廣州港南沙港區四期工程岸橋與智能導引車自動裝卸交互方案應用

黃炳林 劉政剛

我國已經建成投產的全自動化集裝箱碼頭岸邊裝卸作業大多采用自動化雙小車岸橋和軌后裝卸模式，水平運輸作業采用基于磁釘導航定位技術的自動導引車;而廣州港南沙港區四期工程（以下簡稱“四期工程”）建成的全自動化集裝箱碼頭岸邊裝卸作業采用自動化單小車岸橋和軌內裝卸模式，水平運輸作業采用基于衛星導航定位、激光導航定位、視覺導航定位、慣性導航定位等融合導航定位技術的智能導引車（intelligent guided vehicle，IGV）。鑒于此，我國已建成的全自動化集裝箱碼頭的岸橋與水平運輸機械交互方案無法應用于四期工程，必須另行設計適用于四期工程的岸橋與IGV自動裝卸交互方案。

1 IGV自動導航定位存在的問題

四期工程IGV采用衛星導航定位、激光導航定位、視覺導航定位和慣性導航定位等融合導航定位技術，裝備多種安全保護機構和輔助機構，能夠在相對封閉的港區內沿規劃路徑自動行駛。集多種導航定位技術于一體的融合導航定位精度滿足岸橋與IGV自動裝卸交互要求，但某些特殊情況可能會影響IGV定位精度，主要包括：（1）當多臺岸橋并排作業時，衛星定位信號減弱，從而影響衛星導航定位精度;（2）激光導航定位利用岸橋下方物理圍網立柱作為激光定位桿，當多臺IGV帶箱在岸橋下方并行時，激光定位桿可能會被IGV遮擋，從而影響激光導航定位精度;（3）地面積水或定位標志污損可能導致系統無法識別地面視覺定位標志，從而影響視覺導航定位精度。當多種導航定位系統同時失效時，導航定位精度無法滿足岸橋與IGV自動裝卸交互要求，需要采取其他輔助技術手段。

2 四期工程岸橋與IGV自動裝卸交互主要系統

四期工程岸橋與IGV自動裝卸交互主要系統包括岸橋大車定位系統、岸橋小車定位系統、岸橋吊具檢測系統和水平運輸導航定位系統等（見圖1）。

2.1 岸橋大車定位系統

在岸橋陸側大車上安裝磁釘天線，并沿岸橋陸側軌道方向鋪設磁釘，通過磁釘位置信息獲取岸橋大車位置，從而獲取岸橋與IGV交互的目標位置。

2.2 岸橋小車定位系統

在岸橋小車架上安裝磁尺式天線，并沿岸橋小車軌道方向布設磁釘。當岸橋小車運行時，通過天線獲取的磁釘位置信息確定小車位置，并根據設備控制系統選定的IGV在岸橋軌內的作業車道調整小車目標位置。

2.3 岸橋吊具檢測系統

岸橋吊具檢測系統用于檢測岸橋吊具位置。在岸橋小車架上安裝1臺近紅外相機，并在吊具上安裝3套光源設備，利用吊具檢測系統工控機處理數據，計算吊具空間位置和姿態，從而獲取吊具位置信息。

2.4 水平運輸導航定位系統

2.4.1 系統布置

傳統集裝箱碼頭水平運輸導航定位系統主要用于人工駕駛集卡導航定位;而四期工程采用無人駕駛IGV，加之岸橋軌內車道布置也有別于傳統集裝箱碼頭，因而需要配備相適應的水平運輸導航定位系統。四期工程水平運輸導航定位系統用于引導IGV在岸橋下精準停車，掃描IGV或IGV上的集裝箱位置，便于岸橋對IGV實施集裝箱裝卸作業，從而縮短岸橋下IGV裝卸時間，提高裝卸效率。如圖2所示，四期工程岸橋軌內布置7條車道，其中：海側第1條車道為工作通道，海側第2～7條車道為IGV作業和行車車道;第1條車道與第2條車道之間設置物理圍網，用于隔離自動化設備與非自動化設備。為了確保水平運輸導航定位系統的覆蓋范圍和IGV導航定位的準確性，在岸橋每條聯系梁上各安裝2套三維激光掃描器，組成2套水平運輸導航定位系統，用于第2～7條車道IGV導航定位。

2.4.2 系統與IGV通信

傳統集卡由司機駕駛操作;而IGV為無人駕駛設備，需要解決水平運輸導航定位系統與IGV通信問題。為此，對比研究以下2種通信方案：方案一采用系統層面通信模式，相應通信流程見圖3;方案二采用超寬帶通信模式，相應通信流程見圖4。超寬帶通信模式的實現方式如下：在岸橋左右聯系梁上各安裝1個超寬帶信號發射模塊，并接入水平運輸導航定位系統;在每臺IGV前后各安裝1個超寬帶信號接收模塊;超寬帶通信模塊的有效通信距離大于，信號發送時間間隔約為2 ms。經測試：系統層面通信模式延時較長，不滿足使用要求;超寬帶通信模式延時較短，滿足使用要求。鑒于此，四期工程選擇超寬帶通信模式作為水平運輸導航定位系統與IGV通信模式。

