一種新型自動化集裝箱堆場的建模與仿真分析

陳海龍，王 強

（武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430063）

現階段，我國多數非自動化港口存在效率低下、安全性較低等一系列缺點，因此有必要進行自動化改造。集裝箱碼頭自動化是指港口裝卸系統在無人或較少人的參與下進行自動檢測、信息處理、操縱控制，實現集裝箱裝卸操作和轉換運輸方式的過程。與傳統集裝箱堆場相比，自動化集裝箱堆場具有作業效率更穩定、設備利用率更高等明顯優勢[1]。因此，加快自動化集裝箱堆場的改造及建設勢在必行。

自動化集裝箱堆場在國內已有大量研究成果。文獻[2]設計了一種基于鐵路班車的新型自動化集裝箱堆場，可以提高堆場性能。文獻[3]介紹了一種利用多層框架橋梁和軌道式手推車的自動化集裝箱系統，具有更高的運輸效率。文獻[4]致力于AGV的智能化避碰保護功能的研究。文獻[5]針對不確定環境下自動化集裝箱碼頭AGV調度與配置問題進行探索。文獻[6]提出ARMG帶箱長距離行走時存在作業耗時長且能耗較高等問題。文獻[7]提出Lift-AGV工藝存在整體裝卸效率較低等問題。

本文把一種新型的基于軌道式梭車的自動化堆場作為研究對象，設計了新型自動化堆場的裝卸工藝，建立了機械三維模型，分析了其工作效率，并將其與傳統自動化堆場進行對比計算和仿真，分析在相同條件下的兩種堆場作業效率的差異。

1 建立機械三維模型

1.1 建立AGV模型

AGV主要包括車體、動力系統、自動導向系統、控制系統、定位系統等。動力系統采用2個性能相同驅動機構，兩邊各1個，由后兩輪差動實現車輛轉向動作；自動導向系統引導AGV到達指定位置完成搬運任務；微處理器輸出電壓信號控制左右電機轉速，從而控制驅動輪轉速；定位系統通常采用各種傳感器進行定位，保證AGV運行到指定地點[8]。AGV的三維模型如圖1所示。

圖1 AGV機械三維模型Fig.1 Mechanical three-dimensional model of AGV

AGV動力系統為電驅動，綠色環保，且能耗較低；無人駕駛，自動化程度高，實現人機分離，因此安全性能較高。但AGV與岸橋之間沒有中轉平臺，必須進行直接交互，因此AGV自動化集裝箱堆場中采用AGV伴侶或者一種具有頂升功能的AGV（lift-AGV），避免了自動化軌道吊與AGV的直接交換，提高了工作效率。

1.2 建立AGV伴侶模型

AGV伴侶的三維模型如圖2所示。其核心主要是大小2個液壓系統，大液壓系統控制AGV伴侶的伸縮運動，小液壓系統控制AGV伴侶的左右擺動。

圖2 AGV伴侶機械三維模型Fig.2 Mechanical three-dimensional model of AGV mate

AGV伴侶的工作原理如圖3所示。當AGV到達時，AGV伴侶小液壓系統會控制伴侶向外張開避讓AGV；當AGV進來后，伴侶再復位，由大液壓系統將AGV上的集裝箱頂起，此時AGV再離開。這樣AGV與堆場運輸設備無需直接進行交互，節省了相互等待的時間。

圖3 AGV伴侶作業流程Fig.3 Working principle of AGV mate

1.3 建立ARMG模型

ARMG分為大車運動系統和小車運動系統。大車運動系統負責在堆場的水平運動，小車運動系統負責集裝箱的裝卸工作。ARMG的機械三維模型如圖4所示。

圖4 ARMG機械三維模型Fig.4 Mechanical three-dimensional model of ARMG

1.4 建立堆場模型

新型自動化堆場主要由AGV、AGV伴侶、穿梭小車、和ARMG等部分組成，其三維模型如圖5所示。

圖5 新型堆場三維模型Fig.5 Mechanical three-dimensional model of new type storage yard

2 新型自動化堆場效率分析

2.1 基于軌道式穿梭車的自動化集裝箱堆場概述

在傳統集裝箱堆場，通常配置2臺ARMG，用于集裝箱的水平運輸，該工藝主要有以下缺點：場內存在大量翻箱作業；ARMG頻繁帶箱移動；能耗較高。本文設計一種新型的軌道式梭車系統，在堆場內布置一條軌道，將堆場作業分為水平運輸和裝卸作業兩部分，水平運輸由梭車完成，裝卸作業由自動化軌道吊完成。在該種堆場中，主要由AGV、AGV伴侶、穿梭小車和ARMG等部分組成，如圖6所示。主要工作過程為當AGV運送集裝箱到達堆場時，AGV伴侶就會與AGV進行交接，將AGV上的集裝箱卸下，此時AGV就可以返回岸橋處進行下一個集裝箱的拖運。與此同時穿梭小車來到AGV伴侶處，AGV伴侶再把集裝箱裝到穿梭小車上，穿梭小車隨后就把集裝箱運送到指定堆存地點，由ARMG完成最后的裝卸工作。

