陈海龙，王 强

（武汉理工大学 物流工程学院，武汉 430063）

现阶段，我国多数非自动化港口存在效率低下、安全性较低等一系列缺点，因此有必要进行自动化改造。集装箱码头自动化是指港口装卸系统在无人或较少人的参与下进行自动检测、信息处理、操纵控制，实现集装箱装卸操作和转换运输方式的过程。与传统集装箱堆场相比，自动化集装箱堆场具有作业效率更稳定、设备利用率更高等明显优势[1]。因此，加快自动化集装箱堆场的改造及建设势在必行。

自动化集装箱堆场在国内已有大量研究成果。文献[2]设计了一种基于铁路班车的新型自动化集装箱堆场，可以提高堆场性能。文献[3]介绍了一种利用多层框架桥梁和轨道式手推车的自动化集装箱系统，具有更高的运输效率。文献[4]致力于AGV的智能化避碰保护功能的研究。文献[5]针对不确定环境下自动化集装箱码头AGV调度与配置问题进行探索。文献[6]提出ARMG带箱长距离行走时存在作业耗时长且能耗较高等问题。文献[7]提出Lift-AGV工艺存在整体装卸效率较低等问题。

本文把一种新型的基于轨道式梭车的自动化堆场作为研究对象，设计了新型自动化堆场的装卸工艺，建立了机械三维模型，分析了其工作效率，并将其与传统自动化堆场进行对比计算和仿真，分析在相同条件下的两种堆场作业效率的差异。

1 建立机械三维模型

1.1 建立AGV模型

AGV主要包括车体、动力系统、自动导向系统、控制系统、定位系统等。动力系统采用2个性能相同驱动机构，两边各1个，由后两轮差动实现车辆转向动作；自动导向系统引导AGV到达指定位置完成搬运任务；微处理器输出电压信号控制左右电机转速，从而控制驱动轮转速；定位系统通常采用各种传感器进行定位，保证AGV运行到指定地点[8]。AGV的三维模型如图1所示。

图1 AGV机械三维模型Fig.1 Mechanical three-dimensional model of AGV

AGV动力系统为电驱动，绿色环保，且能耗较低；无人驾驶，自动化程度高，实现人机分离，因此安全性能较高。但AGV与岸桥之间没有中转平台，必须进行直接交互，因此AGV自动化集装箱堆场中采用AGV伴侣或者一种具有顶升功能的AGV（lift-AGV），避免了自动化轨道吊与AGV的直接交换，提高了工作效率。

1.2 建立AGV伴侣模型

AGV伴侣的三维模型如图2所示。其核心主要是大小2个液压系统，大液压系统控制AGV伴侣的伸缩运动，小液压系统控制AGV伴侣的左右摆动。

图2 AGV伴侣机械三维模型Fig.2 Mechanical three-dimensional model of AGV mate

AGV伴侣的工作原理如图3所示。当AGV到达时，AGV伴侣小液压系统会控制伴侣向外张开避让AGV；当AGV进来后，伴侣再复位，由大液压系统将AGV上的集装箱顶起，此时AGV再离开。这样AGV与堆场运输设备无需直接进行交互，节省了相互等待的时间。

图3 AGV伴侣作业流程Fig.3 Working principle of AGV mate

1.3 建立ARMG模型

ARMG分为大车运动系统和小车运动系统。大车运动系统负责在堆场的水平运动，小车运动系统负责集装箱的装卸工作。ARMG的机械三维模型如图4所示。

图4 ARMG机械三维模型Fig.4 Mechanical three-dimensional model of ARMG

1.4 建立堆场模型

新型自动化堆场主要由AGV、AGV伴侣、穿梭小车、和ARMG等部分组成，其三维模型如图5所示。

图5 新型堆场三维模型Fig.5 Mechanical three-dimensional model of new type storage yard

2 新型自动化堆场效率分析

2.1 基于轨道式穿梭车的自动化集装箱堆场概述

在传统集装箱堆场，通常配置2台ARMG，用于集装箱的水平运输，该工艺主要有以下缺点：场内存在大量翻箱作业；ARMG频繁带箱移动；能耗较高。本文设计一种新型的轨道式梭车系统，在堆场内布置一条轨道，将堆场作业分为水平运输和装卸作业两部分，水平运输由梭车完成，装卸作业由自动化轨道吊完成。在该种堆场中，主要由AGV、AGV伴侣、穿梭小车和ARMG等部分组成，如图6所示。主要工作过程为当AGV运送集装箱到达堆场时，AGV伴侣就会与AGV进行交接，将AGV上的集装箱卸下，此时AGV就可以返回岸桥处进行下一个集装箱的拖运。与此同时穿梭小车来到AGV伴侣处，AGV伴侣再把集装箱装到穿梭小车上，穿梭小车随后就把集装箱运送到指定堆存地点，由ARMG完成最后的装卸工作。

