楊 榮，劉喜旺，張 煜，董寶慧

(1.天津港第二集裝箱碼頭有限公司，天津 300461；2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；3.武漢理工大學(xué)韶關(guān)研究院，廣東 韶關(guān) 512100)

隨著國際貿(mào)易和集裝箱運輸?shù)陌l(fā)展，碼頭對集裝箱裝卸及水平運輸效率的需求日益提高。自動化碼頭在運行效率、人力成本等方面優(yōu)勢顯著[1]。隨著自動化集裝箱碼頭的迅速發(fā)展，形成了多種集裝箱碼頭自動化解決方案[2]。為提高集裝箱碼頭集疏運效率，以自動化岸橋、自動化軌道橋及自動導(dǎo)引運輸車(AGV)為代表的智能作業(yè)設(shè)備得到廣泛應(yīng)用[3]。以岸橋裝卸設(shè)備自動化及堆場作業(yè)設(shè)備自動化為代表的自動化碼頭發(fā)展模式已經(jīng)非常成熟，使集裝箱裝卸作業(yè)效率明顯提升。港區(qū)布局形式、交通規(guī)劃及運輸設(shè)備的多樣性導(dǎo)致碼頭水平運輸技術(shù)路線存在明顯差異。同時，水平運輸系統(tǒng)自動化需要實時高精定位、大通量數(shù)據(jù)傳輸及高性能數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的支撐，是碼頭自動化升級改造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對碼頭吞吐能力、集裝箱轉(zhuǎn)運效率具有顯著影響。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對碼頭水平運輸設(shè)備選型及路徑優(yōu)化展開廣泛研究。喬冠翔等[4]在分析AGV及L-AGV與軌道吊間不同耦合作業(yè)方式的基礎(chǔ)上，歸納各設(shè)備的作業(yè)優(yōu)勢及適用情況；羅勛杰[5]在總結(jié)自動化碼頭水平運輸工藝系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點分析2種不同的水平運輸作業(yè)方式，提出不同作業(yè)條件下的水平運輸設(shè)備選型建議；劉耀徽等[6]針對自動化集裝箱碼頭水平運輸車輛最優(yōu)路徑規(guī)劃問題，綜合碼頭布局、任務(wù)劃分、車道選擇等多方面要求，提出AGV運輸路徑規(guī)劃方案，縮短了車輛運送距離；王聰?shù)萚7]建立了以AGV作業(yè)效率和能源消耗作為雙目標(biāo)的水平運輸調(diào)度模型，提高了AGV運輸效率，降低車輛能耗；唐立輝等[8]針對集裝箱碼頭AGV動力系統(tǒng)及電池充電方式選型問題，提出基于鋰電池的淺充淺放式循環(huán)充電方案，提高了碼頭生產(chǎn)作業(yè)效率；針對自動化集裝箱碼頭水平運輸車輛的定位問題，畢艷飛等[9]對比分析了磁釘定位、局域定位、超寬帶定位及GPS定位等技術(shù)的適用特點，并給出各系統(tǒng)在不同場景下的關(guān)鍵理論和技術(shù)特點。如何將碼頭生產(chǎn)作業(yè)實際與自動運輸設(shè)備相結(jié)合，合理選擇和調(diào)度水平運輸設(shè)備資源，實現(xiàn)高效的運輸作業(yè)，是自動化碼頭提升作業(yè)效率的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的自動化集裝箱碼頭多利用AGV執(zhí)行水平運輸任務(wù)，對于此類運輸載具國際上均采用在運行路線上設(shè)置導(dǎo)向信息媒介的導(dǎo)引方式[10]。同時，車輛完全自主規(guī)劃路徑且各單車之間無通訊交互，導(dǎo)致交通死鎖問題頻發(fā)，各車輛無法在有效時間內(nèi)完成作業(yè)任務(wù)，不利于全局統(tǒng)一調(diào)度，給進(jìn)一步改善水平運輸效率帶來障礙。

