考慮車輛運(yùn)動學(xué)特征的無人集卡充電策略及充電樁分配研究*

陳 培 周 昆 張 煜 尹 星

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 120000 2武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063 3武漢理工大學(xué)韶關(guān)研究院 韶關(guān) 512100

0 引言

近年來，建設(shè)智能高效、生態(tài)友好型碼頭，已經(jīng)成為了國內(nèi)外大型港口的主流發(fā)展方向。我國北方某重要國際貿(mào)易大港新建的全自動化集裝箱碼頭采用電力方式驅(qū)動港區(qū)設(shè)備，利用智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)作業(yè)設(shè)備的自動運(yùn)行，如水平運(yùn)輸系統(tǒng)利用純電動無人集卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)碼頭的燃油集卡，具有高效智能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢，有助于碼頭實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)。

國內(nèi)外關(guān)于自動化碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)的研究，大多集中在運(yùn)輸車輛的作業(yè)分配和路徑優(yōu)化方面，Lou J B等[1]提出了雙回路策略，用于求解自動化集裝箱碼頭AGV路徑規(guī)劃問題，并通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)評估驗(yàn)證了算法的有效性；黃澤乾等[2]探討了AGV數(shù)量和作業(yè)時間之間的關(guān)系，通過模擬自動化集裝箱碼頭卸船過程，驗(yàn)證了模型的有效性；程聰聰?shù)萚3]提出了一種帶AGV伴侶的集裝箱港口工藝，有效提高了港口裝卸設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)能力，減少了車輛等待時間。

除此之外，車輛充電過程對AGV整體調(diào)度有顯著影響，研究人員對此類問題也進(jìn)行了許多研究，如陳琿等[4]建立了考慮充電因素的AGV調(diào)度模型，設(shè)計了4種充電方式，提出按需充電方式可有效提高充電效率；周小凡等[5]綜合考慮AGV充電時間和排隊(duì)等待時間，建立了以最小化任務(wù)時間為目標(biāo)的AGV調(diào)度模型，結(jié)果表明多頻次充電方式可保持車輛較高的電量水平；張亞琦等[6]構(gòu)建了考慮充電過程的AGV管控模型，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證了該模型的有效性。

由上述可知，在自動化碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備的研究領(lǐng)域中，對無人集卡的充電管理研究一直較少。無人集卡由電力驅(qū)動，其電量水平直接影響車輛的續(xù)航能力，同時充電樁位置直接影響無人集卡充電調(diào)度策略，故車輛充電策略及充電樁位置對碼頭裝卸作業(yè)效率影響很大。本文在考慮無人集卡運(yùn)動學(xué)特征的基礎(chǔ)上，對其充電策略及充電樁分配展開研究，以縮短無人集卡充電時間，提高充電效率。

1 問題描述

圖1為某港區(qū)C段自動化碼頭的整體布局，其中堆場平行于碼頭岸線布置，自動充電樁布置在碼頭右側(cè)A場和左側(cè)C場與岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）作業(yè)區(qū)之間的無人集卡車道上。

圖1 碼頭平面布局圖

在碼頭裝卸船作業(yè)中，無人集卡收到水平運(yùn)輸系統(tǒng)指令后前往作業(yè)位置執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)。當(dāng)電量不足時，無人集卡發(fā)送充電請求，智能充電樁系統(tǒng)收到請求后為無人集卡下發(fā)具體的充電指令，無人集卡接收指令后基于車輛運(yùn)動學(xué)特性生成具體路徑，前往指定充電樁進(jìn)行充電作業(yè)。車輛到達(dá)充電位置后，智能充電樁檢測車輛位置是否滿足充電頭的匹配精度，作業(yè)精度滿足要求無人集卡即開始充電作業(yè)，車輛完成充電任務(wù)后等待系統(tǒng)下一步作業(yè)指令。

2 無人集卡充電策略

2.1 充電樁分布

根據(jù)無人集卡電量需求設(shè)置不同的充電樁數(shù)量和充電策略，以此提高充電樁利用率，并保證無人集卡車隊(duì)電量維持在合理水平。無人集卡單車電量的計算公式可表示為

式中：Q1為單車電量；Q為每小時耗電量；N為連續(xù)作業(yè)循環(huán)次數(shù)；m為每趟平均公里數(shù)，由仿真確定；w為平均公里單耗，約為2～2.3 kW·h/km；p為冬季單耗系數(shù)，預(yù)估1.2；q為冬季電量下降比，預(yù)估80%；r為可用電量比，數(shù)值為20%～80%快速充電區(qū)間電量比；T為需要連續(xù)運(yùn)行時間；n為每小時作業(yè)趟數(shù)；t為單車快速充電時間，數(shù)值為充電時間的30%～80%；δ為無人集卡與岸橋配比，數(shù)值由仿真確定；τ為充電樁利用率，數(shù)值為充電時間和作業(yè)時間的比值；η為岸橋效率。

