AGV是英文Automatic Guided Vehicle的縮寫，中文名稱為自動導(dǎo)引車輛，即運(yùn)輸?shù)能囕v由激光或雷達(dá)等方式導(dǎo)航，車輛的行走路徑的規(guī)劃和變更由程序和圖形設(shè)置，實(shí)現(xiàn)完全地?zé)o人駕駛。這樣，它把作業(yè)區(qū)的車輛變成了高度自動化和柔性化的生產(chǎn)線的一部分，目前已在世界各工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用，本文著重介紹AGV技術(shù)在港口運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)π屎统杀編淼募尤诵牡淖兓?/p>
由于國際貿(mào)易的全球化和快速增長，許多集裝箱碼頭都在嘗試提高性能以跟上需求的增加。 集裝箱的運(yùn)輸量正在持續(xù)增長，眾多碼頭都出現(xiàn)了擁塞和處理能力不足的問題。 集裝箱碼頭的管理人員面臨著巨大的壓力，他們需要找到更加高效的集裝箱處理方法，并提高碼頭的處理能力。 所提出的一種技術(shù)就是在碼頭的集裝箱的搬運(yùn)中使用帶有自動導(dǎo)引車 (AGV) 或人員操縱集裝箱承運(yùn)工具 Translifter的載貨架。
AGV 的使用并不是最近才出現(xiàn)的。 第一個 AGV 系統(tǒng)是在 1955 年為了水平輸送材料而推出的，而 AGV 首次用于輸送集裝箱是在 1993 年在阿姆斯特丹的 Delta/Sea-Land 集裝箱碼頭中進(jìn)行的。 隨后，人們對將 AGV 和集裝箱碼頭結(jié)合在一起而進(jìn)行了大量研究。 在兩個歐盟資助的項(xiàng)目（IPSI 和 INTEGRATION，即“改善港口船只接口”和“海洋陸地技術(shù)的綜合”）之后，開發(fā)出了使用載貨架和 AGV 的優(yōu)化集裝箱搬運(yùn)系統(tǒng)，最近又在位于美國弗吉尼亞州樸次茅斯市的 APM Terminals 公司新的東海岸運(yùn)輸中心實(shí)施了它的人工型號（參見圖 1 中的照片；照片中顯示了一個 集裝箱承運(yùn)工具 Translifter，上面有數(shù)層載貨架，可運(yùn)輸一到四個 TEU 的貨物）。
圖 1 與一個常見碼頭牽引車合并在一起的 Translifter 的照片
載貨架為鋼制平臺，它們能夠與可在上面安放集裝箱以進(jìn)行運(yùn)輸?shù)?AGV 分開。 集裝箱可以雙層疊放，這樣就可以運(yùn)輸 2 個 40 英尺集裝箱或 4 個 20 英尺集裝箱。 這種情況是可能的，因?yàn)檩d貨架能夠搬運(yùn) 80 噸的貨物（在鋼鐵工業(yè)中，使用過輸送 120 噸貨物的型號）。 使用載貨架的一個優(yōu)點(diǎn)是，它們能夠充當(dāng)一個“浮動的”緩沖器，因?yàn)榭梢栽诓贿B接載貨架自動導(dǎo)引車 (C-AGV) 或 Translifter（用于人工操作的設(shè)備）的情況下，在它的上面放置集裝箱。 這樣，這種分離操作使得 C-AGV 可更加富有效率。
為了評估和測試這種新的技術(shù)，一個全球集裝箱運(yùn)輸運(yùn)營商與 TTS Port Equipment AB 公司聯(lián)系，并與一個第三方模擬技術(shù)公司 TBA Nederland 展開合作以對四種水平輸送系統(tǒng)進(jìn)行比較，這四種系統(tǒng)為： 載貨架自動導(dǎo)引車 (C-AGV)、常規(guī)自動導(dǎo)引車 (AGV)、往返式載貨車 (Shc) 和自動往返式載貨車 (AShc).
