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背景 2
国内外研究现状 3
集装箱码头AGV运输系统 5
集装箱码头布置形式 6
集装箱码头装卸机械 7
集装箱码头AGV运输系统组成及特点 9
11
集装箱AGV面临的一些问题 13
技术 13
工艺 14
环境 14
经济 14
总结 14
集装箱码头AGV概述
随着集装箱码头吞吐量的迅速增加,自动化装卸和搬运设备的广泛应用,集装箱码头的调度作业变得日益复杂,进而影响到集装箱码头的整体作业效率。作为码头水平运输系统中自动搬运设备的自动导引小车(AGV),面临着空载时间长、重载率低等问题,目前已成为集装箱码头调度研究的热点。如何使AGV在复杂的工作环境中能保证有效的利用率,低故障率和高效率工作,需要全面分析集装箱码头工作调度原理和如何调度AGV以实现最优的动态分配。
背景
随着全球贸易的发展,港口码头在进出口贸易中的地位越显重要。集装箱码头在集装箱运输中起着海陆货物中转、进出口货物装卸的作用,集装箱运输作为一种先进的运输方式,促进了集装箱码头的快速发展。
集装箱码头(ContainerTerminal)是指能够容纳完整的集装箱装卸操作过程的具有明确界限的地方,其中包括货运站、办公生活区域、码头前沿、堆场等陆域部分和泊位、港池、航道、锚地等水域部分。集装箱码头是货物的缓冲地和交接点(集装箱货物在集装箱码头转换运输方式),也是水运和陆运的枢纽站,集装箱码头不仅在整个集装箱运输过程中扮演重要角色,而且在国民经济和区域经济的发展中起到日益加强的作用。
随着集装箱吞吐量的不断增加,中国港口在国际海运业中的地位大幅上升,港口的发展模式已经从依靠扩大港口规模转变到注重提升港口服务质量、完善临港产业链、提升港口运营效率等建设上来。目前随着航运经济的复苏,未来数年内,我国集装箱码头的吞吐量增长速度仍然为年均8%到30%,为了满足货物装卸需求,港口作业要从优化作业方式和采用先进的自动化装卸设备等方面进行改进。
港口是集装箱的集散地,特别是大型港口,集装箱在装船前或卸船后都需要临时堆放在多个不同分类的暂存区(货场)。港口集装箱每天的装卸量很大,搬运频率很高。目前国内采用的是人工操控的机械化、半自动化作业方式,实现在船———岸桥———货场(往往还分前方和后方2级)——收发货点之间的频繁装卸、往返搬运作业。往返搬运一般用牵引车带平板挂车、跨运车、吊运车、集装箱叉车等,均为人工操作。缺点是:
种类杂,数量多,管理成本高;
除集装箱叉车外,其他设备每次搬运都需吊具重复抓持或夹持,故障率高,可靠性差,维护成本高;
集装箱叉车的平衡能力有限,大吨位的少;
完全要人工操作,准确率低,劳动强度大,工作环境差,箱、车、人的安全性均不好;
昼夜生产,每个作业环节都离不开人,人力成本高;
机械化、自动化、电子化、信息化等技术只能在独立单元内实现,形不成系统。能力、速度、可靠性、安全性、效率、效益的提高受制约。
为了满足集装箱船舶装载能力最大化和集装箱船舶停靠港口时间最小化的要求,集装箱码头需要不断提高集装箱码头装卸作业水平,如果配备大量人员、集卡和堆场,将会导致增加营运成本,同时也会加大管理难度。由于集装箱码头吞吐量日益增长,提高集装箱码头竞争力迫在眉睫,自动化和半自动化采用的趋势显而易见。随着计算机技术的发展和普及,特别是条码、电子标签、光电探测、图像识别、激光扫描、网络通讯等相关技术的进步,为集装箱自动化奠定了技术基础。实现港口集装箱物流自动化是广泛达成的共识,具体方法很多。高度自动化集成的装卸和搬运作业设备将逐渐代替传统集装箱码头普遍采用的拖挂车设备。自动导引小车
