智能導引運輸車(IGV)在自動化集裝箱碼頭中的應用

梁 浩，吳邵強，劉漢東

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

自第一代自動化集裝箱碼頭建成以來，集裝箱自動化裝卸系統和相關的裝備技術已經過近30 a的高速發展和更新換代。在集裝箱自動化裝卸系統中，水平運輸作業的自動化由于涉及路徑規劃、高精度定位、智能決策和信息傳輸等多方面技術的支撐，其設備的技術研發和改良一直以來都是集裝箱自動化裝卸系統進一步升級的重難點之一[1]。

隨著以上海洋山、青島前灣等為代表的一批國內自動化集裝箱碼頭的建設和投產，以“自動化堆場垂直布置，集裝箱水平運輸采用磁釘導航自動導引運輸車(AGV)”為核心的集裝箱自動化裝卸系統已成為目前應用較廣泛的一種技術路線[2]。采用AGV在堆場垂直布置的自動化集裝箱碼頭工程中具有較好的適應性，但對于該設備在堆場平行布置的自動化碼頭工程中的適應性目前業內鮮見相關研究。

本文以采用堆場水平布置的廣州港南沙四期自動化集裝箱碼頭為依托，在分析傳統AGV應用局限性的基礎上，提出了一種基于多傳感器融合導航技術的新型智能導引運輸車(IGV)，詳細闡述了該設備的基本性能、應用適應性以及碼頭相關配套基礎設施的設計情況，可為采用該設備的類似自動化集裝箱碼頭的設計和建設提供參考。

1 AGV的應用特點及局限性

經過多年的技術升級和改進，AGV的設計制造、碼頭相關配套設施設計和建設均逐步趨向定型化，在其他新型自動化水平運輸設備應用前，AGV一直是全自動化集裝箱碼頭的水平運輸設備的首選，見圖1。

圖1 采用磁釘導航的AGV

AGV的驅動方式最初為柴油內燃機驅動，2011年采用可充電式鉛酸電池作為動力的AGV投入商業運行，純電力驅動的AGV具有能耗低、綠色環保、維護成本低等特點，是目前AGV的主流應用方向。AGV采用磁釘進行導航定位，可進行直行、斜行、S形、U形和90°轉彎等多種運行模式。然而，AGV大多數應用在堆場采用垂直布置的自動化集裝箱碼頭。主要原因在于定型化AGV產品存在一定的局限性，降低了其對不同堆場布置形式和裝卸工藝系統的適應性。主要體現在以下兩方面：

1)磁釘導航定位利用內涵存儲信息的無源磁釘單元與AGV車身上配置的天線進行電磁波交換，實現車輛的精確定位。為確保AGV在運行區域內的任何位置都能精確實現位置坐標計算和定位，一般要求在AGV整個運行區域范圍內按約2 m×2 m的網格埋設磁釘，運行區域越大，埋設的磁釘越多，工程投資也越高。為防止產生信號干擾，磁釘側部周邊或垂直方向上距離地面不小于100 mm范圍內應避免設置金屬構件，對地面鋼筋鋪設精度的要求較高。

2)車身自重大、輪壓大。定型化AGV通常采用的是2軸4輪的設計，車身自重約32 t。滿載狀態下，其單輪輪壓高達33～36 t，遠高于普通集卡輪壓[3]。為滿足AGV與大型裝卸設備交互作業和重載行駛的要求，運行區域內的路面結構承載能力要求更高，導致工程投資較高。

在“堆場垂直布置+端裝卸”的工藝系統中，為盡可能減少上述因素對工程造價的影響，AGV的運行范圍被限制在了一個面積相對有限的封閉區域內。在“堆場平行布置+邊裝卸”這類需要集裝箱自動化水平運輸設備滿港區運行的自動化裝卸工藝系統中，采用AGV對碼頭基礎設施建設成本的影響將成為一個必須考量的重要因素。

2 工程概況

廣州港南沙四期自動化碼頭工程建設4個5～10萬噸級集裝箱海輪泊位和12個2 000噸級內河駁船泊位，碼頭陸域縱深約650～840 m，總面積約120萬m2。駁船碼頭岸線與海輪碼頭岸線整體呈現出側面相鄰的布置形態[4]。