目前，研究多集中在碼頭水平運輸設(shè)備調(diào)度及路徑優(yōu)化方面，對自動化水平運輸系統(tǒng)的總體設(shè)計研究較少。本文以順岸式邊裝卸自動化集裝箱碼頭為研究對象，基于碼頭實際生產(chǎn)運行模式，融合實時高精地圖技術(shù)及動態(tài)路徑規(guī)劃方法，結(jié)合車輛智能管理及交通管控策略，設(shè)計面向自動運輸作業(yè)的智能水平運輸系統(tǒng)及其運行機(jī)制，提升水平運輸系統(tǒng)的調(diào)度指揮及生產(chǎn)作業(yè)效率。

1 自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)運行模式

以進(jìn)口箱作業(yè)管理為例，自動化集裝箱碼頭作業(yè)管理流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)管理流程

1)信息錄入及發(fā)送：在碼頭作業(yè)管理系統(tǒng)(terminal operation system，TOS)中錄入船舶艙單數(shù)據(jù)、船圖數(shù)據(jù)、待卸載集裝箱屬性信息以及船舶靠泊計劃等，并通過電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)將船舶靠泊及待卸載集裝箱數(shù)據(jù)發(fā)送至TOS作業(yè)查詢管理模塊。

2)信息驗證：在TOS單證處理及管理模塊中對船舶艙單、集裝箱信息進(jìn)行二次驗證。

3)計劃生成：船舶卸載計劃驗證正確后，TOS生成最終的船舶靠泊及集裝箱卸載計劃。同時，基于堆場中各貝位及箱位屬性、堆場堆存率等信息生成堆場堆存計劃；TOS將船舶裝卸作業(yè)的進(jìn)口圖數(shù)據(jù)及船舶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳遞至岸橋作業(yè)系統(tǒng)，生成岸橋作業(yè)計劃方案和貝位作業(yè)計劃方案；TOS將堆場堆存計劃傳遞至軌道橋作業(yè)系統(tǒng)，生成軌道橋作業(yè)計劃方案；FMS(fleet management system，水平運輸系統(tǒng))根據(jù)岸橋作業(yè)計劃、貝位作業(yè)計劃和軌道橋作業(yè)計劃制定自動運輸車輛(artificial intelligence robot of transportation，ART)作業(yè)計劃方案、智能鎖站作業(yè)計劃方案和智能交通管控方案。

4)任務(wù)管理：集裝箱完成堆場落箱作業(yè)后，TOS進(jìn)行堆場箱位信息和集裝箱屬性信息匹配確認(rèn)，并進(jìn)行集裝箱作業(yè)任務(wù)狀態(tài)更新。

5)安全監(jiān)控：在進(jìn)口箱進(jìn)港作業(yè)全流程中，利用港區(qū)實時視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行岸橋作業(yè)、水平運輸作業(yè)以及軌道橋作業(yè)的實時安全監(jiān)測。

2 自動化集裝箱碼頭運行機(jī)制

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等計算機(jī)技術(shù)的成熟和應(yīng)用[11]，新一代信息技術(shù)極大加快了傳統(tǒng)碼頭的智能化改造以及自動化碼頭的建設(shè)發(fā)展。自動化集裝箱碼頭面向集裝箱港口智能化、高效化、節(jié)能化發(fā)展需求，打造以作業(yè)智能調(diào)度、設(shè)備自主運行、人工輔助控制為核心的多環(huán)節(jié)智慧運行體系，提供綠色、安全、高效的集裝箱裝卸、運輸、存儲服務(wù)。綜合分析自動化集裝箱碼頭各項作業(yè)需求及流程，圍繞智能水平運輸?shù)募夹g(shù)特點，設(shè)計自動化集裝箱碼頭的系統(tǒng)組成及運行機(jī)制，如圖2所示。

