一種新型自動化集裝箱堆場的建模與仿真分析

陳海龍，王 強

（武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢 430063）

現(xiàn)階段，我國多數(shù)非自動化港口存在效率低下、安全性較低等一系列缺點，因此有必要進行自動化改造。集裝箱碼頭自動化是指港口裝卸系統(tǒng)在無人或較少人的參與下進行自動檢測、信息處理、操縱控制，實現(xiàn)集裝箱裝卸操作和轉(zhuǎn)換運輸方式的過程。與傳統(tǒng)集裝箱堆場相比，自動化集裝箱堆場具有作業(yè)效率更穩(wěn)定、設(shè)備利用率更高等明顯優(yōu)勢[1]。因此，加快自動化集裝箱堆場的改造及建設(shè)勢在必行。

自動化集裝箱堆場在國內(nèi)已有大量研究成果。文獻[2]設(shè)計了一種基于鐵路班車的新型自動化集裝箱堆場，可以提高堆場性能。文獻[3]介紹了一種利用多層框架橋梁和軌道式手推車的自動化集裝箱系統(tǒng)，具有更高的運輸效率。文獻[4]致力于AGV的智能化避碰保護功能的研究。文獻[5]針對不確定環(huán)境下自動化集裝箱碼頭AGV調(diào)度與配置問題進行探索。文獻[6]提出ARMG帶箱長距離行走時存在作業(yè)耗時長且能耗較高等問題。文獻[7]提出Lift-AGV工藝存在整體裝卸效率較低等問題。

本文把一種新型的基于軌道式梭車的自動化堆場作為研究對象，設(shè)計了新型自動化堆場的裝卸工藝，建立了機械三維模型，分析了其工作效率，并將其與傳統(tǒng)自動化堆場進行對比計算和仿真，分析在相同條件下的兩種堆場作業(yè)效率的差異。

1 建立機械三維模型

1.1 建立AGV模型

AGV主要包括車體、動力系統(tǒng)、自動導(dǎo)向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等。動力系統(tǒng)采用2個性能相同驅(qū)動機構(gòu)，兩邊各1個，由后兩輪差動實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向動作；自動導(dǎo)向系統(tǒng)引導(dǎo)AGV到達指定位置完成搬運任務(wù)；微處理器輸出電壓信號控制左右電機轉(zhuǎn)速，從而控制驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速；定位系統(tǒng)通常采用各種傳感器進行定位，保證AGV運行到指定地點[8]。AGV的三維模型如圖1所示。

圖1 AGV機械三維模型Fig.1 Mechanical three-dimensional model of AGV

AGV動力系統(tǒng)為電驅(qū)動，綠色環(huán)保，且能耗較低；無人駕駛，自動化程度高，實現(xiàn)人機分離，因此安全性能較高。但AGV與岸橋之間沒有中轉(zhuǎn)平臺，必須進行直接交互，因此AGV自動化集裝箱堆場中采用AGV伴侶或者一種具有頂升功能的AGV（lift-AGV），避免了自動化軌道吊與AGV的直接交換，提高了工作效率。

1.2 建立AGV伴侶模型

AGV伴侶的三維模型如圖2所示。其核心主要是大小2個液壓系統(tǒng)，大液壓系統(tǒng)控制AGV伴侶的伸縮運動，小液壓系統(tǒng)控制AGV伴侶的左右擺動。

圖2 AGV伴侶機械三維模型Fig.2 Mechanical three-dimensional model of AGV mate

AGV伴侶的工作原理如圖3所示。當(dāng)AGV到達時，AGV伴侶小液壓系統(tǒng)會控制伴侶向外張開避讓AGV；當(dāng)AGV進來后，伴侶再復(fù)位，由大液壓系統(tǒng)將AGV上的集裝箱頂起，此時AGV再離開。這樣AGV與堆場運輸設(shè)備無需直接進行交互，節(jié)省了相互等待的時間。

