智能導(dǎo)引運(yùn)輸車(IGV)在自動(dòng)化集裝箱碼頭中的應(yīng)用

梁 浩，吳邵強(qiáng)，劉漢東

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

自第一代自動(dòng)化集裝箱碼頭建成以來，集裝箱自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)和相關(guān)的裝備技術(shù)已經(jīng)過近30 a的高速發(fā)展和更新?lián)Q代。在集裝箱自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)中，水平運(yùn)輸作業(yè)的自動(dòng)化由于涉及路徑規(guī)劃、高精度定位、智能決策和信息傳輸?shù)榷喾矫婕夹g(shù)的支撐，其設(shè)備的技術(shù)研發(fā)和改良一直以來都是集裝箱自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)的重難點(diǎn)之一[1]。

隨著以上海洋山、青島前灣等為代表的一批國內(nèi)自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)和投產(chǎn)，以“自動(dòng)化堆場垂直布置，集裝箱水平運(yùn)輸采用磁釘導(dǎo)航自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(AGV)”為核心的集裝箱自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)已成為目前應(yīng)用較廣泛的一種技術(shù)路線[2]。采用AGV在堆場垂直布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭工程中具有較好的適應(yīng)性，但對(duì)于該設(shè)備在堆場平行布置的自動(dòng)化碼頭工程中的適應(yīng)性目前業(yè)內(nèi)鮮見相關(guān)研究。

本文以采用堆場水平布置的廣州港南沙四期自動(dòng)化集裝箱碼頭為依托，在分析傳統(tǒng)AGV應(yīng)用局限性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于多傳感器融合導(dǎo)航技術(shù)的新型智能導(dǎo)引運(yùn)輸車(IGV)，詳細(xì)闡述了該設(shè)備的基本性能、應(yīng)用適應(yīng)性以及碼頭相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)情況，可為采用該設(shè)備的類似自動(dòng)化集裝箱碼頭的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。

1 AGV的應(yīng)用特點(diǎn)及局限性

經(jīng)過多年的技術(shù)升級(jí)和改進(jìn)，AGV的設(shè)計(jì)制造、碼頭相關(guān)配套設(shè)施設(shè)計(jì)和建設(shè)均逐步趨向定型化，在其他新型自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備應(yīng)用前，AGV一直是全自動(dòng)化集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸設(shè)備的首選，見圖1。

圖1 采用磁釘導(dǎo)航的AGV

AGV的驅(qū)動(dòng)方式最初為柴油內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，2011年采用可充電式鉛酸電池作為動(dòng)力的AGV投入商業(yè)運(yùn)行，純電力驅(qū)動(dòng)的AGV具有能耗低、綠色環(huán)保、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，是目前AGV的主流應(yīng)用方向。AGV采用磁釘進(jìn)行導(dǎo)航定位，可進(jìn)行直行、斜行、S形、U形和90°轉(zhuǎn)彎等多種運(yùn)行模式。然而，AGV大多數(shù)應(yīng)用在堆場采用垂直布置的自動(dòng)化集裝箱碼頭。主要原因在于定型化AGV產(chǎn)品存在一定的局限性，降低了其對(duì)不同堆場布置形式和裝卸工藝系統(tǒng)的適應(yīng)性。主要體現(xiàn)在以下兩方面：

1)磁釘導(dǎo)航定位利用內(nèi)涵存儲(chǔ)信息的無源磁釘單元與AGV車身上配置的天線進(jìn)行電磁波交換，實(shí)現(xiàn)車輛的精確定位。為確保AGV在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的任何位置都能精確實(shí)現(xiàn)位置坐標(biāo)計(jì)算和定位，一般要求在AGV整個(gè)運(yùn)行區(qū)域范圍內(nèi)按約2 m×2 m的網(wǎng)格埋設(shè)磁釘，運(yùn)行區(qū)域越大，埋設(shè)的磁釘越多，工程投資也越高。為防止產(chǎn)生信號(hào)干擾，磁釘側(cè)部周邊或垂直方向上距離地面不小于100 mm范圍內(nèi)應(yīng)避免設(shè)置金屬構(gòu)件，對(duì)地面鋼筋鋪設(shè)精度的要求較高。

