集裝箱智能化碼頭AGV選型

熊玲燕

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

集裝箱自動導(dǎo)引小車AGV（Automated Guided Vehicle）設(shè)有光學(xué)或電磁設(shè)施，能夠沿著設(shè)定的路徑行駛，具有水平移動和安全保護(hù)功能，是一個(gè)具有動態(tài)決策與規(guī)劃、對環(huán)境能夠感知、對行為能夠進(jìn)行控制與執(zhí)行等多種功能集于一體的綜合運(yùn)輸車。集裝箱AGV具有無人駕駛、自動導(dǎo)航、精確定位、可路徑優(yōu)化以及安全避障等智能化功能。集裝箱AGV的推廣應(yīng)用，對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、和諧可持續(xù)發(fā)展社會，具有極其重要而深遠(yuǎn)的意義。

1 AGV國內(nèi)外運(yùn)用情況及特點(diǎn)

集裝箱AGV作為一種新型的搬運(yùn)設(shè)備，近年來在國內(nèi)外大型港口得到了廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用集裝箱AGV的港口主要包括荷蘭鹿特丹港的ECT碼頭、Euromax碼頭、德國漢堡港CTA碼頭、廈門遠(yuǎn)海、青島自動化碼頭以及上海洋山自動化碼頭等。集裝箱AGV相比傳統(tǒng)的人工集裝箱拖掛車作業(yè)具有智能化、安全可靠、綠色環(huán)保等方面優(yōu)勢。

1.1 智能化

集裝箱 AGV是一種全自動、智能高效的集裝箱水平運(yùn)輸設(shè)備，采用計(jì)算機(jī)控制可以快捷高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)集裝箱在碼頭和堆存之間的搬運(yùn)，其控制系統(tǒng)分為地面控制系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)及導(dǎo)航/導(dǎo)引系統(tǒng)。

AGV地面控制系統(tǒng)是AGV系統(tǒng)的核心。其主要的功能是對系統(tǒng)中的眾多AGV單機(jī)分配任務(wù)，管理交通，管理車輛，管理通訊等。AGV車載控制系統(tǒng)在收到上位系統(tǒng)的指令后，對AGV單機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，并選擇路徑，驅(qū)動車輛，進(jìn)行裝卸操作。導(dǎo)航系統(tǒng)為各AGV單機(jī)提供系統(tǒng)相對或絕對位置及運(yùn)行方向。集裝箱AGV通過其統(tǒng)籌調(diào)度、路徑優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效化、節(jié)能化運(yùn)行。

1.2 安全可靠性

AGV系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的后臺數(shù)據(jù)庫，消除人為因素，保證安全、及時(shí)、準(zhǔn)確地完成運(yùn)輸任務(wù)。

集裝箱AGV是一款無人化自動化導(dǎo)引小車，傳統(tǒng)集裝箱碼頭需要人工進(jìn)行水平運(yùn)輸作業(yè)，增加了意外事故對人身安全的威脅影響，而集裝箱碼頭采用集裝箱AGV作業(yè)，完全實(shí)現(xiàn)無人化，通過地面控制系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺技術(shù)等實(shí)現(xiàn)安全避障，大大提高了碼頭作業(yè)安全性。AGV無人化作業(yè)大大減輕勞動強(qiáng)度，改善生產(chǎn)環(huán)境，優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，使得碼頭作業(yè)和堆場作業(yè)進(jìn)行無縫銜接，提高生產(chǎn)效率。

1.3 綠色環(huán)保

集裝箱AGV采用清潔能源，減少廢氣的排放，采用電力驅(qū)動相比傳統(tǒng)集裝箱拖掛車的柴油驅(qū)動更節(jié)能減排。

圖1 集裝箱AGV

2 集裝箱AGV選型分析

2.1 集裝箱AGV功能選型

集裝箱AGV主要用于碼頭與堆場之間集裝箱水平運(yùn)輸作業(yè)，每個(gè)集裝箱AGV可裝載1個(gè)40’/45’或2個(gè)20’集裝箱。從裝卸運(yùn)輸功能上看，集裝箱AGV可分為兩種類型。一是不帶舉升功能的集裝箱AGV，一是具有舉升功能的集裝箱LAGV。

目前自動化碼頭采用 AGV的海側(cè)交換區(qū)有 3種較為成熟的布置，一是碼頭與堆場之間集裝箱水平運(yùn)輸作業(yè)僅配置AGV，這種模式下，AGV到達(dá)海側(cè)交換區(qū)后，需要等待自動化集裝箱龍門起重機(jī)ARMG對其完成取箱或裝箱作業(yè)之后才能離去，AGV等待時(shí)間較長，設(shè)備配置較多，投資較高。