在所研究的問題中，區(qū)分了船只在 24 小時時間內(nèi)到達(dá)碼頭并卸載和裝載 2000 個集裝箱的兩種情況。 第一種情況如圖 2 所示，它包括 6 個碼頭起重機(jī) (QC)，它們以 45 個起重循環(huán)/小時 (ccph) 的速度來工作。 循環(huán)時間為 80 秒，從而工作速度可到達(dá) 297 箱-移動/小時，36 個 RMG（可實(shí)現(xiàn)自動化的軌道式集裝箱門式起重機(jī)）被分配給 18 個 RMG 模塊。
圖 2 包含 6 個碼頭起重機(jī) (QC) 的情況
在第二種情況中（如圖 3 所示），共有 10 個碼頭起重機(jī) (QC)，平均工作速度為 45ccph。 循環(huán)時間也是 80 秒，從而工作速度達(dá)到 495 箱-移動/小時，60 個 RMG 被分配給 30 個 RMG 模塊。
圖 3 包含 6 個碼頭起重機(jī) (QC) 的情況
在這兩種模擬中，在起重循環(huán)內(nèi)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)鎖定搬運(yùn)；20% 的集裝箱得以成對提升，所有車輛可進(jìn)行雙倍攜載（從而得到 11% 的雙提升循環(huán)）。 施加了一個相對較低的岸側(cè)負(fù)荷 (166 bx/h)，以避免這種負(fù)荷成為一個瓶頸問題，并更多地集中于對水平輸送系統(tǒng)進(jìn)行比較。 碼頭起重機(jī) (QC) 后部的后伸距區(qū)域在循環(huán)時間上具有 10 秒的損失。 RMG 模塊被配置為 60 TEU 長、8 TEU 寬和 5 TEU 高，裝箱率為 80%。 并且，在碼頭專家的幫助下，還在交通方面配置了一些轉(zhuǎn)移點(diǎn)和高速通道。 設(shè)計和實(shí)施的交通規(guī)則為：
• AGV 型有 4 個水邊 RMG 轉(zhuǎn)移點(diǎn) (TP)
• C-AGV 型有 5 個水邊 RMG 轉(zhuǎn)移點(diǎn) (TP)
• ShC 型有 5x4 個 TEU TP 地面箱位
• AShC 型有 5x2 個 TEU TP 地面箱位
• 4 條 ShC 高速通道
• 4 條 AGV/AShC/CAGV 高速通道
圖 4 中是針對 C-AGV 所考慮的交通假設(shè)的一個例子，其中，C-AGV 可以在 QC 下面雙方向進(jìn)入或離開。 請務(wù)必注意，C-AGV 是自由移動的，在道路上沒有標(biāo)記固定路線。 C-AGV 上沒有安裝收發(fā)器，而是采用了由 Danaher Motion 公司所開發(fā)的最新技術(shù)，該技術(shù)已在 1000 多個應(yīng)用中成功實(shí)施；導(dǎo)航是基于微型雷達(dá)和激光進(jìn)行的。 導(dǎo)航系統(tǒng)可幫助 C-AGV 執(zhí)行各種各樣的移動動作，如蟹行和雙方向移動。 C-AGV 可以保留在載貨架上，或?qū)⑤d貨架拾取以到達(dá)可使用的 QC。 兩種 QC 配置的每個 QC 使用了四個 TP（轉(zhuǎn)移點(diǎn)，即將集裝箱在設(shè)備之間進(jìn)行互換的區(qū)域）。 這些 QC 的 TP 之間無法通行。 這樣做是為了保持作業(yè)中所有 QC 之間的平衡。 針對每個水平輸送系統(tǒng)還進(jìn)行了附加交通假設(shè)，以便在模擬中進(jìn)行比較。
圖 4 C-AGV 的交通假設(shè)示例
由碼頭專家針對各種水平設(shè)備所定義的附加輸入值為： 最大直線速度、轉(zhuǎn)彎速度、加速度和減速度、互換時間、定位時間等。 在模擬模型中所考慮的一些 RMG 值為： 臺架速度、加速度、減速度、小車速度、小車加速度和減速度、吊具速度、吊具加速度和減速度及交換時間。 圖 5 中的圖形顯示了使用 6 個 QC 的第一種情況模擬結(jié)果的平均值，該模擬是為了找出保持 QC 以 42 箱-移動/小時的速度工作所需的總車輛數(shù)。 常規(guī) AGV 的結(jié)果表明，需要使用 42 輛車；而對于 C-AGV，需要使用 24 輛車。 AShc 的結(jié)果與 C-AGV 的結(jié)果相似，需要 24 輛車。 最后，人員操縱往返式載貨車 (Shc) 需要使用 18 輛車。
