適配多種裝船模式的自動化碼頭車序控制方法

劉喜旺 武 彬 張 煜 孫 浩

1天津港第二集裝箱碼頭有限公司 天津 300456 2武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063

0 引言

自20世紀60年代以來，全球集裝箱運輸業務飛速增長，當今全球約90%的非散裝貨物通過集裝箱船運輸，集裝箱碼頭也得到了快速發展，傳統集裝箱碼頭裝卸能力難以滿足日益增長的業務需求，建設綠色、高效的自動化碼頭已成為發展趨勢。如何在自動化碼頭布局和智能運輸設備基礎上合理設計水平運輸系統，是提高集裝箱運輸效率的關鍵。

在以前的文獻中包含了大量的關于設計自動化碼頭水平運輸系統的研究，Zhong M等[1]給出了一種基于Dijkstra算法的自動化集裝箱碼頭AGV路徑規劃模型，采用基于多優先級的速度控制策略，實現了無沖突的AGV動態路徑規劃；Xu Y等[2]借助于碼頭堆場緩沖區，設計了一個融合裝載和卸載雙階段的AGV路徑規劃模型，實現了AGV的雙向作業，解決了AGV滿載行駛時作業效率低下的問題；Rashidi H等[3]提出了一種基于自動化碼頭的智能運輸設備并行操作方法，相較于岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）等待AGV到達作業位后再進行工作的方式，縮短了準備時間；康志敏[4]提出了一種協調船舶貝位的AGV裝船路線調度方法，減少了運輸設備的行駛距離，并降低了運輸成本；張素云等[5]提出了一種針對運輸設備的速度控制策略，根據任務優先級控制AGV通過路口的順序，提高運輸系統的作業效率；仲美穌等[6]以最小化AGV行駛距離為目標，建立自動化碼頭作業調度模型，通過控制AGV行駛速度，遵循先到先服務的原則實現了AGV無沖突路徑規劃，減少了作業設備的停車等待時間。

由上述研究可知，已有的對于自動化碼頭智能運輸設備調度方面的研究大多停留在運輸車輛執行任務前的路徑規劃上，缺乏對運輸車輛運輸過程中的速度調控研究。因此，文章提出了一種適配多種裝船模式的自動化碼頭車序控制方法，對某港口C段自動化碼頭的水平運輸設備—智能運輸機器人（Artificial Intelligence Robot of Transportation，ART）進行多流程車序控制，并利用建模軟件Anylogic將其與碼頭原本的車序方案進行輸出對比。

1 自動化碼頭裝船模式

堆場的裝卸效率是影響自動化碼頭作業效率的最重要因素之一，不合理的裝船順序會導致堆場倒箱操作的產生，直接降低堆場作業效率。常見的碼頭裝船順序控制方法大多是對ART場橋行駛路徑進行優化，確定場橋最短行駛路徑，作業效率提升較小[7]，缺少對運輸車輛的車序控制和集裝箱存儲位置的分析，倒箱現象依舊存在。

文獻[8]從碼頭堆場的貝、列、層3個維度對裝船順序和場橋行駛路徑進行聯合優化，對自動化碼頭的裝船順序和場橋路徑的制約關系進行分析并建立數學模型，利用啟發式算法求解最優調度結果，極大減少了集裝箱倒箱現象。本文以某港C段自動化碼頭為研究對象，該港轉運多種類型集裝箱，集裝箱根據不同屬性需要存放到船艙的不同貝、列、層，故要實行嚴格的集裝箱裝船次序。本文針對碼頭裝船順序對集裝箱運輸過程的影響，根據港口集裝箱裝船作業的實際要求，給出嚴格裝船模式、寬松裝船模式及自由裝船模式3種裝船作業模式。

1.1 嚴格裝船模式

嚴格裝船模式對集裝箱裝船次序要求最高。該模式下每一個集裝箱必須放置在規定位置，集裝箱之間不允許跨貝、跨列、跨層，嚴格要求集裝箱裝船作業按次序完成。

嚴格裝船模式下ART的工作流程如圖1所示，碼頭控制系統將裝船任務下發給空閑ART，ART接收任務后按照具體的任務路徑，出發前往目標堆場取貨，裝載集裝箱后出發前往岸橋區進行裝船作業。在執行岸橋裝卸作業之前需要對作業順序進行檢查，若檢測到進行裝船作業的集裝箱存在貝、列、層不匹配情況，當前ART立刻停止作業并駛離岸橋區，操作人員控制ART在碼頭前沿臨時停車區停車，等待下一步作業指令。只有集裝箱匹配當前作業順序，ART才可以完成運輸任務。ART作業完成離開岸橋區后，自身狀態重新變為空閑，當前任務從任務列表刪除。

