摘要：自動導航運載車（AGV）系統由全鋰電池驅動的自動導航運載車，集裝箱轉運平臺，自動充電裝置及配套的無線電臺，供配電、通訊和控制系統組成，采用全電動自動導航運載車替代傳統柴油發動機驅動的集裝箱拖車，可替代港內集裝箱拖車進行水平運輸，實現集裝箱碼頭水平運輸自動導航、無人駕駛、全電動、零直接二氧化碳排放。按年設計吞吐量70萬標箱測算，每年可節約能源消耗約350萬噸標準煤，減少二氧化碳氣體排放約1150噸。1.技術概況AGV（AutomatedGuidedVehicle）即自動導引運輸車，“廣義”上是指基于各種定位導航技術，不需要人駕駛的自動運輸車輛。廈門遠海集裝箱碼頭自動導航運載車（AGV）系統是廈門遠海自動化碼頭建設配套項目。該項目采用全電動自動導航運載車替代傳統柴油發動機驅動的集裝箱拖車，是聯合了國內主要港機制造商進行自主研發，具有自主知識產權的國際先進技術，能有效減少溫室氣體及有害物質排放，對自動化集裝箱碼頭建設具有重要意義。項目在廈門遠海自動化碼頭原有的傳統14#集裝箱泊位上進行道路改造，配置18臺全鋰電池驅動的自動導航運載車，8臺集裝箱轉運平臺，18臺自動充電裝置及配套的無線電臺，供配電、通訊和控制系統，形成自動導航運載車替代港內集裝箱拖車，實現港內集裝箱水平運輸。2.技術原理和內容2.11技術原理自動導航運載車（AGV）系統可實現智能化調度、自動化控制，無人操作，提高集裝箱傳送效率。AGV系統控制包括車輛管理系統（VMS）、導航系統（NS）、小車控制系統（VCS）三個層次。VMS接收碼頭管理系統（TOS）發送的AGV起點和終點位置，依據AGV調度策略指定AGV并生成AGV最優路徑；導航系統實現路徑跟蹤，依照路徑指令計算出當前的電機轉速和掌舵角度并且傳輸給VCS，而VCS能夠控制小車上的電動機和液壓轉向系統從而響應收到的指令。通過這樣的方式，AGV能夠沿著軌跡獨立在岸橋和自動堆垛之間運行。2.22實施方案AGV導航自動化系統（NavigationSystem），作為連接AGV電控驅動系統以及車隊管理系統的橋梁，其主要任務是：（1）實時計算AGV當前在堆場中的絕對位置并上傳給VMS，以實現AGV車隊的調度與交通控制。（2）根據VMS下發的行車指令，向VS系統傳遞AGV車速、車輪角度等指令，控制AGV沿著一定路徑運行到指定位置，參與集裝箱的裝卸任務。（3）根據VMS下發的一些操作指令（開關卷簾門、充電啟停、電池回路上電斷電、車輛故障復位、重啟導航控制器），傳遞給VS系統相關設備的動作指令，控制其完成某些組合動作。（4）使用外部傳感器（超聲波傳感器，2D激光雷達），對AGV周圍環境進行感知，保障AGV單機的行車安全，防止與其他AGV或者場地中的障礙物發生碰撞。導航系統主要分為定位系統、運動控制系統、無線通信系統、SICK激光防撞系統等四個子系統，每一個系統都相互關聯。AGV-NS系統框架見圖1。圖1AGV-NS系統框架圖定位系統：天線－磁釘（transponder）定位子系統，其首先需要在AGV的運行場地中布置磁釘，每一個磁釘都記錄著其在堆場坐標系中的絕對坐標。在AGV底盤的前端和后端，對稱安裝一對檢測天線。天線在覆蓋磁釘時可以測量到磁釘的位置，同時讀出磁釘在堆場中的絕對位置。這樣，當AGV上兩個天線能同時檢測到磁釘時，就可以直接計算出AGV的位置（見圖2）。在這一工況下，導航定位的精度完全由天線的檢測精度決定，導航系統可獲得很高的精度。圖2定位系統在不滿足上述工況時，僅通過天線－磁釘系統不能獲得AGV的位置，需要進行位置估算才能完成導航定位。位置估算基于AGV的運動學模型，并綜合更多的傳感器信息，包括慣性測量傳感器（陀螺儀及加速度計）、車輪轉速編碼器、轉向角編碼器，進行信息融合后計算出AGV的位置信息（見圖3）。