為了降低集裝箱AGV與ARMG的相互等待時(shí)間，減少 AGV配置數(shù)量，提高作業(yè)效率，衍生出另外兩種布置模式：一是在海側(cè)交換區(qū)布置帶有頂舉功能的支架，當(dāng)集裝箱AGV到達(dá)海側(cè)交換區(qū)后，可以通過支架頂舉功能將AGV上的集裝箱卸載到支架上或者通過支架頂舉功能將集裝箱裝載到AGV上，集裝箱AGV不需等待ARMG到來便可先行離去，這樣大大節(jié)省了AGV的等待時(shí)間，提高了裝卸作業(yè)效率，降低了集裝箱AGV的配置數(shù)量及投資。另一種是在AGV上增加頂舉功能，海側(cè)交換區(qū)設(shè)置普通支架；裝船作業(yè)時(shí)，ARMG從堆場取箱后可先將其放置在海側(cè)交換區(qū)的支架上，集裝箱LAGV到達(dá)后可將支架上的集裝箱自行取走；卸船作業(yè)時(shí)，集裝箱 AGV將集裝箱運(yùn)載至海側(cè)交換區(qū)，利用舉升功能將其放置在支架上等待ARMG轉(zhuǎn)載。集裝箱LAGV+普通支架相對于集裝箱AGV+帶頂舉功能支架，投資略低，且維護(hù)更方便。根據(jù)仿真研究，集裝箱 LAGV+普通支架模式相對于純集裝箱AGV模式可減少10 %的設(shè)備配置數(shù)量，大大節(jié)省了投資，提高設(shè)備利用率，提高裝卸效率。

2.2 集裝箱AGV動力選型

集裝箱AGV按照動力源分為柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動、電池驅(qū)動、燃?xì)怛?qū)動和混合動力驅(qū)動。柴油驅(qū)動的集裝箱AGV廢氣排放較多、節(jié)能環(huán)保條件較差且運(yùn)行成本較高；電驅(qū)動集裝箱AGV能源效率系數(shù)高、既節(jié)能又環(huán)保，但需設(shè)置相應(yīng)的充電設(shè)施；燃?xì)馐郊b箱AGV目前產(chǎn)品還不成熟。

目前，集裝箱AGV供電一般由電池作為載體，使用較為廣泛的電池種類主要包括鉛酸電池和鋰離子電池。

鉛酸蓄電池成本相對較低，但其能量密度低，體積大，使用時(shí)間短。而鋰電池成本雖略高，但具有較高的能量密度和較好的耐用性，待機(jī)充電時(shí)間短，且對環(huán)境無污染，綜合性能好，是集裝箱AGV的理想電源。

在充電模式上，根據(jù)電池及工作模式的不同，分為自動充電、人工充電、更換電池幾種方式。

人工充電模式效率、自動化、智能化程度低。更換電池模式需要建立大型的電池更換站，雖然這種模式下可以節(jié)省集裝箱AGV的充電時(shí)間，但是電池更換站投資高，集裝箱 AGV需不斷的進(jìn)出充電站進(jìn)行電池更換，運(yùn)營管理及維護(hù)復(fù)雜。

自動充電包括快充/慢充、空閑充電/定時(shí)充電/定量充電，如果建立專門的集裝箱AGV充電場地，一方面需要設(shè)置充電站，另一方面集裝箱AGV需要花費(fèi)較長時(shí)間進(jìn)行充電及往返于充電站和作業(yè)區(qū)域之間，降低了AGV利用率及其生產(chǎn)作業(yè)效率?；谶@些情況，提出了一種空閑充電和定量充電相結(jié)合的模式，即機(jī)會充電。機(jī)會充電技術(shù)的應(yīng)用作為電池供電的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)邊走邊充。采用機(jī)會充電可以提高集裝箱AGV使用效率、節(jié)省集裝箱AGV充電時(shí)間、簡化自動化碼頭供電設(shè)施，減少自動化碼頭建設(shè)投資。

3 青島自動化碼頭AGV工藝布置

青島迪拜環(huán)球集裝箱自動化碼頭建設(shè)有2個(gè)10萬t級和2個(gè)3萬t級集裝箱泊位，裝卸工藝為雙小車岸邊集裝箱裝卸橋進(jìn)行裝卸船作業(yè)、集裝箱拖掛車/集裝箱AGV進(jìn)行水平運(yùn)輸作業(yè)、軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（ARMG/RMG）進(jìn)行堆場內(nèi)集裝箱的拆碼垛及裝卸車作業(yè)、集裝箱正面吊進(jìn)行相關(guān)輔助作業(yè)。

