機場自動化行李集裝箱處理系統的研究

文/謝 洪

一、引言

隨著國內民航機場的快速發展及旅客吞吐量的日益增長，在《中國民航四型機場建設行動綱（2020-2035年)》發布及國際航空運輸協會（IATA）行李全程追蹤753號決議項目推進背景下，大、中型機場對自動化行李集裝箱處理提出了更高的需求。一方面由于國內機場集裝箱處理的自動化、智能化應用或研究還處在較低水平，與國外機場存在較大差距，難以滿足機場對行李（貨物）裝載的時效性要求；另一方面當前國內機場集裝箱的處理還停留在采用人工裝載的運行模式，由于自動化和信息化程度低，存在行李（貨物）裝載環節錯裝或漏裝、差錯率高、運營成本高等問題。

在當前及今后一段時間內，機場自動化行李集裝箱處理系統（簡稱“集裝箱系統”）將是集裝箱自動化處理設備的主要發展方向，在集裝箱搬運、存取方面具有高效、智能、安全等優勢。然而，國內機場集裝箱系統應用還處于空白，研究滿足機場發展需要的集裝箱處理系統，提高集裝箱裝載的自動化和智能化是機場及航空運輸企業面臨的挑戰和機遇。另外，隨著機場人力成本上漲、貨物運輸量增加、乘客對飛機準點率要求的提升，國內旅客對貨物的裝卸效率要求不斷提高，使得集裝箱系統的技術研究迫在眉睫。因此，對集裝箱系統進行研究是必要和迫切的。

二、集裝箱系統的研究

1.集裝箱系統概述

集裝箱系統又稱“U L D 處理系統”，是一種典型的自動化物料輸送控制系統，在機場內主要處理行李集裝箱的裝卸、搬運和存儲。系統采用現代物流、自動倉儲系統（AS/RS）和機場裝備自動化、物流網、智能與信息化等控制技術，通過控制集裝箱的移動把集裝箱行李從起始點（入口）輸送到正確的目的地（出口）。

機場對集裝箱系統的主要需求功能包括：實現滿載和空載的集裝箱轉運的部分或全自動化，提升集裝箱轉運（裝卸、搬運和運輸）的處理效率；實現行李集裝箱的裝卸、搬運和運輸全過程跟蹤，減少行李裝載的差錯率，提升運輸服務質量。行李追蹤是民航運輸行業繼續降低成本和改善服務的一個關鍵途徑，如圖1所示，IATA753號決議規定了行李追蹤4個重要節點（值機、裝機、中轉、達到）。

2.集裝箱系統主要設備及技術

集裝箱系統具有自動化程度高、可靠性高的特點，便于滿載和空載行李集裝箱的自動化輸送或轉運，通常由單一或多個互連環路輸送系統、控制系統、物流設備上位管理及調度系統等組成。主要設備包括集裝箱、輸送設備（輥道輸送機、升降鏈式輸送機、輸送站臺等等）、往復式提升機、搬運設備、站臺等。

（1）集裝箱

機場集裝箱也稱航空集裝單元（Unit Load Device，簡稱ULD），是IATA規定用于航空貨物運輸的集裝箱或托盤，常用于貨物堆放和快捷轉運。AKE集裝箱是ULD的一種，廣泛應用于航空運輸，在國際航空貨運發展中起到了重要的推動作用，各機場普遍使用，是機場行李運輸的首選。AKE集裝箱外形圖，如圖2。集裝箱ATA代碼LD3、最高可容重量1588kg、集裝箱容量4.53m3、外部長高寬尺寸為：1562×1534×1626（mm）。

