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3.3集裝箱碼頭AGV運(yùn)輸系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 9
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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(dòng)化裝卸和搬運(yùn)設(shè)備的廣泛應(yīng)用,，集裝箱碼頭的調(diào)度作業(yè)變得日益復(fù)雜,，進(jìn)而影響到集裝箱碼頭的整體作業(yè)效率,。作為碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)中自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備的自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）,，面臨著空載時(shí)間長(zhǎng),、重載率低等問題,，目前已成為集裝箱碼頭調(diào)度研究的熱點(diǎn),。如何使AGV在復(fù)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(diào)度原理和如何調(diào)度AGV以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的動(dòng)態(tài)分配,。
一 背景
隨著全球貿(mào)易的發(fā)展,，港口碼頭在進(jìn)出口貿(mào)易中的地位越顯重要。集裝箱碼頭在集裝箱運(yùn)輸中起著海陸貨物中轉(zhuǎn),、進(jìn)出口貨物裝卸的作用,，集裝箱運(yùn)輸作為一種先進(jìn)的運(yùn)輸方式，促進(jìn)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(yùn)站、辦公生活區(qū)域、碼頭前沿,、堆場(chǎng)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(diǎn)（集裝箱貨物在集裝箱碼頭轉(zhuǎn)換運(yùn)輸方式），也是水運(yùn)和陸運(yùn)的樞紐站,，集裝箱碼頭不僅在整個(gè)集裝箱運(yùn)輸過程中扮演重要角色,，而且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起到日益加強(qiáng)的作用。
隨著集裝箱吞吐量的不斷增加,，中國(guó)港口在國(guó)際海運(yùn)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(kuò)大港口規(guī)模轉(zhuǎn)變到注重提升港口服務(wù)質(zhì)量、完善臨港產(chǎn)業(yè)鏈,、提升港口運(yùn)營(yíng)效率等建設(shè)上來,。目前隨著航運(yùn)經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，未來數(shù)年內(nèi),，我國(guó)集裝箱碼頭的吞吐量增長(zhǎng)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(jìn)的自動(dòng)化裝卸設(shè)備等方面進(jìn)行改進(jìn),。
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(shí)堆放在多個(gè)不同分類的暫存區(qū)(貨場(chǎng))。港口集裝箱每天的裝卸量很大,搬運(yùn)頻率很高,。目前國(guó)內(nèi)采用的是人工操控的機(jī)械化,、半自動(dòng)化作業(yè)方式,實(shí)現(xiàn)在船———岸橋———貨場(chǎng)(往往還分前方和后方2級(jí))——收發(fā)貨點(diǎn)之間的頻繁裝卸、往返搬運(yùn)作業(yè),。往返搬運(yùn)一般用牽引車帶平板掛車,、跨運(yùn)車、吊運(yùn)車,、集裝箱叉車等,均為人工操作,。缺點(diǎn)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(shè)備每次搬運(yùn)都需吊具重復(fù)抓持或夾持,故障率高,可靠性差,維護(hù)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(zhǔn)確率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作環(huán)境差,箱、車,、人的安全性均不好,；
(5)晝夜生產(chǎn),每個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)都離不開人,人力成本高;
(6)機(jī)械化、自動(dòng)化,、電子化,、信息化等技術(shù)只能在獨(dú)立單元內(nèi)實(shí)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停靠港口時(shí)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(chǎng),，將會(huì)導(dǎo)致增加營(yíng)運(yùn)成本,，同時(shí)也會(huì)加大管理難度。由于集裝箱碼頭吞吐量日益增長(zhǎng),，提高集裝箱碼頭競(jìng)爭(zhēng)力迫在眉睫,，自動(dòng)化和半自動(dòng)化采用的趨勢(shì)顯而易見。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及,特別是條碼,、電子標(biāo)簽,、光電探測(cè)、圖像識(shí)別,、激光掃描,、網(wǎng)絡(luò)通訊等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,為集裝箱自動(dòng)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)港口集裝箱物流自動(dòng)化是廣泛達(dá)成的共識(shí),具體方法很多,。