機(jī)場自動(dòng)化行李集裝箱處理系統(tǒng)的研究

文/謝 洪

一、引言

隨著國內(nèi)民航機(jī)場的快速發(fā)展及旅客吞吐量的日益增長，在《中國民航四型機(jī)場建設(shè)行動(dòng)綱（2020-2035年)》發(fā)布及國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）行李全程追蹤753號決議項(xiàng)目推進(jìn)背景下，大、中型機(jī)場對自動(dòng)化行李集裝箱處理提出了更高的需求。一方面由于國內(nèi)機(jī)場集裝箱處理的自動(dòng)化、智能化應(yīng)用或研究還處在較低水平，與國外機(jī)場存在較大差距，難以滿足機(jī)場對行李（貨物）裝載的時(shí)效性要求；另一方面當(dāng)前國內(nèi)機(jī)場集裝箱的處理還停留在采用人工裝載的運(yùn)行模式，由于自動(dòng)化和信息化程度低，存在行李（貨物）裝載環(huán)節(jié)錯(cuò)裝或漏裝、差錯(cuò)率高、運(yùn)營成本高等問題。

在當(dāng)前及今后一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)場自動(dòng)化行李集裝箱處理系統(tǒng)（簡稱“集裝箱系統(tǒng)”）將是集裝箱自動(dòng)化處理設(shè)備的主要發(fā)展方向，在集裝箱搬運(yùn)、存取方面具有高效、智能、安全等優(yōu)勢。然而，國內(nèi)機(jī)場集裝箱系統(tǒng)應(yīng)用還處于空白，研究滿足機(jī)場發(fā)展需要的集裝箱處理系統(tǒng)，提高集裝箱裝載的自動(dòng)化和智能化是機(jī)場及航空運(yùn)輸企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。另外，隨著機(jī)場人力成本上漲、貨物運(yùn)輸量增加、乘客對飛機(jī)準(zhǔn)點(diǎn)率要求的提升，國內(nèi)旅客對貨物的裝卸效率要求不斷提高，使得集裝箱系統(tǒng)的技術(shù)研究迫在眉睫。因此，對集裝箱系統(tǒng)進(jìn)行研究是必要和迫切的。

二、集裝箱系統(tǒng)的研究

1.集裝箱系統(tǒng)概述

集裝箱系統(tǒng)又稱“U L D 處理系統(tǒng)”，是一種典型的自動(dòng)化物料輸送控制系統(tǒng)，在機(jī)場內(nèi)主要處理行李集裝箱的裝卸、搬運(yùn)和存儲(chǔ)。系統(tǒng)采用現(xiàn)代物流、自動(dòng)倉儲(chǔ)系統(tǒng)（AS/RS）和機(jī)場裝備自動(dòng)化、物流網(wǎng)、智能與信息化等控制技術(shù)，通過控制集裝箱的移動(dòng)把集裝箱行李從起始點(diǎn)（入口）輸送到正確的目的地（出口）。

機(jī)場對集裝箱系統(tǒng)的主要需求功能包括：實(shí)現(xiàn)滿載和空載的集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)的部分或全自動(dòng)化，提升集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)（裝卸、搬運(yùn)和運(yùn)輸）的處理效率；實(shí)現(xiàn)行李集裝箱的裝卸、搬運(yùn)和運(yùn)輸全過程跟蹤，減少行李裝載的差錯(cuò)率，提升運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。行李追蹤是民航運(yùn)輸行業(yè)繼續(xù)降低成本和改善服務(wù)的一個(gè)關(guān)鍵途徑，如圖1所示，IATA753號決議規(guī)定了行李追蹤4個(gè)重要節(jié)點(diǎn)（值機(jī)、裝機(jī)、中轉(zhuǎn)、達(dá)到）。

2.集裝箱系統(tǒng)主要設(shè)備及技術(shù)

集裝箱系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、可靠性高的特點(diǎn)，便于滿載和空載行李集裝箱的自動(dòng)化輸送或轉(zhuǎn)運(yùn)，通常由單一或多個(gè)互連環(huán)路輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、物流設(shè)備上位管理及調(diào)度系統(tǒng)等組成。主要設(shè)備包括集裝箱、輸送設(shè)備（輥道輸送機(jī)、升降鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、輸送站臺(tái)等等）、往復(fù)式提升機(jī)、搬運(yùn)設(shè)備、站臺(tái)等。