2)車身自重大、輪壓大。定型化AGV通常采用的是2軸4輪的設(shè)計(jì)，車身自重約32 t。滿載狀態(tài)下，其單輪輪壓高達(dá)33～36 t，遠(yuǎn)高于普通集卡輪壓[3]。為滿足AGV與大型裝卸設(shè)備交互作業(yè)和重載行駛的要求，運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)承載能力要求更高，導(dǎo)致工程投資較高。

在“堆場垂直布置+端裝卸”的工藝系統(tǒng)中，為盡可能減少上述因素對(duì)工程造價(jià)的影響，AGV的運(yùn)行范圍被限制在了一個(gè)面積相對(duì)有限的封閉區(qū)域內(nèi)。在“堆場平行布置+邊裝卸”這類需要集裝箱自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備滿港區(qū)運(yùn)行的自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)中，采用AGV對(duì)碼頭基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本的影響將成為一個(gè)必須考量的重要因素。

2 工程概況

廣州港南沙四期自動(dòng)化碼頭工程建設(shè)4個(gè)5～10萬噸級(jí)集裝箱海輪泊位和12個(gè)2 000噸級(jí)內(nèi)河駁船泊位，碼頭陸域縱深約650～840 m，總面積約120萬m2。駁船碼頭岸線與海輪碼頭岸線整體呈現(xiàn)出側(cè)面相鄰的布置形態(tài)[4]。

該工程集裝箱集疏運(yùn)模式具有鮮明的江海聯(lián)運(yùn)特色，水路中轉(zhuǎn)集裝箱吞吐量占碼頭總吞吐量的比例高達(dá)80%以上，結(jié)合碼頭岸線特殊的布置形態(tài)，決定了該工程集裝箱在港內(nèi)的主要工藝流向呈現(xiàn)出平行于海輪碼頭岸線的特點(diǎn)。為提高碼頭的整體裝卸效率，降低水平運(yùn)輸作業(yè)的能耗，基于集裝箱在港內(nèi)的主要流向特點(diǎn)，裝卸工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“自動(dòng)化箱區(qū)平行布置+邊裝卸”的技術(shù)路線，自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行區(qū)域面積約45萬m2(圖2)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 “堆場垂直布置+端裝卸”裝卸工藝系統(tǒng)中AGV的運(yùn)行區(qū)域面積。

注：灰色為運(yùn)行區(qū)域。

3 IGV特點(diǎn)及優(yōu)勢

3.1 IGV特點(diǎn)

針對(duì)南沙四期工程自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備需滿足全港區(qū)大范圍運(yùn)行的特點(diǎn)，為降低現(xiàn)有磁釘導(dǎo)航AGV產(chǎn)品技術(shù)局限性及對(duì)建設(shè)成本的影響，在可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航定位和行駛功能的基礎(chǔ)上，融合了人工智能、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、5G通信、無人駕駛等前沿科技對(duì)傳統(tǒng)AGV車身結(jié)構(gòu)和導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了全面升級(jí)，形成新一代自動(dòng)化集裝箱智能導(dǎo)引運(yùn)輸車IGV，見圖3。

圖3 采用多傳感器融合導(dǎo)航定位的IGV

3.1.1導(dǎo)航定位及自動(dòng)駕駛性能

IGV配置以北斗為主的高精度衛(wèi)慣導(dǎo)航、激光及視覺等多傳感器融合的智能導(dǎo)航系統(tǒng)[5]，在5G無線通信模式下可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，支持雙向行駛、斜行、S形、U形及90°轉(zhuǎn)彎等多種運(yùn)行模式。由于采用了智能化導(dǎo)航和避障技術(shù)，使得IGV具備在碼頭與堆場間按規(guī)劃路徑自由穿梭、靈活調(diào)度等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)頻繁起制動(dòng)、低速重載、短程行駛等碼頭特有的運(yùn)輸作業(yè)工況，滿足與碼頭岸邊集裝箱起重機(jī)、堆場軌道式集裝箱門式起重機(jī)等大型集裝箱裝卸設(shè)備精準(zhǔn)交互作業(yè)要求。