高度自動(dòng)化集成的裝卸和搬運(yùn)作業(yè)設(shè)備將逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)集裝箱碼頭普遍采用的拖掛車設(shè)備,。自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV，Automated Guided Vehicles）作為一種比較先進(jìn)的自動(dòng)化搬運(yùn)裝備,，在效率,，自動(dòng)化水平和統(tǒng)一調(diào)度方面都要強(qiáng)于傳統(tǒng)的集卡運(yùn)輸方式。AGV作為一種新型的中間搬運(yùn)設(shè)備,近年來正逐漸應(yīng)用于國(guó)際大型港口的集裝箱自動(dòng)化搬運(yùn),，如鹿特丹港,、倫敦港、漢堡港,、哥德堡港,。
AGV的技術(shù)特點(diǎn)如下：
- 先進(jìn)性
技術(shù)含量高,完全在計(jì)算機(jī)控制下工作,全自動(dòng)、帶一定智能,、快捷高效,、準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)集裝箱自動(dòng)搬運(yùn);能有效地減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)約人力、物力,、財(cái)力;能優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu),改善生產(chǎn)環(huán)境,建立人機(jī)一體,、和諧友好、科學(xué)文明的生產(chǎn)關(guān)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(tái)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)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(wù)的及時(shí)性,、信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
- 兼容性
AGV不僅能獨(dú)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(jié)合,很容易進(jìn)行重組或擴(kuò)充,具有良好的兼容性,。
- 獨(dú)特性
AGV作為無人駕駛的自動(dòng)車輛,能夠在某些人工操作很困難的場(chǎng)合發(fā)揮優(yōu)勢(shì),如AGV可準(zhǔn)確地鉆到集裝箱下面進(jìn)行托舉作業(yè)。
- 安全性
AGV的行駛和作業(yè)安全保護(hù)是一個(gè)嚴(yán)格受控的系統(tǒng),包含機(jī)電PLC邏輯控制,、車輛調(diào)度,、任務(wù)管理、交通管理,、充電管理等,。比人工操作搬運(yùn)集裝箱更精確、更靈活,、更安全,。
AGV技術(shù)從20世紀(jì)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(yīng)用。從統(tǒng)計(jì)資料看,至少有70%用于物料搬運(yùn),但AGV的應(yīng)用近年來才開始在國(guó)外大型港口興起,其主要原因是:
(1)早期的AGV導(dǎo)引技術(shù)水平有限,。如早期應(yīng)用最多的電磁導(dǎo)引技術(shù),由地面埋的感應(yīng)線導(dǎo)引,適合路徑簡(jiǎn)單,距離不遠(yuǎn)的場(chǎng)合,對(duì)在港口寬大面積的露天環(huán)境下保障有效導(dǎo)引控制很困難;而激光導(dǎo)引和圖像識(shí)別導(dǎo)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(jì)算機(jī)性能,軟件開發(fā)工具和編程水平,。
(3)早期的AGV通訊技術(shù)水平有限,。像無線網(wǎng)絡(luò)、紅外通訊都是后來發(fā)展的新技術(shù),。
(4)早期的AGV工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限,。AGV的工程特性很突出,許多問題與實(shí)際環(huán)境條件相關(guān),只能在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)場(chǎng)解決,經(jīng)驗(yàn)積累大有幫助,但需要一個(gè)過程。
(5)早期的AGV系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平有限,。只有對(duì)AGV技術(shù)的正確理解和準(zhǔn)確把握,才能對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行科學(xué)分析,設(shè)計(jì)出先進(jìn)適用的AGV系統(tǒng),這也需要長(zhǎng)期的實(shí)踐鍛煉。
(6)早期的AGV相關(guān)技術(shù)發(fā)展有局限,。推出激光障礙物探測(cè)系統(tǒng)后,才使AGV安全避碰有了質(zhì)的飛躍;有了高能動(dòng)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(shí)間加長(zhǎng),同一系統(tǒng)的AGV數(shù)量減少,總投資降低,。
二?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
