洋山深水港四期懸臂箱區(qū)的基本定義和管控規(guī)則

上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

根據(jù)水-水中轉(zhuǎn)比例和堆場(chǎng)容量需求，洋山深水港四期碼頭自動(dòng)化堆場(chǎng)間隔布置了10對(duì)懸臂箱區(qū)，其中西側(cè)最端部的一塊懸臂箱區(qū)，采用雙懸臂軌道吊作業(yè)。懸臂箱區(qū)穩(wěn)定、可靠、高效的運(yùn)行，對(duì)洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)作業(yè)非常重要。為了提高中轉(zhuǎn)比例高的大型自動(dòng)化集裝箱碼頭的適應(yīng)性，在分析了現(xiàn)有自動(dòng)化碼頭典型堆場(chǎng)布置基礎(chǔ)上，何繼紅[1]等提出了無(wú)懸臂、單懸臂和雙懸臂3種型式軌道吊在自動(dòng)化堆場(chǎng)混合應(yīng)用的方案。現(xiàn)有的超聲波測(cè)距技術(shù)在軌道吊防撞功能中的應(yīng)用，以及其他的一些控制技術(shù)，雖然部分解決了軌道吊的防撞問(wèn)題，但未能有效解決同一箱區(qū)2臺(tái)軌道吊作業(yè)的協(xié)同性。另外，全球已經(jīng)在運(yùn)營(yíng)的其他主要集裝箱自動(dòng)化碼頭，還沒(méi)有使用過(guò)類似的懸臂、無(wú)懸臂箱區(qū)間隔布置的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)置、箱區(qū)的基本定義和管控規(guī)則等方面，沒(méi)有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供參考和借鑒。目前在洋山深水港四期全自動(dòng)化集裝箱碼頭，成功實(shí)踐了無(wú)懸臂、單懸臂和雙懸臂3種型式軌道吊在自動(dòng)化堆場(chǎng)混合應(yīng)用的方案，設(shè)備和系統(tǒng)穩(wěn)定。本文結(jié)合洋山深水港四期項(xiàng)目實(shí)例，分析和總結(jié)了懸臂箱區(qū)的基本定義和管控規(guī)則，為其他集裝箱自動(dòng)化碼頭提供參考。

2 懸臂箱區(qū)的基本情況

根據(jù)洋山深水港四期工程全自動(dòng)化集裝箱碼頭總體設(shè)計(jì)[2]，自動(dòng)化堆場(chǎng)布置有20塊懸臂箱區(qū)，其中雙懸臂箱區(qū)1塊，單懸臂箱區(qū)19塊，單懸臂吊箱區(qū)中有6塊區(qū)域靠近陸側(cè)位置帶有冷藏箱位。懸臂箱區(qū)的布置兩兩成對(duì)，中間留有供AGV (Automated Guided Vehicle，集裝箱自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車)穿行的21 m通道。

普通單懸臂箱區(qū)13塊，懸臂側(cè)用于與AGV的直接交互作業(yè)，可堆放普通20 ft、40 ft、45 ft集裝箱，其中45 ft箱僅有最大和最小2個(gè)貝位可以堆放。

6塊帶有冷藏箱位的單懸臂箱區(qū)，除具備普通單懸臂箱區(qū)的功能外，在靠近陸側(cè)的部分貝位安裝有7列冷藏箱支架，可堆放冷藏集裝箱，7列冷藏箱旁邊還有3列位置可堆放普通45 ft集裝箱。

雙懸臂箱區(qū)1塊，其中AGV通道側(cè)的作業(yè)模式與普通單懸臂箱區(qū)相同，懸臂的另一側(cè)是集卡交互側(cè)，主要用于危險(xiǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)、港區(qū)互拖箱作業(yè)。

每一塊懸臂箱區(qū)的陸側(cè)，都配有2條集卡作業(yè)車道，主要用于外集卡的進(jìn)提箱作業(yè)。懸臂箱區(qū)與AGV的交互作業(yè)，主要在21 m通道進(jìn)行。