集裝箱系統的每個ULD都裝有電子標簽（RFID），通過電子標簽讀寫設備對其進行信息讀寫操作。應用RFID技術對每一個集裝箱的位置、處理狀態進行全程跟蹤。

圖1 行李運輸全程追蹤關鍵節點意圖

圖2 AKE型集裝箱外形示意圖

表1 集裝箱系統輸送設備

（2）輸送設備

輸送設備用于集裝箱系統處理集裝箱搬運和存儲，主要包括：輥道輸送機、旋轉輥道輸送機、站臺輥道輸送機、升降輸送機、鏈式輸送機等。設備外形、功能及性能，見表1。

（3）往復式提升機

往復式提升機是實現在垂直方向往復升降和水平輸送物料的設備。它根據預定的物料流程，在電控系統的控制下，將物料從低位（高位）提升（下降）到高位（低位），并完成物料向上（下）游輸送機的輸送。提升機主要由主框架、頂支架、升降驅動裝置、提升轎廂、水平輸送機、安全門、檢修門及電氣控制系統等組成，如外形圖3所示。

往復式提升機用于實現集裝箱垂直方向往復升降和水平輸送，額定載重1500kg、處理能力30箱/小時、整機高度≤24m、升降速度24～54m/min、升降加速度0.5m/s2、水平輸送速度12～20m/min、升降定位精度±5mm。

（4）搬運單元設備

自動導引運輸車（AGV）是典型的自動化物料搬運單元設備，在物料的搬運輸送方面有廣泛的應用。AGV裝備有電磁自動導引裝置，能夠沿規劃好的導引路徑行駛，具有安全保護和移載功能，可以滿足機場集裝箱的點到點搬運、高并發、多任務作業，非常適合行李集裝箱的自動化搬運。

集裝箱搬運AGV外形，如圖4所示，總體結構按其功能劃分主要由驅動總成、舉升裝置總成、動力充電裝置、蓄電池組、安全防護總成、車架、以及車載控制系統、車載操作終端總成等組成。集裝箱系統根據業務量大小，搬運單元由幾十臺到上百輛AGV組成，通過AGV來搬運集裝箱類物料，AGV按上位系統規定路徑精確地行走并停靠到指定站臺完成對物料的搬運作業。AGV驅動方式為四差速舵輪裝置多輪驅動，前進/后退速度90m/min、橫橫移速度30m/min，承載能力1500kg，頂升機構采用電機驅動機械剪刀叉式結構。

AGV的驅動采用四差速舵輪裝置組成的多輪驅動結構，其舵輪與車體連接采用多級自適應懸掛技術實現載荷均布，能夠保證多輪同時與地面良好接觸，保證控制系統輸入信號可靠，有效提高單機運行精度與可靠性，驅動布置見圖5。每組差速驅動舵輪由兩個驅動輪、伺服驅動電機以及伺服控制器等組成。驅動電機內集成減速器、制動器、編碼器等器件。當AGV行走時，伺服控制器可通過驅動編碼器的反饋信號對AGV的行走進行運動控制，通過四組差速舵輪裝置的協調作業，實現整車的前進、后退、側移、自旋等運動模式。驅動輪為總成結構，外層使用樹脂橡膠材料制成，具有高強度、耐磨損、高穩定性等優點，同時具有一定的彈性，能有效避免沖擊給輪子帶來的傷害，使用壽命長。

圖3 往復式提升機外形示意圖

圖4 自動導引運輸車外形圖

圖5 AGV總成結構示意圖

（5）集裝箱裝卸站臺

集裝箱裝卸站臺為滾輪工作臺，主要用于人工集裝箱裝卸，把實載集裝箱從輸送站臺裝卸拖運車、空載集裝箱從拖運車裝卸輸送站臺。滾輪工作臺將若干具有承載力的萬向滾輪以一定的密度固定在鋼板上形成平臺，由于萬向滾輪的滾動靈活，使在其上運行的物料能非常靈活的滑移，從而大大減小工人的勞動強度。萬向滾輪工作臺的結構靈活多樣性，被廣泛應用于流水線的輸送、過渡、轉彎等場合。滾輪工作臺主要由支腿、支架、萬向滾輪、花紋鋼板、護欄及限位裝置等組成，外形如圖6所示。

（6）固定式站臺

固定站臺（見圖7）是一種梳齒狀支架，它主要用于支承托盤、箱式物料等。與下潛頂升式AGV對接。可根據承載物料的不同，調整站臺結構尺寸。主要由支腿和懸臂支架組成，承載能力不小于1600kg，可以用于集裝箱系統人工裝箱站臺或實箱集裝緩存站臺。

