自动化码头智能运输机器人差速调序控制仿真分析

刘喜旺 彭云辉 张 煜 孙 浩

1天津港第二集装箱码头有限公司 天津 300456 2武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063

0 引言

随着经济全球化的发展，国际贸易迎来高速发展期。港口不仅是物流活动中的重要通道枢纽，更是一个对资源实现配置的平台，对于经济发展至关重要。中国作为一个拥有诸多天然优良深港的大国，近些年来大力发展港口。如今，自动化码头在中国的前沿港口中多有应用，在部分自动化码头中使用AGV作为运输工具。AGV是自动化码头极为重要的组成部分，与传统的港口集卡相比，AGV不仅用工成本极低，还能提高作业的安全性和效率。目前，AGV在港口的应用技术逐渐成熟，出于提高码头工作效率的考虑，AGV正逐渐取代传统集卡成为码头的主要运输工具。

在自动化码头运用智能运输设备提高港口装卸效率方面，学者们做了很多研究。郑重[1]列出了影响堆场内AGV运行效率的因素，并按影响因素所占比重列出权重表格，针对权重表格来进行整体的优化；曾庆成等[2]提供了一个充分考虑到拥堵原因的自动化码头多AGV动态路线规划模式，利用蚁群算法解决路径的动态规划；Rashidi H等[3]提出了一种在自动化码头进行2阶段并行操作的方法，相较于AGV到达之后才工作的策略，缩短了准备时间；Umar U A等[4]提出的策略是根据任务的优先级来控制小车，该策略可有效避免碰撞；张素云[5]提供了一个经过改良的速率限制对策，依据AGV经过路口节点时的优先权限制AGV的通行速率；Drótos M[6]提出了一种集中式控制方法，通过维护一个中央计划表，每当车辆完成当前运输任务或新运输请求到达时，该中央计划表都会进行修改，从而保证信息的及时更新；Małopolski W[7]提出如果把整个交通运输系统的布局划分为长方形并以矩阵描述，则AGV的运动可被看作以恒定的平均速度由长方形到正方形的运动，并据此提出了一个防止AGV碰撞和死锁的新方案，适合在具有正方形结构和大量AGV的运输系统中实施；仲美稣等[8]用仿真软件搭建了一个虚拟环岛，可避免AGV冲突和碰撞，研究表明AGV路径的选择对码头的效率有影响。

通过以上学者的研究发现，对自动化码头装卸作业效率和拥堵情况的研究大多是对整个码头作业流程的优化，如何针对AGV本身提高码头作业效率的研究较少。此外，随着无人驾驶技术的发展，一种具有L4级的新型智能运输机器人 (Artificial Intelligence Robot of Transportation，ART)在某港口得到初步应用。因此，本文提出了一种基于任务优先级的ART差速调序控制策略，使用Anylogic仿真建模软件，通过不同差速调序方案和无差速方案的仿真输出对比，为决策者提供建议。

1 差速调序策略分析

1.1 问题描述

随着集装箱交通运输的发达，集装箱港口货运吞吐量逐渐上升，集装箱船舶趋于大型化发展，码头集卡数量也随之增加。然而，传统港口集卡的速度是固定的，且采用了随机进港模式，大批集卡在高峰时间抵达港口，大量集卡的集中进港导致码头门孔出现拥挤和排队情况。有的港口装卸船作业对于装箱次序有严格要求，随机入港模式易导致装箱次序不正确，集卡只能等待。一方面降低了港口的集疏运效率和集卡车队的运营效率。另外，还增加了港区内交通压力，且等待过程中产生的碳排放加剧了港区的环境污染。因此，如何通过集装箱卡车的合理调度解决码头的交通拥堵问题，对提高码头的运转效率意义重大。

针对以上问题，本文提出了差速调序策略，该策略在ART行驶过程中通过控制车速，调整其到达岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）作业位置的时间，以保证集装箱装船次序，达到缓解ART在岸桥前的拥堵、提高ART作业效率的目的。为了进行对照实验，将原本使ART全程匀速行驶的方案称作无差速方案。

1.2 码头布局及部分参数

图1为码头简化布局，图中左端是出发点，即入港初始点，前往岸桥路经等待区、缓冲区，到达指定位置完成工作后离开。需要注意的是，每个岸桥工作处只有1个工作位和等待位。

图1 智能物料搬运起重机控制系统框图

在模型中，出发点到岸桥区的距离为1 000 m，ART数量（设置岸桥区共4台起重机）为28台，岸桥与ART数量比例为1:7。ART的最快行驶速度为35 km/h，行驶平均速度为20 km/h。岸桥完成1次作业的时间采取三角分布，最短为2 min27 s，最长为3 min17 s，平均作业时长为3 min。缓冲区的最大停车数量为4辆，等待区停车数量为4辆。

1.3 无差速方案

无差速方案的流程图如图2所示，空闲ART接收到任务后从入港初始点出发前往对应岸桥。由于集装箱需要严格按照装卸优先级顺序进行作业，而缓冲区停车位有限，当缓冲区等待的ART达到4辆时，后续到达的ART即在等待区排队；当缓冲区等待ART不足4辆时，ART在到达等待区节点后判断高优先级的ART是否已驶入缓冲区，若已驶入则当前ART直接前往缓冲区；若未驶入则当前ART在等待区等待，直到高优先级ART进入缓冲区后再前往缓冲区。ART到达缓冲区后需要判断高优先级的ART是否已驶入岸桥工作位，若已驶入则当前ART直接前往岸桥区等待作业；若未驶入则当前ART在缓冲区等待，直到高优先级ART进入岸桥作业位后再前往岸桥区。