图6 基于轨道式穿梭车的自动化堆场Fig.6 Automated storage yard based on rail shuttle carrier

2.2 基于轨道式梭车的堆场作业效率与传统堆场效率对比计算

设计新型自动化集装箱堆场的相关参数如下：

（1）在本次计算中，假设堆场堆5层，每一层5列箱，每一列堆场间的间隔为0.1 m。集装箱在堆场的排列如表1所示。

表1 集装箱在堆场的排列Tab.1 Order of containers in storage yard

（2）ARMG的最大速度为vg=180 m/min，加速度为ac=0.5 m/s2；最大起升高度为18 m；其上小车的速度为vcx=70 m/min，加速度acx=0.5 m/s2；空载起升的速度为vlk=1.33 m/s；带载起升速度为vld=0.67 m/s，加速度为ald=0.5 m/s2。

（3）轨道式梭车的最大速度为vs=5 m/s，加速度as=0.65 m/s2；

（4）AGV伴侣的装卸时间为34 s；

（5）集装箱长度 lj=12.192 m，宽度 bj=2.438 m，集装箱高度hj=2.591 m。

效率计算公式：

式中：tsk为梭车空载行驶时间；tsz为梭车带载行驶时间；tg为自动化轨道吊装卸时间；tf为辅助工作时间，包括AGV伴侣和ARMG装卸时间。

2.2.1 ARMG装卸时间计算

由以上假设可知，堆场一共堆5层，每一层5列箱，一共堆放25个集装箱。以装卸第一层第一列集装箱为例，具体计算如下：

（1）吊具与穿梭车上集装箱对位时间为20 s。

（2）带载起升过程。

第一层集装箱H1=2.691 m。

加速阶段运行时间：t1=vld/ald=1.34 s；运行距离：

匀速阶段运行时间：t2=（H1-2s）/vld=2.53 s；

制动阶段运行时间：t3=t1=1.34 s；

用时合计：tzq=t1+t2+t3=5.21 s。

（3）小车水平移动。

穿梭车与首列集装箱的预留距离为1 m。第n列集装箱的水平移动距离为

故第一个集装箱的水平位移为L1=1×bj+1=3.438 m。

加速阶段运行时间：t1=vcx/acx=2.34 s；运行距离

匀速阶段运行时间：t2=（L1-2s）/vcx=0.61 s；

制动阶段运行时间：t3=t1＝1.34 s；

用时合计：ts=t1+t2+t3=5.29 s。

（4）带载下降。

用时与带载起升相同：tzx=tzq=5.21 s。

（5）对位及卸载时间 15 s。

因此，装卸第一层第一列的集装箱共耗时：t11=20+tzq+ts+tzx+15=50.71 s。

同理计算其他位置的集装箱装卸时间，如表2所示。

表2 各位置集装箱装卸耗时Tab.2 Time consuming of loading and unloading for each container

ARMG平均耗时：tg=62.61 s。

2.2.2 水平运输效率对比计算

在计算出ARMG装卸耗时后，现对比分析2种堆场的水平运输效率。设计相关参数如下：

（1）堆场堆5层，每一层5列箱，每一列堆 10个集装箱。相邻2个集装箱距离li=0.6 m。

（2）考虑2种堆场水平运输的差异，如图7所示，一个点代表一个箱位，依次计算穿梭小车和ARMG将集装箱从AGV伴侣上运到这10个箱位所花的时间。假设开始穿梭小车在AGV伴侣处等待任务。伴侣与A点的距离为一个集装箱位。

图7 堆场布局示意图Fig.7 Layout of the yard

（3）ARMG的速度为 3 m/s，穿梭小车速度为5 m/s。

2.2.3 基于轨道式穿梭车的堆场

假定运送A位置的集装箱。

（1）AGV伴侣与穿梭小车交互时间：tb=15 s。

（2）穿梭小车带载由AGV伴侣处运行到A箱位。伴侣与第m个箱位之间的距离为lm=m×lj+（m-1）×li。故伴侣与A箱位之间的距离为lA=lj=12.192 m。