該工程集裝箱集疏運模式具有鮮明的江海聯運特色，水路中轉集裝箱吞吐量占碼頭總吞吐量的比例高達80%以上，結合碼頭岸線特殊的布置形態，決定了該工程集裝箱在港內的主要工藝流向呈現出平行于海輪碼頭岸線的特點。為提高碼頭的整體裝卸效率，降低水平運輸作業的能耗，基于集裝箱在港內的主要流向特點，裝卸工藝系統設計采用“自動化箱區平行布置+邊裝卸”的技術路線，自動化水平運輸設備運行區域面積約45萬m2(圖2)，遠遠超過 “堆場垂直布置+端裝卸”裝卸工藝系統中AGV的運行區域面積。

注：灰色為運行區域。

3 IGV特點及優勢

3.1 IGV特點

針對南沙四期工程自動化水平運輸設備需滿足全港區大范圍運行的特點，為降低現有磁釘導航AGV產品技術局限性及對建設成本的影響，在可實現自動導航定位和行駛功能的基礎上，融合了人工智能、北斗衛星導航、5G通信、無人駕駛等前沿科技對傳統AGV車身結構和導航系統進行了全面升級，形成新一代自動化集裝箱智能導引運輸車IGV，見圖3。

圖3 采用多傳感器融合導航定位的IGV

3.1.1導航定位及自動駕駛性能

IGV配置以北斗為主的高精度衛慣導航、激光及視覺等多傳感器融合的智能導航系統[5]，在5G無線通信模式下可實現精準定位，支持雙向行駛、斜行、S形、U形及90°轉彎等多種運行模式。由于采用了智能化導航和避障技術，使得IGV具備在碼頭與堆場間按規劃路徑自由穿梭、靈活調度等優點，能適應頻繁起制動、低速重載、短程行駛等碼頭特有的運輸作業工況，滿足與碼頭岸邊集裝箱起重機、堆場軌道式集裝箱門式起重機等大型集裝箱裝卸設備精準交互作業要求。

在接收碼頭管理系統的指令后，車輛管理系統將依據IGV調度策略規劃車輛最優行駛路徑。智能導航系統按照路徑指令計算車輛電機轉速和輪胎偏轉角度后，將結果傳輸給可控制IGV電機和液壓轉向系統的單車控制系統，最終實現單車控制，響應路徑指令。

碼頭車輛管理系統可最大化利用港區內的道路資源，規劃最優路徑。而IGV智能駕駛系統則可以更精確地計算和使用路權。IGV智能駕駛系統、碼頭車輛管理系統、碼頭TOS系統互相依托，構建了最優的集裝箱自動化水平運輸系統。

3.1.2車身結構性能

IGV的主要技術參數為：額定載質量≥65 t；轉彎半徑≤12 m；最大行駛速度30 km/h；滿載爬坡角5%；外形尺寸：長≤15 m，寬≤3 m；充電方式為自動臂拔插式固定充電；導航定位精度±50 mm；最大制動距離≤9 m。

IGV車身采用輕量化，車身外形尺寸不超過15 m×3 m，自質量23 t。輪系采用4軸8輪設計，滿載狀態下單輪對地輪壓約120～150 kN，其軸壓與普通集卡類似。

3.1.3動力驅動性能

IGV采用全電驅動，動力電池為三元鋰電池，總電量238 kW·h，滿足滿載連續工作4 h剩余電量不小于20%的要求。

3.2 IGV應用優點分析

1)車身結構輕量化，導航定位方式由磁釘定位升級為“衛慣導航+多傳感器融合”定位，可有效降低單機成本和碼頭配套基礎設施建設成本，對不同的自動化堆場布局形式具有更好的適應性；