水平運(yùn)輸設(shè)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(yùn)輸?shù)蕉褕?chǎng)或?qū)⒓b箱從堆場(chǎng)運(yùn)輸?shù)桨哆叀GV 具有自動(dòng)導(dǎo)航,、準(zhǔn)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(dòng)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(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?。集裝箱碼頭水平搬運(yùn)設(shè)備的調(diào)度是一個(gè)隨機(jī)、復(fù)雜的系統(tǒng),，一直貫穿于整個(gè)碼頭前沿和堆場(chǎng)之間,，承擔(dān)著集裝箱運(yùn)載的作用。
外國(guó)的專家和學(xué)者主要對(duì)自動(dòng)化或半自動(dòng)化集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行研究,，研究重點(diǎn)主要集中在自動(dòng)化碼頭 AGV 調(diào)度系統(tǒng)上,，該系統(tǒng)十分利于調(diào)度算法的實(shí)施,，國(guó)外的專家和學(xué)者從不同的角度研究分析了 AGV 的調(diào)度系統(tǒng)。
柏林科技大學(xué)的 Hans?Otto 等探討了進(jìn)口集裝箱裝載和卸載操作時(shí)集卡的最優(yōu)路徑問題,，同時(shí)還研究了集卡最優(yōu)路徑求解問題和進(jìn)口集裝箱在堆場(chǎng)上的箱位安排問題,，并且運(yùn)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(dòng)化的集裝箱碼頭的 AGV
調(diào)度問題,，對(duì)所建立的模型利用啟發(fā)式算法進(jìn)行求解,。?Kap Hwan Kim 和 Jong wook Bae 研究 AGV 調(diào)度問題是采用事件發(fā)生時(shí)間方法，并且以船舶延誤時(shí)間和 AGV 車輛運(yùn)行時(shí)間最小為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型,，利用整數(shù)規(guī)劃和啟發(fā)式算法進(jìn)行分配 AGV 的數(shù)量,。Gobal 和 Kasiligam 建立的關(guān)于 AGV 在集裝箱碼頭運(yùn)行中空駛時(shí)間和等待機(jī)械裝卸時(shí)間最短的仿真模型，并求解 AGV 在任務(wù)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(biāo),，建立了帶有時(shí)間窗約束的車輛動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，并進(jìn)行求解,。Bish 等運(yùn)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(yùn)輸中的匹配問題，使得集裝箱裝卸船舶靠港時(shí)間最短,。Nishimura 等,，首先分析了集卡的靜態(tài)調(diào)度模型和動(dòng)態(tài)調(diào)度模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并且建立了集卡路徑動(dòng)態(tài)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,。Chin-I.Liu,Hossein Jula 建立了自動(dòng)化碼頭作業(yè)調(diào)度模型,，該模型優(yōu)化了 AGV、岸橋以及堆場(chǎng)的龍門吊的作業(yè)順序,。
由于國(guó)內(nèi)集裝箱碼頭的自動(dòng)化程度不高,，對(duì)集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備的研究主要集中在單掛集卡上，對(duì) AGV 的調(diào)度系統(tǒng)的研究甚少,。
邱躍龍通過分析自動(dòng)化集裝箱碼頭的 AGV 運(yùn)作的狀況,，提出了基于時(shí)間 Petri網(wǎng)對(duì) AGV 調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行建模和性能分析，并且建立了 AGV 的路線運(yùn)輸模型,。
康志敏首先對(duì)集裝箱自動(dòng)化碼頭 AGV 的物流系統(tǒng)進(jìn)行分析,，并且提出了基于無效時(shí)間最短的 AGV 調(diào)度模型，利用遺傳算法進(jìn)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(yīng)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(yùn)輸系統(tǒng),，建立了集裝箱卡車調(diào)度優(yōu)化模型,，并利用遺傳算法對(duì)所建立的調(diào)度模型進(jìn)行求解和分析。
高瑋,、周強(qiáng)從對(duì)集卡在碼頭前沿作業(yè)時(shí),，出現(xiàn)的排隊(duì)等待作業(yè)現(xiàn)象,，造成了集卡資源浪費(fèi)，這個(gè)角度進(jìn)行研究,，利用排隊(duì)論的思想建立數(shù)學(xué)模型,，并且利用所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真模擬。
陳方鼎研究了采用“大作業(yè)面”工藝時(shí)集卡的調(diào)度問題,，將集卡調(diào)度同岸橋作業(yè)相結(jié)合,，建立了協(xié)調(diào)岸橋的集卡調(diào)度優(yōu)化模型，同時(shí)采用了群體智能算法進(jìn)行求解,，最后進(jìn)行實(shí)例分析證明所提出的模型和算法求解調(diào)度模型的優(yōu)越性,。
陸游利用集裝箱碼頭內(nèi)的 RFID 監(jiān)控系統(tǒng)，以集卡的調(diào)度為優(yōu)化目標(biāo),，提出了內(nèi)集卡的共享式動(dòng)態(tài)調(diào)度模式和外集卡的分離式調(diào)度模式,，并對(duì)兩種調(diào)度模式分別使用變鄰域禁忌搜索算法和基于 QEA 的算法進(jìn)行求解。