加速行驶阶段，加速度a=0.65 m/s2，最高速度vs=5 m/s。

启动时间：t1=vs/a=7.69 s，运行距离19.22 m。

由于lA＜2 s，故穿梭车运行过程中没有匀速行驶部分。

制动耗时：t3=t1=4.33 s。

合计耗时：tsd=t1+t3=8.66 s。

（3）穿梭小车与ARMG 交互耗时：tj=15 s。

（4）穿梭小车回到伴侣处耗时：tsk=tsd=8.66 s。

该循环穿梭小车总计行驶时间为

同理计算出穿梭小车到其余箱位的耗时，如表3所示。

表3 新型堆场装卸耗时Tab.3 Time consuming of loading and unloading for new type of yard

2.2.4 传统自动化堆场

假定运送A位置的集装箱。

（1）AGV伴侣与ARMG交互时间：tb=15 s。

（2）ARMG带载由AGV伴侣处运行到A箱位。伴侣与A箱位之间的距离为lA=lj=12.192 m。

加速运行阶段，加速度ac=0.5 m/s2，最高速度vg=180 m/min=3 m/s。

启动时间：t1=vg/ac=6 s，运行距离

由于lA＜2 s，故ARMG运行过程中没有匀速运行部分。

制动耗时：t3=t1=4.94 s。

合计耗时：tsd=t1+t3=9.88 s。

（3）ARMG 装卸耗时：tg=62.61 s。

（4）ARMG 回到伴侣处耗时：tgk=tgd=9.88 s。

该循环穿梭小车总计行驶时间为

同理计算出在其余箱位装卸的耗时，如表4所示。

对比2种自动化堆场的装卸耗时，可以明显看出在同等条件下，新型自动化堆场装卸耗时更少，因此效率更高。

表4 传统堆场装卸耗时Tab.4 Time consuming of loading and unloading for traditional yard

3 仿真与分析

3.1 基于eM-Plant的自动化堆场仿真

对于现存的自动化集装箱堆场，ARMG的速度已经能够达到300 m/s，但对于设置了轨道式梭车的自动化堆场，其主要目的是为了解放ARMG的水平移动，使其能够更加专注于集装箱的堆存，因此速度无须太高。本次仿真中设置ARMG速度分别为120 m/s、150 m/s和180 m/s。仿真时间设置为一天。仿真模型建立如图8所示。

图8 eM-plant仿真模型Fig.8 Stimulation model by eM-plant

图中2条线路分别表示基于轨道式穿梭车的堆场和传统自动化堆场的运输过程。A、B都表示集装箱；simetime表示仿真时间，设置为24 h；outA和outB分别表示基于轨道式穿梭车的堆场和传统自动化堆场的输出结果，即24 h内处理的集装箱数；aveA和aveB则分别表示2种堆场每小时处理的集装箱数。

3.2 仿真结果与分析

3.2.1 AGV到达时间间隔

设定堆场长度与上一章节计算模型相同，即一列堆放10个集装箱。当AGV到达时间间隔分别为120 s、90 s和60 s时，仿真结果如表5所示。

由以上3次仿真结果可以看出：在AGV到达时间间隔相同的情况下，新型自动化堆场的作业效率均高于传统自动化堆场。且随着AGV工作频率的增加，新型自动化堆场完成的任务量有较大的提升，而传统自动化堆场完成的任务量基本没有变化。其原因是ARMG移动速度较慢，当AGV到达时间间隔较短时会发生堵塞现象。因此需要合理设计AGV的工作频率，在不发生拥堵的前提下，使得堆场的工作效率最大化。

表5 两种堆场的输出量Tab.5 Output of two kinds of storage yards

3.2.2 堆场长度

延长堆场长度，每一列堆15个集装箱。当AGV到达时间间隔分别为120 s、90 s和60 s时，仿真结果如表6所示。

表6 延长两种堆场长度后的输出量Tab.6 Output of two kinds of storage yardswhich are lengthened

对比前一次仿真结果可知，当堆场长度增加时，两种堆场的处理效率都会有所降低，且新型自动化堆场的作业效率仍然高于传统自动化堆场。原因是堆场长度增加后，穿梭小车及ARMG带箱行走距离也会相应的增加。相比于ARMG，穿梭小车运行速度更快，机动性强，能耗更低，因此更加适宜于长距离的带箱运动。

4 结语

本文分析了目前自动化集装箱堆场的研究现状，选用了一种新型的基于轨道式穿梭车的自动化堆场作为研究对象，对新型自动化码头进行三维建模，并对其工作效率进行了分析。最后利用eM-plant软件对新型自动化堆场和传统自动化堆场的工作情景进行了仿真模拟与分析，仿真结果表明在同等条件下，新型堆场具有更高的工作效率。由于能力有限，本课题所研究的内容还存在着许多不足之处，例如在建模仿真过程中，由于软件本身的局限性，不能表现出集装箱在转运过程中各运输设备的加减速及匀速运动过程，导致仿真结果会与实际结果有所差异。同时本文只考虑了在1个堆区设置1条梭车轨道，实际中可以考虑设置双轨道梭车，研究其对堆场工作效率的影响。