2)搭載衛慣導航、激光雷達導航、視覺導航等多傳感器融合系統，對環境的感知和適應能力更強，單機智能化程度更高；

3)可廣泛應用于傳統集裝箱碼頭的自動化升級改造。

4 IGV相關基礎設施設計

4.1 導航定位設施

4.1.1衛慣組合導航定位系統

IGV衛慣組合導航定位以北斗導航定位系統為主、其他衛星導航為輔，結合加速度計和陀螺儀等慣導器件，實現對IGV的定位和定向。該系統包括3個部分：北斗地基增強單基站綜合服務系統、無線通信網絡和車上衛慣組合定位設備。自動化區域內設置北斗地基增強基站，基站綜合服務系統采用雙主機備份，完成衛星信號的接收、差分數據的生成，并將差分數據發送給服務器。服務器通過港口專用無線通信網絡對外發送差分數據。IGV 上的衛慣組合定位設備通過約定的協議與服務器進行信息交互，接收差分數據并進行處理，實現IGV 的高精度定位功能。

4.1.2激光定位系統

IGV激光定位系統主要是通過安裝在車上的激光雷達，掃描集裝箱堆場區域內預設的定位立柱作為參照特征實現車輛定位。集裝箱堆場箱堆四周區域每隔一定間距設置1根高約1.5 m的定位立柱(圖4)，服務于IGV激光雷達掃描定位。

4.1.3視覺定位系統

IGV激光定位系統主要通過安裝在車上的攝像頭識別地面車道標線及地面菱形標志作為參照特征進行定位。碼頭前沿各行車道區域內每隔15～20 m設置1個菱形地面標志(圖5)，服務于IGV視覺定位。

圖5 IGV視覺定位標識標線

4.2 自動充電設施

為滿足IGV充電需求，碼頭自動化運行區域內按照相對集中原則設置8個充電站、共42套自動化充電裝置(圖6)。IGV采用端部充電方式，車身頭部配電源插拔接口(圖7)。

圖6 IGV充電站布置

圖7 IGV自動充電裝置

自動充電裝置使用大電流快速充電系統，具有充電功率大、交互容差性強、防護等級高等特點。當IGV電池組電量低至預設限值時，將按系統指令自動行駛至指定充電區與充電裝置對接充電。

4.3 維修保養設施

為實現IGV維修保養，在港區內設置了集普通設備維修保養與IGV維修保養功能為一體的設備維護中心(圖8)，布置在堆場側邊，與堆場自動化作業區域無縫連接。

圖8 IGV維修車間平面布置

IGV維修區域包括IGV維修車間、緩沖場地和測試區。

1)IGV維修車間與常規機修車間、工具材料庫、吊具棚按T形布置，寬27 m?？紤]IGV直接進入車間內維修，坡道的坡度為4.5%。

2)緩沖場地布置在IGV維修車間正前方，與自動化作業區通過緩沖通道連接，緩沖通道長20 m，寬7.5 m。緩沖通道四周設置圍網，兩端設置聯動的門禁，IGV從自動化作業區進入緩沖通道后退出自動駕駛模式，位于自動化作業區一側的門禁關閉，位于緩沖場地一側的門禁相應開啟，然后由人工控制IGV駛出緩沖通道，此時位于緩沖場地一側的門禁關閉，另一側門禁相應開啟。

3)IGV測試區布置在集裝箱堆場東側、工作船碼頭后方，根據陸域形狀布置為梯形場地，長邊約為130 m，短邊分別為28、80 m，四周設置圍網。測試區滿足IGV直線行駛、斜行、掉頭、S彎道行駛等功能的測試。IGV測試區與緩沖場地相鄰的一側設置測試區入口，另一側設置測試區出口。測試區出口與自動化作業區通過緩沖通道連接，長20 m，寬7.5 m；緩沖通道四周設置圍網，兩端設置聯動的門禁。

5 結語

1)IGV是一種伴隨無人駕駛技術發展衍生而來的新型智能化集裝箱水平運輸設備，該設備依靠“衛慣導航+多傳感器融合”定位技術實現自動導航和定位，與傳統采用磁釘導航定位技術的AGV相比，具有智能化程度高、自重輕、單機成本低、碼頭配套基礎設施投資低等優點，對采用不同堆場布置形式的集裝箱自動化裝卸工藝系統均具有較強適應性；

2)采用IGV的自動化集裝箱碼頭應針對其定位導航、能源補充、維護保養等方面提出一套完善的配套基礎設施設計和建設方案。