張海青主要研究集裝箱碼頭的集卡調(diào)度的優(yōu)化算法,，并以傳統(tǒng)調(diào)度算法,、最小等待時(shí)間算法、最短路徑調(diào)度算法為基礎(chǔ)進(jìn)行研究,，并采用仿真軟件對(duì)青島前灣港集卡調(diào)度進(jìn)行仿真,。
王軍、許曉雷基于“作業(yè)面”和“作業(yè)線”調(diào)度模式建立了混合調(diào)度數(shù)學(xué)模型,，充分考慮了岸橋的作業(yè)時(shí)間,、場(chǎng)橋時(shí)間、集卡的運(yùn)輸時(shí)間,，基于時(shí)間最短建立了集卡調(diào)度模型,，并進(jìn)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(jìn)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(diào)度模型,，并設(shè)計(jì)了求解調(diào)度方案的兩階段禁忌搜索算法；另一方面是對(duì)調(diào)度方法的研究,，提出了集裝箱碼頭作業(yè)調(diào)度仿真優(yōu)化方法,。
綜上所述，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者都已經(jīng)在集裝箱碼頭的布局,、車輛的調(diào)度,、任務(wù)的調(diào)度，
交通管理,、路徑的規(guī)劃等幾方面進(jìn)行了研究,。但AGV調(diào)度問題還有很長(zhǎng)的路要走,。
三?集裝箱碼頭AGV運(yùn)輸系統(tǒng)
集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸系統(tǒng)是由碼頭前沿的水平運(yùn)輸、堆場(chǎng)內(nèi)的水平運(yùn)輸以及進(jìn)出大門的水平運(yùn)輸系統(tǒng)組成,。,。集裝箱自動(dòng)化碼頭內(nèi)的水平運(yùn)輸設(shè)備多為 AGV，其中集裝箱碼頭的總體布置設(shè)計(jì),、裝卸設(shè)施的密切配合程度以及調(diào)度模式的科學(xué)性等因素都會(huì)影響到 AGV 的路徑優(yōu)化設(shè)計(jì),。
圖3.1?AGV在搬運(yùn)集裝箱
AGV的系統(tǒng)構(gòu)成如圖3.2所示：
圖3.2?AGV的系統(tǒng)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)化,、現(xiàn)代化以及裝卸機(jī)械作業(yè)的高效化,、自動(dòng)化，加快了集裝箱船舶,、水平運(yùn)輸車輛,、集裝箱的周轉(zhuǎn)速度，為了使港口能夠適應(yīng)集裝箱運(yùn)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(shè)應(yīng)滿足以下幾個(gè)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(zhǎng)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(chǎng)堆存作業(yè)以及車輛運(yùn)行道路所需要的碼頭前沿寬度,、碼頭縱深,、以及堆場(chǎng)面積，還應(yīng)該具有前瞻性發(fā)展所需的陸域面積,。
- (為實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)高效化,、自動(dòng)化、機(jī)械化的要求,，應(yīng)該具備適應(yīng)堆場(chǎng)堆存作業(yè),、水平運(yùn)輸作業(yè)、岸橋裝卸作業(yè)所需的機(jī)械設(shè)施和裝備,。
- 具有完善的集疏運(yùn)系統(tǒng),，以保證集裝箱能夠高效地集中和疏散，防止港口內(nèi)出現(xiàn)交通堵塞,。
- 為保證集裝箱碼頭內(nèi)的正常作業(yè)的需要,，應(yīng)當(dāng)配備維修保養(yǎng)機(jī)械設(shè)備相應(yīng)的技術(shù)人員和集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)的管理人員。
- 為滿足現(xiàn)代管理和作業(yè)的需要,，應(yīng)當(dāng)采用先進(jìn)的電子信息手段,，如 EDI。
為實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭機(jī)械化,、高效化,、規(guī)?；囊螅诩b箱碼頭的建設(shè)過程
中要求布局要合理,，各項(xiàng)設(shè)施配置要得當(dāng),，使得各項(xiàng)作業(yè)密切配合、管理工作協(xié)調(diào)統(tǒng)一,，形成一個(gè)有機(jī)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(chǎng)之間的區(qū)域,，設(shè)置有岸橋及運(yùn)行軌道，應(yīng)當(dāng)滿足所設(shè)計(jì)船型吃水要求的前沿水深,，至少為12米,。
前方堆場(chǎng)：
前方堆場(chǎng)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(chǎng)所。為了確保船舶裝卸集裝箱作業(yè)不間斷的進(jìn)行,，通常布置在集裝箱后方堆
場(chǎng)與碼頭前沿之間,。
集裝箱堆場(chǎng)：
集裝箱堆場(chǎng)（又稱為“后方堆場(chǎng)”），是指對(duì)集裝箱碼頭內(nèi)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(chǎng)位置稱作“場(chǎng)箱位”,，場(chǎng)箱位是在場(chǎng)內(nèi)依照集裝箱的尺寸,，箱型預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(zé)任的場(chǎng)所,。
控制塔：