3 四期工程岸橋與IGV自動裝卸交互方案

3.1 確認岸橋作業位置

將靠泊船舶信息錄入碼頭操作系統。通過岸橋大車定位系統獲取大車位置，遠程控制岸橋大車行走至作業貝位。岸橋大車到達作業貝位的合適位置后，在操作界面實施確認操作，并將相關信息發送至設備控制系統、岸橋管理系統和岸橋自動控制系統。

3.2 IGV運行至交互岸橋下方目標位置

（1）IGV向交互岸橋方向運行。在碼頭操作系統中確認需要與岸橋交互的IGV及其行車和作業車道，將相關信息發送至設備控制系統。設備控制系統發送信息至車隊管理系統，車隊管理系統控制IGV自動運行至岸橋下方距離岸橋25 m左右位置并減速。此時，IGV利用衛星導航定位、激光導航定位、視覺導航定位、慣性導航定位中的1種或多種定位技術實現粗略定位。

（2）IGV在交互岸橋下方目標位置精準停車。IGV利用衛星導航定位、激光導航定位、視覺導航定位中的任意2種定位技術實施定位，停車精度達到50 mm。特殊情況下，IGV也可利用衛星導航定位、激光導航定位、視覺導航定位中的1種定位技術或慣性導航定位技術實施定位，向交互岸橋下方目標位置靠近。IGV駛入對應作業岸橋水平運輸導航定位系統有效掃描范圍后，水平運輸導航定位系統將掃描獲取的IGV和集裝箱信息以及岸橋大車行走方向IGV停車位置與目標位置的差值（見圖5）發送至超寬帶通信模塊;超寬帶通信模塊向有效信號范圍內的所有IGV發送相關信號;IGV自動駕駛系統接收相關信號后，通過可編程邏輯控制器控制IGV行走或停車。隨著水平運輸導航定位系統不斷掃描并將IGV位置與目標位置的差值發送至IGV自動駕駛系統，自動駕駛系統不斷調整IGV行車路徑并控制IGV減速。當差值接近50 cm時，IGV速度減至最慢。現場實測結果顯示：受輪胎磨損情況、IGV載箱狀態以及水平運輸導航定位系統掃描精度和處理延時等因素的影響，定位偏差在35 mm內。當差值小于15 mm時，IGV執行制動停車命令，從而確保IGV在岸橋大車運行方向的停車位置與目標位置的差值不超過50 mm。

3.3 岸橋與IGV自動裝卸交互

3.3.1 裝箱交互

IGV上裝有導板，導板斜面沿岸橋大車運行方向和小車運行方向的垂直投影長140 mm。只要IGV在岸橋大車運行方向偏離目標位置不超過140 mm，岸橋吊具均可將集裝箱放到IGV上，從而覆蓋IGV停車精度。IGV在岸橋下裝箱對應的船舶工藝為卸船作業。IGV空載運行至岸橋下的目標位置后，岸橋自動控制系統接收來自IGV導航定位系統或水平運輸導航定位系統（僅限當IGV導航定位系統不滿足定位要求時）的IGV空車位置信號，并確認將集裝箱裝到IGV上的某個位置。岸橋先從船上抓取集裝箱，再通過吊具檢測系統檢測吊具位置，自動調整吊具將集裝箱放至系統設定的IGV上，從而實現岸橋與IGV自動裝箱交互。

3.3.2 卸箱交互

岸橋吊具導板喇叭口直徑約為150 mm，導板能使吊具位移150 mm，可以實現IGV沿岸橋大車運行方向偏離目標位置75 mm以內岸橋吊具對IGV上集裝箱的抓取，從而覆蓋IGV停車精度。IGV在岸橋下卸箱對應的船舶工藝為裝船作業。IGV帶箱運行至岸橋下的目標位置后，岸橋自動控制系統接收來自IGV導航定位系統或水平運輸導航定位系統（僅限當IGV導航定位系統不滿足定位要求時）的IGV上集裝箱位置信息，通過吊具檢測系統檢測吊具位置，自動調整吊具與集裝箱的相對位置，控制吊具抓取IGV上的集裝箱;抓取集裝箱后，岸橋自動控制系統控制吊具帶箱起升，完成IGV卸箱;集裝箱起升到一定高度后，IGV駛離岸橋下，完成岸橋與IGV自動卸箱交互。

4 結束語

四期工程采用自動化單小車岸橋實現與IGV自動裝卸交互，大大降低設備投入成本和土建工程成本。我國傳統集裝箱碼頭大多使用單小車岸橋，在對傳統集裝箱碼頭實施岸橋與IGV自動裝卸交互升級改造時，無須改造碼頭軌道梁基礎，從而可大大節約投資成本，縮短改造工期。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2022-04-28）