广州港南沙港区四期工程岸桥与智能导引车自动装卸交互方案应用

黄炳林 刘政刚

我国已经建成投产的全自动化集装箱码头岸边装卸作业大多采用自动化双小车岸桥和轨后装卸模式，水平运输作业采用基于磁钉导航定位技术的自动导引车;而广州港南沙港区四期工程（以下简称“四期工程”）建成的全自动化集装箱码头岸边装卸作业采用自动化单小车岸桥和轨内装卸模式，水平运输作业采用基于卫星导航定位、激光导航定位、视觉导航定位、惯性导航定位等融合导航定位技术的智能导引车（intelligent guided vehicle，IGV）。鉴于此，我国已建成的全自动化集装箱码头的岸桥与水平运输机械交互方案无法应用于四期工程，必须另行设计适用于四期工程的岸桥与IGV自动装卸交互方案。

1 IGV自动导航定位存在的问题

四期工程IGV采用卫星导航定位、激光导航定位、视觉导航定位和惯性导航定位等融合导航定位技术，装备多种安全保护机构和辅助机构，能够在相对封闭的港区内沿规划路径自动行驶。集多种导航定位技术于一体的融合导航定位精度满足岸桥与IGV自动装卸交互要求，但某些特殊情况可能会影响IGV定位精度，主要包括：（1）当多台岸桥并排作业时，卫星定位信号减弱，从而影响卫星导航定位精度;（2）激光导航定位利用岸桥下方物理围网立柱作为激光定位杆，当多台IGV带箱在岸桥下方并行时，激光定位杆可能会被IGV遮挡，从而影响激光导航定位精度;（3）地面积水或定位标志污损可能导致系统无法识别地面视觉定位标志，从而影响视觉导航定位精度。当多种导航定位系统同时失效时，导航定位精度无法满足岸桥与IGV自动装卸交互要求，需要采取其他辅助技术手段。

2 四期工程岸桥与IGV自动装卸交互主要系统

四期工程岸桥与IGV自动装卸交互主要系统包括岸桥大车定位系统、岸桥小车定位系统、岸桥吊具检测系统和水平运输导航定位系统等（见图1）。

2.1 岸桥大车定位系统

在岸桥陆侧大车上安装磁钉天线，并沿岸桥陆侧轨道方向铺设磁钉，通过磁钉位置信息获取岸桥大车位置，从而获取岸桥与IGV交互的目标位置。

2.2 岸橋小车定位系统

在岸桥小车架上安装磁尺式天线，并沿岸桥小车轨道方向布设磁钉。当岸桥小车运行时，通过天线获取的磁钉位置信息确定小车位置，并根据设备控制系统选定的IGV在岸桥轨内的作业车道调整小车目标位置。

2.3 岸桥吊具检测系统

岸桥吊具检测系统用于检测岸桥吊具位置。在岸桥小车架上安装1台近红外相机，并在吊具上安装3套光源设备，利用吊具检测系统工控机处理数据，计算吊具空间位置和姿态，从而获取吊具位置信息。

2.4 水平运输导航定位系统

2.4.1 系统布置

传统集装箱码头水平运输导航定位系统主要用于人工驾驶集卡导航定位;而四期工程采用无人驾驶IGV，加之岸桥轨内车道布置也有别于传统集装箱码头，因而需要配备相适应的水平运输导航定位系统。四期工程水平运输导航定位系统用于引导IGV在岸桥下精准停车，扫描IGV或IGV上的集装箱位置，便于岸桥对IGV实施集装箱装卸作业，从而缩短岸桥下IGV装卸时间，提高装卸效率。如图2所示，四期工程岸桥轨内布置7条车道，其中：海侧第1条车道为工作通道，海侧第2～7条车道为IGV作业和行车车道;第1条车道与第2条车道之间设置物理围网，用于隔离自动化设备与非自动化设备。为了确保水平运输导航定位系统的覆盖范围和IGV导航定位的准确性，在岸桥每条联系梁上各安装2套三维激光扫描器，组成2套水平运输导航定位系统，用于第2～7条车道IGV导航定位。

2.4.2 系统与IGV通信

传统集卡由司机驾驶操作;而IGV为无人驾驶设备，需要解决水平运输导航定位系统与IGV通信问题。为此，对比研究以下2种通信方案：方案一采用系统层面通信模式，相应通信流程见图3;方案二采用超宽带通信模式，相应通信流程见图4。超宽带通信模式的实现方式如下：在岸桥左右联系梁上各安装1个超宽带信号发射模块，并接入水平运输导航定位系统;在每台IGV前后各安装1个超宽带信号接收模块;超宽带通信模块的有效通信距离大于，信号发送时间间隔约为2 ms。经测试：系统层面通信模式延时较长，不满足使用要求;超宽带通信模式延时较短，满足使用要求。鉴于此，四期工程选择超宽带通信模式作为水平运输导航定位系统与IGV通信模式。