圖6 基于軌道式穿梭車的自動化堆場Fig.6 Automated storage yard based on rail shuttle carrier

2.2 基于軌道式梭車的堆場作業效率與傳統堆場效率對比計算

設計新型自動化集裝箱堆場的相關參數如下：

（1）在本次計算中，假設堆場堆5層，每一層5列箱，每一列堆場間的間隔為0.1 m。集裝箱在堆場的排列如表1所示。

表1 集裝箱在堆場的排列Tab.1 Order of containers in storage yard

（2）ARMG的最大速度為vg=180 m/min，加速度為ac=0.5 m/s2；最大起升高度為18 m；其上小車的速度為vcx=70 m/min，加速度acx=0.5 m/s2；空載起升的速度為vlk=1.33 m/s；帶載起升速度為vld=0.67 m/s，加速度為ald=0.5 m/s2。

（3）軌道式梭車的最大速度為vs=5 m/s，加速度as=0.65 m/s2；

（4）AGV伴侶的裝卸時間為34 s；

（5）集裝箱長度 lj=12.192 m，寬度 bj=2.438 m，集裝箱高度hj=2.591 m。

效率計算公式：

式中：tsk為梭車空載行駛時間；tsz為梭車帶載行駛時間；tg為自動化軌道吊裝卸時間；tf為輔助工作時間，包括AGV伴侶和ARMG裝卸時間。

2.2.1 ARMG裝卸時間計算

由以上假設可知，堆場一共堆5層，每一層5列箱，一共堆放25個集裝箱。以裝卸第一層第一列集裝箱為例，具體計算如下：

（1）吊具與穿梭車上集裝箱對位時間為20 s。

（2）帶載起升過程。

第一層集裝箱H1=2.691 m。

加速階段運行時間：t1=vld/ald=1.34 s；運行距離：

勻速階段運行時間：t2=（H1-2s）/vld=2.53 s；

制動階段運行時間：t3=t1=1.34 s；

用時合計：tzq=t1+t2+t3=5.21 s。

（3）小車水平移動。

穿梭車與首列集裝箱的預留距離為1 m。第n列集裝箱的水平移動距離為

故第一個集裝箱的水平位移為L1=1×bj+1=3.438 m。

加速階段運行時間：t1=vcx/acx=2.34 s；運行距離

勻速階段運行時間：t2=（L1-2s）/vcx=0.61 s；

制動階段運行時間：t3=t1＝1.34 s；

用時合計：ts=t1+t2+t3=5.29 s。

（4）帶載下降。

用時與帶載起升相同：tzx=tzq=5.21 s。

（5）對位及卸載時間 15 s。

因此，裝卸第一層第一列的集裝箱共耗時：t11=20+tzq+ts+tzx+15=50.71 s。

同理計算其他位置的集裝箱裝卸時間，如表2所示。

表2 各位置集裝箱裝卸耗時Tab.2 Time consuming of loading and unloading for each container

ARMG平均耗時：tg=62.61 s。

2.2.2 水平運輸效率對比計算

在計算出ARMG裝卸耗時后，現對比分析2種堆場的水平運輸效率。設計相關參數如下：

（1）堆場堆5層，每一層5列箱，每一列堆 10個集裝箱。相鄰2個集裝箱距離li=0.6 m。

（2）考慮2種堆場水平運輸的差異，如圖7所示，一個點代表一個箱位，依次計算穿梭小車和ARMG將集裝箱從AGV伴侶上運到這10個箱位所花的時間。假設開始穿梭小車在AGV伴侶處等待任務。伴侶與A點的距離為一個集裝箱位。

圖7 堆場布局示意圖Fig.7 Layout of the yard

（3）ARMG的速度為 3 m/s，穿梭小車速度為5 m/s。

2.2.3 基于軌道式穿梭車的堆場

假定運送A位置的集裝箱。

（1）AGV伴侶與穿梭小車交互時間：tb=15 s。

（2）穿梭小車帶載由AGV伴侶處運行到A箱位。伴侶與第m個箱位之間的距離為lm=m×lj+（m-1）×li。故伴侶與A箱位之間的距離為lA=lj=12.192 m。