圖6 集裝箱滾輪工作臺外形示意圖

3.集裝箱系統的設計與實現研究

下面以昆明機場集裝箱系統項目為例，對集裝箱系統的設計與實現進行研究和分析。昆明機場集裝箱系統的設計處理能力≥60空載(實載）箱/小時，提升機處理能力≥30箱/臺、AGV處理能力≥60箱/小時、空箱存儲量≥140箱。主要設備配置AGV小車25輛、輥道/鏈條輸送機1套、提升機4臺、集裝箱417個（空箱緩存區140箱、輸送離港行李用箱100箱、3小時周轉量用箱177箱）、拖板車100輛。集裝箱系統平面布置圖如圖8，系統主要用于處理行集裝箱的裝卸、搬運和存儲，分FB01（-4.5m）、FB03層（-14.0m）2個功能區。FB01層與FB03層間通過提升機進行連接，F01層站臺之間集裝箱的搬運采用AGV進行運輸。

圖7 固定式站臺外形圖

圖8 昆明機場集裝箱系統平面布局圖

圖9 集裝箱系統處理流程圖

FB03層集裝箱系統：FB03層的裝箱站臺與S1衛星廳行李分揀系統的滑槽進行接駁，主要功能為空集裝箱的存儲、行李的裝箱及信息綁定、實集裝箱的存儲。在FB03層設置有311個存儲位，其中143個空集裝箱存儲位、45個人工裝箱站臺位、123個實裝箱存儲位。主要設備有升降輸送機、鏈式輸送機、輥道輸送機、頂升式AGV系統、RFID手持終端、集裝箱固定存放站臺等。

FB01層集裝箱系統：FB01層的站臺與托板車進行接駁，主要功能為實載集裝箱的出庫、緩存、裝車，空集裝箱的卸車、回庫。共設置有2個卸車和4個裝車站臺，在每個垂直提升機口都配置有RFID讀寫器，在卸車和裝車站臺均配置有LED顯示屏用于復核驗證及顯示實集裝箱信息。主要設備有垂直提升機、輥道輸送機、升降輸送機、RFID讀寫器、旋轉輸送機、LED顯示屏等。

（1）系統功能設計

系統采用RFID標簽作為信息載體，在裝箱環節由人工進行集裝箱和航班號的信息綁定，在出庫站臺自動進行信息復核，提高系統的信息化水平及可靠性；按定制集裝箱及兼容AKE集裝箱需求進行設計，集裝箱全程自動輸送和搬運，提高系統的自動化水平和兼容性；所有垂直提升機均互為備份，均能實現空箱和實箱的搬運，在任一臺提升機故障情況下可實現提升機的互備功能，也可根據高峰/低峰情況分配4臺提升機的功能；各卸車上線站臺、下線裝車站臺、實箱出庫站臺相互獨立且互為備份；空箱輸送線和實箱輸送線均設置有2條獨立路徑，互為備份；空箱緩存區、實箱緩存區、裝箱站臺、出庫站臺間的物料（空箱、實箱）運轉選用頂升式AGV小車自動搬運，AGV小車數量可根據后期機場運行情況進行靈活增補；集裝箱采用WMS管理系統進行位置管理，提高系統的信息化水平，實現集裝箱位置可視化；系統采用WCS物流調度系統進行智能化作業調度和控制，實現物料有序、高效輸送。

（2）系統處理流程設計

集裝箱進出系統的處理流程主要分為空集裝箱回庫、人工裝箱、實集裝箱出庫。具體流程如圖9。

①空集裝箱入庫流程

空集裝箱入庫的具體流程見圖9，具體任務包括：空集裝箱由拖車運送至位FB01層的卸車站臺，人工輔助卸車；空集裝箱通過輸送線自動輸送到RFID讀取位，自動清除RFID標簽綁定的信息；空集裝箱通過垂直提升機送至FB03層，自動輸送到空集裝箱緩存站臺，完成空箱回庫。