按照岸橋效率28 mov/h，計算可得無人集卡單車電量：1C型為161 kW·h；1.5C型為107 kW·h。按照岸橋效率30 mov/h，計算可得無人集卡單車電量：1C型為172 kW·h；1.5C型為114 kW·h。按照岸橋效率32 mov/h，計算可得無人集卡單車電量：1C型為184 kW·h；1.5C型為122 kW·h。由此推薦車載電量：1C型電池為180～200 kW·h；1.5C型電池為120～130 kW·h。

基于單車電量的計算式（1）～式（4）可得出無人集卡每小時耗電量為

式中：l為無人集卡數(shù)量，其余同上。

由以上計算得到所需充電樁數(shù)量為10.9套，即設(shè)置11套充電樁可滿足需求?？紤]到充電樁故障等實(shí)際情況，本方案共設(shè)置13套充電樁。

如圖2、圖3所示，港區(qū)充電樁設(shè)置在碼頭前沿A01場和C01場的海側(cè)車道附近。A01場和C01場對應(yīng)充電區(qū)域長度分別為283 m、255 m，各自分為4個子區(qū)域，相鄰子區(qū)域的間距為48 m，子區(qū)域內(nèi)相鄰2個充電樁間隔28 m。

圖2 A01場對應(yīng)充電樁分布

圖3 C01場對應(yīng)充電樁分布

在實(shí)際裝卸船作業(yè)中，需要根據(jù)集裝箱作業(yè)量動態(tài)調(diào)整無人集卡作業(yè)數(shù)量，根據(jù)無人集卡需求電量動態(tài)調(diào)整充電樁數(shù)量：

1）基于岸橋作業(yè)量中位數(shù)計算，1臺岸橋需配置6輛無人集卡進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)，共有12臺岸橋，則需要配置72輛無人集卡；對應(yīng)需要配置11臺充電樁保證無人集卡的充電需求，車隊(duì)管理系統(tǒng)調(diào)度A場所有充電樁及C場4臺充電樁進(jìn)行充電，其中C場依次選用1～4號充電樁，以避免無人集卡轉(zhuǎn)彎半徑受限問題。

2）基于岸橋最大作業(yè)量計算，岸橋數(shù)量為12臺，此時需要配置95臺無人集卡進(jìn)行裝卸作業(yè)，對應(yīng)需要配置13臺充電樁保證無人集卡的充電需求，車隊(duì)管理系統(tǒng)調(diào)度A場及C場所有充電樁進(jìn)行充電，根據(jù)充電位進(jìn)出原則為無人集卡分配具體的充電位。

在實(shí)際情況中，無人集卡單車長度為18 m，充電車輛需要40 m間隔才能直接進(jìn)入充電位。所以，子區(qū)域的2個相鄰充電樁中若左側(cè)充電樁正在充電作業(yè)，則分配來右側(cè)充電樁充電的無人集卡將面臨變道區(qū)域不夠?qū)挼木骄?，?dǎo)致右側(cè)充電樁無法使用。因此，應(yīng)在左側(cè)充電樁充電的無人集卡進(jìn)入右側(cè)充電樁進(jìn)行二次充電，才能將另一輛無人集卡安排至該子區(qū)域的左側(cè)充電樁充電；如果子區(qū)域相鄰充電樁都有無人集卡充電，若左側(cè)充電樁的集卡先充電結(jié)束。由于轉(zhuǎn)彎空間不足，無法變道駛離左側(cè)充電樁，故需等待右側(cè)充電車輛離開。

以上情況表明，充電樁分配需要兼顧車輛動力學(xué)限制及充電樁位置限制，以確保充電樁高效利用且減少充電區(qū)車輛等待時間。

2.2 無人集卡運(yùn)動學(xué)特征

無人集卡的運(yùn)行速度、加速度和制動性等方面在重載和空載時具有較大差異，充電策略的確定需要結(jié)合無人集卡的物理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)特性，精準(zhǔn)計算無人集卡的行駛位置、轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)向變道覆蓋區(qū)域和制動距離等，以確保無人集卡在碼頭前沿岸橋、堆場輪胎式集裝箱起重機(jī)（以下簡稱場橋）等作業(yè)位的精準(zhǔn)定位，以滿足其在堆場箱區(qū)和前沿作業(yè)道與非作業(yè)道之間變道的性能要求，避免轉(zhuǎn)彎半徑過大或轉(zhuǎn)向變道覆蓋區(qū)域誤算所引發(fā)的碰撞事故。