圖2 自動化集裝箱碼頭運行機(jī)制

自動化集裝箱碼頭的生產(chǎn)作業(yè)，由TOS整體調(diào)度和各類子系統(tǒng)協(xié)同運行兩方面組成，實現(xiàn)碼頭服務(wù)水平和生產(chǎn)效率的整體提升。在設(shè)備調(diào)度管理層面，生產(chǎn)作業(yè)以智能化自主驅(qū)動為中心，輔以人工調(diào)度，確保及時處理突發(fā)狀況和設(shè)備故障，保證各項作業(yè)的順利進(jìn)行。通過“服務(wù)-生產(chǎn)”的需求驅(qū)動，TOS為各設(shè)備安排作業(yè)任務(wù)，并形成作業(yè)隊列，該作業(yè)隊列信息通過智能控制系統(tǒng)傳送給具體設(shè)備。設(shè)備按照作業(yè)順序?qū)⒕唧w任務(wù)分解為多個作業(yè)過程，例如將ART水平運輸作業(yè)分解為直線行駛、多角度轉(zhuǎn)彎、變道避障等，以便實現(xiàn)ART車輛的自主控制及智能運行。作業(yè)過程存在嚴(yán)格的邏輯順序關(guān)系，并轉(zhuǎn)化為作業(yè)指令，下發(fā)給設(shè)備的控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)作業(yè)動作。

3 智能水平運輸系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能水平運輸系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能水平運輸系統(tǒng)架構(gòu)

智能水平運輸系統(tǒng)架構(gòu)主要包括信息層、平臺層及應(yīng)用層。其中，信息層主要包括來源于TOS的岸橋作業(yè)計劃、集疏運作業(yè)計劃、堆場作業(yè)計劃以及碼頭各類型設(shè)備作業(yè)計劃等；平臺層主要包括標(biāo)準(zhǔn)化控制接口、車路協(xié)同感知系統(tǒng)、集中式鎖站系統(tǒng)、車輛充電系統(tǒng)、高精地圖系統(tǒng)、車序控制系統(tǒng)等模塊；應(yīng)用層具體實現(xiàn)智能任務(wù)調(diào)度、動態(tài)路徑規(guī)劃、智能交通管理、鎖站智能管控、車輛智能調(diào)序、智能充電調(diào)度、智能停車管理、智能遠(yuǎn)程駕駛等功能。

1)智能任務(wù)調(diào)度：基于順岸式邊裝卸自動化集裝箱碼頭整體布局特點，水平運輸系統(tǒng)結(jié)合裝卸船、水平移箱等運輸任務(wù)，通過實時監(jiān)測并分析自動運輸車輛的行駛位置、作業(yè)狀態(tài)等信息，基于運輸系統(tǒng)整體作業(yè)時間最短原則，為運輸車輛分配行駛路徑盡可能短的實時作業(yè)任務(wù)，確保碼頭各系統(tǒng)作業(yè)的流暢性。

2)動態(tài)路徑規(guī)劃：基于水平布置邊裝卸工藝，利用碼頭地圖拓?fù)溥B通圖，水平運輸系統(tǒng)結(jié)合實時道路信息和水平運輸設(shè)備運動學(xué)特征，運用多車協(xié)同的動態(tài)路徑規(guī)劃方法，實時分段控制作業(yè)車輛的行駛路徑。同時，基于水平運輸整體通行規(guī)劃和單車局部引導(dǎo)相結(jié)合的控車策略實現(xiàn)多車協(xié)同運行，有效避免交通死鎖情況，保證水平運輸全流程穩(wěn)定高效。

3)智能交通管理：水平運輸系統(tǒng)利用車路協(xié)同感知系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實時感知及定位堆場交叉路口處ART和外集卡行駛狀態(tài)及數(shù)量，結(jié)合運輸車輛的運行速度、位置及運動學(xué)特征，智能預(yù)測各車輛到達(dá)重要交通路段的時間、順序等，運用以規(guī)則為主、全局優(yōu)化模型為輔的內(nèi)外集卡通行管控策略，實現(xiàn)堆場中陸運和航運交叉路口的智能交通管理，實現(xiàn)運輸效率的最大化。