圖3 AGV伴侶作業(yè)流程Fig.3 Working principle of AGV mate

1.3 建立ARMG模型

ARMG分為大車運動系統(tǒng)和小車運動系統(tǒng)。大車運動系統(tǒng)負(fù)責(zé)在堆場的水平運動，小車運動系統(tǒng)負(fù)責(zé)集裝箱的裝卸工作。ARMG的機械三維模型如圖4所示。

圖4 ARMG機械三維模型Fig.4 Mechanical three-dimensional model of ARMG

1.4 建立堆場模型

新型自動化堆場主要由AGV、AGV伴侶、穿梭小車、和ARMG等部分組成，其三維模型如圖5所示。

圖5 新型堆場三維模型Fig.5 Mechanical three-dimensional model of new type storage yard

2 新型自動化堆場效率分析

2.1 基于軌道式穿梭車的自動化集裝箱堆場概述

在傳統(tǒng)集裝箱堆場，通常配置2臺ARMG，用于集裝箱的水平運輸，該工藝主要有以下缺點：場內(nèi)存在大量翻箱作業(yè)；ARMG頻繁帶箱移動；能耗較高。本文設(shè)計一種新型的軌道式梭車系統(tǒng)，在堆場內(nèi)布置一條軌道，將堆場作業(yè)分為水平運輸和裝卸作業(yè)兩部分，水平運輸由梭車完成，裝卸作業(yè)由自動化軌道吊完成。在該種堆場中，主要由AGV、AGV伴侶、穿梭小車和ARMG等部分組成，如圖6所示。主要工作過程為當(dāng)AGV運送集裝箱到達堆場時，AGV伴侶就會與AGV進行交接，將AGV上的集裝箱卸下，此時AGV就可以返回岸橋處進行下一個集裝箱的拖運。與此同時穿梭小車來到AGV伴侶處，AGV伴侶再把集裝箱裝到穿梭小車上，穿梭小車隨后就把集裝箱運送到指定堆存地點，由ARMG完成最后的裝卸工作。

圖6 基于軌道式穿梭車的自動化堆場Fig.6 Automated storage yard based on rail shuttle carrier

2.2 基于軌道式梭車的堆場作業(yè)效率與傳統(tǒng)堆場效率對比計算

設(shè)計新型自動化集裝箱堆場的相關(guān)參數(shù)如下：

（1）在本次計算中，假設(shè)堆場堆5層，每一層5列箱，每一列堆場間的間隔為0.1 m。集裝箱在堆場的排列如表1所示。

表1 集裝箱在堆場的排列Tab.1 Order of containers in storage yard

（2）ARMG的最大速度為vg=180 m/min，加速度為ac=0.5 m/s2；最大起升高度為18 m；其上小車的速度為vcx=70 m/min，加速度acx=0.5 m/s2；空載起升的速度為vlk=1.33 m/s；帶載起升速度為vld=0.67 m/s，加速度為ald=0.5 m/s2。