懸臂箱區(qū)的作業(yè)特點(diǎn)為：AGV可以通過(guò)懸臂箱區(qū)21 m通道進(jìn)入堆場(chǎng)與軌道吊交互作業(yè)；對(duì)同一貝位作業(yè)時(shí)，軌道吊的大車原則上不作移動(dòng)，而主要由AGV來(lái)完成水平移動(dòng)；AGV與軌道吊之間的作業(yè)交互點(diǎn)不固定，集裝箱水平運(yùn)輸任務(wù)主要由AGV完成，軌道吊僅負(fù)責(zé)堆垛和裝卸作業(yè)，效率較高，對(duì)箱區(qū)的長(zhǎng)度也不敏感；2臺(tái)軌道吊能同時(shí)對(duì)AGV作業(yè)，為岸橋服務(wù)[1]。

3 懸臂箱區(qū)貝位及作業(yè)交互點(diǎn)的定義

3.1 懸臂箱區(qū)貝位及懸臂側(cè)AGV的作業(yè)交互點(diǎn)

從海側(cè)開(kāi)始，20 ft箱貝位用奇數(shù)(01、03、05……)表示；相鄰的2個(gè)20 ft箱貝位可以組合成1個(gè)40 ft(或45 ft)箱貝位，用偶數(shù)(02、04、06……)表示。懸臂箱區(qū)懸臂側(cè)與AGV的作業(yè)交互點(diǎn)的定義規(guī)則為：箱區(qū)號(hào)+作業(yè)區(qū)域標(biāo)示+AGV停車貝位+AGV工作位，譬如：38CW0182中，38代表箱區(qū)號(hào)，CW代表作業(yè)區(qū)域標(biāo)示，018代表AGV停車貝位，2代表工作位(見(jiàn)圖1)。作業(yè)區(qū)域標(biāo)示有CW和CE兩個(gè)代碼，CW表示懸臂在箱區(qū)的西側(cè)，CE表示懸臂在箱區(qū)的東側(cè)。AGV工作位有3個(gè)數(shù)值表示，1表示20 ft箱放AGV海側(cè),2表示40 ft/45 ft箱放AGV中間,3表示20 ft箱放AGV陸側(cè)。

圖1 洋山深水港四期懸臂箱區(qū)貝位及作業(yè)交互點(diǎn)定義

3.2 懸臂冷藏箱區(qū)貝位及作業(yè)交互點(diǎn)

懸臂冷藏箱區(qū)冷藏箱貝位的定義從300開(kāi)始，每個(gè)箱區(qū)有10個(gè)冷藏貝位，其中20 ft貝位2個(gè)( 301、305)，40 ft貝位8個(gè)( 310、314、……338)，冷藏箱位布置在靠近懸臂吊電氣房側(cè)，每個(gè)貝位7列。冷藏箱位旁邊的另外3列，用于堆放普通45 ft集裝箱，貝位的定義與普通懸臂箱區(qū)的規(guī)則相同。冷藏箱以及旁邊普通45 ft箱貝位，與AGV交互點(diǎn)的定義規(guī)則,與普通懸臂箱區(qū)相同，沿用“箱區(qū)號(hào)+作業(yè)區(qū)域標(biāo)示+AGV停車貝位+AGV工作位”的模式。譬如：47CE3061中，47代表箱區(qū)號(hào)，CE代表作業(yè)區(qū)域標(biāo)示，306代表AGV停車貝位，1代表AGV工作位(見(jiàn)圖2)。

3.3 懸臂箱區(qū)陸側(cè)集卡作業(yè)交互點(diǎn)

懸臂箱區(qū)陸側(cè)與集卡的作業(yè)交互點(diǎn)的定義規(guī)則為：箱區(qū)號(hào)+LSC+車道號(hào)+集卡工作位。譬如：38LSC12中，38代表箱區(qū)號(hào)，1代表車道號(hào)，2代表集卡工作位。每塊懸臂箱區(qū)，陸側(cè)有2條車道?？拷?1 m通道的為1號(hào)車道，另一條為2號(hào)車道。集卡工作位有4個(gè)數(shù)值表示,1表示20 ft箱放集卡后部，2表示40 ft/45 ft箱放集卡上,3表示20 ft箱放集卡前部,5表示20 ft箱放集卡中部(見(jiàn)圖3)。

圖2 洋山深水港四期懸臂箱區(qū)冷藏貝位、及作業(yè)交互點(diǎn)的定義

圖3 洋山深水港四期懸臂箱區(qū)陸側(cè)集卡作業(yè)交互點(diǎn)的定義

3.4 雙懸臂箱區(qū)懸臂集卡側(cè)作業(yè)交互點(diǎn)

