AGV是英文Automatic Guided Vehicle的縮寫，中文名稱為自動導引車輛，即運輸的車輛由激光或雷達等方式導航，車輛的行走路徑的規劃和變更由程序和圖形設置，實現完全地無人駕駛。這樣，它把作業區的車輛變成了高度自動化和柔性化的生產線的一部分，目前已在世界各工業領域有著廣泛地應用，本文著重介紹AGV技術在港口運輸領域對效率和成本帶來的激動人心的變化。
由于國際貿易的全球化和快速增長，許多集裝箱碼頭都在嘗試提高性能以跟上需求的增加。 集裝箱的運輸量正在持續增長，眾多碼頭都出現了擁塞和處理能力不足的問題。 集裝箱碼頭的管理人員面臨著巨大的壓力，他們需要找到更加高效的集裝箱處理方法，并提高碼頭的處理能力。 所提出的一種技術就是在碼頭的集裝箱的搬運中使用帶有自動導引車 (AGV) 或人員操縱集裝箱承運工具 Translifter的載貨架。
AGV 的使用并不是最近才出現的。 第一個 AGV 系統是在 1955 年為了水平輸送材料而推出的，而 AGV 首次用于輸送集裝箱是在 1993 年在阿姆斯特丹的 Delta/Sea-Land 集裝箱碼頭中進行的。 隨后，人們對將 AGV 和集裝箱碼頭結合在一起而進行了大量研究。 在兩個歐盟資助的項目（IPSI 和 INTEGRATION，即“改善港口船只接口”和“海洋陸地技術的綜合”）之后，開發出了使用載貨架和 AGV 的優化集裝箱搬運系統，最近又在位于美國弗吉尼亞州樸次茅斯市的 APM Terminals 公司新的東海岸運輸中心實施了它的人工型號（參見圖 1 中的照片；照片中顯示了一個 集裝箱承運工具 Translifter，上面有數層載貨架，可運輸一到四個 TEU 的貨物）。
圖 1 與一個常見碼頭牽引車合并在一起的 Translifter 的照片
載貨架為鋼制平臺，它們能夠與可在上面安放集裝箱以進行運輸的 AGV 分開。 集裝箱可以雙層疊放，這樣就可以運輸 2 個 40 英尺集裝箱或 4 個 20 英尺集裝箱。 這種情況是可能的，因為載貨架能夠搬運 80 噸的貨物（在鋼鐵工業中，使用過輸送 120 噸貨物的型號）。 使用載貨架的一個優點是，它們能夠充當一個“浮動的”緩沖器，因為可以在不連接載貨架自動導引車 (C-AGV) 或 Translifter（用于人工操作的設備）的情況下，在它的上面放置集裝箱。 這樣，這種分離操作使得 C-AGV 可更加富有效率。
為了評估和測試這種新的技術，一個全球集裝箱運輸運營商與 TTS Port Equipment AB 公司聯系，并與一個第三方模擬技術公司 TBA Nederland 展開合作以對四種水平輸送系統進行比較，這四種系統為： 載貨架自動導引車 (C-AGV)、常規自動導引車 (AGV)、往返式載貨車 (Shc) 和自動往返式載貨車 (AShc).
在所研究的問題中，區分了船只在 24 小時時間內到達碼頭并卸載和裝載 2000 個集裝箱的兩種情況。 第一種情況如圖 2 所示，它包括 6 個碼頭起重機 (QC)，它們以 45 個起重循環/小時 (ccph) 的速度來工作。 循環時間為 80 秒，從而工作速度可到達 297 箱-移動/小時，36 個 RMG（可實現自動化的軌道式集裝箱門式起重機）被分配給 18 個 RMG 模塊。
圖 2 包含 6 個碼頭起重機 (QC) 的情況
在第二種情況中（如圖 3 所示），共有 10 個碼頭起重機 (QC)，平均工作速度為 45ccph。 循環時間也是 80 秒，從而工作速度達到 495 箱-移動/小時，60 個 RMG 被分配給 30 個 RMG 模塊。
圖 3 包含 6 個碼頭起重機 (QC) 的情況
在這兩種模擬中，在起重循環內進行扭轉鎖定搬運；20% 的集裝箱得以成對提升，所有車輛可進行雙倍攜載（從而得到 11% 的雙提升循環）。 施加了一個相對較低的岸側負荷 (166 bx/h)，以避免這種負荷成為一個瓶頸問題，并更多地集中于對水平輸送系統進行比較。 碼頭起重機 (QC) 后部的后伸距區域在循環時間上具有 10 秒的損失。 RMG 模塊被配置為 60 TEU 長、8 TEU 寬和 5 TEU 高，裝箱率為 80%。 并且，在碼頭專家的幫助下，還在交通方面配置了一些轉移點和高速通道。 設計和實施的交通規則為：