3 四期工程岸桥与IGV自动装卸交互方案

3.1 确认岸桥作业位置

将靠泊船舶信息录入码头操作系统。通过岸桥大车定位系统获取大车位置，远程控制岸桥大车行走至作业贝位。岸桥大车到达作业贝位的合适位置后，在操作界面实施确认操作，并将相关信息发送至设备控制系统、岸桥管理系统和岸桥自动控制系统。

3.2 IGV运行至交互岸桥下方目标位置

（1）IGV向交互岸桥方向运行。在码头操作系统中确认需要与岸桥交互的IGV及其行车和作业车道，将相关信息发送至设备控制系统。设备控制系统发送信息至车队管理系统，车队管理系统控制IGV自动运行至岸桥下方距离岸桥25 m左右位置并减速。此时，IGV利用卫星导航定位、激光导航定位、视觉导航定位、惯性导航定位中的1种或多种定位技术实现粗略定位。

（2）IGV在交互岸桥下方目标位置精准停车。IGV利用卫星导航定位、激光导航定位、视觉导航定位中的任意2种定位技术实施定位，停车精度达到50 mm。特殊情况下，IGV也可利用卫星导航定位、激光导航定位、视觉导航定位中的1种定位技术或惯性导航定位技术实施定位，向交互岸桥下方目标位置靠近。IGV驶入对应作业岸桥水平运输导航定位系统有效扫描范围后，水平运输导航定位系统将扫描获取的IGV和集装箱信息以及岸桥大车行走方向IGV停车位置与目标位置的差值（见图5）发送至超宽带通信模块;超宽带通信模块向有效信号范围内的所有IGV发送相关信号;IGV自动驾驶系统接收相关信号后，通过可编程逻辑控制器控制IGV行走或停车。随着水平运输导航定位系统不断扫描并将IGV位置与目标位置的差值发送至IGV自动驾驶系统，自动驾驶系统不断调整IGV行车路径并控制IGV减速。当差值接近50 cm时，IGV速度减至最慢。现场实测结果显示：受轮胎磨损情况、IGV载箱状态以及水平运输导航定位系统扫描精度和处理延时等因素的影响，定位偏差在35 mm内。当差值小于15 mm时，IGV执行制动停车命令，从而确保IGV在岸桥大车运行方向的停车位置与目标位置的差值不超过50 mm。

3.3 岸桥与IGV自动装卸交互

3.3.1 装箱交互

IGV上装有导板，导板斜面沿岸桥大车运行方向和小车运行方向的垂直投影长140 mm。只要IGV在岸桥大车运行方向偏离目标位置不超过140 mm，岸桥吊具均可将集装箱放到IGV上，从而覆盖IGV停车精度。IGV在岸桥下装箱对应的船舶工艺为卸船作业。IGV空载运行至岸桥下的目标位置后，岸桥自动控制系统接收来自IGV导航定位系统或水平运输导航定位系统（仅限当IGV导航定位系统不满足定位要求时）的IGV空车位置信号，并确认将集装箱装到IGV上的某个位置。岸桥先从船上抓取集装箱，再通过吊具检测系统检测吊具位置，自动调整吊具将集装箱放至系统设定的IGV上，从而实现岸桥与IGV自动装箱交互。

3.3.2 卸箱交互

岸桥吊具导板喇叭口直径约为150 mm，导板能使吊具位移150 mm，可以实现IGV沿岸桥大车运行方向偏离目标位置75 mm以内岸桥吊具对IGV上集装箱的抓取，从而覆盖IGV停车精度。IGV在岸桥下卸箱对应的船舶工艺为装船作业。IGV带箱运行至岸桥下的目标位置后，岸桥自动控制系统接收来自IGV导航定位系统或水平运输导航定位系统（仅限当IGV导航定位系统不满足定位要求时）的IGV上集装箱位置信息，通过吊具检测系统检测吊具位置，自动调整吊具与集装箱的相对位置，控制吊具抓取IGV上的集装箱;抓取集装箱后，岸桥自动控制系统控制吊具带箱起升，完成IGV卸箱;集装箱起升到一定高度后，IGV驶离岸桥下，完成岸桥与IGV自动卸箱交互。

4 结束语

四期工程采用自动化单小车岸桥实现与IGV自动装卸交互，大大降低设备投入成本和土建工程成本。我国传统集装箱码头大多使用单小车岸桥，在对传统集装箱码头实施岸桥与IGV自动装卸交互升级改造时，无须改造码头轨道梁基础，从而可大大节约投资成本，缩短改造工期。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2022-04-28）