雙懸臂箱區(qū)懸臂集卡側(cè)作業(yè)交互點(diǎn)的定義規(guī)則為：箱區(qū)號(hào)+作業(yè)區(qū)域標(biāo)示+AGV停車貝位+AGV工作位。譬如：61CW0182中，61代表箱區(qū)號(hào)，CW代表作業(yè)區(qū)域標(biāo)示，018代表AGV停車貝位，2代表工作位。作業(yè)區(qū)域標(biāo)示有CW和CE兩個(gè)代碼，CW表示懸臂在箱區(qū)的西側(cè)，CE表示懸臂在箱區(qū)的東側(cè)。AGV工作位有4個(gè)數(shù)值表示，1表示20 ft箱放集卡海側(cè)，2表示40 ft/45 ft箱放集卡，3表示20 ft箱放集卡陸側(cè)，5表示20 ft箱放集卡中間。

4 同一箱區(qū)兩臺(tái)懸臂吊之間的防撞和避讓管控

布置在同一懸臂箱區(qū)的2臺(tái)懸臂吊，各自的作業(yè)區(qū)域幾乎都能覆蓋整個(gè)箱區(qū)，經(jīng)常需要在臨近的區(qū)域或者重疊的區(qū)域交替作業(yè)。2臺(tái)懸臂吊之間完善的防撞和避讓管控，對(duì)實(shí)現(xiàn)懸臂箱區(qū)安全、高效的作業(yè)，也非常關(guān)鍵。

4.1 防撞

洋山深水港四期懸臂吊的大車定位，是基于安裝在大車兩側(cè)地面的固定板(FLAG板)和安裝在大車上的編碼器，通過(guò)固定的FLAG板來(lái)校準(zhǔn)大車的絕對(duì)位置，從而達(dá)到對(duì)兩側(cè)大車的精確定位和控制。2臺(tái)懸臂吊都處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，最小安全間距為35 m；一臺(tái)處于維修狀態(tài)、另一臺(tái)處于作業(yè)狀態(tài)時(shí)，最小安全間距為26 m。

每臺(tái)懸臂吊都有向海側(cè)、向陸側(cè)、停止3種運(yùn)行工況，2臺(tái)懸臂吊共有9種運(yùn)行工況組合，每種組合下2臺(tái)車都可以運(yùn)行在各自不同的速度。防撞的基本邏輯，主要就是根據(jù)2臺(tái)懸臂吊已知的當(dāng)前位置和運(yùn)行工況組合，來(lái)決定防撞策略，協(xié)同2臺(tái)懸臂吊安全、高效地開(kāi)展作業(yè)(見(jiàn)表1)。

洋山深水港四期懸臂吊的大車門腿位置，還安裝有1套激光測(cè)距儀，用于實(shí)時(shí)測(cè)量2臺(tái)懸臂吊之間的相對(duì)距離，用于大車防撞。尤其是在一臺(tái)懸臂吊通訊丟失，系統(tǒng)無(wú)法獲知其大車確切位置的情況下，也能有效起到防撞保護(hù)作用。

表1 懸臂箱區(qū)大車運(yùn)行工況組合

4.2 避讓

同一箱區(qū)作業(yè)區(qū)域重疊的情況下，需要合理地避讓管控，才能更好地協(xié)同2臺(tái)懸臂吊的作業(yè)，洋山深水港四期懸臂吊的避讓控制是由Crane Director(以下簡(jiǎn)稱CD)層面來(lái)實(shí)現(xiàn)。CD從上層系統(tǒng)獲取作業(yè)指令和堆場(chǎng)狀態(tài)信息，從底層獲取設(shè)備狀態(tài)信息，CD之間還通過(guò)通訊獲取另一臺(tái)設(shè)備的指令和狀態(tài)信息，根據(jù)對(duì)全局任務(wù)的判斷，綜合考慮避讓產(chǎn)生的時(shí)間影響、效率和能耗等因素，運(yùn)用程序邏輯判斷給出合理的避讓策略。洋山深水港四期懸臂吊避讓的基本規(guī)則如下：

(1)懸臂吊對(duì)于每條作業(yè)指令的運(yùn)行范圍都進(jìn)行3次判斷，分別是：接收到指令時(shí)、抓箱完成時(shí)、另一臺(tái)懸臂吊接收到指令時(shí)。

(2)每一條作業(yè)指令都設(shè)置優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的懸臂吊具有優(yōu)先權(quán)。