• AGV 型有 4 個水邊 RMG 轉移點 (TP)
• C-AGV 型有 5 個水邊 RMG 轉移點 (TP)
• ShC 型有 5x4 個 TEU TP 地面箱位
• AShC 型有 5x2 個 TEU TP 地面箱位
• 4 條 ShC 高速通道
• 4 條 AGV/AShC/CAGV 高速通道
圖 4 中是針對 C-AGV 所考慮的交通假設的一個例子，其中，C-AGV 可以在 QC 下面雙方向進入或離開。 請務必注意，C-AGV 是自由移動的，在道路上沒有標記固定路線。 C-AGV 上沒有安裝收發器，而是采用了由 Danaher Motion 公司所開發的最新技術，該技術已在 1000 多個應用中成功實施；導航是基于微型雷達和激光進行的。 導航系統可幫助 C-AGV 執行各種各樣的移動動作，如蟹行和雙方向移動。 C-AGV 可以保留在載貨架上，或將載貨架拾取以到達可使用的 QC。 兩種 QC 配置的每個 QC 使用了四個 TP（轉移點，即將集裝箱在設備之間進行互換的區域）。 這些 QC 的 TP 之間無法通行。 這樣做是為了保持作業中所有 QC 之間的平衡。 針對每個水平輸送系統還進行了附加交通假設，以便在模擬中進行比較。
圖 4 C-AGV 的交通假設示例
由碼頭專家針對各種水平設備所定義的附加輸入值為： 最大直線速度、轉彎速度、加速度和減速度、互換時間、定位時間等。 在模擬模型中所考慮的一些 RMG 值為： 臺架速度、加速度、減速度、小車速度、小車加速度和減速度、吊具速度、吊具加速度和減速度及交換時間。 圖 5 中的圖形顯示了使用 6 個 QC 的第一種情況模擬結果的平均值，該模擬是為了找出保持 QC 以 42 箱-移動/小時的速度工作所需的總車輛數。 常規 AGV 的結果表明，需要使用 42 輛車；而對于 C-AGV，需要使用 24 輛車。 AShc 的結果與 C-AGV 的結果相似，需要 24 輛車。 最后，人員操縱往返式載貨車 (Shc) 需要使用 18 輛車。
圖 5 使用 6 個 QC 的第一種情況的模擬結果
用于分析 C-AGV 和 AGV 的附加模擬實驗
還有一些其他問題，例如對各種水平輸送系統的運行成本進行比較，并選擇 AGV 的分派方法。 為了分析這些問題，建立了一個模擬模型。 該系統模型模擬了一個自動化集裝箱碼頭，對為一艘船服務的 C-AGV 和 AGV 進行了比較。 我們集中于對涉及 QC 和 AGV 的操作進行建模，它們負責將集裝箱或載貨架上的集裝箱在碼頭和貨堆之間轉移。 執行一個輸送移動所需的時間（包括不帶集裝箱的返回以及裝載和卸載的時間）稱為“AGV 循環時間”。 貨堆位于堆場中的不同區域，因此與 QC 的距離各不相同，從而需要不同的輸送時間。 我們是通過讓每次輸送都具有一個隨機的 AGV 循環時間來建立此模型的。 我們還考慮到通過 QC 從船上卸載集裝箱和將集裝箱裝載到船上所需的時間（稱為集裝箱搬運時間）。
表 2 中列出了兩種 AGV 系統的技術規格。
表 2： AGV 系統的技術規格
用于對系統進行評估和比較的性能標準：
• 服務時間： 完成船只的裝貨/卸貨所需的時間，在航運業中也稱為“周轉時間”(turn-around time)。
• 利用率： 到達時間/服務時間（到達時間 + 空閑時間）。服務時間是一臺集裝箱碼頭設備投入工作的時間（例如將集裝箱從 QC 移動到貨堆上），而空閑時間是該設備不工作的時間。 記錄下以下集裝箱碼頭設備的利用率： QC、AGV 和載貨架。
• 吞吐量： 以下設備的服務時間內所處理的平均集裝箱數： QC、AGV 和載貨架。
• 總成本： 為一艘船服務的設備的成本以下列方式計算（OPEX = 單位集裝箱碼頭設備的運行成本）：
– QC 成本： QC 數 x QC 的 OPEX x 服務時間。