图2 无差速方案流程

在此流程下的集装箱装船作业，由于ART随机入港任务优先级不同，ART很容易在等待区排队，导致交通堵塞，最终影响到码头作业效率。

1.4 差速调序方案

差速调序是通过控制码头内的ART速度使优先级高的ART加速前往码头前沿的岸桥区作业，而使前方优先级低的ART减速。延长低优先级ART在路上的时间，减少其在等待区的停车时间，从而减少码头的拥堵，提高整个装船作业的效率。差速调序方案的流程图如图3所示。

图3 差速方案流程

与无差速方案相比，差速方案出发时先进行了一次优先级的判断，若当前ART的任务优先级最高，便让当前ART加速至最大速度35 km/h直接前往码头前沿的岸桥工作区。作业完成后将当前任务从列表删除，工作状态变为空闲，重新分配任务。

若当前ART所接任务并非最高优先级，则判断任务优先级最高的ART与当前ART相比，是否距离岸桥区更近，如果当前ART距离岸桥更近，则当前ART减速到次级速度，次级速度设置为15 km/h和10 km/h；如果任务优先级最高的ART距离岸桥更近，则当前ART以20 km/h正常行驶。其余部分与无差速方案相同，令任务优先级高的ART加速前往作业区，其前方ART减速，从而实现效率的提升和场区内拥堵程度的降低。

2 仿真模型建立

2.1 仿真软件

本文选择Anylogic作为仿真建模软件，其使用Java语言编程，软件自带库可以迅速构建模型。在模型的构建中，采用流程库仿真建模的方法。表1为在建模过程中使用的模块。其中，Resource Pool模块储存的资源可以是集装箱，也可以是ART小车，没有种类的限制。Select Output模块和Select Output5模块基本功能相同，Select Output5模块通过判断可以输出5种结果。

表1 使用模块介绍

根据表1所示模块建立图4、图5所示的自动化码头ART车序控制模型，图4是基于流程的装船作业仿真模型，图5是模型的动画演示模块。

图4 流程建模模块

图5 模型演示模块

模型使用资源池存放空闲ART，ART出发后从起点到分岔节点后进行3次判断。第1次判断确定对应作业的岸桥；第2次判断确定当前ART任务优先级是否最高，若最高则加速前往岸桥区进行作业并让前方ART减速；第3次判断确定当前非优先级最高ART是否需要进行减速。由于岸桥只有1个工作位和1个等待位，使用1个Hold模块保证进入岸桥区作业的ART数量。

优先级最高的ART在经过每个节点时都会传递信息，使其前方路段的ART减速，后方的ART以正常速度行驶。模型利用集合来确定当前优先级最高的ART，在完成任务之后，立即筛选出下一个任务中优先级最高的ART。集合存储了优先级编号初始数（1～6），并按照编号数的多少来判断任务优先权，6为优先权最高的任务序号。当ART接受任务时，将集合中数据分配给相应ART，编号为6的ART先进行作业，完成作业任务后回到资源池，编号参数重新赋值为0。此时集合编号数据为（0～5），令整个集合剩余ART编号加1，之前编号为5的ART编号变为6，成为优先级最高的ART，该ART完成任务后重复上述循环，保证作业中一直存在编号为6的最高优先级ART。

2.3 评价指标

为了评估无差速方案与差速调序方案的优劣，以及差速调速方案中不同次级速度对工作效率和拥堵情况的影响，设置表2所示参数作为仿真输出的评价指标。

表2 评价指标参数

在表2所示仿真评价指标中，ART排队数量每3 min检索1次，每小时排队时长包括ART在等待区、缓冲区和岸桥等待位的等待时长。

3 仿真输出分析

图6是无差速方案以及不同次级速度下差速调序方案的ART排队数量图，差速方案设置2个次级速度（15 km/h、10 km/h）。由此可以看出，无差速方案下的ART排队数量高居不下，而差速调序方案可有效缓解ART在等待区的排队拥堵状况。3个方案中次级速度为10 km/h的ART排队状况最好，拥堵状况最轻。

图6 ART排队数量图

表3为在3种方案下的3项评价指标的对比，与无差速方案相比，2种次级速度下的差速调序方案在排队时间、每小时装卸量和平均作业时间各项指标上都有不同程度的提升。

表3 不同方案下的评价指标

由表3可知，次级速度为15 km/h的差速调序方案相较于无差速方案在排队时间缩短了32.69%，装卸量提高了10.53%，平均作业时间缩短了18.75%；次级速度为10 km/h的方案在排队时间上缩短了55.77%，装卸量提高了5.3%，平均作业时间缩短了12.5%。在整体综合考量的情况下，考虑到ART在等待区的排队情况，整体认为次级速度为10 km/h的方案较好，更符合自动化集装箱码头的需求。

4 结论

本文根据自动化集装箱码头布局和ART的特点，针对ART集中进港导致码头闸口拥堵的现状提出了一种自动化码头ART差速调序策略，即控制ART以不同的速度行驶，保证ART以正确的车序到达码头前沿岸桥区进行作业，减少ART在等待区的等待时间。通过专业仿真软件Anylogic搭建模型，对2种策略进行了仿真分析，发现差速调序方案可极大地减少ART在等待区的等待时间，并能提升装卸作业的工作效率。