圖10 AGV搬運集裝箱出庫流程圖

圖11 集裝箱系統控制系統結構示意圖

②人工行李裝箱流程

人工裝箱的流程見圖9，具體任務包括：根據行李系統指令，WCS調度AGV將空集裝箱搬運到所需的對應裝箱站臺；根據機場行李處理系統等待行李到達，并進行行集裝箱裝滿或根據機場信息提示，操作人員通過手持RFID終端綁定集裝箱與航班信息，等待行李到達并進行行裝箱；集裝箱裝滿或處理系統信息提示，完成裝箱；根據WMS位置分配，WCS調度AGV將實集裝箱搬運到是相應的集裝箱緩存站臺。

③實集裝箱出庫流程

出庫的流程見圖10，具體任務包括：根據機場行李處理系統指令，WCS調度AGV將WMS實集裝箱搬運到實箱站臺；自動輸送到垂直提升機位，通過提升機自動升到FB01層；自動輸送至RFID信息校驗位進行信息校對，信息正確自動輸送到裝車站臺人工輔助裝車，信息錯誤則自動輸送到容錯站臺由人工處理。

（3）控制系統設計

昆明機場集裝箱系統的控制系統結構如圖11，主要由倉庫管理系統（WMS）、倉庫調度系統(WCS)、AGV上位系統、PLC控制系統等組成。

①WMS與WCS

集成物流管理系統是WMS與WCS的統稱，可以對自動化物流箱進行智能化管理和調度。一方面實現物流指令快速、準確的下達以及指令執行反饋的收集、處理和反饋，并做出正確的調度以協調各業務環節，保障各種物料準確調度、及時輸送，實現企業物料高效有序的流動和科學管理以滿足企業物流自動化的需要；另一方面對物料信息、位置信息、物流信息進行全面信息化管理，實現信息流與實物流的準確同步，提高作業速度和準確性，提高管理及服務水平。同時為上層信息管理系統提供所需的物流信息，為各管理部門提供有價值的運行信息和輔助決策信息。

WMS實現倉庫管理層的功能，通過對物料（集裝箱）和倉庫貨位進行全面的信息化管理和對調度模塊的信息進行收集歸類、整理和分析，實現倉庫物料的自動化存儲和出入庫，及時準確地反映倉庫物料的存儲狀況，為企業生產決策提供準確、快捷的材料和數據。主要功能模塊包括貨物管理、組盤管理、出入庫管理、報表管理等。

WCS是連接業務管理層及設備執行層的樞紐，與WMS系統進行通信，接收WMS系統的任務指令，分解下達給各執行設備，并反饋設備執行情況，為上層管理系統提供數據支持。主要功能模塊包括綜合調度、設備子系統調度、物流動態路徑管理、設備監控等。

②AGV上位系統

AGV上位系統包括監控系統和控制系統兩部分。各AGV使用無線以太網進行連接AGV上位系統，系統之間用以太網進行連接。系統具有任務管理、AGV路徑規劃、車輛管理、交通管理、狀態監控及任務信息管理等功能。在智能方面，系統具有優化空閑AGV的功能，使空閑的AGV被分派到輸送命令序列中的第一個指令，隨后AGV開始向目標運行，如果此時有另一輛離得更近的AGV空閑下來，則控制系統將把指令轉移到這輛AGV上。

③PLC控制系統

控制系統由PLC及各種現場電氣部件、分布式智能IO子站、傳感器等組成。基于集裝箱系統的設備布局分散，PLC控制系統采用Profinet或As-i現場智能I/O從站與主站PLC構成了分布式控制，控制器件包括PLC、現場電氣部件、傳感器等。現場輸送設備通過PLC及分布式I/O站進行控制。

三、結束語

本文研究的集裝箱系統，應用AGV搬運、RFID、AS/RS、自動化物流等先進技術實現了集裝箱處理過程的自動化，降低了人工搬運的強度和差錯率、提高了處理效率，通過對集裝箱的位置和輸送實時跟蹤，實現了行李裝箱到裝載全程可追蹤，確保處理過程100%可追溯。集裝系統在機場的應用，將極大地提高機場的運行效率和經濟效益。