唐立輝+王偉+朱林+張常江

自動化集裝箱碼頭有別于傳統(tǒng)集裝箱碼頭的主要特征之一是碼頭岸邊與堆場間水平運輸實現(xiàn)全自動化。目前，國外已建成的自動化集裝箱碼頭主要采用自動引導(dǎo)車（automated guided vehicle，AGV）作為水平運輸設(shè)備（見圖1）。AGV車隊規(guī)模龐大，且與岸邊及自動化堆場系統(tǒng)交互頻繁；因此，要求AGV具有智能化的避碰保護功能。為保障AGV車隊正常作業(yè)，避免碰撞，應(yīng)用設(shè)備控制系統(tǒng)（equipment control system， ECS）交通控制邏輯算法、單機自動化層面的激光防撞系統(tǒng)以及底層機械電氣保護系統(tǒng)，實現(xiàn)AGV多系統(tǒng)融合與多層級避碰，確保AGV安全、高效運行。

1 ECS層面避碰設(shè)計

作為自動化集裝箱碼頭裝卸設(shè)備的核心控制系統(tǒng)，ECS的主要功能是接收碼頭操作系統(tǒng)的指令，自動規(guī)劃AGV最優(yōu)行駛路徑，控制AGV執(zhí)行裝卸船及轉(zhuǎn)場任務(wù)。通過ECS的交通控制邏輯算法模塊實現(xiàn)AGV的路徑規(guī)劃及避碰，是AGV避碰保護策略最重要也是最根本的一環(huán)。ECS交通控制邏輯算法根據(jù)AGV的當(dāng)前位置和目標位置以及作業(yè)車隊內(nèi)其他AGV的任務(wù)及位置情況，自動生成避開其他AGV的到達目標位置的最優(yōu)路徑；同時，在AGV運行前，系統(tǒng)自動生成到達目標位置的預(yù)申領(lǐng)路徑，并根據(jù)AGV的速度、運行指令方式等生成鎖閉區(qū)伴隨AGV運行，確保AGV運行過程中的鎖閉區(qū)不被其他AGV侵占，從而從系統(tǒng)層面防止AGV在運行過程中與其他AGV相撞。在一些特殊情況下，例如，當(dāng)AGV發(fā)生故障，導(dǎo)致其在ECS內(nèi)離線而無法確定當(dāng)前車輛位置時，ECS通過暫停整個車隊或自動在故障AGV周圍生成禁行區(qū)來確保車輛安全。對于非作業(yè)AGV，只要該AGV已經(jīng)加入車隊，ECS就會在其周圍自動生成鎖閉區(qū)。該鎖閉區(qū)的范圍比AGV本身的輪廓略大，相當(dāng)于給AGV施加了“金鐘罩”。

此外，ECS可以根據(jù)生產(chǎn)及維修情況，臨時為AGV運行場地劃定禁行區(qū)，使其他車輛在遠程自動控制模式下無法進入禁行區(qū)，從而避免禁行區(qū)外的AGV與禁行區(qū)內(nèi)的AGV或人員相撞。ECS通過無線通信系統(tǒng)對AGV車隊下發(fā)指令。在無線通信系統(tǒng)出現(xiàn)異常的情況下，ECS可以控制整個車隊暫停。

2 單機自動化層面避碰設(shè)計

單機自動化導(dǎo)航控制系統(tǒng)是AGV系統(tǒng)中最重要的部分，AGV的定位及自動導(dǎo)航運行均通過該系統(tǒng)實現(xiàn)。單機自動化層面的避碰策略分為AGV導(dǎo)航控制保護策略和激光防撞系統(tǒng)保護策略。從原理上來講，該層面的避碰策略也屬于系統(tǒng)層面的保護策略。