4)鎖站智能管控：基于靠泊作業(yè)船舶的實際長度及裝卸箱作業(yè)量要求，水平運輸系統(tǒng)結(jié)合集中式鎖站配置的距離約束，為船舶作業(yè)分配所需數(shù)量的鎖站及實際位置。鎖站系統(tǒng)開始進(jìn)行拆裝鎖作業(yè)后，TOS結(jié)合各鎖站實時作業(yè)任務(wù)及各緩沖區(qū)排隊停車數(shù)量，基于作業(yè)均衡原則，為車輛實時分配鎖站及前緩沖區(qū)，避免擁堵問題，提高作業(yè)效率；同時，鎖站裝置搭載作業(yè)安全管控機(jī)制，實現(xiàn)自動化作業(yè)區(qū)和人工作業(yè)區(qū)的空間、時間隔離，保證鎖站作業(yè)過程的安全穩(wěn)定。

5)車輛智能調(diào)序：基于水平運輸多級動態(tài)緩沖區(qū)工藝設(shè)計，水平運輸系統(tǒng)結(jié)合實際裝船模式要求，利用事前科學(xué)調(diào)度、事中差速調(diào)序和事后緩沖控制等多種車序控制方法，對所有運輸作業(yè)車輛通行順序進(jìn)行實時調(diào)整，保證運輸車輛按照規(guī)定的作業(yè)次序到達(dá)岸橋作業(yè)區(qū)進(jìn)行裝船作業(yè)，實現(xiàn)集裝箱裝船順序的一致性。

6)智能充電調(diào)度：基于集中式側(cè)方位充電工藝，水平運輸系統(tǒng)結(jié)合運輸車輛作業(yè)過程中的實際充電需求，利用階梯式智能充電調(diào)度方法，在確保水平運輸車隊整體充放電均衡的前提下，實時決策作業(yè)車輛的充電時長、充電位置、充電區(qū)行駛路徑等。結(jié)合ART實際運動學(xué)特征，在保證車輛充電及行駛安全的前提下，運用最短行駛距離、輔以充電樁作業(yè)均衡的原則，智能調(diào)度車輛充電作業(yè)，并通過充電樁系統(tǒng)安全作業(yè)管控機(jī)制，實現(xiàn)充電ART的智能水平對位及充電頭精確對接，保證車輛充電作業(yè)的安全流暢。

7)智能停車管理：基于自動化集裝箱碼頭順岸式邊裝卸布局特征，水平運輸系統(tǒng)結(jié)合泊位實際作業(yè)計劃，動態(tài)設(shè)置停車區(qū)域及停車位。同時，結(jié)合運輸車輛運動學(xué)特征和實際作業(yè)需求，為水平運輸車輛智能安排停車區(qū)域及停車位，滿足快速出勤需求，提高運輸車輛利用率并簡化任務(wù)調(diào)度步驟。

8)智能遠(yuǎn)程駕駛：水平運輸系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化控制接口接入不同技術(shù)路線的自動運輸車輛，基于5G高帶寬低延時通訊技術(shù)，通過遠(yuǎn)程操控臺實現(xiàn)對運輸車輛的一對多遠(yuǎn)程駕駛，快速解決特殊工況下的作業(yè)難題。

3.2 路徑規(guī)劃模型及算法

3.2.1估價函數(shù)的優(yōu)化

A星算法[12]是一種全局路徑規(guī)劃算法，利用全局地圖信息定義一個估價函數(shù)，啟發(fā)式地引導(dǎo)和決定其路徑的搜索方向。估價函數(shù)可表示為：

f(n)=g(n)+h(n)

(1)

式中：g(n)為從起點到節(jié)點n路徑的確切成本，稱為代價函數(shù)；h(n)為從節(jié)點n到目標(biāo)的啟發(fā)式估計成本，稱為啟發(fā)函數(shù)。估價函數(shù)的設(shè)計直接影響A星算法的路徑規(guī)劃性能。為了提高最優(yōu)路徑搜索效率，縮短ART行駛距離，本文使用Euclidean距離計算代價函數(shù)和啟發(fā)函數(shù)：