圖1 嚴格裝船模式流程圖

1.2 寬松裝船模式

寬松裝船模式相較于嚴格裝船模式要求相對較低，集裝箱只需根據流向、空重、目的港、尺寸、屬性等分貝裝船，集裝箱之間允許跨列、跨層，不允許跨貝。若錯誤貝位，ART發出警報并離開岸橋區，其余部分和嚴格模式相同。圖2為寬松裝船模式下的作業流程圖。

圖2 寬松裝船模式流程圖

1.3 自由裝船模式

自由裝船模式應用于大批量集裝箱裝船作業，對于裝船次序的要求在3種裝船模式中最低，采取先到先裝策略。整個裝船作業流程如圖3所示，ART到達岸橋后立刻工作。

圖3 自由裝船模式流程圖

在3種模式中，嚴格模式下的裝船次序要求明顯高于寬松裝船模式和自由裝船模式，能夠滿足嚴格裝船模式的車序控制策略基本可以滿足其他2種裝船模式的需求，也是國內許多港口使用最多的模式。

2 車序控制策略

自動化碼頭車輛調度方法分為靜態調度和動態調度2種，靜態調度又名事前調度，在ART執行任務前對其整個行駛路線進行規劃，確保任務在分配給ART時路線規劃完畢。動態調度又名事中調度，即在ART行駛過程中進行規劃。靜態規劃模型可以實現避碰，使用精確算法，具有較強的抗干擾性，但是在處理多ART大批量作業任務時，靜態模型使用的精確算法計算非常復雜且用時很長，而動態模型使用的啟發式算法可以不斷實時更新ART速度和位置，調整ART行駛路線，選擇最優路徑。

在靜態規劃方面，文獻[9]基于靜態路由方法，建立了一個帶時間窗的多AGV規劃模型，提高了設備利用率，降低了碼頭擁堵概率。在動態規劃方面，文獻[10]考慮避碰沖突，提出了一種基于時間窗模型的AGV動態路徑規劃方法，通過仿真實驗表明了A*啟發式算法的適用性和有效性。本文結合2種規劃方法的優勢，提出一種復合車序控制策略，包括事前的調度調序策略、事中的差速調序控制策略、事后的緩沖調序策略，以及應急處理的Super truck模式。

如表1所示，復合車序控制策略由4種策略構成，其中調度調序策略屬于靜態調度，差速調序策略、緩沖調序策略和Super Truck模式屬于動態調度。Super Truck模式在整個策略的控制環節中屬于事中環節。

表1 復合車序控制策略

2.1 調度調序策略

調度調序策略屬于事前的靜態調度，包括完成任務后空閑ART的安置，規劃ART前往目標堆場的最短路徑。在作業任務調度和分配過程中，充分考慮任務的優先級、設備作業時間、水平運輸設備的位置和行駛里程，確保初步的裝船作業順序。除了對ART的調度外，還包括對堆場區起重機的調度、對ART的電量管理等，屬于作業前的準備階段。

2.2 差速調序控制策略

差速調序控制策略屬于事中的動態調度，差速調序令行駛中的ART以不同的速度前往岸橋區作業，通過管控ART到達岸橋的順序來保障裝船次序。在此控制策略中，ART行駛速度分為正常行駛速度、次級速度和最大速度3種，次級速度低于正常行駛速度，最大速度高于正常行駛速度。

差速調序策略是復合調序策略的重要環節，其流程如圖4所示。對所有裝船任務，裝船次序靠前優先級更高，將任務按優先級排序后分配給閑置ART。ART接收到任務并出發時對作業任務的優先級進行判斷，若當前任務的優先級最高，則加速至最大速度前往岸橋工作區。判斷是否比任務優先級最高的ART距離岸橋更近，若是則減速至次級速度，反之正常行駛；若即使減速也無法保障車序正確，則當前ART停車等待，直到任務優先級最高的ART到達岸橋作業區。ART完成當前任務后狀態變為空閑，任務從任務列表刪除，此時查詢任務是否全部結束，如果沒有結束就將剩下的任務繼續分發給空閑ART，直到任務全部結束。

