洋山四期自動化碼頭AGV 設(shè)備控制系統(tǒng)創(chuàng)新研究

王巖

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

20 世紀(jì)90 年代中葉，國際集裝箱運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢逐漸面向船舶大型化、經(jīng)營聯(lián)盟化、運(yùn)輸干線網(wǎng)絡(luò)化。黨中央和國務(wù)院對建設(shè)上海國際航運(yùn)中心作出了重大戰(zhàn)略部署，啟動了上海洋山深水港的選址工作。經(jīng)過了10 年的論證和建設(shè)，上海洋山深水港于2005 年正式開港。近年來，上海港的國際門戶地位日益凸顯，集裝箱的業(yè)務(wù)規(guī)模不斷提升。為更好地服務(wù)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和新一輪的改革開放，2014 年12 月，上海洋山港四期工程全面開建。

上海洋山港四期工程總用地面積達(dá)223 萬平方米，岸線長度達(dá)2350 米。整個工程建設(shè)了2 個7 萬噸級以及5 個5 萬噸級的集裝箱泊位，設(shè)計年吞吐能力初期為400 萬標(biāo)準(zhǔn)箱，遠(yuǎn)期可達(dá)到630 萬標(biāo)準(zhǔn)箱。最終設(shè)備的規(guī)模是26 臺岸橋、130+輛AGV 和120 臺軌道吊。放眼全球，一次性建成投運(yùn)規(guī)模如此之大的自動化碼頭是史無前例的。

1 自動化碼頭系統(tǒng)介紹

在上海洋山四期碼頭系統(tǒng)中，自動化裝卸系統(tǒng)是整個全自動碼頭的“中國芯”。設(shè)備調(diào)度管理控制系統(tǒng)（ECS）和碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)（TOS）都是由國產(chǎn)自主研發(fā)而成，組成了洋山四期全自動化碼頭的“心臟”與“大腦”。

ECS 是一種環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的碼頭自動化裝卸系統(tǒng)，用以實現(xiàn)自動化碼頭裝卸設(shè)備的調(diào)度控制及設(shè)備間的協(xié)調(diào)工作。ECS 相當(dāng)于自動化碼頭里的“心臟”，主要根據(jù)TOS 規(guī)劃和指令來完成對裝卸設(shè)備的作業(yè)控制、流程優(yōu)化、安全保護(hù)、監(jiān)控管理和智能調(diào)度，取代了傳統(tǒng)碼頭的司機(jī)及相關(guān)設(shè)備終端，智能化地指揮設(shè)備安全、自動、高效地把集裝箱搬運(yùn)到任務(wù)目的位置。

ECS 系統(tǒng)不但節(jié)省了碼頭的人力資源成本，而且減少了生產(chǎn)過程中的人為干擾因素，保證了人身安全事故不再發(fā)生；同時，改善了碼頭操作人員的工作環(huán)境，提高了碼頭的作業(yè)效率。

TOS 系統(tǒng)覆蓋了整個自動化碼頭的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，并銜接了上海港的各個數(shù)據(jù)信息平臺（其中包括業(yè)務(wù)受理、集卡預(yù)約、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)一調(diào)度等）；提供智能生產(chǎn)計劃模塊、實時作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)以及自動監(jiān)控調(diào)整的過程控制系統(tǒng)。

2 AGV 設(shè)備控制系統(tǒng)創(chuàng)新

洋山四期碼頭的AGV 設(shè)備控制系統(tǒng)與其他同類自動化碼頭相比有如下幾個特點(diǎn)：

（1）AGV 自動換電技術(shù)。洋山四期項目采用無污染的純電力驅(qū)動的AGV 小車作為一種水平運(yùn)輸工具。控制系統(tǒng)對AGV 小車的車載電池電量進(jìn)行監(jiān)控，在AGV 電池電量低于設(shè)定值時，AGV 自動向設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)出電池更換請求。整個洋山四期碼頭采用了2 個大站和1 個小站的設(shè)計方式，使得任何一個換電站內(nèi)的電池包都有絕對的冗余。大站采用雙工位換電，可以滿足單個機(jī)器人出現(xiàn)故障時碼頭的滿負(fù)荷作業(yè)。同時，每個換電站均配有門禁、空調(diào)、消防等系統(tǒng)，做到了以人為本、安全生產(chǎn)的理念。整個換電管理系統(tǒng)（BES）采用了最新的人工智能算法，AGV 進(jìn)站換電按照優(yōu)先級排隊進(jìn)站，使得整個換電流程高效、秩序。

（2）大規(guī)模AGV 路徑規(guī)劃及交通控制。洋山四期規(guī)劃在最終階段有130 臺以上的AGV 同時在場地內(nèi)運(yùn)行，AGV 的運(yùn)行會造成各種復(fù)雜的情況出現(xiàn)。設(shè)備控制系統(tǒng)對大規(guī)模的路徑規(guī)劃和交通控制采用了十分高效的算法來進(jìn)行計算，保證了AGV 穩(wěn)定、安全、高效地運(yùn)行。