圖 5 使用 6 個 QC 的第一種情況的模擬結(jié)果
用于分析 C-AGV 和 AGV 的附加模擬實(shí)驗(yàn)
還有一些其他問題，例如對各種水平輸送系統(tǒng)的運(yùn)行成本進(jìn)行比較，并選擇 AGV 的分派方法。 為了分析這些問題，建立了一個模擬模型。 該系統(tǒng)模型模擬了一個自動化集裝箱碼頭，對為一艘船服務(wù)的 C-AGV 和 AGV 進(jìn)行了比較。 我們集中于對涉及 QC 和 AGV 的操作進(jìn)行建模，它們負(fù)責(zé)將集裝箱或載貨架上的集裝箱在碼頭和貨堆之間轉(zhuǎn)移。 執(zhí)行一個輸送移動所需的時間（包括不帶集裝箱的返回以及裝載和卸載的時間）稱為“AGV 循環(huán)時間”。 貨堆位于堆場中的不同區(qū)域，因此與 QC 的距離各不相同，從而需要不同的輸送時間。 我們是通過讓每次輸送都具有一個隨機(jī)的 AGV 循環(huán)時間來建立此模型的。 我們還考慮到通過 QC 從船上卸載集裝箱和將集裝箱裝載到船上所需的時間（稱為集裝箱搬運(yùn)時間）。
表 2 中列出了兩種 AGV 系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格。
表 2： AGV 系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格
用于對系統(tǒng)進(jìn)行評估和比較的性能標(biāo)準(zhǔn)：
• 服務(wù)時間： 完成船只的裝貨/卸貨所需的時間，在航運(yùn)業(yè)中也稱為“周轉(zhuǎn)時間”(turn-around time)。
• 利用率： 到達(dá)時間/服務(wù)時間（到達(dá)時間 + 空閑時間）。服務(wù)時間是一臺集裝箱碼頭設(shè)備投入工作的時間（例如將集裝箱從 QC 移動到貨堆上），而空閑時間是該設(shè)備不工作的時間。 記錄下以下集裝箱碼頭設(shè)備的利用率： QC、AGV 和載貨架。
• 吞吐量： 以下設(shè)備的服務(wù)時間內(nèi)所處理的平均集裝箱數(shù)： QC、AGV 和載貨架。
• 總成本： 為一艘船服務(wù)的設(shè)備的成本以下列方式計算（OPEX = 單位集裝箱碼頭設(shè)備的運(yùn)行成本）：
– QC 成本： QC 數(shù) x QC 的 OPEX x 服務(wù)時間。
– AGV 成本： AGV 數(shù) x AGV 的 OPEX x 服務(wù)時間。
– 載貨架成本： 載貨架數(shù) x 載貨架的 OPEX x 服務(wù)時間。
– 總成本： QC 成本 +AGV 成本 + 載貨架成本
實(shí)際情況設(shè)置基于由工業(yè)伙伴所提供的數(shù)據(jù)。 來自模擬的結(jié)果基于平均值，它們需要進(jìn)行一定數(shù)量的模擬試驗(yàn)以獲得有效評估。 模擬中使用的循環(huán)時間是從以前的分析確定的，在以前的分析中，對貨堆距離和 AGV 的最大速度進(jìn)行了測試。 我們使用一種近似方法計算出，100 次運(yùn)行就足夠了。 在模擬實(shí)驗(yàn)中，我們使用表 3 中的設(shè)置以為一艘船服務(wù)。
表 3： 在模擬器中針對一艘船使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)置
使用的是一艘“平均船只”，要從它上面卸載或向上面裝載 493 個集裝箱。 從運(yùn)營商提供的信息可知，服務(wù)于船只的 QC 數(shù)為 3 個。 AGV 具有 3 到 5 分鐘之間的隨機(jī)行進(jìn)循環(huán)時間。 C-AGV 的循環(huán)時間包括提升載貨架、將它從一個 QC 輸送到一個貨堆、分離載貨架然后帶著空載貨架返回到 QC 的時間（或反方向的循環(huán)時間）。 AGV 循環(huán)時間與 C-AGV 相似，但沒有提升時間和輸送載貨架的時間。