圖4 差速調序策略流程圖

2.3 緩沖調速策略

緩沖調速策略屬于事后的動態調控策略，利用鎖站區域的3級緩沖區實現ART的次序調控。當差速調序策略失控時，利用鎖站前后緩沖區和鎖站工作區的作業位調整ART作業次序，車序調整完成后ART再出發前往岸橋區。

2.4 Super Truck模式

Super Truck模式，屬于事中動態調序策略，用于處理應急事件，在面對突發狀況，需要調整集裝箱的裝船次序時，操作人員可以在后臺臨時改變ART的優先級，實現場區內車序實時調控。

2.5 復合車序控制策略

圖5為復合車序控制策略的總流程圖。由4個環節組成的復合車序控制策略，在ART出發前進行事前調序：采用調度調序策略，裝船作業任務分配給ART，根據任務的優先級、ART位置和行駛里程進行初步規劃，降低后面的規劃難度，保證最基本的裝船次序。在ART出發后，采用差速調序策略，通過控制行駛ART的速度管控裝船作業次序，并利用緩沖調序策略和Super Truck模式保障整個策略的穩定性。

圖5 復合車序控制策略流程圖

3 仿真模型建立

3.1 模型基本參數及模型建立

碼頭簡化布局如圖6所示，左端為出發點，即入港初始點，ART前往碼頭前沿的岸橋，在前往的路上需要經過緩沖區，方能抵達岸橋處進行前沿碼頭裝卸作業。需要注意的是，每個岸橋起重機工作處只有1個工作位和等待位。

圖6 碼頭簡化布局圖

在模型中，出發點到碼頭前沿岸橋區（岸橋區共4臺起重機）的距離為1 000 m，ART數量為28臺，岸橋與ART數量比例為1:7。ART最快行駛速度為35 km/h，行駛平均速度為20 km/h。岸橋完成一次作業的時間采取三角分布：最短為2 min 27 s，最長為3 min 17 s，平均作業時長為3 min。緩沖區的ART最大停車數量為4輛。使用專業建模軟件Anylogic建立如圖7所示的ART車序控制仿真模型。圖7可以實現復合車序調控和常規車序調控的仿真模擬，常規車序調控是在ART到達緩沖區后再進行車序調控。

圖7 自動化碼頭ART車序控制仿真模型

3.2 模型評價指標

為了更好地體現復合車序控制策略、常規車序控制策略2種方案的優劣，在相同的運行時間下設置評價指標：裝卸總量用以評估整體工作效率；岸橋占用率用于評價是否能夠有效利用岸橋。ART單次作業用時用以評估擁堵情況。

在相同時間內，裝卸總量越高表明整體工作效率越高，岸橋占用率越高表明設備利用率高，ART單次作業用時越短表明對碼頭內車序調整控制效果越好。

4 模型結果輸出

控制模型運行10 h，獲得2種方案的仿真結果輸出如圖8所示，對輸出數據整理得到表2所示。

圖8 仿真輸出結果

表2 模型輸出結果

可知復合車序控制策略相較于常規車序調控策略在各項評價指標上都更優，在固定10 h的運行下，提高了裝卸總量的10%，提高了6.25%的岸橋占用率，并降低了15.4%的ART單次作業用時，緩解了碼頭的擁堵狀況。

5 結論

智能水平運輸系統是影響自動化集裝箱碼頭作業效率的關鍵環節，本文根據自動化碼頭水平運輸技術特點，提出一套適用于碼頭多種裝船模式的復合車序控制策略。該策略將靜態規劃方法和動態規劃方法進行融合，實現了自動化碼頭裝船作業的分段多級調控，可以精確保證裝船作業次序，在運輸設備密集作業的場景下依舊有效。通過專業仿真軟件Anylogic建立與碼頭原有策略的對照模型，輸出結果顯示復合車序策略可以有效減少ART的等待時間，并能夠提升裝卸作業的工作效率。本文提出的自動化碼頭車序控制方法可為水平運輸系統的后續研究和設計開發提供參考。