（1）集裝箱

機(jī)場集裝箱也稱航空集裝單元（Unit Load Device，簡稱ULD），是IATA規(guī)定用于航空貨物運(yùn)輸?shù)募b箱或托盤，常用于貨物堆放和快捷轉(zhuǎn)運(yùn)。AKE集裝箱是ULD的一種，廣泛應(yīng)用于航空運(yùn)輸，在國際航空貨運(yùn)發(fā)展中起到了重要的推動(dòng)作用，各機(jī)場普遍使用，是機(jī)場行李運(yùn)輸?shù)氖走x。AKE集裝箱外形圖，如圖2。集裝箱ATA代碼LD3、最高可容重量1588kg、集裝箱容量4.53m3、外部長高寬尺寸為：1562×1534×1626（mm）。

集裝箱系統(tǒng)的每個(gè)ULD都裝有電子標(biāo)簽（RFID），通過電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備對其進(jìn)行信息讀寫操作。應(yīng)用RFID技術(shù)對每一個(gè)集裝箱的位置、處理狀態(tài)進(jìn)行全程跟蹤。

圖1 行李運(yùn)輸全程追蹤關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)意圖

圖2 AKE型集裝箱外形示意圖

表1 集裝箱系統(tǒng)輸送設(shè)備

（2）輸送設(shè)備

輸送設(shè)備用于集裝箱系統(tǒng)處理集裝箱搬運(yùn)和存儲(chǔ)，主要包括：輥道輸送機(jī)、旋轉(zhuǎn)輥道輸送機(jī)、站臺(tái)輥道輸送機(jī)、升降輸送機(jī)、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)等。設(shè)備外形、功能及性能，見表1。

（3）往復(fù)式提升機(jī)

往復(fù)式提升機(jī)是實(shí)現(xiàn)在垂直方向往復(fù)升降和水平輸送物料的設(shè)備。它根據(jù)預(yù)定的物料流程，在電控系統(tǒng)的控制下，將物料從低位（高位）提升（下降）到高位（低位），并完成物料向上（下）游輸送機(jī)的輸送。提升機(jī)主要由主框架、頂支架、升降驅(qū)動(dòng)裝置、提升轎廂、水平輸送機(jī)、安全門、檢修門及電氣控制系統(tǒng)等組成，如外形圖3所示。

往復(fù)式提升機(jī)用于實(shí)現(xiàn)集裝箱垂直方向往復(fù)升降和水平輸送，額定載重1500kg、處理能力30箱/小時(shí)、整機(jī)高度≤24m、升降速度24～54m/min、升降加速度0.5m/s2、水平輸送速度12～20m/min、升降定位精度±5mm。

（4）搬運(yùn)單元設(shè)備

自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）是典型的自動(dòng)化物料搬運(yùn)單元設(shè)備，在物料的搬運(yùn)輸送方面有廣泛的應(yīng)用。AGV裝備有電磁自動(dòng)導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)劃好的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)和移載功能，可以滿足機(jī)場集裝箱的點(diǎn)到點(diǎn)搬運(yùn)、高并發(fā)、多任務(wù)作業(yè)，非常適合行李集裝箱的自動(dòng)化搬運(yùn)。

集裝箱搬運(yùn)AGV外形，如圖4所示，總體結(jié)構(gòu)按其功能劃分主要由驅(qū)動(dòng)總成、舉升裝置總成、動(dòng)力充電裝置、蓄電池組、安全防護(hù)總成、車架、以及車載控制系統(tǒng)、車載操作終端總成等組成。集裝箱系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)量大小，搬運(yùn)單元由幾十臺(tái)到上百輛AGV組成，通過AGV來搬運(yùn)集裝箱類物料，AGV按上位系統(tǒng)規(guī)定路徑精確地行走并?？康街付ㄕ九_(tái)完成對物料的搬運(yùn)作業(yè)。AGV驅(qū)動(dòng)方式為四差速舵輪裝置多輪驅(qū)動(dòng)，前進(jìn)/后退速度90m/min、橫橫移速度30m/min，承載能力1500kg，頂升機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械剪刀叉式結(jié)構(gòu)。