該工程碼頭前方作業(yè)區(qū)域?qū)?30 m，碼頭前沿共布置了 14臺雙小車集裝箱岸邊裝卸橋，其軌距為35 m，外伸距為70 m，后伸距27 m。碼頭岸橋陸側(cè)軌后方設(shè)置了封閉無人化的管理區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)集裝箱自動化碼頭安全、高效運(yùn)行；岸橋裝卸車道和集裝箱LAGV布置在岸橋后伸距正下方，共設(shè)置7個(gè)單向車道，其中6個(gè)是裝卸車道，最南側(cè)1個(gè)是通過式車道。岸橋下方集裝箱LAGV裝卸車道南側(cè)設(shè)置集裝箱LAGV緩沖區(qū)和6個(gè)集裝箱LAGV行駛車道。

碼頭前方作業(yè)區(qū)后方開始布置全自動集裝箱堆場，整個(gè)集裝箱堆場垂直于碼頭布置。堆場區(qū)共布置38條自動化箱區(qū)和1條特種箱區(qū)。為了節(jié)省集裝箱 AGV與 ARMG銜接過程中相互等待的時(shí)間，節(jié)省設(shè)備投資，提高生產(chǎn)效率，該工程集裝箱AGV具有頂舉功能，即為 LAGV，并在海側(cè)交換區(qū)為其設(shè)置支架，作為LAGV與ARMG的中轉(zhuǎn)平臺，解決了LAGV與ARMG的耦合問題，提高集裝箱LAGV的作業(yè)效率及利用率。當(dāng)LAGV運(yùn)輸集裝箱抵達(dá)海側(cè)交換區(qū)后，如果 ARMG還沒有來到該裝卸位，可以通過頂舉功能將LAGV上的集裝箱放到支架上然后先行離去，從而減少LAGV等待時(shí)間提高LAGV的利用率。

青島自動化碼頭在海側(cè)交換區(qū)布置了集裝箱裝卸位和ARMG檢修位，海側(cè)交換區(qū)寬度為39 m，其中每個(gè)集裝箱LAGV交換區(qū)設(shè)置5個(gè)LAGV交換通道，其中4個(gè)帶有LAGV支架。為了節(jié)省集裝箱 LAGV充電時(shí)間和充電設(shè)施投資，提高 LAGV利用率，青島自動化碼頭 LAGV采用機(jī)會充電模式，在LAGV支架邊設(shè)有滑觸線用于LAGV機(jī)會充電。AGV進(jìn)入海側(cè)交換區(qū)，進(jìn)入—頂起集裝箱—放下起升機(jī)構(gòu)—退出海側(cè)交換區(qū)，整個(gè)過程需要約1分鐘，這段時(shí)間可以給集裝箱LAGV充3～4度電，而集裝箱LAGV的一個(gè)作業(yè)循環(huán)需要耗3～4度電左右，充放電基本實(shí)現(xiàn)一種供需平衡。

青島迪拜環(huán)球集裝箱自動化碼頭一期工程包括19條自動化箱區(qū)和1條特種箱區(qū)，配置了7臺雙小車集裝箱岸邊裝卸橋、1臺軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（RMG）、38臺全自動軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（ARMG）和 38臺 LAGV，實(shí)現(xiàn)了裝卸系統(tǒng)中的雙小車岸邊集裝箱裝卸橋、全自動軌道式集裝箱龍門起重機(jī)和LAGV高效配合作業(yè)，雙小車岸邊集裝箱裝卸橋單機(jī)效率高達(dá)近 40 move/h，碼頭系統(tǒng)作業(yè)效率也已穩(wěn)定達(dá)到33自然箱/小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了短周期、全智能、高效率、更安全的智慧港口模式。

4 結(jié) 語

集裝箱AGV具有自動導(dǎo)引、自動行駛、優(yōu)化路線、自動作業(yè)、運(yùn)行管理、車輛調(diào)度、安全避碰、自動充電、自動診斷等功能，實(shí)現(xiàn)了集裝箱 AGV的智能化、信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、敏捷化、節(jié)能化、綠色化。

電驅(qū)動集裝箱自動導(dǎo)引小車AGV的推廣應(yīng)用，對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、和諧可持續(xù)發(fā)展社會，具有極其重要而深遠(yuǎn)的意義。