將無人集卡的前輪組和后輪組分別等效為1組等效輪。當(dāng)無人集卡轉(zhuǎn)彎時，前輪用于轉(zhuǎn)向，后輪的方向始終不變。為了減少車輪磨損，轉(zhuǎn)彎時2個前輪的轉(zhuǎn)向角不一樣，內(nèi)側(cè)車輪的轉(zhuǎn)向角更大，如圖4所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)向時，過4個等效車輪轉(zhuǎn)軸中心的法線相交于一點(diǎn)，前輪轉(zhuǎn)向角決定了車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，前輪轉(zhuǎn)向角速度決定了車輛轉(zhuǎn)彎半徑的變化率。由于2個前輪的轉(zhuǎn)向角與角速度是互相關(guān)聯(lián)的，可將2個前輪等效為一個虛擬前輪，并位于前輪輪軸中點(diǎn)處，故僅需得到等效虛擬前輪的相關(guān)參數(shù)即可確定無人集卡的最小轉(zhuǎn)彎半徑。無人集卡最小轉(zhuǎn)彎半徑計算可表示為

式中：R0為無人集卡最小轉(zhuǎn)彎半徑，L為軸距，θmax為等效虛擬前輪最大轉(zhuǎn)角，b為前輪距，M為主銷中心距。

由表1所示數(shù)據(jù)計算可得，無人集卡的最小轉(zhuǎn)彎半徑為≤6 700 mm。

表1 無人集卡技術(shù)參數(shù)取值范圍表

2.3 階梯充電策略

階梯充電策略流程如圖5所示。系統(tǒng)通過作業(yè)集卡電量和數(shù)量計算充電樁需求數(shù)量，將剩余充電樁用于非作業(yè)集卡充電，無人集卡收到指令之后自主規(guī)劃路徑選擇充電樁，充電完成之后等待系統(tǒng)調(diào)度。作業(yè)中無人集卡充電策略分為主動充電與被動充電2種方式。

圖5 充電策略流程

1）主動充電方式的流程

①當(dāng)作業(yè)中集卡電量低于設(shè)定下限值時，向系統(tǒng)發(fā)送下線充電申請，無人集卡完成當(dāng)前任務(wù)后按照指令前往指定位置充電。

②系統(tǒng)收到申請后，查看充電樁使用情況，若有空閑充電樁，優(yōu)先指派無人集卡前往距離最近的空閑充電樁；若無空閑充電樁，則從系統(tǒng)中選擇一輛正在充電的無人集卡停止充電，同時規(guī)劃集卡進(jìn)入本位進(jìn)行充電的路徑。選取原則為：首先從距離最近的充電集卡中查看是否有電量超過快充上限的，若有，則從超過設(shè)定值的無人集卡中選取當(dāng)前電量最低的集卡停止充電；若不存在超過快充上限的集卡，則選取當(dāng)前電量最高的無人集卡停止充電。

③當(dāng)充電中的集卡電量達(dá)到快充上限時，向系統(tǒng)報告即將完成充電任務(wù)并等待系統(tǒng)調(diào)度。系統(tǒng)接到報告后，查看所有作業(yè)中無人集卡的信息，若不存在剩余電量低于下限值的作業(yè)集卡，則使正在充電的集卡繼續(xù)充電，直至收到系統(tǒng)調(diào)度指令或電量達(dá)到最大上限值；若有低于電量下限值的作業(yè)集卡，則在作業(yè)集卡中電量最低的集卡完成當(dāng)前任務(wù)后，指派其進(jìn)入本充電位，同時系統(tǒng)指派達(dá)到快充上限的集卡上線作業(yè)。

2）被動充電方式的流程

①當(dāng)作業(yè)集卡平均電量低于設(shè)定中值時，系統(tǒng)查詢所有電量高于快充上限的非作業(yè)集卡，將作業(yè)集卡電量由低到高排序，優(yōu)先替換非作業(yè)集卡中電量最高集卡，被替換下線的作業(yè)集卡按規(guī)劃行駛至空閑充電樁充電。

②當(dāng)充電中的集卡達(dá)到電量設(shè)定上限值時，申請上線作業(yè)并等待系統(tǒng)調(diào)度，同時系統(tǒng)強(qiáng)制作業(yè)集卡中最低電量的集卡完成當(dāng)前任務(wù)后下線充電，當(dāng)前充電完成集卡則上線作業(yè)。