（3）軌道式梭車的最大速度為vs=5 m/s，加速度as=0.65 m/s2；

（4）AGV伴侶的裝卸時間為34 s；

（5）集裝箱長度 lj=12.192 m，寬度 bj=2.438 m，集裝箱高度hj=2.591 m。

效率計算公式：

式中：tsk為梭車空載行駛時間；tsz為梭車帶載行駛時間；tg為自動化軌道吊裝卸時間；tf為輔助工作時間，包括AGV伴侶和ARMG裝卸時間。

2.2.1 ARMG裝卸時間計算

由以上假設(shè)可知，堆場一共堆5層，每一層5列箱，一共堆放25個集裝箱。以裝卸第一層第一列集裝箱為例，具體計算如下：

（1）吊具與穿梭車上集裝箱對位時間為20 s。

（2）帶載起升過程。

第一層集裝箱H1=2.691 m。

加速階段運行時間：t1=vld/ald=1.34 s；運行距離：

勻速階段運行時間：t2=（H1-2s）/vld=2.53 s；

制動階段運行時間：t3=t1=1.34 s；

用時合計：tzq=t1+t2+t3=5.21 s。

（3）小車水平移動。

穿梭車與首列集裝箱的預(yù)留距離為1 m。第n列集裝箱的水平移動距離為

故第一個集裝箱的水平位移為L1=1×bj+1=3.438 m。

加速階段運行時間：t1=vcx/acx=2.34 s；運行距離

勻速階段運行時間：t2=（L1-2s）/vcx=0.61 s；

制動階段運行時間：t3=t1＝1.34 s；

用時合計：ts=t1+t2+t3=5.29 s。

（4）帶載下降。

用時與帶載起升相同：tzx=tzq=5.21 s。

（5）對位及卸載時間 15 s。

因此，裝卸第一層第一列的集裝箱共耗時：t11=20+tzq+ts+tzx+15=50.71 s。

同理計算其他位置的集裝箱裝卸時間，如表2所示。

表2 各位置集裝箱裝卸耗時Tab.2 Time consuming of loading and unloading for each container

ARMG平均耗時：tg=62.61 s。

2.2.2 水平運輸效率對比計算

在計算出ARMG裝卸耗時后，現(xiàn)對比分析2種堆場的水平運輸效率。設(shè)計相關(guān)參數(shù)如下：

（1）堆場堆5層，每一層5列箱，每一列堆 10個集裝箱。相鄰2個集裝箱距離li=0.6 m。

（2）考慮2種堆場水平運輸?shù)牟町?，如圖7所示，一個點代表一個箱位，依次計算穿梭小車和ARMG將集裝箱從AGV伴侶上運到這10個箱位所花的時間。假設(shè)開始穿梭小車在AGV伴侶處等待任務(wù)。伴侶與A點的距離為一個集裝箱位。

圖7 堆場布局示意圖Fig.7 Layout of the yard

（3）ARMG的速度為 3 m/s，穿梭小車速度為5 m/s。

2.2.3 基于軌道式穿梭車的堆場

假定運送A位置的集裝箱。

（1）AGV伴侶與穿梭小車交互時間：tb=15 s。

（2）穿梭小車帶載由AGV伴侶處運行到A箱位。伴侶與第m個箱位之間的距離為lm=m×lj+（m-1）×li。故伴侶與A箱位之間的距離為lA=lj=12.192 m。

加速行駛階段，加速度a=0.65 m/s2，最高速度vs=5 m/s。

啟動時間：t1=vs/a=7.69 s，運行距離19.22 m。

由于lA＜2 s，故穿梭車運行過程中沒有勻速行駛部分。

制動耗時：t3=t1=4.33 s。

合計耗時：tsd=t1+t3=8.66 s。

（3）穿梭小車與ARMG 交互耗時：tj=15 s。

（4）穿梭小車回到伴侶處耗時：tsk=tsd=8.66 s。

該循環(huán)穿梭小車總計行駛時間為

同理計算出穿梭小車到其余箱位的耗時，如表3所示。

表3 新型堆場裝卸耗時Tab.3 Time consuming of loading and unloading for new type of yard

2.2.4 傳統(tǒng)自動化堆場

假定運送A位置的集裝箱。

（1）AGV伴侶與ARMG交互時間：tb=15 s。

（2）ARMG帶載由AGV伴侶處運行到A箱位。伴侶與A箱位之間的距離為lA=lj=12.192 m。

加速運行階段，加速度ac=0.5 m/s2，最高速度vg=180 m/min=3 m/s。

啟動時間：t1=vg/ac=6 s，運行距離

由于lA＜2 s，故ARMG運行過程中沒有勻速運行部分。

制動耗時：t3=t1=4.94 s。

合計耗時：tsd=t1+t3=9.88 s。

（3）ARMG 裝卸耗時：tg=62.61 s。

（4）ARMG 回到伴侶處耗時：tgk=tgd=9.88 s。

該循環(huán)穿梭小車總計行駛時間為

同理計算出在其余箱位裝卸的耗時，如表4所示。

對比2種自動化堆場的裝卸耗時，可以明顯看出在同等條件下，新型自動化堆場裝卸耗時更少，因此效率更高。

表4 傳統(tǒng)堆場裝卸耗時Tab.4 Time consuming of loading and unloading for traditional yard