AGV的驅(qū)動(dòng)采用四差速舵輪裝置組成的多輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其舵輪與車體連接采用多級自適應(yīng)懸掛技術(shù)實(shí)現(xiàn)載荷均布，能夠保證多輪同時(shí)與地面良好接觸，保證控制系統(tǒng)輸入信號可靠，有效提高單機(jī)運(yùn)行精度與可靠性，驅(qū)動(dòng)布置見圖5。每組差速驅(qū)動(dòng)舵輪由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及伺服控制器等組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)集成減速器、制動(dòng)器、編碼器等器件。當(dāng)AGV行走時(shí)，伺服控制器可通過驅(qū)動(dòng)編碼器的反饋信號對AGV的行走進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，通過四組差速舵輪裝置的協(xié)調(diào)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)整車的前進(jìn)、后退、側(cè)移、自旋等運(yùn)動(dòng)模式。驅(qū)動(dòng)輪為總成結(jié)構(gòu)，外層使用樹脂橡膠材料制成，具有高強(qiáng)度、耐磨損、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有一定的彈性，能有效避免沖擊給輪子帶來的傷害，使用壽命長。

圖3 往復(fù)式提升機(jī)外形示意圖

圖4 自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車外形圖

圖5 AGV總成結(jié)構(gòu)示意圖

（5）集裝箱裝卸站臺(tái)

集裝箱裝卸站臺(tái)為滾輪工作臺(tái)，主要用于人工集裝箱裝卸，把實(shí)載集裝箱從輸送站臺(tái)裝卸拖運(yùn)車、空載集裝箱從拖運(yùn)車裝卸輸送站臺(tái)。滾輪工作臺(tái)將若干具有承載力的萬向滾輪以一定的密度固定在鋼板上形成平臺(tái)，由于萬向滾輪的滾動(dòng)靈活，使在其上運(yùn)行的物料能非常靈活的滑移，從而大大減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。萬向滾輪工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)靈活多樣性，被廣泛應(yīng)用于流水線的輸送、過渡、轉(zhuǎn)彎等場合。滾輪工作臺(tái)主要由支腿、支架、萬向滾輪、花紋鋼板、護(hù)欄及限位裝置等組成，外形如圖6所示。

（6）固定式站臺(tái)

固定站臺(tái)（見圖7）是一種梳齒狀支架，它主要用于支承托盤、箱式物料等。與下潛頂升式AGV對接?？筛鶕?jù)承載物料的不同，調(diào)整站臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸。主要由支腿和懸臂支架組成，承載能力不小于1600kg，可以用于集裝箱系統(tǒng)人工裝箱站臺(tái)或?qū)嵪浼b緩存站臺(tái)。

圖6 集裝箱滾輪工作臺(tái)外形示意圖

3.集裝箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

下面以昆明機(jī)場集裝箱系統(tǒng)項(xiàng)目為例，對集裝箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究和分析。昆明機(jī)場集裝箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)處理能力≥60空載(實(shí)載）箱/小時(shí)，提升機(jī)處理能力≥30箱/臺(tái)、AGV處理能力≥60箱/小時(shí)、空箱存儲(chǔ)量≥140箱。主要設(shè)備配置AGV小車25輛、輥道/鏈條輸送機(jī)1套、提升機(jī)4臺(tái)、集裝箱417個(gè)（空箱緩存區(qū)140箱、輸送離港行李用箱100箱、3小時(shí)周轉(zhuǎn)量用箱177箱）、拖板車100輛。集裝箱系統(tǒng)平面布置圖如圖8，系統(tǒng)主要用于處理行集裝箱的裝卸、搬運(yùn)和存儲(chǔ)，分FB01（-4.5m）、FB03層（-14.0m）2個(gè)功能區(qū)。FB01層與FB03層間通過提升機(jī)進(jìn)行連接，F(xiàn)01層站臺(tái)之間集裝箱的搬運(yùn)采用AGV進(jìn)行運(yùn)輸。

圖7 固定式站臺(tái)外形圖

圖8 昆明機(jī)場集裝箱系統(tǒng)平面布局圖

圖9 集裝箱系統(tǒng)處理流程圖

FB03層集裝箱系統(tǒng)：FB03層的裝箱站臺(tái)與S1衛(wèi)星廳行李分揀系統(tǒng)的滑槽進(jìn)行接駁，主要功能為空集裝箱的存儲(chǔ)、行李的裝箱及信息綁定、實(shí)集裝箱的存儲(chǔ)。在FB03層設(shè)置有311個(gè)存儲(chǔ)位，其中143個(gè)空集裝箱存儲(chǔ)位、45個(gè)人工裝箱站臺(tái)位、123個(gè)實(shí)裝箱存儲(chǔ)位。主要設(shè)備有升降輸送機(jī)、鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、輥道輸送機(jī)、頂升式AGV系統(tǒng)、RFID手持終端、集裝箱固定存放站臺(tái)等。

