生了不確定影響，AGV 的柔性化設計，提供了解決方案的條件。
- 安全性高
集裝箱碼頭是機械化生產的場所，在傳統(tǒng)的集裝箱碼頭需要人手工去操作，這就大大增加了意外事故對人身安全的威脅風險，在自動化碼頭的 AGV 運輸系統(tǒng)中，采用了機器視覺技術、自適應控制技術和AGVS控制技術等先進的科學技術，解決了AGV自身避碰，以及
AGV之間的避碰；通過GIS與 AGV 位置的控制技術，解決了 AGV 與集裝箱、岸橋以及場橋的碰撞；通過交通流的控制使得集裝箱碼頭物流合理有序。以上種種技術的實施，大大提高了AGV系統(tǒng)的安全性，大大減少人身安全的威脅，甚至將人身威脅降到零。
- 節(jié)能減排，綠色環(huán)保
現(xiàn)在的集裝箱碼頭的AGV生產采用清潔能源——電能作為動力驅動能源，減少 CO2的排放，在能源節(jié)省方面，比傳統(tǒng)集裝箱碼頭要節(jié)省25%，在成本上，自然比傳統(tǒng)碼頭節(jié)省 20%。
3.4AGV調度系統(tǒng)
3.4.1 集裝箱碼頭的AGV調度原理
在集裝箱碼頭的AGV調度系統(tǒng)中，集裝箱碼頭的中央控制室生產過程控制系統(tǒng)(Process Cnotorl ?Sysetm，PCS)監(jiān)管和控制著AGV的運行狀態(tài)，PCS通過無線電的方式和管控的設備進行數(shù)據(jù)傳輸，進而可以實現(xiàn)全自動化運作。
PCS調度控制著集裝箱碼頭內所有的 AGV，其調度方式是 PCS 首先規(guī)劃出AGV的行駛路線，在整個調度路線上，已經(jīng)設置出AGV需要裝載或卸載的“停車”點，當AGV行駛到一個“停車”點時，PCS通過計算并且發(fā)出下一條調度路線和“停車”點的指令，如此循環(huán)，直到執(zhí)行完所有的裝卸任務。?在自動化集裝箱碼頭堆場上，使用自動堆碼起重機（ASC）與 AGV 銜接，在銜接點處為 AGV的裝卸設置“停車”點，當 AGV 處于空載狀態(tài)時，AGV在接到PCS的指令以后，行駛到ASC下方的“停車”點，ASC也根據(jù)PCS的指令在堆場中吊取相應的集裝箱裝載到AGV上；當處于滿載狀態(tài)的AGV，根據(jù)PCS的指令運行到ASC處指定的“停車”點，ASC同樣根據(jù)PCS發(fā)出的指令卸載AGV上的集裝箱并且堆存到堆場上的相應位置。
在集裝箱碼頭的前沿設置不同的“停車”點，這些“停車”點是根據(jù)岸橋起重機的相對位置設定的。當AGV運行到岸橋的下方時，裝在岸橋上的紅外傳感器可以檢測出AGV的裝卸位置，然后將有關的位置信息發(fā)送到PCS，PCS 為了確保AGV能夠準確的停靠在裝卸點處，向AGV 發(fā)出一條停車驗證指令。其調度原理如圖3.10所示。
圖3.10 ?AGV調度原理
3.4.2 AGV調度原則
在集裝箱碼頭中，研究 AGV 的調度，可遵循以下幾個原則：
- 等待時間最短
為了降低調度系統(tǒng)的空閑等待時間和交通擁堵時間，提出了以等待時間最短為原則的調度模式，當有新的任務時，尋找周圍距離最近的AGV進行運輸集裝箱，并且傳輸新的任務指令，這樣就能夠提高集裝箱運輸?shù)男省?/p>
- AGV配置數(shù)量最少
在求得等待時間最小化的基礎上，為了提高 AGV的利用率，基于“作業(yè)面”調度模式從全局考慮集裝箱裝船和卸船問題進行整體調度，讓一輛小車盡可能多的參與進多條作業(yè)線任務，使得機械設備得到充分的利用。
- 成本最小
基于成本最小化研究集裝箱碼頭AGV調度問題，是要求在保證完成集裝箱碼頭所有的運輸任務的情況下，計算實際運輸所消耗的最少費用。
- 路線最短
AGV在調度過程中，遵循最短路徑為原則進行優(yōu)化調配。岸橋或堆場起重機根據(jù)最短路徑調度方法，選擇離裝卸機械路徑最短的AGV為其服務，縮短AGV的總行駛路徑，減少AGV配備數(shù)量，提高AGV的利用率。當AGV下次執(zhí)行調度任務時，以路徑最短為原則，分配AGV
運載集裝箱。
3.4.3 AGV調度影響因素分析
AGV的生產調度是集裝箱碼頭生產作業(yè)系統(tǒng)內主要的生產環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)內其他環(huán)節(jié)和要素影響和制約著AGV的調度。直接或間接的影響碼頭AGV的配置策略和路徑選擇的因素有泊位分配、岸橋作業(yè)模式、裝卸作業(yè)順序、集卡調度模式、堆場計劃安排等，這些因素從層次方面影響著AGV的調度。圖3.11所表示的集裝箱碼頭運作層次圖可以表現(xiàn)出其作用關系。
圖3.11 運作層次圖
