简单梳理洋山港自动化码头

简单梳理洋山港自动化码头

声明:部分内容摘抄自百度百科
从今年7月份毕业到现在工作快半年了,目前在一家机器人公司,与AGV行业相关。此前,一直在知乎潜水,看着大家分享的知识,也有想法把自己的思考和见闻写出来,一方面是写出来分享给大家,不仅作出一个输入,也能有所输出,期待与大家交流;另外一方面,整理这些知识的过程中,其实也是一个自我提高、自我学习的过程。

起初,最早了解到洋山港自动化码头是在央视的纪录片《超级工程Ⅱ 中国港》中。然后自己又在AGV 这个行业,就持续关注这件事。最近,洋山港自动化码头四期工程投入试运营。然后就有了写这篇文章的想法。

首先还是对洋山港码头做一个简单而初略的介绍吧:

洋山深水港区位于杭州湾口外的浙江省嵊泗崎岖列岛,为中国最大的集装箱深水港。014年12月23日,上海国际航运中心洋山深水港区四期工程正式开工建设,是国内首个全自动化集装箱码头,工程总投资约139亿元,已于2017年12月10试运营。目前已经完成调试的首批10台桥吊、40台轨道吊、50台自动引导运输车将投入开港试生产。根据规划,洋山港四期最终将配置26台桥吊、120台轨道吊、130台自动引导运输车。
可以通过两个视频来初步来了解这个自动化码头:

回归正题,从传统港口过渡到自动化码头,但是其功能是不变的,依然是对集装箱的转运与暂存。在对自动化码头解读之前,先科普一些东西:

集装箱最大的成功在于其产品的标准化以及由此建立的一整套运输体系。能够让一个载重几十吨的庞然大物实现标准化,并且以此为基础逐步实现全球范围内的船舶、港口、航线、公路、中转站、桥梁、隧道、多式联运相配套的物流系统,这的确堪称人类有史以来创造的伟大奇迹之一。
集装箱示意图-图片来源于网络
  • 轨道吊
轨道吊又可以成为门式起重机,是港口的重要的起重设备,可以实现集装箱从装运车与集装箱堆场之间的起重堆叠运输作业。在洋山港自动化码头中为双侧轨道吊,何为双侧轨道吊呢,主要分为海侧轨道吊和陆侧轨道吊。在洋山港四期工程中,海侧轨道吊已经实现了自动化运行。
轨道吊-图片来源于网络
  • 岸桥
岸桥全称为岸边集装箱起重机(简称岸桥),又称为集装箱岸边起重机、桥吊,主要用与实现集装箱码头对集装箱船进行装卸作业的专业设备。
岸桥-图片来源于网络

对这些大家伙、重口味设备做了简单的了解以后,可以试着梳理一下这个自动华码头的作业流程,主要作业流程可以分为以下几种:

  • 出口箱作业流程:
    • 集装箱货车司机将火车司机开至指定地点
    • 远程控制及调度中心的操作员使用自动化轨道吊起重集装箱
    • 自动化轨道吊自动将集装箱堆叠至集装箱堆场
    • 自动化轨道吊将集装箱从堆场自动运送至AGV运输点
    • AGV将集装箱运送至岸桥起重点
    • 岸桥起重,检查
    • 远程控制及调度中心将集装箱起重运至运输船
  • 进口箱作业流程:与出口箱作业流程相反
  • 中转箱作业流程:与进口箱与出口箱作业流程大同小异,不赘述
  • 特殊箱作业流程:考虑到其特殊性与完全等因素,完全由人工操作


作业流程示意图

通过对上面的梳理,整个均为过程自动化的过程主要集中为集装箱在堆场的起重、转运作业过程与集装箱在岸桥与堆场之间的转运过程。

通过轨道吊实现集装箱的自动化操作整体难度不大,但是我这里不是很明白,工程设计人员是出于何种考虑为何不在货车到堆场之间还需要引入人为的操作过程,这点不是很理解,加入远程操作,相比与原有的轨道吊而言,就是实现了控制本体与控制信号的分立过程,为工程操作人员提供了更好的工作环境,实现了由“蓝领”变“白领”。接下来,主要来介绍“快递小哥”。

整齐划一停在港口的AGV -那种工业的美 -图片来源于网上

快递小哥的专业名称叫做自动引导运输车(Automated Guided Vehicle)简称AGV,是指具备有电磁或者光学等自动导引转置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护以及各种移栽功能的运输小车。AGV动力一般采用电池为动力,是装有非接触导向装置的无人驾驶自动化车辆。主要功能表现为能在计算机的监控下,按路径规划和作业要求,使小车较为精确的行走并停靠到指定地点,完成作业任务。

通俗的来讲,就是一个能依靠外部传感实现机器人本体的导航定位功能,实现“我在哪”,更具既定的调度任务,实现安全的“我要怎么去”的目标,并在目标点完成一些指定的任务。

青岛港自动化码头AGV小车-图片来源网络
正在作业的AGV-图片来源于网络

上面介绍了AGV的基本概念,下面我们来扒一扒对洋山港自动化码头的AGV。

我们先来看看振华自己怎么介绍这个东西的;