控制塔是一個(gè)集裝箱碼頭的運(yùn)營(yíng)指揮中心，其主要職責(zé)是監(jiān)管和指揮船舶裝卸作業(yè)和堆場(chǎng)作業(yè),?？刂扑O(shè)在碼頭的最高處，以便能準(zhǔn)確,，及時(shí)的觀察到碼頭集裝箱的各項(xiàng)作業(yè)狀態(tài),，進(jìn)而有效的進(jìn)行調(diào)度和指揮作業(yè)。
3.2 集裝箱碼頭裝卸機(jī)械
一般將集裝箱碼頭的機(jī)械化系統(tǒng)劃分為三個(gè)部分,，碼頭前沿裝卸設(shè)施,、水平運(yùn)輸設(shè)備,、碼頭堆場(chǎng)機(jī)械,。
- 碼頭前沿裝卸設(shè)備
集裝箱碼頭前沿主要是將集裝箱進(jìn)行裝卸,，以保證碼頭物流的正常運(yùn)行。常用的碼頭前沿機(jī)械是岸壁集裝箱裝卸橋（Quayside ?Container ?Crane ）簡(jiǎn)稱“岸橋”,，主要承擔(dān)著將集裝箱裝卸在集裝箱船舶上的作業(yè)任務(wù),。其裝卸效率一般為 20～35TEU/h，起重量為 50t,，外伸距離為 55m,，內(nèi)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(yùn)如圖3.5所示：
圖3.5?集裝箱船裝卸AGV搬運(yùn)
- 集裝箱碼頭內(nèi)的水平運(yùn)輸設(shè)備
集裝箱碼頭內(nèi)的水平運(yùn)輸設(shè)備主要承擔(dān)著運(yùn)輸和搬運(yùn)碼頭內(nèi)集裝箱的任務(wù)。其水平運(yùn)輸設(shè)備包括跨運(yùn)車,、牽引車,、自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）等，AGV 是在自動(dòng)化集裝箱碼頭使用最多的水平運(yùn)輸設(shè)備,。
自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）是使用在自動(dòng)化或半自動(dòng)化碼頭的水平運(yùn)輸設(shè)備,，具有無人駕駛、自動(dòng)導(dǎo)航,、準(zhǔn)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(dǎo)引路徑自動(dòng)行駛的運(yùn)輸車輛,。在集裝箱運(yùn)輸作業(yè)中,，AGV 根據(jù)搬運(yùn)任務(wù)要求，由計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)算得出最優(yōu)運(yùn)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(jī)體上的導(dǎo)向探測(cè)器檢測(cè)到導(dǎo)向信息,，對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,，沿規(guī)定的路徑行走，完成運(yùn)輸搬運(yùn)任務(wù),。如圖3.6?所示為自動(dòng)導(dǎo)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(chǎng)作業(yè)
碼頭堆場(chǎng)作業(yè)機(jī)械主要承擔(dān)堆場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)、裝卸,、堆垛集裝箱的任務(wù),。這些機(jī)械包括龍門起重機(jī)、集裝箱叉車,、集裝箱正面吊運(yùn)機(jī),、空箱堆高機(jī)等，其中龍門起重機(jī)在堆場(chǎng)中起著重要作用。
龍門起重機(jī)（Transtainer）包括輪胎式和軌道式兩種形式,。又稱“龍門吊”,，主要承擔(dān)著堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱堆垛和裝卸的任務(wù)。
軌道式龍門起重機(jī)（Rali Mounted Transtainer）是集裝箱碼頭堆場(chǎng)進(jìn)行堆碼和裝卸集裝箱的專用機(jī)械,。該機(jī)優(yōu)點(diǎn)是可堆 4～5 層集裝箱,，可跨多列集裝箱和一個(gè)車道，堆存能力高,，堆場(chǎng)面積利用率高,，采用自動(dòng)控制的軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（ARMG），易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,。缺點(diǎn)是要沿軌道運(yùn)行,，靈活性差。
輪胎式龍門起重機(jī)（Rubber-tired Transtainer）主要承擔(dān)著集裝箱碼頭堆場(chǎng)內(nèi)堆碼和裝卸集裝箱的任務(wù),。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)靈活,，可以從一個(gè)堆場(chǎng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)堆場(chǎng)，缺點(diǎn)是自重比較大,，輪胎易磨損,。在自動(dòng)化堆場(chǎng)常用的是自動(dòng)控制的輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（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(yùn)輸系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
3.3.1 集裝箱碼頭AGV運(yùn)輸系統(tǒng)組成