(3)懸臂吊停止抓箱的條件：接收到另一臺(tái)懸臂吊有一條更高級(jí)別指令的信息；2條指令的運(yùn)行范圍有重疊；懸臂吊未到達(dá)抓箱位置范圍之內(nèi)。

(4)不受優(yōu)先級(jí)的限制情況：其中一臺(tái)懸臂吊正在執(zhí)行指令，而另一臺(tái)懸臂吊要求其移出交換區(qū)域，此時(shí)不受優(yōu)先級(jí)限制。后一個(gè)接收到指令的懸臂吊，會(huì)等前一個(gè)懸臂吊完成它的指令后，再進(jìn)行作業(yè)。

(5)放箱指令懸臂吊的優(yōu)先級(jí)，高于抓箱指令的懸臂吊。

(6)優(yōu)先級(jí)相等時(shí)，運(yùn)行范圍先申請(qǐng)者優(yōu)先。

洋山深水港四期懸臂吊避讓的主要場(chǎng)景有：2臺(tái)懸臂吊的指令互不干涉；抓箱前高級(jí)別指令占領(lǐng)運(yùn)行區(qū)域；高級(jí)別指令占領(lǐng)抓箱已被允許的區(qū)域；相同優(yōu)先級(jí)情況下優(yōu)先完成抓箱的占領(lǐng)區(qū)域；指令優(yōu)先級(jí)相同放箱優(yōu)先級(jí)高于抓箱；低優(yōu)先級(jí)的讓高優(yōu)先級(jí)的占領(lǐng)整個(gè)作業(yè)區(qū)域；高優(yōu)先級(jí)占領(lǐng)作業(yè)區(qū)域；抓箱完成后高優(yōu)先級(jí)占領(lǐng)作業(yè)區(qū)域；同等優(yōu)先級(jí)的軌道吊帶載的先占領(lǐng)作業(yè)區(qū)域；抓箱之前高優(yōu)先級(jí)的軌道吊占領(lǐng)作業(yè)區(qū)域；低優(yōu)先級(jí)懸臂吊等待；兩臺(tái)軌道吊抓箱位置區(qū)域均安全，低優(yōu)先級(jí)的等待放箱；低優(yōu)先級(jí)的懸臂吊已在執(zhí)行指令，則不受優(yōu)先級(jí)控制。

5 懸臂箱區(qū)21 m通道的管控

5.1 懸臂箱區(qū)的車道布置

(1)懸臂箱區(qū)之間的通道寬度為21 m，在該通道中布置了4根車道，寬度均為4 m，邊側(cè)車道的邊界線與軌道中心間距為2.5 m。

(2)從左至右4 根車道依次為：作業(yè)車道、通行車道、通行車道、作業(yè)車道。AGV 通過(guò)通行車道，進(jìn)出 21 m通道。AGV 通過(guò)斜行的方式，在通行車道與作業(yè)車道間轉(zhuǎn)移。

(3)從左至右4根車道的流向依次為：雙向、單向向海側(cè)、單向向陸側(cè)、雙向。中間2根通行車道，允許短距離逆行。

5.2 固定停車位

每塊懸臂箱區(qū)的作業(yè)車道上，設(shè)計(jì)有若干個(gè)作業(yè)車道固定停車位。AGV在進(jìn)入作業(yè)位作業(yè)前，在作業(yè)車道固定停車位等待。固定停車位的間距為32.5 m(5個(gè)20 ft箱貝位的長(zhǎng)度,見(jiàn)圖4)。

圖4 洋山深水港四期懸臂箱區(qū)通道固定停車位的布置

固定停車位的分配，以堆場(chǎng)所有的 AGV 作為一個(gè)整體，統(tǒng)一計(jì)算和優(yōu)化調(diào)整。輸入?yún)?shù)包括：

(1)AGV 任務(wù)。包括AGVID、JOBID、目標(biāo)作業(yè)位、作業(yè)箱號(hào)及類型、AGV 上箱子姿態(tài) (箱子在 AGV 上的位置)、車頭方向等。