在接收碼頭管理系統(tǒng)的指令后，車輛管理系統(tǒng)將依據(jù)IGV調(diào)度策略規(guī)劃車輛最優(yōu)行駛路徑。智能導(dǎo)航系統(tǒng)按照路徑指令計(jì)算車輛電機(jī)轉(zhuǎn)速和輪胎偏轉(zhuǎn)角度后，將結(jié)果傳輸給可控制IGV電機(jī)和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的單車控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)單車控制，響應(yīng)路徑指令。

碼頭車輛管理系統(tǒng)可最大化利用港區(qū)內(nèi)的道路資源，規(guī)劃最優(yōu)路徑。而IGV智能駕駛系統(tǒng)則可以更精確地計(jì)算和使用路權(quán)。IGV智能駕駛系統(tǒng)、碼頭車輛管理系統(tǒng)、碼頭TOS系統(tǒng)互相依托，構(gòu)建了最優(yōu)的集裝箱自動(dòng)化水平運(yùn)輸系統(tǒng)。

3.1.2車身結(jié)構(gòu)性能

IGV的主要技術(shù)參數(shù)為：額定載質(zhì)量≥65 t；轉(zhuǎn)彎半徑≤12 m；最大行駛速度30 km/h；滿載爬坡角5%；外形尺寸：長≤15 m，寬≤3 m；充電方式為自動(dòng)臂拔插式固定充電；導(dǎo)航定位精度±50 mm；最大制動(dòng)距離≤9 m。

IGV車身采用輕量化，車身外形尺寸不超過15 m×3 m，自質(zhì)量23 t。輪系采用4軸8輪設(shè)計(jì)，滿載狀態(tài)下單輪對(duì)地輪壓約120～150 kN，其軸壓與普通集卡類似。

3.1.3動(dòng)力驅(qū)動(dòng)性能

IGV采用全電驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力電池為三元鋰電池，總電量238 kW·h，滿足滿載連續(xù)工作4 h剩余電量不小于20%的要求。

3.2 IGV應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)分析

1)車身結(jié)構(gòu)輕量化，導(dǎo)航定位方式由磁釘定位升級(jí)為“衛(wèi)慣導(dǎo)航+多傳感器融合”定位，可有效降低單機(jī)成本和碼頭配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，對(duì)不同的自動(dòng)化堆場布局形式具有更好的適應(yīng)性；

2)搭載衛(wèi)慣導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等多傳感器融合系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境的感知和適應(yīng)能力更強(qiáng)，單機(jī)智能化程度更高；

3)可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動(dòng)化升級(jí)改造。

4 IGV相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)

4.1 導(dǎo)航定位設(shè)施

4.1.1衛(wèi)慣組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)

IGV衛(wèi)慣組合導(dǎo)航定位以北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)為主、其他衛(wèi)星導(dǎo)航為輔，結(jié)合加速度計(jì)和陀螺儀等慣導(dǎo)器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGV的定位和定向。該系統(tǒng)包括3個(gè)部分：北斗地基增強(qiáng)單基站綜合服務(wù)系統(tǒng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)和車上衛(wèi)慣組合定位設(shè)備。自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)設(shè)置北斗地基增強(qiáng)基站，基站綜合服務(wù)系統(tǒng)采用雙主機(jī)備份，完成衛(wèi)星信號(hào)的接收、差分?jǐn)?shù)據(jù)的生成，并將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器通過港口專用無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)外發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)。IGV 上的衛(wèi)慣組合定位設(shè)備通過約定的協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行信息交互，接收差分?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)IGV 的高精度定位功能。

4.1.2激光定位系統(tǒng)

IGV激光定位系統(tǒng)主要是通過安裝在車上的激光雷達(dá)，掃描集裝箱堆場區(qū)域內(nèi)預(yù)設(shè)的定位立柱作為參照特征實(shí)現(xiàn)車輛定位。集裝箱堆場箱堆四周區(qū)域每隔一定間距設(shè)置1根高約1.5 m的定位立柱(圖4)，服務(wù)于IGV激光雷達(dá)掃描定位。

4.1.3視覺定位系統(tǒng)

IGV激光定位系統(tǒng)主要通過安裝在車上的攝像頭識(shí)別地面車道標(biāo)線及地面菱形標(biāo)志作為參照特征進(jìn)行定位。碼頭前沿各行車道區(qū)域內(nèi)每隔15～20 m設(shè)置1個(gè)菱形地面標(biāo)志(圖5)，服務(wù)于IGV視覺定位。