集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸系統(tǒng),，由碼頭前沿水平運(yùn)輸系統(tǒng),、堆場(chǎng)水平運(yùn)輸系統(tǒng)、進(jìn)/出閘口的水平運(yùn)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(yùn)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(yùn)輸是集裝箱碼頭裝卸工藝很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其運(yùn)行效率高低將會(huì)影響整個(gè)碼頭的運(yùn)作的快慢,。集裝箱碼頭的 AGV 水平運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括三部分：AGV與岸橋的銜接,、AGV水平運(yùn)輸以及AGV與場(chǎng)橋的銜接等。其工作過程如下：AGV在運(yùn)行的時(shí)候,，首先要接到中央控制室生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)（PSC）的指令,，將小車運(yùn)行到固定的停車位，當(dāng)有作業(yè)調(diào)度指令下達(dá)時(shí),，AGV根據(jù)指令運(yùn)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(shí)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(zhǔn)的停靠在作業(yè)點(diǎn)位置上,。
AGV的水平運(yùn)輸也是由PCS指揮控制的,，主要包括AGV的定點(diǎn)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(wù)管理等，進(jìn)而完成從碼頭前沿到堆場(chǎng)之間的自動(dòng)化運(yùn)輸集裝箱的任務(wù),。在使用自動(dòng)堆垛起重機(jī)(ASC)的自動(dòng)化碼頭,，當(dāng)AGV與ASC配合作業(yè)時(shí)，AGV 只要進(jìn)入ASC下方的裝卸作業(yè)位置,，PCS就會(huì)指令A(yù)SC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(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)
AGV 水平運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜,、科學(xué)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(yīng)用到集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸上,，呈現(xiàn)出以下幾特點(diǎn)：
- 自動(dòng)化程度高
在集裝箱碼頭的裝卸工藝上可以看出，AGV 水平運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)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(dòng)化裝卸岸橋,，水平運(yùn)輸系統(tǒng)上有自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV)，在集裝箱碼頭堆場(chǎng)上有自動(dòng)控制的軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（ARMG）或自動(dòng)控制的輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（ARTG）,，這些自動(dòng)化機(jī)械統(tǒng)一匹配,，協(xié)調(diào)工作，形成一個(gè)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(shí),，出口箱的數(shù)量和進(jìn)口箱的數(shù)量不相等,，這要求具有高度靈活的調(diào)度方案；以及集裝箱船舶在靠泊的時(shí)間上也存在不確定性,，船舶的靠泊時(shí)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(huì)影響到碼頭裝卸工藝生產(chǎn)的進(jìn)行,，這就對(duì)調(diào)度決策產(chǎn)生了不確定影響，AGV 的柔性化設(shè)計(jì)，提供了解決方案的條件,。
- 安全性高
集裝箱碼頭是機(jī)械化生產(chǎn)的場(chǎng)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(duì)人身安全的威脅風(fēng)險(xiǎn),，在自動(dòng)化碼頭的 AGV 運(yùn)輸系統(tǒng)中,，采用了機(jī)器視覺技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)和AGVS控制技術(shù)等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù),，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(shù),，解決了 AGV 與集裝箱,、岸橋以及場(chǎng)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(shù)的實(shí)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(chǎn)采用清潔能源——電能作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(diào)度系統(tǒng)
3.4.1 集裝箱碼頭的AGV調(diào)度原理
在集裝箱碼頭的AGV調(diào)度系統(tǒng)中,，集裝箱碼頭的中央控制室生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)(Process Cnotorl ?Sysetm,，PCS)監(jiān)管和控制著AGV的運(yùn)行狀態(tài)，PCS通過無線電的方式和管控的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)作,。