FB01層集裝箱系統(tǒng)：FB01層的站臺(tái)與托板車進(jìn)行接駁，主要功能為實(shí)載集裝箱的出庫、緩存、裝車，空集裝箱的卸車、回庫。共設(shè)置有2個(gè)卸車和4個(gè)裝車站臺(tái)，在每個(gè)垂直提升機(jī)口都配置有RFID讀寫器，在卸車和裝車站臺(tái)均配置有LED顯示屏用于復(fù)核驗(yàn)證及顯示實(shí)集裝箱信息。主要設(shè)備有垂直提升機(jī)、輥道輸送機(jī)、升降輸送機(jī)、RFID讀寫器、旋轉(zhuǎn)輸送機(jī)、LED顯示屏等。

（1）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用RFID標(biāo)簽作為信息載體，在裝箱環(huán)節(jié)由人工進(jìn)行集裝箱和航班號的信息綁定，在出庫站臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行信息復(fù)核，提高系統(tǒng)的信息化水平及可靠性；按定制集裝箱及兼容AKE集裝箱需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，集裝箱全程自動(dòng)輸送和搬運(yùn)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和兼容性；所有垂直提升機(jī)均互為備份，均能實(shí)現(xiàn)空箱和實(shí)箱的搬運(yùn)，在任一臺(tái)提升機(jī)故障情況下可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的互備功能，也可根據(jù)高峰/低峰情況分配4臺(tái)提升機(jī)的功能；各卸車上線站臺(tái)、下線裝車站臺(tái)、實(shí)箱出庫站臺(tái)相互獨(dú)立且互為備份；空箱輸送線和實(shí)箱輸送線均設(shè)置有2條獨(dú)立路徑，互為備份；空箱緩存區(qū)、實(shí)箱緩存區(qū)、裝箱站臺(tái)、出庫站臺(tái)間的物料（空箱、實(shí)箱）運(yùn)轉(zhuǎn)選用頂升式AGV小車自動(dòng)搬運(yùn)，AGV小車數(shù)量可根據(jù)后期機(jī)場運(yùn)行情況進(jìn)行靈活增補(bǔ)；集裝箱采用WMS管理系統(tǒng)進(jìn)行位置管理，提高系統(tǒng)的信息化水平，實(shí)現(xiàn)集裝箱位置可視化；系統(tǒng)采用WCS物流調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行智能化作業(yè)調(diào)度和控制，實(shí)現(xiàn)物料有序、高效輸送。

（2）系統(tǒng)處理流程設(shè)計(jì)

集裝箱進(jìn)出系統(tǒng)的處理流程主要分為空集裝箱回庫、人工裝箱、實(shí)集裝箱出庫。具體流程如圖9。

①空集裝箱入庫流程

空集裝箱入庫的具體流程見圖9，具體任務(wù)包括：空集裝箱由拖車運(yùn)送至位FB01層的卸車站臺(tái)，人工輔助卸車；空集裝箱通過輸送線自動(dòng)輸送到RFID讀取位，自動(dòng)清除RFID標(biāo)簽綁定的信息；空集裝箱通過垂直提升機(jī)送至FB03層，自動(dòng)輸送到空集裝箱緩存站臺(tái)，完成空箱回庫。

圖10 AGV搬運(yùn)集裝箱出庫流程圖

圖11 集裝箱系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

②人工行李裝箱流程

人工裝箱的流程見圖9，具體任務(wù)包括：根據(jù)行李系統(tǒng)指令，WCS調(diào)度AGV將空集裝箱搬運(yùn)到所需的對應(yīng)裝箱站臺(tái)；根據(jù)機(jī)場行李處理系統(tǒng)等待行李到達(dá)，并進(jìn)行行集裝箱裝滿或根據(jù)機(jī)場信息提示，操作人員通過手持RFID終端綁定集裝箱與航班信息，等待行李到達(dá)并進(jìn)行行裝箱；集裝箱裝滿或處理系統(tǒng)信息提示，完成裝箱；根據(jù)WMS位置分配，WCS調(diào)度AGV將實(shí)集裝箱搬運(yùn)到是相應(yīng)的集裝箱緩存站臺(tái)。

③實(shí)集裝箱出庫流程

出庫的流程見圖10，具體任務(wù)包括：根據(jù)機(jī)場行李處理系統(tǒng)指令，WCS調(diào)度AGV將WMS實(shí)集裝箱搬運(yùn)到實(shí)箱站臺(tái)；自動(dòng)輸送到垂直提升機(jī)位，通過提升機(jī)自動(dòng)升到FB01層；自動(dòng)輸送至RFID信息校驗(yàn)位進(jìn)行信息校對，信息正確自動(dòng)輸送到裝車站臺(tái)人工輔助裝車，信息錯(cuò)誤則自動(dòng)輸送到容錯(cuò)站臺(tái)由人工處理。