圖5 IGV視覺定位標(biāo)識(shí)標(biāo)線

4.2 自動(dòng)充電設(shè)施

為滿足IGV充電需求，碼頭自動(dòng)化運(yùn)行區(qū)域內(nèi)按照相對(duì)集中原則設(shè)置8個(gè)充電站、共42套自動(dòng)化充電裝置(圖6)。IGV采用端部充電方式，車身頭部配電源插拔接口(圖7)。

圖6 IGV充電站布置

圖7 IGV自動(dòng)充電裝置

自動(dòng)充電裝置使用大電流快速充電系統(tǒng)，具有充電功率大、交互容差性強(qiáng)、防護(hù)等級(jí)高等特點(diǎn)。當(dāng)IGV電池組電量低至預(yù)設(shè)限值時(shí)，將按系統(tǒng)指令自動(dòng)行駛至指定充電區(qū)與充電裝置對(duì)接充電。

4.3 維修保養(yǎng)設(shè)施

為實(shí)現(xiàn)IGV維修保養(yǎng)，在港區(qū)內(nèi)設(shè)置了集普通設(shè)備維修保養(yǎng)與IGV維修保養(yǎng)功能為一體的設(shè)備維護(hù)中心(圖8)，布置在堆場側(cè)邊，與堆場自動(dòng)化作業(yè)區(qū)域無縫連接。

圖8 IGV維修車間平面布置

IGV維修區(qū)域包括IGV維修車間、緩沖場地和測試區(qū)。

1)IGV維修車間與常規(guī)機(jī)修車間、工具材料庫、吊具棚按T形布置，寬27 m?？紤]IGV直接進(jìn)入車間內(nèi)維修，坡道的坡度為4.5%。

2)緩沖場地布置在IGV維修車間正前方，與自動(dòng)化作業(yè)區(qū)通過緩沖通道連接，緩沖通道長20 m，寬7.5 m。緩沖通道四周設(shè)置圍網(wǎng)，兩端設(shè)置聯(lián)動(dòng)的門禁，IGV從自動(dòng)化作業(yè)區(qū)進(jìn)入緩沖通道后退出自動(dòng)駕駛模式，位于自動(dòng)化作業(yè)區(qū)一側(cè)的門禁關(guān)閉，位于緩沖場地一側(cè)的門禁相應(yīng)開啟，然后由人工控制IGV駛出緩沖通道，此時(shí)位于緩沖場地一側(cè)的門禁關(guān)閉，另一側(cè)門禁相應(yīng)開啟。

3)IGV測試區(qū)布置在集裝箱堆場東側(cè)、工作船碼頭后方，根據(jù)陸域形狀布置為梯形場地，長邊約為130 m，短邊分別為28、80 m，四周設(shè)置圍網(wǎng)。測試區(qū)滿足IGV直線行駛、斜行、掉頭、S彎道行駛等功能的測試。IGV測試區(qū)與緩沖場地相鄰的一側(cè)設(shè)置測試區(qū)入口，另一側(cè)設(shè)置測試區(qū)出口。測試區(qū)出口與自動(dòng)化作業(yè)區(qū)通過緩沖通道連接，長20 m，寬7.5 m；緩沖通道四周設(shè)置圍網(wǎng)，兩端設(shè)置聯(lián)動(dòng)的門禁。

5 結(jié)語

1)IGV是一種伴隨無人駕駛技術(shù)發(fā)展衍生而來的新型智能化集裝箱水平運(yùn)輸設(shè)備，該設(shè)備依靠“衛(wèi)慣導(dǎo)航+多傳感器融合”定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航和定位，與傳統(tǒng)采用磁釘導(dǎo)航定位技術(shù)的AGV相比，具有智能化程度高、自重輕、單機(jī)成本低、碼頭配套基礎(chǔ)設(shè)施投資低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)采用不同堆場布置形式的集裝箱自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)均具有較強(qiáng)適應(yīng)性；

2)采用IGV的自動(dòng)化集裝箱碼頭應(yīng)針對(duì)其定位導(dǎo)航、能源補(bǔ)充、維護(hù)保養(yǎng)等方面提出一套完善的配套基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和建設(shè)方案。