單機自動化導(dǎo)航控制系統(tǒng)是AGV自動控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)導(dǎo)航控制算法及AGV運行場地的磁釘布置情況，若連續(xù)n個磁釘未被AGV導(dǎo)航定位天線探測到，則觸發(fā)AGV減速；若連續(xù)n+1個磁釘未被AGV導(dǎo)航定位天線探測到，則觸發(fā)AGV緊急停車?？梢?，在導(dǎo)航定位天線或磁釘出現(xiàn)問題的情況下，單機自動化導(dǎo)航控制系統(tǒng)可以控制AGV不偏離預(yù)定軌跡，從而避免AGV相撞。在導(dǎo)航定位天線和磁釘都正常的情況下：若AGV在直行或轉(zhuǎn)彎時的行駛路徑偏差超過容許范圍，則觸發(fā)AGV減速；若AGV在沒有及時糾偏且路徑偏差超限的情況下行駛超過系統(tǒng)程序設(shè)定的容許距離，則觸發(fā)AGV緊急停車。當(dāng)導(dǎo)航定位天線、慣性測量單元傳感器等導(dǎo)航系統(tǒng)部件與導(dǎo)航控制器的通信中斷或出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)程序通過觸發(fā)緊急停車保護的方式避免AGV失去控制。

AGV前后均裝有采用激光探測和測量技術(shù)的激光防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)集激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性測量單元和差分定位技術(shù)于一體，其基本原理是：傳感器發(fā)射的激光束經(jīng)空氣傳播到物體表面，并經(jīng)物體表面反射；反射能量被傳感器接收并記錄為電信號；精確記錄傳感器發(fā)射激光束的時間和接收時間，并據(jù)此計算傳感器至物體表面的距離。傳感器至物體表面的距離

r=ct/2

式中：c為光速；t為傳感器發(fā)射激光束的時間與接收時間的差。

激光防撞系統(tǒng)可根據(jù)AGV的行駛路徑，通過程序編寫或調(diào)試工具設(shè)置相應(yīng)的保護區(qū)域。當(dāng)有物體進入保護區(qū)域時，激光測距單元可以計算出障礙物至傳感器的距離，進而觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)出減速、自由停車、緊急停車等避碰指令。根據(jù)AGV的運行路徑及交互工況，設(shè)計有直行保護、斜行保護、轉(zhuǎn)彎保護、支架保護等4種避碰保護方案。

3 機械電氣層面避碰設(shè)計

機械電氣層面避碰保護措施是AGV安全保護設(shè)計的最后一環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)層面的保護措施失效時，機械電氣層面的避碰設(shè)計能夠避免AGV相撞或?qū)⑴鲎苍斐傻膿p害降到最小。機械電氣層面避碰系統(tǒng)由保險杠、防爆胎支撐、頂升平臺超聲波傳感器及本地模式下的激光保護區(qū)等組成。

AGV的車頭和車尾均裝有保險杠。若AGV失控與障礙物發(fā)生碰撞，則觸發(fā)限位，通過帶彈簧的伸縮機構(gòu)促使AGV緊停，從而減輕設(shè)備受損程度。

頂升平臺上安裝的超聲波傳感器能夠在頂升平臺頂升到位后的行進過程中檢測支架上是否有集裝箱，從而避免因系統(tǒng)提供的支架帶箱信息錯誤而導(dǎo)致AGV上的集裝箱與支架上的集裝箱碰撞。

當(dāng)AGV在本地操作模式下運行時，電控系統(tǒng)通過調(diào)用激光防撞器，在車頭和車尾形成一定范圍的安全保護區(qū)。當(dāng)AGV與其前方的障礙物距離小于設(shè)定距離時，AGV無法前進或觸發(fā)緊停，從而避免AGV在人工遙控操作的情況下與其行進方向的障礙物相撞。

4 結(jié)束語

自動化集裝箱碼頭水平運輸系統(tǒng)通過集成ECS交通控制邏輯算法、單機自動化導(dǎo)航控制系統(tǒng)、機械電氣避碰系統(tǒng)等三級安全保護設(shè)計，實現(xiàn)AGV從單機至系統(tǒng)層面的避碰安全防護，確保AGV安全、高效作業(yè)。endprint