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        考慮車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的無(wú)人集卡充電策略及充電樁分配研究*

        2022-06-11 07:32:28
        起重運(yùn)輸機(jī)械 2022年10期
        關(guān)鍵詞:集卡前輪限值

        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(guó)內(nèi)外大型港口的主流發(fā)展方向。我國(guó)北方某重要國(guó)際貿(mào)易大港新建的全自動(dòng)化集裝箱碼頭采用電力方式驅(qū)動(dòng)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(dòng)運(yùn)行,如水平運(yùn)輸系統(tǒng)利用純電動(dòng)無(wú)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(shì),有助于碼頭實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)。

        國(guó)內(nèi)外關(guān)于自動(dòng)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(dòng)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(píng)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(shí)間之間的關(guān)系,通過模擬自動(dòng)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(shí)間。

        除此之外,車輛充電過程對(duì)AGV整體調(diào)度有顯著影響,研究人員對(duì)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(jì)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(shí)間和排隊(duì)等待時(shí)間,建立了以最小化任務(wù)時(shí)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(dòng)化碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備的研究領(lǐng)域中,對(duì)無(wú)人集卡的充電管理研究一直較少。無(wú)人集卡由電力驅(qū)動(dòng),其電量水平直接影響車輛的續(xù)航能力,同時(shí)充電樁位置直接影響無(wú)人集卡充電調(diào)度策略,故車輛充電策略及充電樁位置對(duì)碼頭裝卸作業(yè)效率影響很大。本文在考慮無(wú)人集卡運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的基礎(chǔ)上,對(duì)其充電策略及充電樁分配展開研究,以縮短無(wú)人集卡充電時(shí)間,提高充電效率。

        1 問題描述

        圖1為某港區(qū)C段自動(dòng)化碼頭的整體布局,其中堆場(chǎng)平行于碼頭岸線布置,自動(dòng)充電樁布置在碼頭右側(cè)A場(chǎng)和左側(cè)C場(chǎng)與岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)作業(yè)區(qū)之間的無(wú)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(wú)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(shí),無(wú)人集卡發(fā)送充電請(qǐng)求,智能充電樁系統(tǒng)收到請(qǐng)求后為無(wú)人集卡下發(fā)具體的充電指令,無(wú)人集卡接收指令后基于車輛運(yùn)動(dòng)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(cè)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(wú)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(wú)人集卡充電策略

        2.1 充電樁分布

        根據(jù)無(wú)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(wú)人集卡車隊(duì)電量維持在合理水平。無(wú)人集卡單車電量的計(jì)算公式可表示為

        式中:Q1為單車電量;Q為每小時(shí)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(shí)間;n為每小時(shí)作業(yè)趟數(shù);t為單車快速充電時(shí)間,數(shù)值為充電時(shí)間的30%~80%;δ為無(wú)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(shí)間和作業(yè)時(shí)間的比值;η為岸橋效率。

        按照岸橋效率28 mov/h,計(jì)算可得無(wú)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(jì)算可得無(wú)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(jì)算可得無(wú)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(jì)算式(1)~式(4)可得出無(wú)人集卡每小時(shí)耗電量為

        式中:l為無(wú)人集卡數(shù)量,其余同上。

        由以上計(jì)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(chǎng)和C01場(chǎng)的海側(cè)車道附近。A01場(chǎng)和C01場(chǎng)對(duì)應(yīng)充電區(qū)域長(zhǎng)度分別為283 m、255 m,各自分為4個(gè)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(gè)充電樁間隔28 m。

        圖2 A01場(chǎng)對(duì)應(yīng)充電樁分布

        圖3 C01場(chǎng)對(duì)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(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)人集卡作業(yè)數(shù)量,根據(jù)無(wú)人集卡需求電量動(dòng)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(jì)算,1臺(tái)岸橋需配置6輛無(wú)人集卡進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè),共有12臺(tái)岸橋,則需要配置72輛無(wú)人集卡;對(duì)應(yīng)需要配置11臺(tái)充電樁保證無(wú)人集卡的充電需求,車隊(duì)管理系統(tǒng)調(diào)度A場(chǎng)所有充電樁及C場(chǎng)4臺(tái)充電樁進(jìn)行充電,其中C場(chǎng)依次選用1~4號(hào)充電樁,以避免無(wú)人集卡轉(zhuǎn)彎半徑受限問題。

        2)基于岸橋最大作業(yè)量計(jì)算,岸橋數(shù)量為12臺(tái),此時(shí)需要配置95臺(tái)無(wú)人集卡進(jìn)行裝卸作業(yè),對(duì)應(yīng)需要配置13臺(tái)充電樁保證無(wú)人集卡的充電需求,車隊(duì)管理系統(tǒng)調(diào)度A場(chǎng)及C場(chǎng)所有充電樁進(jìn)行充電,根據(jù)充電位進(jìn)出原則為無(wú)人集卡分配具體的充電位。