加速行駛階段，加速度a=0.65 m/s2，最高速度vs=5 m/s。

啟動時間：t1=vs/a=7.69 s，運行距離19.22 m。

由于lA＜2 s，故穿梭車運行過程中沒有勻速行駛部分。

制動耗時：t3=t1=4.33 s。

合計耗時：tsd=t1+t3=8.66 s。

（3）穿梭小車與ARMG 交互耗時：tj=15 s。

（4）穿梭小車回到伴侶處耗時：tsk=tsd=8.66 s。

該循環穿梭小車總計行駛時間為

同理計算出穿梭小車到其余箱位的耗時，如表3所示。

表3 新型堆場裝卸耗時Tab.3 Time consuming of loading and unloading for new type of yard

2.2.4 傳統自動化堆場

假定運送A位置的集裝箱。

（1）AGV伴侶與ARMG交互時間：tb=15 s。

（2）ARMG帶載由AGV伴侶處運行到A箱位。伴侶與A箱位之間的距離為lA=lj=12.192 m。

加速運行階段，加速度ac=0.5 m/s2，最高速度vg=180 m/min=3 m/s。

啟動時間：t1=vg/ac=6 s，運行距離

由于lA＜2 s，故ARMG運行過程中沒有勻速運行部分。

制動耗時：t3=t1=4.94 s。

合計耗時：tsd=t1+t3=9.88 s。

（3）ARMG 裝卸耗時：tg=62.61 s。

（4）ARMG 回到伴侶處耗時：tgk=tgd=9.88 s。

該循環穿梭小車總計行駛時間為

同理計算出在其余箱位裝卸的耗時，如表4所示。

對比2種自動化堆場的裝卸耗時，可以明顯看出在同等條件下，新型自動化堆場裝卸耗時更少，因此效率更高。

表4 傳統堆場裝卸耗時Tab.4 Time consuming of loading and unloading for traditional yard

3 仿真與分析

3.1 基于eM-Plant的自動化堆場仿真

對于現存的自動化集裝箱堆場，ARMG的速度已經能夠達到300 m/s，但對于設置了軌道式梭車的自動化堆場，其主要目的是為了解放ARMG的水平移動，使其能夠更加專注于集裝箱的堆存，因此速度無須太高。本次仿真中設置ARMG速度分別為120 m/s、150 m/s和180 m/s。仿真時間設置為一天。仿真模型建立如圖8所示。

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

圖中2條線路分別表示基于軌道式穿梭車的堆場和傳統自動化堆場的運輸過程。A、B都表示集裝箱；simetime表示仿真時間，設置為24 h；outA和outB分別表示基于軌道式穿梭車的堆場和傳統自動化堆場的輸出結果，即24 h內處理的集裝箱數；aveA和aveB則分別表示2種堆場每小時處理的集裝箱數。

3.2 仿真結果與分析

3.2.1 AGV到達時間間隔

設定堆場長度與上一章節計算模型相同，即一列堆放10個集裝箱。當AGV到達時間間隔分別為120 s、90 s和60 s時，仿真結果如表5所示。

由以上3次仿真結果可以看出：在AGV到達時間間隔相同的情況下，新型自動化堆場的作業效率均高于傳統自動化堆場。且隨著AGV工作頻率的增加，新型自動化堆場完成的任務量有較大的提升，而傳統自動化堆場完成的任務量基本沒有變化。其原因是ARMG移動速度較慢，當AGV到達時間間隔較短時會發生堵塞現象。因此需要合理設計AGV的工作頻率，在不發生擁堵的前提下，使得堆場的工作效率最大化。

表5 兩種堆場的輸出量Tab.5 Output of two kinds of storage yards

3.2.2 堆場長度

延長堆場長度，每一列堆15個集裝箱。當AGV到達時間間隔分別為120 s、90 s和60 s時，仿真結果如表6所示。

表6 延長兩種堆場長度后的輸出量Tab.6 Output of two kinds of storage yardswhich are lengthened

對比前一次仿真結果可知，當堆場長度增加時，兩種堆場的處理效率都會有所降低，且新型自動化堆場的作業效率仍然高于傳統自動化堆場。原因是堆場長度增加后，穿梭小車及ARMG帶箱行走距離也會相應的增加。相比于ARMG，穿梭小車運行速度更快，機動性強，能耗更低，因此更加適宜于長距離的帶箱運動。

4 結語

本文分析了目前自動化集裝箱堆場的研究現狀，選用了一種新型的基于軌道式穿梭車的自動化堆場作為研究對象，對新型自動化碼頭進行三維建模，并對其工作效率進行了分析。最后利用eM-plant軟件對新型自動化堆場和傳統自動化堆場的工作情景進行了仿真模擬與分析，仿真結果表明在同等條件下，新型堆場具有更高的工作效率。由于能力有限，本課題所研究的內容還存在著許多不足之處，例如在建模仿真過程中，由于軟件本身的局限性，不能表現出集裝箱在轉運過程中各運輸設備的加減速及勻速運動過程，導致仿真結果會與實際結果有所差異。同時本文只考慮了在1個堆區設置1條梭車軌道，實際中可以考慮設置雙軌道梭車，研究其對堆場工作效率的影響。