在這一工況下，估算的誤差主要由AGV模型與實際車輛的誤差決定，且估算的誤差可能隨著時間增長而不斷增加。在AGV實際的運行中，導航系統將在上述兩種工況中交替運行，AGV位置的估算誤差也會不斷波動，通常導航定位的總體精度由位置估算算法決定。圖3AGV運動學模型運動控制系統：AGV運動控制系統根據AGV當前的位置以及AGV根據車輛管理系統下發指令而生成的軌跡信息，在滿足最大速度限制以及車輛運動學模型的約束下，控制前后電機速度和前后橋車輪角度，來實現AGV從A點到B點的運動。導航系統收到車輛管理系統下發的AGV目標點信息后，會根據到目標點的里程信息，來規劃AGV運行中的速度曲線，并結合當前的載重，給定不同的加、減速度來驅動AGV行駛。當AGV以一定速度對規劃的軌跡進行跟蹤時，會得到跟蹤偏差，導航系統使用PID算法，計算出車輪角度，使AGV朝著期望的位置進行糾偏。在角度計算時還要考慮到AGV由前橋驅動橋構成，需要根據前后橋的約束條件，以及單個驅動橋的阿克曼模型約束條件，防止AGV出現車輪打滑、車輪干涉等問題。運動控制系統模型見圖4。圖4運動控制系統無線通信系統：無線通信系統負責接收車隊管理系統的AGV指令信息，并反饋AGV的位置信息和運動信息給車隊管理系統，同時無線通信系統還反饋AGV的故障和各個子系統的實時數據到RCMS系統，用于對歷史故障和歷史數據進保存。無線通信系統是通過安裝在單機上的無線設備和水平運輸區域中的無線基站相互通訊來實現的。安裝在AGV上的無線設備以及無線基站都有冗余，采用158和160雙網段，可以保證AGV在任何角度和位置，都至少有一個天線與基站相連接，保證了基站信號的覆蓋和無線通信的可靠性。SICK避障系統：激光掃描器掃描某一區域，并根據區域內各個點與掃描儀的相對位置，推算出障礙物與AGV之間的位置關系。導航系統根據AGV的運行狀態，分為直行激光保護、蟹行激光保護、轉彎激光保護三種類型。其基本原理是基于多邊形區域的障礙物檢測，多邊形區域的選擇以AGV完成相關運行動作時AGV車身外輪廓形成的包絡線為原型，考慮到AGV運行中存在的位置誤差以及激光器的探測誤差，對輪廓包絡線進行調整后得到。激光器可以提前檢測到AGV運行路徑上出現的障礙物，可根據車速、載重等信息，計算可控停車和緊急停車的臨界距離。車輛管理系統（VMS）負責對接收到的調度任務信息，如裝箱、卸箱、堆區與堆區間箱的轉接等任務進行分析、整理和調度，并將任務執行狀態等信息反饋給調度系統。車輛管理系統見圖5。圖5車輛管理系統2.3車隊作業范圍管理運行區域管理：（1）運行狀態信息管理；（2）能量管理（剩余能量、總容量、可行駛時間或路程、電池信息、充電次數等）；（3）作業任務信息管理；（4）車輛性能數據統計。交通控制：（1）針對某個作業任務，當有多條路徑可供選擇時，應當遵循一定的原則，找到一條最佳作業路徑；（2）實時檢測車輛之間是否會發生路徑沖突；（3）防止車輛之間發生碰撞；（4）根據車輛作業的優先級，控制車輛的通行次序；（5）到達預通知。任務管理系統：（1）獲取調度下發的任務并反饋執行狀態；（2）根據任務信息指揮AGV進行收箱、送箱作業；（3）管理任務在整個作業過程中狀態變化的反饋和更新；（4）統計分析一段時間內裝卸任務的時間和效率等。用戶操作管理：（1）人工控制AGV運動；（2）移動AGV到堆場指定位置；（3）暫停、恢復AGV運動；（4）岸橋下微調AGV位置；（5）重發指令；（6）人工充電；（7）人工控制伴侶頂升、避讓動作；（8）根據作業情況修改系統配置。