AGV作为自动化码头的“搬运工”,集装箱需要通过它从岸桥转运到堆场的轨道吊下方,或是从堆场转运到岸桥处。振华重工为洋山四期提供的锂电池驱动AGV小车采用了当今最前沿的技术,除了无人驾驶自动导航路径优化主动避障外,还支持自我故障诊断、自我电量监控等功能。通过无线通讯设备、自动调度系统和地面上敷设的6万多个磁钉引导,AGV可以在繁忙的码头现场平稳、安全、自如地穿梭,并通过精密的定位准确到达指定停车位置。独特的液压顶升机构,让AGV与轨道吊彼此之间无需被动等待,解决了水平运输与堆场作业间的“解耦”问题,有效提高了设备利用率。大容量锂电池的使用让AGV在满电后可以持续运行12个小时,这么长的运输时间是建立在大容量的电池的基础上的,起电池重量约为6吨振华重工国内首创自动化换电站技术,使AGV更换电池全程只需6分钟,电池充满电仅需2小时。
AGV正在作业 -图片来源于网络









这“快递小哥”能运输大概61吨(具体可参考招标文件)的集装箱,所以这是一个大吨位、大载重的重载AGV,结合如下示意图,可以知道其采用四轮转弯的方式,相比于大部分市面上采用两轮转弯方式相比,在其运动速度小于40km/h的前提下,其具有更好控制性,具有更小的转弯半径,这对于在堆场码头而言,意味着行车道可以更小,可以有更多的空间来堆放集装箱;相比于很多AGV采用舵轮或者差速轮模型而言,四轮驱动的运动模型更加复杂,控制系统更加复杂。

截图来自纪录片超级工程-中国港纪录片AGV底部
图片截图来自纪录片超级工程-中国港

洋山港码头的AGV在导航定位方面,采用已被AGV行业广泛的磁钉定位导航,在整个洋山港四期工程中在地面共埋了了61483颗螺钉,这个一个非常大的工作量,在这里简单的描述一下磁钉导航的工作原理和性能特点:

  1. 工作原理:磁钉导航方式是通过磁导航传感器检测磁钉的磁信号来实现AGV的定位,相比于原来的磁条导航方式,磁钉导航将连续感应变成了间歇式感应,那么在磁钉与磁钉之间的就处于一种为精确定位的状态,此时可以依靠编码器数等里程计量传感器来计算位置,依靠陀螺等角度传感器来确定方向角,最后得到AGV的位姿信息。
  2. 性能特点:相比于其他定位方式,具有成本低,技术方案成熟;其抗干扰性,抗磨损能力都较强,针对室外下雨,外部环境变化大,复杂多样都具有相对较强的稳定性,而且由于埋在地下,所以相对美观;当然,磁钉当然也存在一些缺点,由于磁信号的稳定性对于实现定位至关重要,所以在这样的场所中不能进行磁场的干扰,在AGV运行的路径上面不允许有消磁等影响磁钉磁性的设备,同时由于埋在地下,不易更改,无法快速部署,即一次铺设,如果后续更改需要二次作业。针对港口的特点,由于其泊位固定,堆场固定,使用场景固定的情形,选择使用磁钉导航是一种优选。

洋山港在整个试运行系统中共包含了130台AGV,如何使这130台AGV协同工作,共同发挥出最优的效率,这就是整个系统的大脑,AGV调度系统。接下来简单介绍一下调度系统。在洋山港码头的控制系统主要包含了全自动话码头智能生产管理控制系统(TOS)与设备管理系统(ECS),称为洋山港的“大脑”和“神经”,怎么来理解这两套系统呢,在洋山港自动化码头核心任务就是实现前面提到的一些任务,那么怎么来完成上面的任务呢,就需要有一个大脑来控制所有的设备,要控制这些设备,必然需要明白当前这些的状态是如何的,也就是构成了大脑和神经的关系,那么涉及到具体的任务为:生产任务计划控制、设备的远程操控以及设备监控,对于码头的作业任务而言,可以假定为前面提到的一些生产任务,出口箱作业,进口箱作业以及中转箱作业,我们可以通过一个箱子的流程来反观整个系统是如何运行的,TOS依据箱子的最终目的地,通过ECS感知当前箱的目前位置与状态以及它的目标位置与状态,然后通过TOS下发任务控制到设备端,设备端作为执行端,实现目标的位置的变换与改变。那么作为AGV的调度系统和设备管理系统都是TOS和ECS的子系统。

AGV调度子系统接收到TOS的运输任务时,调度系统根据AGV的位置信息根据一些算法计算出最优的AGV,AGV接收到控制系统的任务以后,调度系统会根据当前所有的AGV状态,规划出一条系统最优的路径,AGV接收到运动信息以后,使AGV到达目的地点,完成相应的生产任务。可以知道的是,单机并不具备自然导航,自主导航的功能,其运动路径并非单机规划,而由调度系统完成任务调度与路径规划,单机仅作为执行机构,所以单机的路径可能不是最优,而是整个AGV运输控制系统最优。




好了,大概总算写完了,写了好几天。很多东西没有深入展开介绍,后面有时间会对其中一些具体的技术展开一些介绍,比如AGV的系统结构,导航定位系统,调度系统等。

作为行业小白,希望能尽微博之力,让大家更加了解这个世界。

编辑于 2017-12-26