（3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

昆明機(jī)場集裝箱系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11，主要由倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、倉庫調(diào)度系統(tǒng)(WCS)、AGV上位系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)等組成。

①WMS與WCS

集成物流管理系統(tǒng)是WMS與WCS的統(tǒng)稱，可以對自動(dòng)化物流箱進(jìn)行智能化管理和調(diào)度。一方面實(shí)現(xiàn)物流指令快速、準(zhǔn)確的下達(dá)以及指令執(zhí)行反饋的收集、處理和反饋，并做出正確的調(diào)度以協(xié)調(diào)各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，保障各種物料準(zhǔn)確調(diào)度、及時(shí)輸送，實(shí)現(xiàn)企業(yè)物料高效有序的流動(dòng)和科學(xué)管理以滿足企業(yè)物流自動(dòng)化的需要；另一方面對物料信息、位置信息、物流信息進(jìn)行全面信息化管理，實(shí)現(xiàn)信息流與實(shí)物流的準(zhǔn)確同步，提高作業(yè)速度和準(zhǔn)確性，提高管理及服務(wù)水平。同時(shí)為上層信息管理系統(tǒng)提供所需的物流信息，為各管理部門提供有價(jià)值的運(yùn)行信息和輔助決策信息。

WMS實(shí)現(xiàn)倉庫管理層的功能，通過對物料（集裝箱）和倉庫貨位進(jìn)行全面的信息化管理和對調(diào)度模塊的信息進(jìn)行收集歸類、整理和分析，實(shí)現(xiàn)倉庫物料的自動(dòng)化存儲(chǔ)和出入庫，及時(shí)準(zhǔn)確地反映倉庫物料的存儲(chǔ)狀況，為企業(yè)生產(chǎn)決策提供準(zhǔn)確、快捷的材料和數(shù)據(jù)。主要功能模塊包括貨物管理、組盤管理、出入庫管理、報(bào)表管理等。

WCS是連接業(yè)務(wù)管理層及設(shè)備執(zhí)行層的樞紐，與WMS系統(tǒng)進(jìn)行通信，接收WMS系統(tǒng)的任務(wù)指令，分解下達(dá)給各執(zhí)行設(shè)備，并反饋設(shè)備執(zhí)行情況，為上層管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。主要功能模塊包括綜合調(diào)度、設(shè)備子系統(tǒng)調(diào)度、物流動(dòng)態(tài)路徑管理、設(shè)備監(jiān)控等。

②AGV上位系統(tǒng)

AGV上位系統(tǒng)包括監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。各AGV使用無線以太網(wǎng)進(jìn)行連接AGV上位系統(tǒng)，系統(tǒng)之間用以太網(wǎng)進(jìn)行連接。系統(tǒng)具有任務(wù)管理、AGV路徑規(guī)劃、車輛管理、交通管理、狀態(tài)監(jiān)控及任務(wù)信息管理等功能。在智能方面，系統(tǒng)具有優(yōu)化空閑AGV的功能，使空閑的AGV被分派到輸送命令序列中的第一個(gè)指令，隨后AGV開始向目標(biāo)運(yùn)行，如果此時(shí)有另一輛離得更近的AGV空閑下來，則控制系統(tǒng)將把指令轉(zhuǎn)移到這輛AGV上。

③PLC控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由PLC及各種現(xiàn)場電氣部件、分布式智能IO子站、傳感器等組成?；诩b箱系統(tǒng)的設(shè)備布局分散，PLC控制系統(tǒng)采用Profinet或As-i現(xiàn)場智能I/O從站與主站PLC構(gòu)成了分布式控制，控制器件包括PLC、現(xiàn)場電氣部件、傳感器等?，F(xiàn)場輸送設(shè)備通過PLC及分布式I/O站進(jìn)行控制。

三、結(jié)束語

本文研究的集裝箱系統(tǒng)，應(yīng)用AGV搬運(yùn)、RFID、AS/RS、自動(dòng)化物流等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了集裝箱處理過程的自動(dòng)化，降低了人工搬運(yùn)的強(qiáng)度和差錯(cuò)率、提高了處理效率，通過對集裝箱的位置和輸送實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了行李裝箱到裝載全程可追蹤，確保處理過程100%可追溯。集裝系統(tǒng)在機(jī)場的應(yīng)用，將極大地提高機(jī)場的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。