(AGV,AutomatedGuidedVehicles)作为一种比较先进的自动化搬运装备,在效率,自动化水平和统一调度方面都要强于传统的集卡运输方式oAGV作为一种新型的中间搬运设备,近年来正逐渐应用于国际大型港口的集装箱自动化搬运,如鹿特丹港、伦敦港、汉堡港、哥德堡港。
AGV的技术特点如下:
先进性技术含量高,完全在计算机控制下工作,全自动、带一定智能、快捷高效、准确无误地实
现集装箱自动搬运;能有效地减轻劳动强度,节约人力、物力、财力;能优化生产结构,改善生产环境,建立人机一体、和谐友好、科学文明的生产关系。
可靠性
在AGV系统的工作过程中,每一步都有一系列数字信息的通讯交换,后台有强大的数据库支持,消除了人为因素,充分保证AGV作业过程的可靠性、完成任务的及时性、信息数据的准确性。
兼容性
AGV不仅能独立工作,而且更善于与其它执行系统、控制管理系统等紧密结合,很容易进行重组或扩充,具有良好的兼容性。
独特性
AGV作为无人驾驶的自动车辆,能够在某些人工操作很困难的场合发挥优势,如AGV可准确地钻到集装箱下面进行托举作业。
安全性
AGV的行驶和作业安全保护是一个严格受控的系统,包含机电PLC逻辑控制、车辆调度、任务管理、交通管理、充电管理等。比人工操作搬运集装箱更精确、更灵活、更安全。
AGV技术从20世纪50年代就开始推出,现已在全世界的各行各业中广泛应用。从统计资料看,至少有70%用于物料搬运,但AGV的应用近年来才开始在国外大型港口兴起,其主要原因是:
早期的AGV导引技术水平有限。如早期应用最多的电磁导引技术,由地面埋的感应线导引,适合路径简单,距离不远的场合,对在港口宽大面积的露天环境下保障有效导引控制很困难;而激光导引和图像识别导引近些年才推出。
早期的AGV系统控制水平有限。这主要指计算机性能,软件开发工具和编程水平。
早期的AGV通讯技术水平有限。像无线网络、红外通讯都是后来发展的新技术。
早期的AGV工程实践经验有限。AGV的工程特性很突出,许多问题与实际环境条件相关,只能在现场发现,在现场解决,经验积累大有帮助,但需要一个过程。
早期的AGV系统设计水平有限。只有对AGV技术的正确理解和准确把握,才能对传统工艺进行科学分析,设计出先进适用的AGV系统,这也需要长期的实践锻炼。
早期的AGV相关技术发展有局限。推出激光障碍物探测系统后,才使AGV安全避碰有了质的飞跃;有了高能动力碱性电池及其充电系统的完善才使得AGV重量减轻,体积缩小,有效工作时间加长,同一系统的AGV数量减少,总投资降低。
国内外研究现状
水平运输设备在集装箱码头装卸作业过程中的主要作用是将集装箱从岸边运输到堆场或将集装箱从堆场运输到岸边。AGV具有自动导航、准确定位、无人操作、路径优化以及安全避碰等智能化特征,在自动化集装箱码头中逐渐代替集装箱卡车成为码头集装箱水平运输的主要工具。集装箱码头水平搬运设备的调度是一个随机、复杂的系统,一直贯穿于整个码头前沿和堆场之间,承担着集装箱运载的作用。
外国的专家和学者主要对自动化或半自动化集装箱码头的水平运输设备进行研究,研究重点主要集中在自动化码头
AGV调度系统上,该系统十分利于调度算法的实施,国外的专家和学者从不同的角度研究分析了AGV的调度系统。