3 仿真與分析

3.1 基于eM-Plant的自動化堆場仿真

對于現(xiàn)存的自動化集裝箱堆場，ARMG的速度已經(jīng)能夠達到300 m/s，但對于設(shè)置了軌道式梭車的自動化堆場，其主要目的是為了解放ARMG的水平移動，使其能夠更加專注于集裝箱的堆存，因此速度無須太高。本次仿真中設(shè)置ARMG速度分別為120 m/s、150 m/s和180 m/s。仿真時間設(shè)置為一天。仿真模型建立如圖8所示。

圖8 eM-plant仿真模型Fig.8 Stimulation model by eM-plant

圖中2條線路分別表示基于軌道式穿梭車的堆場和傳統(tǒng)自動化堆場的運輸過程。A、B都表示集裝箱；simetime表示仿真時間，設(shè)置為24 h；outA和outB分別表示基于軌道式穿梭車的堆場和傳統(tǒng)自動化堆場的輸出結(jié)果，即24 h內(nèi)處理的集裝箱數(shù)；aveA和aveB則分別表示2種堆場每小時處理的集裝箱數(shù)。

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 AGV到達時間間隔

設(shè)定堆場長度與上一章節(jié)計算模型相同，即一列堆放10個集裝箱。當(dāng)AGV到達時間間隔分別為120 s、90 s和60 s時，仿真結(jié)果如表5所示。

由以上3次仿真結(jié)果可以看出：在AGV到達時間間隔相同的情況下，新型自動化堆場的作業(yè)效率均高于傳統(tǒng)自動化堆場。且隨著AGV工作頻率的增加，新型自動化堆場完成的任務(wù)量有較大的提升，而傳統(tǒng)自動化堆場完成的任務(wù)量基本沒有變化。其原因是ARMG移動速度較慢，當(dāng)AGV到達時間間隔較短時會發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此需要合理設(shè)計AGV的工作頻率，在不發(fā)生擁堵的前提下，使得堆場的工作效率最大化。

表5 兩種堆場的輸出量Tab.5 Output of two kinds of storage yards

3.2.2 堆場長度

延長堆場長度，每一列堆15個集裝箱。當(dāng)AGV到達時間間隔分別為120 s、90 s和60 s時，仿真結(jié)果如表6所示。

表6 延長兩種堆場長度后的輸出量Tab.6 Output of two kinds of storage yardswhich are lengthened

對比前一次仿真結(jié)果可知，當(dāng)堆場長度增加時，兩種堆場的處理效率都會有所降低，且新型自動化堆場的作業(yè)效率仍然高于傳統(tǒng)自動化堆場。原因是堆場長度增加后，穿梭小車及ARMG帶箱行走距離也會相應(yīng)的增加。相比于ARMG，穿梭小車運行速度更快，機動性強，能耗更低，因此更加適宜于長距離的帶箱運動。

4 結(jié)語

本文分析了目前自動化集裝箱堆場的研究現(xiàn)狀，選用了一種新型的基于軌道式穿梭車的自動化堆場作為研究對象，對新型自動化碼頭進行三維建模，并對其工作效率進行了分析。最后利用eM-plant軟件對新型自動化堆場和傳統(tǒng)自動化堆場的工作情景進行了仿真模擬與分析，仿真結(jié)果表明在同等條件下，新型堆場具有更高的工作效率。由于能力有限，本課題所研究的內(nèi)容還存在著許多不足之處，例如在建模仿真過程中，由于軟件本身的局限性，不能表現(xiàn)出集裝箱在轉(zhuǎn)運過程中各運輸設(shè)備的加減速及勻速運動過程，導(dǎo)致仿真結(jié)果會與實際結(jié)果有所差異。同時本文只考慮了在1個堆區(qū)設(shè)置1條梭車軌道，實際中可以考慮設(shè)置雙軌道梭車，研究其對堆場工作效率的影響。