(2)

(3)

式中：xp、yp為當(dāng)前點的橫縱坐標(biāo)；xq、yq為起始點的橫縱坐標(biāo)；xd、yd為目標(biāo)點的橫縱坐標(biāo)。

根據(jù)ART位置信息，重新設(shè)置啟發(fā)函數(shù)的權(quán)重函數(shù)，改進(jìn)后的估價函數(shù)為：

(4)

式中：r為當(dāng)前點到目標(biāo)點距離，R為起始點到目標(biāo)點距離。

3.2.2關(guān)鍵點的選擇

A星算法通過估價函數(shù)評估路徑上各點，并將最優(yōu)點集合作為求解的備選路徑，但集合中包含較多冗余點。為保證ART高效運輸，本文通過提取關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點、刪除冗余轉(zhuǎn)折點進(jìn)行關(guān)鍵路徑點的選擇。

從備選路徑集合的第2個節(jié)點開始，若當(dāng)前節(jié)點和前一個節(jié)點及其父節(jié)點在一條直線上，則前一節(jié)點為冗余點，將其刪除。將所有路徑節(jié)點遍歷更新，可獲取僅包含起點、轉(zhuǎn)折點、終點的路徑序列，達(dá)到提取關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點的目的。

4 智能水平運輸系統(tǒng)運行機(jī)制

自動化集裝箱碼頭依托5G、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，極大提升了港口裝卸作業(yè)效率。通過智慧高效的車路協(xié)同系統(tǒng)、集中式地面鎖站系統(tǒng)、集裝箱作業(yè)集成管理系統(tǒng)、設(shè)備自主作業(yè)系統(tǒng)等，打造安全高效、環(huán)境友好的新一代自動化集裝箱碼頭，構(gòu)建智慧便捷的現(xiàn)代化港口作業(yè)體系，提供實時、高效、智能的集裝箱裝卸運輸服務(wù)。

通過分析自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)模式及智能水平運輸系統(tǒng)建設(shè)需求，結(jié)合碼頭實際生產(chǎn)需要，設(shè)計基于TOS作業(yè)計劃的自動化集裝箱碼頭智能水平運輸系統(tǒng)的運行機(jī)制，如圖4所示。

圖4 智能水平運輸系統(tǒng)運行流程

智能水平運輸系統(tǒng)各項作業(yè)計劃基于TOS各項作業(yè)任務(wù)動態(tài)分派，通過將TOS、FMS、設(shè)備作業(yè)管理系統(tǒng)及生產(chǎn)輔助系統(tǒng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸及信息共享。當(dāng)TOS作業(yè)計劃出現(xiàn)變動或作業(yè)設(shè)備突發(fā)故障時，F(xiàn)MS各項作業(yè)任務(wù)需根據(jù)實際作業(yè)要求動態(tài)修正?；谏鲜霾呗?，智能水平運輸系統(tǒng)運行機(jī)制及步驟如下：

1)首先使用高精度測量設(shè)備對碼頭岸橋、堆場、鎖站等多場景道路數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范采集，加工制作碼頭高精地圖底圖，構(gòu)建動態(tài)圖層并保持實時更新，為ART路徑規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2)基于動態(tài)高精地圖信息，結(jié)合裝卸船、移箱等水平運輸計劃和水平運輸設(shè)備實時位置，以全局最快作業(yè)時間和全局最短作業(yè)路徑為原則為ART分配作業(yè)任務(wù)。運輸任務(wù)分配完成后，系統(tǒng)基于時空一致性的動態(tài)路徑規(guī)劃算法為ART生成實時任務(wù)路徑，分段精確控制車輛行駛過程，關(guān)鍵區(qū)域利用區(qū)間控車技術(shù)實現(xiàn)多車協(xié)同，避免關(guān)鍵路徑的交通死鎖問題。