柏林科技大学的HansOtto等探讨了进口集装箱装载和卸载操作时集卡的最优路径问题,同时还研究了集卡最优路径求解问题和进口集装箱在堆场上的箱位安排问题,并且运用启发式算法求解和分析了所建立的模型。QIU等研究和分析了自动化的集装箱码头的AGV调度问题,对所建立的模型利用启发式算法进行求解。KapHwanKim和JongwookBae研究AGV调度问题是采用事件发生时间方法,并且以船舶延误时间和AGV车辆运行时间最小为目标建立数学模型,利用整数规划和启发式算法进行分配AGV的数量。Gobal和Kasiligam建立的关于AGV在集装箱码头运行中空驶时间和等待机械装卸时间最短的仿真模型,并求解AGV在任务量恒定的情况下的最优配置数辆。Vis以AGV的分配数量最小化为目标,建立了带有时间窗约束的车辆动态调度模型,并进行求解。Bish等运用启发式算法建立了集装箱码头的集卡分配数量模型,从不同的角度分析了集装箱的装卸顺序问题以及集装箱与集卡运输中的匹配问题,使得集装箱装卸船舶靠港时间最短。Nishimura等,首先分析了集卡的静态调度模型和动态调度模型的优缺点,并且建立了集卡路径动态优化数学模型。Chin-,HosseinJula建立了自动化码头作业调度模型,该模型优化了AGV、岸桥以及堆场的龙门吊的作业顺序。
由于国内集装箱码头的自动化程度不高,对集装箱码头水平运输设备的研究主要集中在单挂集卡上,对AGV的调度系统的研究甚少。
邱跃龙通过分析自动化集装箱码头的AGV运作的状况,提出了基于时间Petri网对AGV调度系统进行建模和性能分析,并且建立了AGV的路线运输模型。
康志敏首先对集装箱自动化码头AGV的物流系统进行分析,并且提出了基于无效时间最短的AGV调度模型,利用遗传算法进行求解,着重研究了模糊控制策略在交通路口AGV交通控制中的应用。
潘常虹不单纯的考虑集卡在“作业线”情况下的作业情况,通过分析集装箱码头的水平运输系统,建立了集装箱卡车调度优化模型,并利用遗传算法对所建立的调度模型进行求解和分析。
高玮、周强从对集卡在码头前沿作业时,出现的排队等待作业现象,造成了集卡资源浪费,这个角度进行研究,利用排队论的思想建立数学模型,并且利用所建立的数学模型进行了仿真模拟。
陈方鼎研究了采用“大作业面”工艺时集卡的调度问题,将集卡调度同岸桥作业相结合,建立了协调岸桥的集卡调度优化模型,同时采用了群体智能算法进行求解,最后进行实例分析证明所提出的模型和算法求解调度模型的优越性。
陆游利用集装箱码头内的RFID监控系统,以集卡的调度为优化目标,提出了内集卡的共享式动态调度模式和外集卡的分离式调度模式,并对两种调度模式分别使用变邻域禁忌搜索算法和基于QEA的算法进行求解。
张海青主要研究集装箱码头的集卡调度的优化算法,并以传统调度算法、最小等待时间算法、最短路径调度算法为基础进行研究,并采用仿真软件对青岛前湾港集卡调度进行仿真。
王军、许晓雷基于“作业面”和“作业线”调度模式建立了混合调度数学模型,充分考虑了岸桥的作业时间、场桥时间、集卡的运输时间,基于时间最短建立了集卡调度模型,并进行了数值仿真分析。
杨静蕾基于集卡行驶路径最短,建立了集装箱码头物流作业系统路径优化模型,并进行了算例分析。
曾庆成一方面是建立装船和卸船的协同调度模型,并设计了求解调度方案的两阶段禁忌搜索算法;另一方面是对调度方法的研究,提出了集装箱码头作业调度仿真优化方法。
综上所述,国内外的专家学者都已经在集装箱码头的布局、车辆的调度、任务的调度交通管理、路径的规划等几方面进行了研究。但AGV调度问题还有很长的路要走。
集装箱码头AGV运输系统
集装箱码头的水平运输系统是由码头前沿的水平运输、堆场内的水平运输以及进出大门的水平运输系统组成。。集装箱自动化码头内的水平运输设备多为AGV,其中集装箱码头的总体布置设计、装卸设施的密切配合程度以及调度模式的科学性等因素都会影响到AGV的路径优化设计。