PCS調(diào)度控制著集裝箱碼頭內(nèi)所有的 AGV，其調(diào)度方式是 PCS 首先規(guī)劃出AGV的行駛路線,，在整個(gè)調(diào)度路線上,，已經(jīng)設(shè)置出AGV需要裝載或卸載的“停車”點(diǎn)，當(dāng)AGV行駛到一個(gè)“停車”點(diǎn)時(shí),，PCS通過計(jì)算并且發(fā)出下一條調(diào)度路線和“停車”點(diǎn)的指令,，如此循環(huán)，直到執(zhí)行完所有的裝卸任務(wù),。?在自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)上,，使用自動(dòng)堆碼起重機(jī)（ASC）與 AGV 銜接,，在銜接點(diǎn)處為 AGV的裝卸設(shè)置“停車”點(diǎn)，當(dāng) AGV 處于空載狀態(tài)時(shí),，AGV在接到PCS的指令以后,，行駛到ASC下方的“停車”點(diǎn)，ASC也根據(jù)PCS的指令在堆場(chǎng)中吊取相應(yīng)的集裝箱裝載到AGV上,；當(dāng)處于滿載狀態(tài)的AGV,，根據(jù)PCS的指令運(yùn)行到ASC處指定的“停車”點(diǎn)，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(chǎng)上的相應(yīng)位置,。
在集裝箱碼頭的前沿設(shè)置不同的“停車”點(diǎn),，這些“停車”點(diǎn)是根據(jù)岸橋起重機(jī)的相對(duì)位置設(shè)定的。當(dāng)AGV運(yùn)行到岸橋的下方時(shí),，裝在岸橋上的紅外傳感器可以檢測(cè)出AGV的裝卸位置，然后將有關(guān)的位置信息發(fā)送到PCS,，PCS 為了確保AGV能夠準(zhǔn)確的?？吭谘b卸點(diǎn)處，向AGV 發(fā)出一條停車驗(yàn)證指令,。其調(diào)度原理如圖3.10所示,。
圖3.10 ?AGV調(diào)度原理
3.4.2 AGV調(diào)度原則
在集裝箱碼頭中，研究 AGV 的調(diào)度,，可遵循以下幾個(gè)原則：
- 等待時(shí)間最短
為了降低調(diào)度系統(tǒng)的空閑等待時(shí)間和交通擁堵時(shí)間,，提出了以等待時(shí)間最短為原則的調(diào)度模式，當(dāng)有新的任務(wù)時(shí),，尋找周圍距離最近的AGV進(jìn)行運(yùn)輸集裝箱,，并且傳輸新的任務(wù)指令，這樣就能夠提高集裝箱運(yùn)輸?shù)男省?/p>
- AGV配置數(shù)量最少
在求得等待時(shí)間最小化的基礎(chǔ)上,，為了提高 AGV的利用率,，基于“作業(yè)面”調(diào)度模式從全局考慮集裝箱裝船和卸船問題進(jìn)行整體調(diào)度，讓一輛小車盡可能多的參與進(jìn)多條作業(yè)線任務(wù),，使得機(jī)械設(shè)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(diào)度問題，是要求在保證完成集裝箱碼頭所有的運(yùn)輸任務(wù)的情況下,，計(jì)算實(shí)際運(yùn)輸所消耗的最少費(fèi)用,。
- 路線最短
AGV在調(diào)度過程中，遵循最短路徑為原則進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配,。岸橋或堆場(chǎng)起重機(jī)根據(jù)最短路徑調(diào)度方法,，選擇離裝卸機(jī)械路徑最短的AGV為其服務(wù)，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(dāng)AGV下次執(zhí)行調(diào)度任務(wù)時(shí)，以路徑最短為原則,，分配AGV
運(yùn)載集裝箱,。
3.4.3 AGV調(diào)度影響因素分析
AGV的生產(chǎn)調(diào)度是集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)內(nèi)其他環(huán)節(jié)和要素影響和制約著AGV的調(diào)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(diào)度模式,、堆場(chǎng)計(jì)劃安排等，這些因素從層次方面影響著AGV的調(diào)度,。圖3.11所表示的集裝箱碼頭運(yùn)作層次圖可以表現(xiàn)出其作用關(guān)系,。
圖3.11 運(yùn)作層次圖
泊位計(jì)劃是集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的重要組成，由碼頭控制中心負(fù)責(zé),，目前碼頭對(duì)于泊位計(jì)劃的安排原則是首先掛靠具有優(yōu)先級(jí)別的船舶,，然后按照先到先靠的順序進(jìn)行泊位計(jì)劃安排。泊位的計(jì)劃分配將直接影響對(duì)應(yīng)進(jìn)出口集裝箱堆場(chǎng)箱區(qū)的分布,、AGV 行駛路徑的選擇,、岸橋和場(chǎng)橋數(shù)量的配置。?配載計(jì)劃的預(yù)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(chǎn)作業(yè)效率,，確保船舶裝卸安全。船舶配載計(jì)劃將直接影響船舶裝卸作業(yè)序列,，岸橋裝卸作業(yè)進(jìn)度,、AGV 行駛路徑選擇和集裝箱在堆場(chǎng)箱區(qū)內(nèi)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(jì)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(chǎn)作業(yè)效率的關(guān)鍵，其他作業(yè)機(jī)械如 AGV,、場(chǎng)橋等的作業(yè)效率應(yīng)至少不低于岸橋作業(yè)效率,，以避免出現(xiàn)岸橋等待 AGV、場(chǎng)橋的現(xiàn)象,。
堆場(chǎng)計(jì)劃主要確定集裝箱在碼頭堆場(chǎng)內(nèi)的箱區(qū)箱位,，指揮集裝箱在堆場(chǎng)箱區(qū)內(nèi)的位移。集裝箱的堆場(chǎng)計(jì)劃將直接影響既定船舶的泊位計(jì)劃,、岸橋作業(yè)計(jì)劃和 AGV的調(diào)度計(jì)劃,。