        在實(shí)際情況中,無(wú)人集卡單車長(zhǎng)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(gè)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(wú)人集卡將面臨變道區(qū)域不夠?qū)挼木骄常瑢?dǎo)致右側(cè)充電樁無(wú)法使用。因此,應(yīng)在左側(cè)充電樁充電的無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(dòng)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(shí)間。

        2.2 無(wú)人集卡運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

        無(wú)人集卡的運(yùn)行速度、加速度和制動(dòng)性等方面在重載和空載時(shí)具有較大差異,充電策略的確定需要結(jié)合無(wú)人集卡的物理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,精準(zhǔn)計(jì)算無(wú)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(dòng)距離等,以確保無(wú)人集卡在碼頭前沿岸橋、堆場(chǎng)輪胎式集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱場(chǎng)橋)等作業(yè)位的精準(zhǔn)定位,以滿足其在堆場(chǎng)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(wú)人集卡的前輪組和后輪組分別等效為1組等效輪。當(dāng)無(wú)人集卡轉(zhuǎn)彎時(shí),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(shí)2個(gè)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(shí),過4個(gè)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(gè)前輪的轉(zhuǎn)向角與角速度是互相關(guān)聯(lián)的,可將2個(gè)前輪等效為一個(gè)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(wú)人集卡的最小轉(zhuǎn)彎半徑。無(wú)人集卡最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算可表示為

        式中:R0為無(wú)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(jì)算可得,無(wú)人集卡的最小轉(zhuǎn)彎半徑為≤6 700 mm。

        表1 無(wú)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(jì)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(wú)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(wú)人集卡充電策略分為主動(dòng)充電與被動(dòng)充電2種方式。

        圖5 充電策略流程

        1)主動(dòng)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(shí),向系統(tǒng)發(fā)送下線充電申請(qǐng),無(wú)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(qǐng)后,查看充電樁使用情況,若有空閑充電樁,優(yōu)先指派無(wú)人集卡前往距離最近的空閑充電樁;若無(wú)空閑充電樁,則從系統(tǒng)中選擇一輛正在充電的無(wú)人集卡停止充電,同時(shí)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(wú)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(wú)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(shí),向系統(tǒng)報(bào)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(bào)告后,查看所有作業(yè)中無(wú)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(shí)系統(tǒng)指派達(dá)到快充上限的集卡上線作業(yè)。

        2)被動(dòng)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(shí),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(shí),申請(qǐng)上線作業(yè)并等待系統(tǒng)調(diào)度,同時(shí)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(shí),向系統(tǒng)發(fā)送下線充電申請(qǐng);系統(tǒng)接到申請(qǐng)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(wú)空閑充電樁,則選擇一輛非作業(yè)充電集卡停止充電,同時(shí)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(shí),申請(qǐng)駛離充電位并等待系統(tǒng)調(diào)度。系統(tǒng)接到申請(qǐng)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(shí)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(shí),完成充電并進(jìn)入指定停車位等待調(diào)度,同時(shí)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(wú)人集卡電量水平處于總量的80%~100%時(shí)為高電量狀態(tài),選擇慢充充電方式;無(wú)人集卡電量水平處于總量的30%~80%時(shí)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(shí)不同。

        3 充電管理系統(tǒng)

        基于以上無(wú)人集卡充電策略,設(shè)計(jì)了無(wú)人集卡充電管理系統(tǒng),該系統(tǒng)包含充電樁首頁(yè)、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(gè)子功能。

        圖6所示為充電樁首頁(yè),該頁(yè)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(duì)比圖以及7日充電次數(shù)對(duì)比圖和充電電量對(duì)比圖。

        圖6 充電樁首頁(yè)

        圖7所示為設(shè)備監(jiān)控中心頁(yè)面,該頁(yè)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(duì)應(yīng)編號(hào)。

        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(yè)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(duì)位車輛、充電開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)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(yè)面能夠詳細(xì)展示故障設(shè)備編號(hào)、故障開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、故障編碼及對(duì)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(yè)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(wú)人集卡作業(yè)流程的基礎(chǔ)上,綜合考慮無(wú)人集卡運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,根據(jù)碼頭實(shí)際作業(yè)情況,動(dòng)態(tài)調(diào)整充電樁位置和數(shù)量,降低了無(wú)人集卡充電等待時(shí)間。通過設(shè)置階梯充電策略提高充電樁利用率,使無(wú)人集卡電量始終維持在較高水平。同時(shí),將無(wú)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(guó)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(jià)值。

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