自动化集装箱码头水平运输系统安全保护设计

唐立辉+王伟+朱林+张常江

自动化集装箱码头有别于传统集装箱码头的主要特征之一是码头岸边与堆场间水平运输实现全自动化。目前，国外已建成的自动化集装箱码头主要采用自动引导车（automated guided vehicle，AGV）作为水平运输设备（见图1）。AGV车队规模庞大，且与岸边及自动化堆场系统交互频繁；因此，要求AGV具有智能化的避碰保护功能。为保障AGV车队正常作业，避免碰撞，应用设备控制系统（equipment control system， ECS）交通控制逻辑算法、单机自动化层面的激光防撞系统以及底层机械电气保护系统，实现AGV多系统融合与多层级避碰，确保AGV安全、高效运行。

1 ECS层面避碰设计

作为自动化集装箱码头装卸设备的核心控制系统，ECS的主要功能是接收码头操作系统的指令，自动规划AGV最优行驶路径，控制AGV执行装卸船及转场任务。通过ECS的交通控制逻辑算法模块实现AGV的路径规划及避碰，是AGV避碰保护策略最重要也是最根本的一环。ECS交通控制逻辑算法根据AGV的当前位置和目标位置以及作业车队内其他AGV的任务及位置情况，自动生成避开其他AGV的到达目标位置的最优路径；同时，在AGV运行前，系统自动生成到达目标位置的预申领路径，并根据AGV的速度、运行指令方式等生成锁闭区伴随AGV运行，确保AGV运行过程中的锁闭区不被其他AGV侵占，从而从系统层面防止AGV在运行过程中与其他AGV相撞。在一些特殊情况下，例如，当AGV发生故障，导致其在ECS内离线而无法确定当前车辆位置时，ECS通过暂停整个车队或自动在故障AGV周围生成禁行区来确保车辆安全。对于非作业AGV，只要该AGV已经加入车队，ECS就会在其周围自动生成锁闭区。该锁闭区的范围比AGV本身的轮廓略大，相当于给AGV施加了“金钟罩”。

此外，ECS可以根据生产及维修情况，临时为AGV运行场地划定禁行区，使其他车辆在远程自动控制模式下无法进入禁行区，从而避免禁行区外的AGV与禁行区内的AGV或人员相撞。ECS通过无线通信系统对AGV车队下发指令。在无线通信系统出现异常的情况下，ECS可以控制整个车队暂停。

2 单机自动化层面避碰设计

单机自动化导航控制系统是AGV系统中最重要的部分，AGV的定位及自动导航运行均通过该系统实现。单机自动化层面的避碰策略分为AGV导航控制保护策略和激光防撞系统保护策略。从原理上来讲，该层面的避碰策略也属于系统层面的保护策略。

单机自动化导航控制系统是AGV自动控制系统的核心。根据导航控制算法及AGV运行场地的磁钉布置情况，若连续n个磁钉未被AGV导航定位天线探测到，则触发AGV减速；若连续n+1个磁钉未被AGV导航定位天线探测到，则触发AGV紧急停车。可见，在导航定位天线或磁钉出现问题的情况下，单机自动化导航控制系统可以控制AGV不偏离预定轨迹，从而避免AGV相撞。在导航定位天线和磁钉都正常的情况下：若AGV在直行或转弯时的行驶路径偏差超过容许范围，则触发AGV减速；若AGV在没有及时纠偏且路径偏差超限的情况下行驶超过系统程序设定的容许距离，则触发AGV紧急停车。当导航定位天线、惯性测量单元传感器等导航系统部件与导航控制器的通信中断或出现异常情况时，系统程序通过触发紧急停车保护的方式避免AGV失去控制。

AGV前后均装有采用激光探测和测量技术的激光防撞系统。该系统集激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元和差分定位技术于一体，其基本原理是：传感器发射的激光束经空气传播到物体表面，并经物体表面反射；反射能量被传感器接收并记录为电信号；精确记录传感器发射激光束的时间和接收时间，并据此计算传感器至物体表面的距离。传感器至物体表面的距离

r=ct/2

式中：c为光速；t为传感器发射激光束的时间与接收时间的差。

激光防撞系统可根据AGV的行驶路径，通过程序编写或调试工具设置相应的保护区域。当有物体进入保护区域时，激光测距单元可以计算出障碍物至传感器的距离，进而触发系统发出减速、自由停车、紧急停车等避碰指令。根据AGV的运行路径及交互工况，设计有直行保护、斜行保护、转弯保护、支架保护等4种避碰保护方案。

3 机械电气层面避碰设计

机械电气层面避碰保护措施是AGV安全保护设计的最后一环。当系统层面的保护措施失效时，机械电气层面的避碰设计能够避免AGV相撞或将碰撞造成的损害降到最小。机械电气层面避碰系统由保险杠、防爆胎支撑、顶升平台超声波传感器及本地模式下的激光保护区等组成。

AGV的车头和车尾均装有保险杠。若AGV失控与障碍物发生碰撞，则触发限位，通过带弹簧的伸缩机构促使AGV紧停，从而减轻设备受损程度。

顶升平台上安装的超声波传感器能够在頂升平台顶升到位后的行进过程中检测支架上是否有集装箱，从而避免因系统提供的支架带箱信息错误而导致AGV上的集装箱与支架上的集装箱碰撞。

当AGV在本地操作模式下运行时，电控系统通过调用激光防撞器，在车头和车尾形成一定范围的安全保护区。当AGV与其前方的障碍物距离小于设定距离时，AGV无法前进或触发紧停，从而避免AGV在人工遥控操作的情况下与其行进方向的障碍物相撞。

4 结束语

自动化集装箱码头水平运输系统通过集成ECS交通控制逻辑算法、单机自动化导航控制系统、机械电气避碰系统等三级安全保护设计，实现AGV从单机至系统层面的避碰安全防护，确保AGV安全、高效作业。endprint