所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是為了對為 3 個 QC 服務(wù)的碼頭資源的各種組合進(jìn)行評估。 船只服務(wù)時間結(jié)果表明，當(dāng) 3 個或更多 C-AGV 中的每個帶有兩個或更多載貨架而工作時，服務(wù)時間接近于它的最小值，QC 的能力成為瓶頸。 當(dāng)被分配一個載貨架時，AGV 系統(tǒng)的船只服務(wù)時間結(jié)果與 C-AGV 相似。 當(dāng)兩個或更多 C-AGV 被分配有兩個或更多載貨架時，平均船只服務(wù)時間似乎要短一些（5.13 小時）。 在使用 5 個載貨架和 4 或 5 個 C-AGV 時，船只服務(wù)時間最短，為 4.10 小時。 在使用 5 個載貨架時再使用一個附加的 C-AGV 似乎不會影響船只服務(wù)時間。
載貨架和 AGV 數(shù)量的增加為輸送集裝箱增加了額外能力。 載貨架所提供的額外能力可使 C-AGV 將一個載貨架上數(shù)目在 1-4 TEU 之間的集裝箱負(fù)荷分離，并去拾取另外一個載貨架。 這種操作可幫助縮短 QC 的空閑時間，使它們更加有效率。 這樣，從上面的結(jié)果可以得出結(jié)論，引入一定數(shù)目的 C-AGV 和載貨架是十分有用的，它們保持了整個模擬實(shí)驗(yàn)中的起重機(jī)生產(chǎn)效率。 由于起重機(jī)的運(yùn)行成本高于 AGV 的運(yùn)行成本，因此這些結(jié)果可幫助集裝箱碼頭管理人員來決定將多少起重機(jī)、C-AGV 或 AGV 及載貨架分配給一艘船只。
表 4 中提供了使用三種類型集裝箱碼頭設(shè)備的總運(yùn)行成本。 在下面的計算中所假設(shè)的每小時運(yùn)行成本包括折舊、維護(hù)、勞動力和燃料成本：
• QC： 130 美元/小時
• AGV： 6 美元/小時
• C-AGV： 8.5 美元/小時
• 載貨架： 0.07 美元/小時
表 4： 碼頭設(shè)備總運(yùn)行成本（以美元為單位）
隨著更多 AGV 的使用，兩種 AGV 系統(tǒng)的運(yùn)行成本將會增加。 但是，隨著在每個 C-AGV 上部署更多的載貨架，C-AGV 的運(yùn)行成本將會降低。 這里存在著一個折衷，即附加的載貨架會增加與載貨架相關(guān)的運(yùn)行成本，因此需要考慮總的成本。
表 5：為一艘船只服務(wù)的總運(yùn)行成本（美元）
在表 5 中的總運(yùn)行成本比較中，AGV 和載貨架的添加會使成本降低，直到使用 3 個 C-AGV 和 3 個載貨架時。 再另外添加設(shè)備，總成本就會增加，即所贏得的時間不會補(bǔ)償產(chǎn)生的額外成本。 在所研究的情況中，對集裝箱碼頭設(shè)備進(jìn)行分配的一個可能選擇是使用 3 個 C-AGV，每個 C-AGV 帶有 3 個載貨架。
小結(jié)
基于載貨架的系統(tǒng) (C-AGV) 具有一些優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼮榧b箱碼頭管理人員提供了保持碼頭起重機(jī) (QC) 持續(xù)卸貨/裝貨而不必等待輸送設(shè)備可以利用的一種適宜方法。 QC 的等待時間變短，因此它們獲得了更高的利用率。 來自原型 C-AGV 模擬器的初步結(jié)果提供了一些有趣的觀察結(jié)果，它們對于確定分配給一艘船只以提供服務(wù)的設(shè)備數(shù)目十分有用。 所進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)還指出，在服務(wù)時間與購買和運(yùn)行設(shè)備的成本之間存在著一種折衷。