安全控制：（1）AGV進出堆場充電車道檢測滑觸線狀態；（2）AGV進出堆場伴侶車道檢測伴侶狀態與AGV。帶箱情況：AGV在岸橋下微調范圍不能超過2m。2.4異常處理AGV執行任務過程中發生各種無法繼續自動運行或影響任務執行的情況，會彈出異常通知操作人員。操作人員根據異常信息及對應的處理方法解決問題，任務恢復自動執行。3.技術創新點AGV自20世紀90年代開始逐步投入商用，第一代AGV采用了柴油機-液壓驅動系統。由于當時技術水平限制存在“先天不足”，不僅行駛性能有限，并且存在著維護困難、能耗較高、噪聲污染和廢氣排放等嚴重的問題。隨著21世紀動力能源技術的發展與進步，AGV已經發展出了多個換代產品，驅動形式已基本改用電池+電機驅動方式。特別是在能源供應系統部分，歷經了多種形式的變遷，從大中型柴油機組向蓄電池組等綠色能源逐步過渡。廈門遠海自動化AGV通過對實際運行工況進行必要的分析和梳理，總結AGV運行工況的特點，針對其特點來優化動力能源系統的配置，制定切實有效的節能減排方案，促使能源利用效率提高，避免冗余能源的浪費，最終達到節能減排的目的。為了達到最優的節能環保效果，廈門遠海選擇純鋰電池作為能源系統，不僅使得AGV能源系統簡化，并且在動力輸出和能量回收時具有更好的控制靈活度。此外還完全杜絕了廢氣排放和噪聲污染的問題。圖6AGV能源簡化系統4.技術應用情況AGV技術發展已經成熟，集裝箱自動導引車AGV在自動化集裝箱碼頭的保有量較大，潛在增量大。目前廈門遠海有18臺AGV，投入使用6年。傳統碼頭需要對設備以及基建進行改造，新造的自動化碼頭在設計規劃時可考慮用AGV或者IGV作為水平運輸工具。國內運用該技術的有廈門遠海碼頭、青島港全自動化集裝箱碼頭、上海洋山深水港四期自動化碼頭以及正在建設的南沙四期自動化碼頭、廣西北部灣欽州港。其中，廈門遠海全自動化集裝箱碼頭的泊位長度為446m，碼頭縱深為345m，使用三臺自動化雙小車岸橋、16臺自動化軌道吊、18臺AGV、8臺AGV伴侶。經使用后測算顯示，AGV采用全電動力系統，比內燃機驅動的設備更節能降耗、降低設備成本、提高經濟性，消除了廢氣排放和噪聲污染，實現綠色零排放，達到了環保的效果。5.技術效益分析5.1節能低碳效益通過電力驅動自動導航車AGV技術改造項目后，按現自動化碼頭作業的吞吐量41.2萬自然箱，18臺AGV推算出可節約燃油量為

350.4噸標準煤，每年減少直接二氧化碳排放

1150噸。詳見表1所示的AGV耗能測算表-箱量計算方式。表1AGV耗能測算表-箱量計算方式5.2經濟效益根據廈門遠海集裝箱自動化碼頭14#泊位的規劃布局、集裝箱吞吐量預測、到港船型分析、各港區功能分工、海滄港區功能定位，14#泊位設計年吞吐量為62~88萬標箱/年，相當于在原設計能力的基礎上增加20%~70%的吞吐能力。全自動化集裝箱碼頭的特點是初期投資較大，是傳統碼頭的兩倍，但年營運成本較小，是傳統碼頭年運營成本的63%，如表2所示。表2兩種情況對比結果5.3社會效益本項目符合國家中長期科學和技術發展規劃綱要中“制造業”和“信息產業及現代服務業”的重點技術攻關方向。本項目也符合交通運輸部的“十二五”水運節能重點技術攻關方向，將成為“十二五”期間集裝箱碼頭全電力裝卸技術的范本。由于我國集裝箱碼頭堆場通常都為平行岸線布置，廈門遠海自動化集裝箱碼頭將為其他碼頭的技術升級提供參考。全自動化集裝箱碼頭綜合效益經測算約為傳統碼頭的1.3~1.7倍，是未來先進全自動化集裝箱碼頭裝卸系統的更新換代產品，具有港口行業信息化產業升級的重大意義。廈門市是海峽西岸重要的中心城市，本項目位于廈門海滄港區，是廈門建設東南國際航運中心的基地。廈門遠海建設全自動化碼頭，將切實成為東南國際航運中心的核心