四 集裝箱AGV面臨的一些問題
4.1技術(shù)
AGV小車的導(dǎo)引方式很多,各有優(yōu)缺點(diǎn):
(1)激光導(dǎo)引要求具有良好的掃描視場(chǎng),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(dǎo)引路徑不宜太長(zhǎng),、太復(fù)雜,在碼頭地面大規(guī)模開槽埋線,、貼磁帶都不適宜,所以應(yīng)用范圍受限,。
(3)視覺導(dǎo)引目前的技術(shù)水平和成熟度還不滿足碼頭AGV應(yīng)用的要求。
(4)慣性導(dǎo)引比較有優(yōu)勢(shì),但需要解決在碼頭地面布設(shè)校正塊的工程問題,而且碼頭AGV速度高,可導(dǎo)引性和可控制性要有相應(yīng)的措施來保證,。
(5)點(diǎn)導(dǎo)引是近年推出的技術(shù),方法簡(jiǎn)單,但在碼頭大范圍環(huán)境下正確導(dǎo)引,在密集貨位中準(zhǔn)確定位,適應(yīng)復(fù)雜路徑和在高速度下安全行駛,需要解決一系列技術(shù)問題,。
(6)直接導(dǎo)引技術(shù)是將行駛路徑儲(chǔ)存到AGV車載控制器中,AGV自動(dòng)按此路徑行駛,通過輔助校正方法消除偏差,實(shí)現(xiàn)正常導(dǎo)引和準(zhǔn)確定位。此技術(shù)的成熟度和在港口的適應(yīng)性有待驗(yàn)證,。
(7)復(fù)合導(dǎo)引技術(shù)是兩種或兩種以上不同導(dǎo)引方式相結(jié)合交替工作,比較適合港口的作業(yè)環(huán)境,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,。
4.2工藝
集裝箱體積大、質(zhì)量重,。AGV車架剛度在設(shè)計(jì)制造中有一定難度;AGV車輪多,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)是個(gè)難點(diǎn);大功率驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)向電機(jī)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(chǎn)品,。
4.3環(huán)境
港口集裝箱物流屬室外露天環(huán)境,風(fēng)吹日曬,雨雪交加,條件惡劣,。對(duì)AGV車型設(shè)計(jì),系統(tǒng)設(shè)施安置都是新的課題。港口作業(yè)區(qū)域像一個(gè)繁忙的工廠,AGV的引入,對(duì)各種人,、各類車輛和運(yùn)行設(shè)備,都提出了管理規(guī)范性,、配置合理性、調(diào)度科學(xué)性,、運(yùn)行安全性的新要求,。
4.4經(jīng)濟(jì)
AGV是集光,、機(jī),、電于一體的高科技產(chǎn)品,不僅自身的技術(shù)含量高,對(duì)相關(guān)的技術(shù)要求和配套性要求也高,需要整體規(guī)劃,系統(tǒng)設(shè)計(jì),統(tǒng)一實(shí)施。因此,前期投入較高,經(jīng)濟(jì)上需要一定實(shí)力,目前國(guó)外港口應(yīng)用此技術(shù)的還是少數(shù),。
五 總結(jié)
通過前四章的討論,，我們可以得出如下結(jié)論：
(1) 國(guó)外大型港口集裝箱搬運(yùn)中已經(jīng)開始采用AGV技術(shù),以實(shí)現(xiàn)全過程的自動(dòng)化。應(yīng)用AGV,能夠減少人員和設(shè)備數(shù)量,改善作業(yè)環(huán)境,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,提高工作質(zhì)量和效率,。且國(guó)外港口集裝箱AGV應(yīng)用的發(fā)展對(duì)我國(guó)同行業(yè)的未來技改規(guī)劃具有借鑒意義,應(yīng)充分認(rèn)識(shí)此項(xiàng)技術(shù)對(duì)今后港口物流發(fā)展所起到的推動(dòng)作用,。
(2)通過對(duì)傳統(tǒng)搬運(yùn)設(shè)備進(jìn)行改裝改造,結(jié)合AGV系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng),對(duì)港口集裝箱搬運(yùn)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行全面的系統(tǒng)集成,才能充分發(fā)揮出自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì),獲得更好的應(yīng)用效果。
(3)相對(duì)于龐大復(fù)雜的集裝箱搬運(yùn)設(shè)備,引入AGV技術(shù)的成本增加不大,而總的搬運(yùn)設(shè)備數(shù)量及種類大大減少,相應(yīng)人的數(shù)量減少,。這樣,投資成本基本相當(dāng),運(yùn)行成本和維護(hù)成本降低,。
(4)方案中支座墩子是可移動(dòng)組合的站臺(tái),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(gè)工藝流程中的抓舉吊裝次數(shù)減少,使設(shè)備及人員的數(shù)量減少,作業(yè)時(shí)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(dòng)強(qiáng)度,提高作業(yè)速度和質(zhì)量,保障生產(chǎn)安全性,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,。同時(shí),也提高了企業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)含量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,有助于提升企業(yè)形象,促進(jìn)企業(yè)的管理更上一個(gè)臺(tái)階。