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集装箱码头管理工作的规范化、标准化、现代化以及装卸机械作业的高效化、自动化,加快了集装箱船舶、水平运输车辆、集装箱的周转速度,为了使港口能够适应集装箱运输的要求,为此发展了集装箱专用码头。集装箱专用码头的建设应满足以下几个条件:
具备足够的前沿水深和水域面积,以及所必需的泊位宽度和岸线长度,确保集装箱船舶安全的航行、靠港和离港。
具备能够保证堆场堆存作业以及车辆运行道路所需要的码头前沿宽度、码头纵深、以及堆场面积,还应该具有前瞻性发展所需的陆域面积。
(为实现集装箱码头内各项作业高效化、自动化、机械化的要求,应该具备适应堆场堆存作业、水平运输作业、岸桥装卸作业所需的机械设施和装备。
具有完善的集疏运系统,以保证集装箱能够高效地集中和疏散,防止港口内出现交通堵塞。
为保证集装箱码头内的正常作业的需要,应当配备维修保养机械设备相应的技术人员和集装箱码头运营的管理人员。
为满足现代管理和作业的需要,应当采用先进的电子信息手段,如EDI。为实现集装箱码头机械化、高效化、规模化的要求,在集装箱码头的建设过程中要求布局要合理,各项设施配置要得当,使得各项作业密切配合、管理工作协调统一,形成一个有机整体。。
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在平面布局图中,码头前沿:是指沿码头岸壁到集装箱编排场之间的区域,设置有岸桥及运行轨道,应当满足所设计船型吃水要求的前沿水深,至少为12米。
前方堆场:前方堆场是指将即将卸下的集装箱以及即将装船的集装箱排列待装所备好的
堆存场所。为了确保船舶装卸集装箱作业不间断的进行,通常布置在集装箱后方堆场与码头前沿之间。
集装箱堆场:集装箱堆场(又称为“后方堆场”),是指对集装箱码头内的集装箱安检,保管,交接的区域。集装箱堆方在码头的堆场位置称作“场箱位”,场箱位是在场内依照集装箱的尺寸,箱型预设的标准区域,并用一组代码表示出它的物理位置。
大门:大门是集装箱码头的出入口。在大门所有的集装箱都要进行安检,交接并制作单据。也是与集装箱码头其他部门划分责任的场所。
控制塔:控制塔是一个集装箱码头的运营指挥中心,其主要职责是监管和指挥船舶装卸作业和堆场作业。控制塔设在码头的最高处,以便能准确,及时的观察到码头集装箱的各项作业状态,进而有效的进行调度和指挥作业。
一般将集装箱码头的机械化系统划分为三个部分,码头前沿装卸设施、水平运输设备码头堆场机械。
码头前沿装卸设备集装箱码头前沿主要是将集装箱进行装卸,以保证码头物流的正常运行。常用的码头前
沿机械是岸壁集装箱装卸桥(QuaysideContainerCrane)简称“岸桥”主要承担着将集装箱装卸在集装箱船舶上的作业任务。其装卸效率一般为20〜35TEU/h,起重量为501,外伸距离为55m,内伸距离为18m,轨距一般为30m。。
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集装箱码头内的水平运输设备
集装箱码头内的水平运输设备主要承担着运输和搬运码头内集装箱的任务。其水平运输设备包括跨运车、牵引车、自动导引小车(AGV)等,AGV是在自动化集装箱码头使用最多的水平运输设备。
自动导引小车(AGV)是使用在自动化或半自动化码头的水平运输设备,具有无人驾驶、自动导航、准确定位、路径优化以及安全避碰等特征,并且能够沿规定的导引路径自动行驶的运输车辆。在集装箱运输作业中,AGV根据搬运任务要求,由计算机管理系统优化运算得出最优运输路径后,通过控制系统向AGV发出指令信息,AGV在接收到指令信息后,通过机体上的导向探测器检测到导向信息,对信息进行实时处理,沿规定的路径行走,完成运输搬运任务。。