泊位計劃是集裝箱碼頭生產作業(yè)計劃的重要組成，由碼頭控制中心負責，目前碼頭對于泊位計劃的安排原則是首先掛靠具有優(yōu)先級別的船舶，然后按照先到先靠的順序進行泊位計劃安排。泊位的計劃分配將直接影響對應進出口集裝箱堆場箱區(qū)的分布、AGV 行駛路徑的選擇、岸橋和場橋數(shù)量的配置。?配載計劃的預先制定可以使集裝箱碼頭裝卸作業(yè)更為流暢，提高碼頭生產作業(yè)效率，確保船舶裝卸安全。船舶配載計劃將直接影響船舶裝卸作業(yè)序列，岸橋裝卸作業(yè)進度、AGV 行駛路徑選擇和集裝箱在堆場箱區(qū)內的擺放箱位。
岸橋分配是指碼頭操作人員在船舶裝卸作業(yè)開始之前制定的岸橋作業(yè)計劃，主要包括岸橋數(shù)量配置和岸橋作業(yè)序列。岸橋的優(yōu)化分配是提高集裝箱碼頭生產作業(yè)效率的關鍵，其他作業(yè)機械如 AGV、場橋等的作業(yè)效率應至少不低于岸橋作業(yè)效率，以避免出現(xiàn)岸橋等待 AGV、場橋的現(xiàn)象。
堆場計劃主要確定集裝箱在碼頭堆場內的箱區(qū)箱位，指揮集裝箱在堆場箱區(qū)內的位移。集裝箱的堆場計劃將直接影響既定船舶的泊位計劃、岸橋作業(yè)計劃和 AGV的調度計劃。
四 集裝箱AGV面臨的一些問題
4.1技術
AGV小車的導引方式很多,各有優(yōu)缺點:
(1)激光導引要求具有良好的掃描視場,但碼頭寬闊廣大,集裝箱密集堆放,高處被遮擋,沒有安裝固定反射板的地方,故只能從下方考慮。
(2)電磁導引路徑不宜太長、太復雜,在碼頭地面大規(guī)模開槽埋線、貼磁帶都不適宜,所以應用范圍受限。
(3)視覺導引目前的技術水平和成熟度還不滿足碼頭AGV應用的要求。
(4)慣性導引比較有優(yōu)勢,但需要解決在碼頭地面布設校正塊的工程問題,而且碼頭AGV速度高,可導引性和可控制性要有相應的措施來保證。
(5)點導引是近年推出的技術,方法簡單,但在碼頭大范圍環(huán)境下正確導引,在密集貨位中準確定位,適應復雜路徑和在高速度下安全行駛,需要解決一系列技術問題。
(6)直接導引技術是將行駛路徑儲存到AGV車載控制器中,AGV自動按此路徑行駛,通過輔助校正方法消除偏差,實現(xiàn)正常導引和準確定位。此技術的成熟度和在港口的適應性有待驗證。
(7)復合導引技術是兩種或兩種以上不同導引方式相結合交替工作,比較適合港口的作業(yè)環(huán)境,但系統(tǒng)結構更復雜。
4.2工藝
集裝箱體積大、質量重。AGV車架剛度在設計制造中有一定難度;AGV車輪多,驅動系統(tǒng)與懸掛系統(tǒng)設計是個難點;大功率驅動與轉向電機總成制造、伺服系統(tǒng)配套、電池及充電系統(tǒng)等都沒有成熟產品。
4.3環(huán)境
港口集裝箱物流屬室外露天環(huán)境,風吹日曬,雨雪交加,條件惡劣。對AGV車型設計,系統(tǒng)設施安置都是新的課題。港口作業(yè)區(qū)域像一個繁忙的工廠,AGV的引入,對各種人、各類車輛和運行設備,都提出了管理規(guī)范性、配置合理性、調度科學性、運行安全性的新要求。
4.4經(jīng)濟
AGV是集光、機、電于一體的高科技產品,不僅自身的技術含量高,對相關的技術要求和配套性要求也高,需要整體規(guī)劃,系統(tǒng)設計,統(tǒng)一實施。因此,前期投入較高,經(jīng)濟上需要一定實力,目前國外港口應用此技術的還是少數(shù)。
五 總結
通過前四章的討論，我們可以得出如下結論：
(1) 國外大型港口集裝箱搬運中已經(jīng)開始采用AGV技術,以實現(xiàn)全過程的自動化。應用AGV,能夠減少人員和設備數(shù)量,改善作業(yè)環(huán)境,減輕勞動強度,提高工作質量和效率。且國外港口集裝箱AGV應用的發(fā)展對我國同行業(yè)的未來技改規(guī)劃具有借鑒意義,應充分認識此項技術對今后港口物流發(fā)展所起到的推動作用。
(2)通過對傳統(tǒng)搬運設備進行改裝改造,結合AGV系統(tǒng)和計算機管理系統(tǒng),對港口集裝箱搬運相關技術進行全面的系統(tǒng)集成,才能充分發(fā)揮出自動化的優(yōu)勢,獲得更好的應用效果。
(3)相對于龐大復雜的集裝箱搬運設備,引入AGV技術的成本增加不大,而總的搬運設備數(shù)量及種類大大減少,相應人的數(shù)量減少。這樣,投資成本基本相當,運行成本和維護成本降低。
(4)方案中支座墩子是可移動組合的站臺,用鋼筋混凝土制造,成本低,集裝箱不落地, AGV能鉆到下方馱起背走。
(5)集裝箱在整個工藝流程中的抓舉吊裝次數(shù)減少,使設備及人員的數(shù)量減少,作業(yè)時間縮短,可靠性增加。
(6)采用AGV后,可以改善港區(qū)作業(yè)環(huán)境,節(jié)約人力資源,減輕勞動強度,提高作業(yè)速度和質量,保障生產安全性,提高勞動生產率。同時,也提高了企業(yè)生產的技術含量和市場競爭力,有助于提升企業(yè)形象,促進企業(yè)的管理更上一個臺階。