– AGV 成本： AGV 數 x AGV 的 OPEX x 服務時間。
– 載貨架成本： 載貨架數 x 載貨架的 OPEX x 服務時間。
– 總成本： QC 成本 +AGV 成本 + 載貨架成本
實際情況設置基于由工業伙伴所提供的數據。 來自模擬的結果基于平均值，它們需要進行一定數量的模擬試驗以獲得有效評估。 模擬中使用的循環時間是從以前的分析確定的，在以前的分析中，對貨堆距離和 AGV 的最大速度進行了測試。 我們使用一種近似方法計算出，100 次運行就足夠了。 在模擬實驗中，我們使用表 3 中的設置以為一艘船服務。
表 3： 在模擬器中針對一艘船使用的實驗設置
使用的是一艘“平均船只”，要從它上面卸載或向上面裝載 493 個集裝箱。 從運營商提供的信息可知，服務于船只的 QC 數為 3 個。 AGV 具有 3 到 5 分鐘之間的隨機行進循環時間。 C-AGV 的循環時間包括提升載貨架、將它從一個 QC 輸送到一個貨堆、分離載貨架然后帶著空載貨架返回到 QC 的時間（或反方向的循環時間）。 AGV 循環時間與 C-AGV 相似，但沒有提升時間和輸送載貨架的時間。
所進行的實驗是為了對為 3 個 QC 服務的碼頭資源的各種組合進行評估。 船只服務時間結果表明，當 3 個或更多 C-AGV 中的每個帶有兩個或更多載貨架而工作時，服務時間接近于它的最小值，QC 的能力成為瓶頸。 當被分配一個載貨架時，AGV 系統的船只服務時間結果與 C-AGV 相似。 當兩個或更多 C-AGV 被分配有兩個或更多載貨架時，平均船只服務時間似乎要短一些（5.13 小時）。 在使用 5 個載貨架和 4 或 5 個 C-AGV 時，船只服務時間最短，為 4.10 小時。 在使用 5 個載貨架時再使用一個附加的 C-AGV 似乎不會影響船只服務時間。
載貨架和 AGV 數量的增加為輸送集裝箱增加了額外能力。 載貨架所提供的額外能力可使 C-AGV 將一個載貨架上數目在 1-4 TEU 之間的集裝箱負荷分離，并去拾取另外一個載貨架。 這種操作可幫助縮短 QC 的空閑時間，使它們更加有效率。 這樣，從上面的結果可以得出結論，引入一定數目的 C-AGV 和載貨架是十分有用的，它們保持了整個模擬實驗中的起重機生產效率。 由于起重機的運行成本高于 AGV 的運行成本，因此這些結果可幫助集裝箱碼頭管理人員來決定將多少起重機、C-AGV 或 AGV 及載貨架分配給一艘船只。
表 4 中提供了使用三種類型集裝箱碼頭設備的總運行成本。 在下面的計算中所假設的每小時運行成本包括折舊、維護、勞動力和燃料成本：
• QC： 130 美元/小時
• AGV： 6 美元/小時
• C-AGV： 8.5 美元/小時
• 載貨架： 0.07 美元/小時
表 4： 碼頭設備總運行成本（以美元為單位）
隨著更多 AGV 的使用，兩種 AGV 系統的運行成本將會增加。 但是，隨著在每個 C-AGV 上部署更多的載貨架，C-AGV 的運行成本將會降低。 這里存在著一個折衷，即附加的載貨架會增加與載貨架相關的運行成本，因此需要考慮總的成本。
表 5：為一艘船只服務的總運行成本（美元）
在表 5 中的總運行成本比較中，AGV 和載貨架的添加會使成本降低，直到使用 3 個 C-AGV 和 3 個載貨架時。 再另外添加設備，總成本就會增加，即所贏得的時間不會補償產生的額外成本。 在所研究的情況中，對集裝箱碼頭設備進行分配的一個可能選擇是使用 3 個 C-AGV，每個 C-AGV 帶有 3 個載貨架。
小結
基于載貨架的系統 (C-AGV) 具有一些優點，因為它為集裝箱碼頭管理人員提供了保持碼頭起重機 (QC) 持續卸貨/裝貨而不必等待輸送設備可以利用的一種適宜方法。 QC 的等待時間變短，因此它們獲得了更高的利用率。 來自原型 C-AGV 模擬器的初步結果提供了一些有趣的觀察結果，它們對于確定分配給一艘船只以提供服務的設備數目十分有用。 所進行的模擬實驗還指出，在服務時間與購買和運行設備的成本之間存在著一種折衷。