3)水平運輸設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)化控制接口接入水平運輸系統(tǒng)，實時上報自身位置和運行狀態(tài)，并接收作業(yè)任務(wù)和行駛路徑。在對ART進(jìn)行全天候動態(tài)監(jiān)管中，系統(tǒng)基于智能任務(wù)管理和智能遠(yuǎn)程駕駛模塊實現(xiàn)車輛特殊工況和異常狀態(tài)的及時處理和遠(yuǎn)程操控。

4)在車輛運輸行駛過程中，F(xiàn)MS基于碼頭高精地圖數(shù)據(jù)及車輛實時位置、行駛速度和優(yōu)先級等信息，對車輛進(jìn)行路徑動態(tài)調(diào)整和速度規(guī)劃。

5)當(dāng)ART行駛到位于堆場出入口的集卡通行交匯處時，智能交通管理模塊實時感知內(nèi)外集卡的數(shù)量和位置，基于多優(yōu)先級的通行管控策略，實時決策車輛通行次序。

6)當(dāng)ART需要進(jìn)行拆裝鎖作業(yè)時，系統(tǒng)根據(jù)集中式鎖站系統(tǒng)實時工作狀態(tài)，為作業(yè)車輛分配相應(yīng)鎖站及前緩沖區(qū)，同時規(guī)劃車輛在鎖站區(qū)的行駛路徑。拆裝鎖完成后，ART根據(jù)系統(tǒng)調(diào)度前往岸橋或堆場作業(yè)位進(jìn)行裝卸作業(yè)，作業(yè)位有其他車輛時，F(xiàn)MS負(fù)責(zé)分配臨時等待位。

7)水平運輸任務(wù)執(zhí)行中或完成后，系統(tǒng)充電調(diào)度模塊根據(jù)階梯式動態(tài)充電調(diào)度策略進(jìn)行ART充電管理。車輛充電完成后，若無后續(xù)計劃任務(wù)，F(xiàn)MS結(jié)合后續(xù)作業(yè)計劃和快速出勤的需要，按照停車區(qū)域的優(yōu)先級順序為ART分配停車區(qū)域和停車位。

5 系統(tǒng)運行實例

5.1 工程背景

天津港新一代自動化集裝箱碼頭運用5G、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、自動駕駛等技術(shù)，基于堆場水平布置邊裝卸作業(yè)方式，打造以ART智能運輸為核心的自動化工藝。同時，構(gòu)建與該工藝相匹配的多級流量調(diào)控、智能交通管理、動態(tài)階梯充電、鎖站智能分配、ART群路徑規(guī)劃及車序自適應(yīng)調(diào)控等核心技術(shù)，實現(xiàn)對自動化碼頭堆場布置及運輸工藝的重大創(chuàng)新，提升碼頭作業(yè)管理效率。

5.2 智能水平運輸系統(tǒng)的應(yīng)用

天津港新一代智能水平運輸系統(tǒng)的運行機(jī)制基于全局作業(yè)調(diào)度、整體路徑規(guī)劃、局部精細(xì)化引導(dǎo)以及單車智能控制4個模塊，協(xié)同控制車輛完成各階段作業(yè)計劃。1)運輸系統(tǒng)結(jié)合TOS作業(yè)指令，基于全局作業(yè)時間最小及行車距離最短相結(jié)合的控制原則，制定ART車隊群路徑規(guī)劃方案，同時生成單車運輸計劃的關(guān)鍵控制節(jié)點(圖5)；2)運輸系統(tǒng)結(jié)合單車全局規(guī)劃方案制定此次運輸任務(wù)的全流程路徑控制計劃，給出車輛的運行路徑、行駛速度以及加速、轉(zhuǎn)彎、變道等具體動作發(fā)生的時間及路段規(guī)劃等，當(dāng)ART作業(yè)路徑臨時封閉導(dǎo)致道路最優(yōu)拓?fù)潢P(guān)系出現(xiàn)變更時，系統(tǒng)根據(jù)道路封閉情況動態(tài)調(diào)整路徑計劃，滿足ART運輸作業(yè)需求；3)運輸系統(tǒng)將不同車輛的全局路徑計劃分階段推送給單車(圖6)，單車基于局部精細(xì)化引導(dǎo)規(guī)則，在合理的空間及時間內(nèi)執(zhí)行具體動作；4)ART利用自身搭載的單目相機(jī)、雷達(dá)等探測設(shè)備，利用單車智能控制方法，結(jié)合車輛自身的運動學(xué)特征，實現(xiàn)ART自主變道、避障、控速、停車等，保障水平運輸作業(yè)安全。

