洋山四期自动化码头AGV 设备控制系统创新研究

王岩

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

20 世纪90 年代中叶，国际集装箱运输的发展趋势逐渐面向船舶大型化、经营联盟化、运输干线网络化。党中央和国务院对建设上海国际航运中心作出了重大战略部署，启动了上海洋山深水港的选址工作。经过了10 年的论证和建设，上海洋山深水港于2005 年正式开港。近年来，上海港的国际门户地位日益凸显，集装箱的业务规模不断提升。为更好地服务区域的经济发展和新一轮的改革开放，2014 年12 月，上海洋山港四期工程全面开建。

上海洋山港四期工程总用地面积达223 万平方米，岸线长度达2350 米。整个工程建设了2 个7 万吨级以及5 个5 万吨级的集装箱泊位，设计年吞吐能力初期为400 万标准箱，远期可达到630 万标准箱。最终设备的规模是26 台岸桥、130+辆AGV 和120 台轨道吊。放眼全球，一次性建成投运规模如此之大的自动化码头是史无前例的。

1 自动化码头系统介绍

在上海洋山四期码头系统中，自动化装卸系统是整个全自动码头的“中国芯”。设备调度管理控制系统（ECS）和码头生产管理系统（TOS）都是由国产自主研发而成，组成了洋山四期全自动化码头的“心脏”与“大脑”。

ECS 是一种环保、高效、经济的码头自动化装卸系统，用以实现自动化码头装卸设备的调度控制及设备间的协调工作。ECS 相当于自动化码头里的“心脏”，主要根据TOS 规划和指令来完成对装卸设备的作业控制、流程优化、安全保护、监控管理和智能调度，取代了传统码头的司机及相关设备终端，智能化地指挥设备安全、自动、高效地把集装箱搬运到任务目的位置。

ECS 系统不但节省了码头的人力资源成本，而且减少了生产过程中的人为干扰因素，保证了人身安全事故不再发生；同时，改善了码头操作人员的工作环境，提高了码头的作业效率。

TOS 系统覆盖了整个自动化码头的业务环节，并衔接了上海港的各个数据信息平台（其中包括业务受理、集卡预约、数据分析、统一调度等）；提供智能生产计划模块、实时作业调度系统以及自动监控调整的过程控制系统。

2 AGV 设备控制系统创新

洋山四期码头的AGV 设备控制系统与其他同类自动化码头相比有如下几个特点：

（1）AGV 自动换电技术。洋山四期项目采用无污染的纯电力驱动的AGV 小车作为一种水平运输工具。控制系统对AGV 小车的车载电池电量进行监控，在AGV 电池电量低于设定值时，AGV 自动向设备控制系统发出电池更换请求。整个洋山四期码头采用了2 个大站和1 个小站的设计方式，使得任何一个换电站内的电池包都有绝对的冗余。大站采用双工位换电，可以满足单个机器人出现故障时码头的满负荷作业。同时，每个换电站均配有门禁、空调、消防等系统，做到了以人为本、安全生产的理念。整个换电管理系统（BES）采用了最新的人工智能算法，AGV 进站换电按照优先级排队进站，使得整个换电流程高效、秩序。

（2）大规模AGV 路径规划及交通控制。洋山四期规划在最终阶段有130 台以上的AGV 同时在场地内运行，AGV 的运行会造成各种复杂的情况出现。设备控制系统对大规模的路径规划和交通控制采用了十分高效的算法来进行计算，保证了AGV 稳定、安全、高效地运行。

路径规划时，充分考虑路径长度、路径畅通度、转弯次数、能量消耗等指标，结合转弯、斜行等动作所需时间耗费以及禁行区绕行等因素，选择符合计划约束（时间耗费/负载均衡）的路径为最优路径。

交通控制采用汇编级别的高效算法，实时监控AGV 运行过程中的各种不确定性带来的意外状况。提供动态路径规划，避免死锁，解死锁和交通控制方案应对出现的意外状况。

（3）顶升式AGV 支架交互技术。洋山四期AGV 自带升降装置，能容纳和运输ISO 标准1 只20′集装箱、2 只20′集装箱、1 只40′集装箱或1 只APL 标准45′集装箱，可以自动地将集装箱存放到支架上或从支架上取下。控制系统配有多个辅助系统，确保升降系统正常工作；软件层面通过对支架资源的互斥/共享访问，对堆场设备和AGV 之间的各种交互进行安全高效地控制。

（4）AGV 无线通讯冗余技术。洋山四期AGV 单机与控制系统采用无线网络通信方式，确保网络安全稳定是正常作业的关键因素。由于自然灾害、设备故障以及人为操作失误等原因，往往会不可避免地造成码头通信网络节点的故障。为提高网络健壮性，洋山四期AGV 项目采用双无线网络冗余技术，以确保在主网络发生故障的情况下，从网络可以继续提供AGV 单机与控制系统间的安全稳定通信。

（5）动态可配置作业区域技术。洋山四期AGV项目创新采用动态可配置作业区域技术，可以对桥吊下AGV 的作业位置和AGV 停车缓冲区进行动态调整。每艘船靠泊的位置以及船型的不同，会导致桥吊有不同的作业位置；如果采用固定的停车缓冲区，可能会造成资源浪费，通过动态调整方案可以实现停车缓冲区根据船舶进行调整，从而增加可用的停车缓冲区。

考虑每台桥吊作业模式和效率等因素，采用动态调整的作业车道会节约桥吊下的作业/通行场地资源，最终提高整个自动化码头作业效率。

（6）AGV 对悬臂式轨道吊进行交互作业技术。由于洋山四期水水中转的比率较高，为了提高中转箱的作业效率，同时，减少轨道吊带箱动大车的次数，洋山在码头布局上采取了AGV 行驶到堆场侧面通道跟悬臂吊进行交互的作业方式。设备控制系统合理利用了悬臂吊通道内的4 根车道，在避免拥堵的前提下增加了AGV 的通行效率。

（7）AGV 粗定位技术。AGV 粗定位方案的优化，是针对生产作业中AGV 可能会停车的工况展开详细分析，并提炼其中的共同需求。在AGV 不与其他设备交互且能够确保AGV 的安全的情况下，AGV 在停车时，采用粗定位模糊停车，相对于精确定位停车，单次停车节约时间至少5s。适用工况如高速车道倒箱门、岸桥下倒车、PB 停车等。

3 结语

2017 年年底，洋山四期自动化码头正式开港，而整个上海港的集装箱吞吐量已经超过了4000 万标准箱，占整个世界的1/10，相当于美国所有港口集装箱吞吐量的总和。2018 年8 月开始，洋山四期自动化码头达到了昼夜1 万箱的作业量，年底总吞吐量超过了200 万标准箱。2019 年洋山四期自动化码头的集装箱吞吐量达到了300万标准箱，而整个洋山深水港则接近2000 万标准箱，占比整个上海港集装箱吞吐量的一半左右。

上海洋山智慧港口物流系统无论在智能化、自动化、信息化技术水平上，还是在低成本、高可靠性以及节能环保性能上都处于国内外同行的领先地位。洋山四期的建设对推进我国智慧城市建设具有重要意义，对我国主要港口集装箱码头具有可推广性和复制性，具有十分显著的经济效益和社会效益。