3）非作業(yè)集卡充電策略流程

①當(dāng)非作業(yè)集卡電量低于設(shè)定下限值時，向系統(tǒng)發(fā)送下線充電申請；系統(tǒng)接到申請后，查看當(dāng)前充電樁使用情況，若存在空閑充電樁，則優(yōu)先選取距離該作業(yè)集卡最近的充電樁；若無空閑充電樁，則選擇一輛非作業(yè)充電集卡停止充電，同時規(guī)劃作業(yè)集卡進(jìn)入此充電樁的路徑。選取原則為：優(yōu)先查看是否存在電量超過充電上限值的集卡，若存在則從電量超過80%設(shè)定值的集卡中選擇電量最低的集卡停止充電；若不存在則選取當(dāng)前正在充電的集卡中最高電量的集卡。

②當(dāng)充電中的集卡達(dá)到快充上限值時，申請駛離充電位并等待系統(tǒng)調(diào)度。系統(tǒng)接到申請后，查看所有空閑的非作業(yè)集卡信息，選擇電量低于下限值的非作業(yè)集卡駛進(jìn)充電位充電，同時調(diào)度電量達(dá)到快充上限值的集卡離開充電位并行駛到指定位置停車。

③當(dāng)充電中的集卡達(dá)到電量上限值時，完成充電并進(jìn)入指定停車位等待調(diào)度，同時系統(tǒng)查詢所有非作業(yè)集卡充電記錄，若存在最近一周內(nèi)未到達(dá)充電至上限值的集卡，則選取該集卡進(jìn)入充電位充電；若不存在上述集卡，則指派當(dāng)前電量最低的作業(yè)集卡進(jìn)行充電，已經(jīng)充電完成的非作業(yè)集卡上線轉(zhuǎn)為作業(yè)集卡。

以上所述的充電方式均設(shè)置快充與慢充2種模式，無人集卡電量水平處于總量的80%～100%時為高電量狀態(tài)，選擇慢充充電方式；無人集卡電量水平處于總量的30%～80%時為低電量狀態(tài)，選擇快充充電方式。在充相同電量相同的情況下，2種充電方式耗時不同。

3 充電管理系統(tǒng)

基于以上無人集卡充電策略，設(shè)計了無人集卡充電管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含充電樁首頁、設(shè)備監(jiān)控中心、充電記錄監(jiān)控中心、異常監(jiān)控中心、用戶管理中心和詳情6個子功能。

圖6所示為充電樁首頁，該頁面能夠顯示當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可生成各充電樁充電次數(shù)對比圖以及7日充電次數(shù)對比圖和充電電量對比圖。

圖6 充電樁首頁

圖7所示為設(shè)備監(jiān)控中心頁面，該頁面主要顯示了碼頭所有充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，以及當(dāng)前正在充電車輛的對應(yīng)編號。

圖7 設(shè)備監(jiān)控中心

圖8所示為充電記錄監(jiān)控中心頁面，主要功能為顯示充電樁作業(yè)的詳細(xì)信息，包括充電方式、對位車輛、充電開始時間和結(jié)束時間、充電車輛的起始電量、充電樁當(dāng)前狀態(tài)等信息。

圖8 充電記錄監(jiān)控中心

圖9所示為設(shè)備異常監(jiān)控中心，該頁面能夠詳細(xì)展示故障設(shè)備編號、故障開始時間和結(jié)束時間、故障編碼及對應(yīng)的原因、故障處理方式及處理員等信息。

圖9 設(shè)備異常監(jiān)控中心

圖10所示為用戶管理中心，該頁面能夠查看當(dāng)前用戶的ID、用戶名、所屬部門以及操作權(quán)限，并能新增用戶以及為用戶添加操作權(quán)限。

圖10 用戶管理中心

4 總結(jié)

在分析無人集卡作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，綜合考慮無人集卡運(yùn)動學(xué)特性，根據(jù)碼頭實(shí)際作業(yè)情況，動態(tài)調(diào)整充電樁位置和數(shù)量，降低了無人集卡充電等待時間。通過設(shè)置階梯充電策略提高充電樁利用率，使無人集卡電量始終維持在較高水平。同時，將無人集卡劃分為作業(yè)車輛和非作業(yè)車輛進(jìn)行管理，保證充電樁設(shè)備的作業(yè)均衡性和集裝箱運(yùn)輸效率。與國內(nèi)外其他碼頭采用的定點(diǎn)充電策略相比，階梯充電策略能夠保證運(yùn)輸設(shè)備電量水平、提高港口作業(yè)效率，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價值。