路徑規(guī)劃時，充分考慮路徑長度、路徑暢通度、轉(zhuǎn)彎次數(shù)、能量消耗等指標(biāo)，結(jié)合轉(zhuǎn)彎、斜行等動作所需時間耗費(fèi)以及禁行區(qū)繞行等因素，選擇符合計劃約束（時間耗費(fèi)/負(fù)載均衡）的路徑為最優(yōu)路徑。

交通控制采用匯編級別的高效算法，實時監(jiān)控AGV 運(yùn)行過程中的各種不確定性帶來的意外狀況。提供動態(tài)路徑規(guī)劃，避免死鎖，解死鎖和交通控制方案應(yīng)對出現(xiàn)的意外狀況。

（3）頂升式AGV 支架交互技術(shù)。洋山四期AGV 自帶升降裝置，能容納和運(yùn)輸ISO 標(biāo)準(zhǔn)1 只20′集裝箱、2 只20′集裝箱、1 只40′集裝箱或1 只APL 標(biāo)準(zhǔn)45′集裝箱，可以自動地將集裝箱存放到支架上或從支架上取下。控制系統(tǒng)配有多個輔助系統(tǒng)，確保升降系統(tǒng)正常工作；軟件層面通過對支架資源的互斥/共享訪問，對堆場設(shè)備和AGV 之間的各種交互進(jìn)行安全高效地控制。

（4）AGV 無線通訊冗余技術(shù)。洋山四期AGV 單機(jī)與控制系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)通信方式，確保網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定是正常作業(yè)的關(guān)鍵因素。由于自然災(zāi)害、設(shè)備故障以及人為操作失誤等原因，往往會不可避免地造成碼頭通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的故障。為提高網(wǎng)絡(luò)健壯性，洋山四期AGV 項目采用雙無線網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)，以確保在主網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的情況下，從網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)提供AGV 單機(jī)與控制系統(tǒng)間的安全穩(wěn)定通信。

（5）動態(tài)可配置作業(yè)區(qū)域技術(shù)。洋山四期AGV項目創(chuàng)新采用動態(tài)可配置作業(yè)區(qū)域技術(shù)，可以對橋吊下AGV 的作業(yè)位置和AGV 停車緩沖區(qū)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。每艘船靠泊的位置以及船型的不同，會導(dǎo)致橋吊有不同的作業(yè)位置；如果采用固定的停車緩沖區(qū)，可能會造成資源浪費(fèi)，通過動態(tài)調(diào)整方案可以實現(xiàn)停車緩沖區(qū)根據(jù)船舶進(jìn)行調(diào)整，從而增加可用的停車緩沖區(qū)。

考慮每臺橋吊作業(yè)模式和效率等因素，采用動態(tài)調(diào)整的作業(yè)車道會節(jié)約橋吊下的作業(yè)/通行場地資源，最終提高整個自動化碼頭作業(yè)效率。

（6）AGV 對懸臂式軌道吊進(jìn)行交互作業(yè)技術(shù)。由于洋山四期水水中轉(zhuǎn)的比率較高，為了提高中轉(zhuǎn)箱的作業(yè)效率，同時，減少軌道吊帶箱動大車的次數(shù)，洋山在碼頭布局上采取了AGV 行駛到堆場側(cè)面通道跟懸臂吊進(jìn)行交互的作業(yè)方式。設(shè)備控制系統(tǒng)合理利用了懸臂吊通道內(nèi)的4 根車道，在避免擁堵的前提下增加了AGV 的通行效率。

（7）AGV 粗定位技術(shù)。AGV 粗定位方案的優(yōu)化，是針對生產(chǎn)作業(yè)中AGV 可能會停車的工況展開詳細(xì)分析，并提煉其中的共同需求。在AGV 不與其他設(shè)備交互且能夠確保AGV 的安全的情況下，AGV 在停車時，采用粗定位模糊停車，相對于精確定位停車，單次停車節(jié)約時間至少5s。適用工況如高速車道倒箱門、岸橋下倒車、PB 停車等。

3 結(jié)語

2017 年年底，洋山四期自動化碼頭正式開港，而整個上海港的集裝箱吞吐量已經(jīng)超過了4000 萬標(biāo)準(zhǔn)箱，占整個世界的1/10，相當(dāng)于美國所有港口集裝箱吞吐量的總和。2018 年8 月開始，洋山四期自動化碼頭達(dá)到了晝夜1 萬箱的作業(yè)量，年底總吞吐量超過了200 萬標(biāo)準(zhǔn)箱。2019 年洋山四期自動化碼頭的集裝箱吞吐量達(dá)到了300萬標(biāo)準(zhǔn)箱，而整個洋山深水港則接近2000 萬標(biāo)準(zhǔn)箱，占比整個上海港集裝箱吞吐量的一半左右。

上海洋山智慧港口物流系統(tǒng)無論在智能化、自動化、信息化技術(shù)水平上，還是在低成本、高可靠性以及節(jié)能環(huán)保性能上都處于國內(nèi)外同行的領(lǐng)先地位。洋山四期的建設(shè)對推進(jìn)我國智慧城市建設(shè)具有重要意義，對我國主要港口集裝箱碼頭具有可推廣性和復(fù)制性，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。