(2)各堆場(chǎng)中目前給出的 AGV 任務(wù)間的優(yōu)先級(jí)關(guān)系。分配的目標(biāo)為最高優(yōu)先級(jí)的AGV能最快到達(dá)目標(biāo)作業(yè)位。為此，AGV的停車位與目標(biāo)作業(yè)位盡可能近，同時(shí)盡量避免干擾高優(yōu)先級(jí)的AGV作業(yè)。每當(dāng)一個(gè)完成作業(yè)的AGV離開(kāi)作業(yè)位后，會(huì)重新調(diào)整停車位，并為最高優(yōu)先級(jí)的AGV規(guī)劃路徑以進(jìn)入作業(yè)位。

如圖5所示，4輛AGV優(yōu)先級(jí)自高至低依次為AGV1，AGV2，AGV3，AGV4。作業(yè)位均在圖中T1處，對(duì)應(yīng)56貝位。AGV1 分配到最近的停車位 P1，并行駛至 T1 作業(yè)。AGV2分配至停車位P2，不影 響 AGV1 的作業(yè)。AGV3與AGV4 分別分配到停車位P3與P0。AGV1作業(yè)完成后，重新分配作業(yè)位。AGV2停車位P1，并行駛至T1 作業(yè)。AGV3分配至停車位P2，不影響AGV1的作業(yè)， 亦行駛至P2。AGV4仍分配到停車位P0。新的AGV任務(wù)加入序列時(shí)，可以臨時(shí)分配一個(gè)不影響現(xiàn)作業(yè)的停車位。例如，可以將新的AGV分配P3停車位，重新計(jì)劃時(shí)再做調(diào)整。

圖5 固定停車位的分配

5.3 入口停車位

在21 m通道的入口處，設(shè)計(jì)有入口停車位。AGV在進(jìn)入箱區(qū)前，路徑規(guī)劃至入口停車位。在TOS(Tape Operating System，生產(chǎn)管理系統(tǒng))給出該AGV的實(shí)際作業(yè)次序后，VMS(AGV Management System，集裝箱自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車管理系統(tǒng))為之分配實(shí)際的作業(yè)車道停車位，并規(guī)劃AGV從入口停車位至作業(yè)車道停車位的路徑。如圖6所示。AGV1在通道入口停車位，分配了車道停車位P1。AGV1從入口停車位，通過(guò)2次斜行進(jìn)入作業(yè)車道停車位。

圖6 洋山深水港四期懸臂箱區(qū)通道入口停車位

5.4 出口停車位

在21 m通道的出口處，設(shè)計(jì)有出口停車位。VMS為AGV規(guī)劃，自作業(yè)位經(jīng)出口停車位至目標(biāo)位置的路徑，如圖7所示。AGV1 在P2完成作業(yè)后，規(guī)劃了經(jīng)出口停車位的路徑。AGV1從作業(yè)位，通過(guò)2次斜行，經(jīng)出口停車位，轉(zhuǎn)彎進(jìn)入高速車道。

圖7 洋山深水港四期懸臂箱區(qū)通道出口停車位

5.5 驅(qū)離機(jī)制

AGV1在懸臂箱區(qū)，離開(kāi)固定停車位去作業(yè)位作業(yè)時(shí)，如果作業(yè)位附近的作業(yè)車道上有AGV2影響到AGV1的作業(yè)，此時(shí)，如果AGV1的作業(yè)優(yōu)先級(jí)高于AGV2，則將AGV2 驅(qū)離該停車位，并重新計(jì)劃所有 AGV的停車位，或者僅僅是讓 AGV2 略作偏離；如果AGV1的作業(yè)優(yōu)先級(jí)低于AGV2，則AGV2繼續(xù)作業(yè)，AGV1等待。

6 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)的安全及效率不僅是洋山深水港四期工程追求的目標(biāo)，也是全球各自動(dòng)化碼頭不斷探索的課題[3]。目前，洋山深水港四期自動(dòng)化堆場(chǎng)的懸臂箱區(qū)已投入實(shí)際生產(chǎn)，設(shè)備和系統(tǒng)安全穩(wěn)定，箱區(qū)和通道管控合理，作業(yè)質(zhì)量良好。本文結(jié)合洋山深水港四期懸臂箱區(qū)應(yīng)用實(shí)例，梳理總結(jié)了洋山深水港四期懸臂箱區(qū)貝位、作業(yè)交互點(diǎn)的一般定義規(guī)則，以及懸臂箱區(qū)的2臺(tái)懸臂吊之間防撞和避讓、AGV通道管控的基本規(guī)則，可為類似的自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)懸臂箱區(qū)的應(yīng)用提供參考。