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(3)码头堆场作业码头堆场作业机械主要承担堆场内搬运、装卸、堆垛集装箱的任务。这些机械包括龙门起重机、集装箱叉车、集装箱正面吊运机、空箱堆高机等,其中龙门起重机在堆场中起着重要作用。
龙门起重机(Transtainer)包括轮胎式和轨道式两种形式。又称“龙门吊”主要承担
着堆场内集装箱堆垛和装卸的任务。
轨道式龙门起重机(RaliMountedTranstainer)是集装箱码头堆场进行堆码和装卸集装箱的专用机械。该机优点是可堆4〜5层集装箱,可跨多列集装箱和一个车道,堆存能力高,堆场面积利用率高,采用自动控制的轨道式集装箱龙门起重机(ARMG),易于实现自动化。缺点是要沿轨道运行,灵活性差。
轮胎式龙门起重机(Rubber-tiredTranstainer)主要承担着集装箱码头堆场内堆码和装卸集装箱的任务。其优点是机动灵活,可以从一个堆场转移到另一个堆场,缺点是自重比较大,轮胎易磨损。在自动化堆场常用的是自动控制的轮胎式集装箱龙门起重机(ARTG),采用垂直于码头布置,堆箱区采用封闭,无人化管理。
集装箱码头的水平运输系统,由码头前沿水平运输系统、堆场水平运输系统、进/出闸口的水平运输系统等三部分组成。。
,其运行效率高低将会影响整个码头的运作的快慢。集装箱码头的AGV水平运输系统主要包括三部分:AGV与岸桥的衔接、AGV水平运输以及AGV与场桥的衔接等。其工作过程如下:AGV在运行的时候,首先要接到中央控制室生产过程控制系统(PSC)的指令,将小车运行到固定的停车位,当有作业调度指令下达时,AGV根据指令运行到指定的岸桥下方,岸桥上装有位置传感器,能够感知AGV的实际位置,然后将位置信息传给PCS,PCS再向AGV发出停车指令,用来确保AGV精准的停靠在作业点位置上。
AGV的水平运输也是由PCS指挥控制的,主要包括AGV的定点停车、安全避碰、行驶路径优化以及集装箱装卸作业任务管理等,进而完成从码头前沿到堆场之间的自动化运输集装箱的任务。在使用自动堆垛起重机(ASC)的自动化码头,当AGV与ASC配合作业时,AGV只要进入ASC下方的装卸作业位置,PCS就会指令ASC配合完成与AGV的集装箱装卸工作,。
AGV水平运输系统是一个复杂、科学的系统工程,不仅要求安全可靠的硬件支持,还需要高效稳定的软件的匹配,AGV成功应用到集装箱码头的水平运输上,呈现出以下几特点:
自动化程度高
在集装箱码头的装卸工艺上可以看出,AGV水平运输系统是一个信息化、智能化、数字化,绿色化的系统工程。在码头前沿有自动化装卸岸桥,水平运输系统上有自动导引小车(AGV),在集装箱码头堆场上有自动控制的轨道式集装箱龙门起重机(ARMG)或自动控制的轮胎式集装箱龙门起重机(ARTG),这些自动化机械统一匹配,协调工作,形成一个集成化较高的系统工程。
灵活性高,具有柔性化的特征集装箱码头的集装箱装卸的数量具有不平衡性,即在集装箱装卸船时,出口箱的数量和进口箱的数量不相等,这要求具有高度灵活的调度方案;以及集装箱船舶在靠泊的时间上也存在不确定性,船舶的靠泊时间受很多因素的影响,比如天气的好坏,泊位的空缺等,这自然会影响到码头装卸工艺生产的进行,这就对调度决策产生了不确定影响,AGV的柔性化设计,提供了解决方案的条件。