圖5 ART群路徑規(guī)劃

圖6 分階段控車計劃

5.3 路徑規(guī)劃模型實施成果

對天津港自動化碼頭生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行試驗，分析路徑規(guī)劃模型對ART效率的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)行模式與傳統(tǒng)模式下ART運行結(jié)果對比

可見，在相同作業(yè)量情況下，相比傳統(tǒng)集裝箱運輸任務(wù)規(guī)劃方法，本文提出的運輸路徑規(guī)劃模型極大地降低了碼頭運輸設(shè)備能耗，減少了ART行駛里程。

5.4 系統(tǒng)測試成果

系統(tǒng)測試過程以天津港自動化碼頭實際運營策略為基準(zhǔn)，對完整的集裝箱裝卸船及水平運輸過程進(jìn)行全流程試驗，在設(shè)計工況下系統(tǒng)測試參數(shù)及運行結(jié)果如表2所示。

從表2可知，在相同作業(yè)量情況下，天津港全自動化碼頭單車能耗為5.03 kW·h/km，作業(yè)效率為33.62箱/h，與傳統(tǒng)碼頭相比，能耗降低40%左右，作業(yè)效率提升約5%，大幅減少了行駛里程，縮短了作業(yè)時間。碼頭運營及設(shè)備調(diào)度策略可以滿足集裝箱裝卸及運輸需求，提高了碼頭集疏運效率。

表2 現(xiàn)行模式與傳統(tǒng)模式下系統(tǒng)運行結(jié)果對比

通過運用新一代自動運輸車輛ART，單車最高行駛速度可達(dá)35 km/h，遠(yuǎn)高于AGV的18 km/h的運輸速度，極大地提升了集裝箱水平運輸效率，滿足碼頭對提升集裝箱裝卸及運輸效率的要求。碼頭管理系統(tǒng)可以根據(jù)實際作業(yè)需求，動態(tài)增加ART或軌道吊上線作業(yè)，進(jìn)一步減少車輛排隊等待問題，提高作業(yè)效率。

6 結(jié)語

1)以順岸式邊裝卸自動化集裝箱碼頭為研究對象，通過分析碼頭實際生產(chǎn)運行模式，提出一種智能水平運輸系統(tǒng)，并通過設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)，提出智能水平運輸系統(tǒng)運行機(jī)制，極大地提高了自動化碼頭運輸作業(yè)效率。

2)結(jié)合高精地圖技術(shù)，通過改進(jìn)A星算法規(guī)劃ART行駛路徑，對天津港自動化碼頭實際運營場景進(jìn)行試驗，得知路徑規(guī)劃模型對碼頭運行效率的影響，結(jié)果表明改進(jìn)A星算法能有效縮短ART運輸距離，降低車輛能耗。

3)通過將水平運輸過程的全局規(guī)劃和局部引導(dǎo)相結(jié)合，利用關(guān)鍵區(qū)域分段控制方法實現(xiàn)了車隊整體調(diào)度與單車自主規(guī)劃的有效統(tǒng)一。智能水平運輸系統(tǒng)推動了碼頭集疏運體系的發(fā)展，為智能運輸系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。由于港區(qū)內(nèi)實際交通流復(fù)雜，后續(xù)將對包含外部有人集卡的智能運輸系統(tǒng)作進(jìn)一步研究。