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1、内河港口与码头间的自动化集装箱运输系统摘要由于全球集装箱贸易的快速增长，每一个主要港口都处于满足预测容量需求的压力中。港口稀缺的土地在很多大都会地区使得所有通过扩展码头地区来增加容量的可能变得很困难。为提高容量和满足对集装箱存储区和码头容量快速增长的需求，最终的替代方案一直在寻求中。在这项研究中，我们提出一个新的概念“在内河港口和码头间的自动化货物运输系统”（ACTIPOT），这涉及到使用自动卡车将集装箱从一个内陆港口转移到码头。内陆港口距离码头可以几英里或更远，那里可以在分给客户或转移到码头装卸之前提供低成本的土地来存放和处理进出口集装箱。在这个报告中，我们设计分析仿真和测试了ACTIPOT
2、系统的不同组件，重点在对自动化卡车横向和纵向的控制及在码头与内陆港口间集装箱的所有作业和同步转移采用专用货车通道的整个上位机控制器。我们使用卡车队以便使整个系统的控制更容易处理和理解，从而减小死锁、阻塞和失败的可能性。仿真用于说明各子系统运行在一个令人满意的方式。规模较大的微观仿真用于验证ACTIPOT系统的整体性能。在ACTIPOT系统中，距离及其他变量的选择是根据都位于长滩地区作为内河港口的ICTF设施和码头G决定的。1. 引言近几年，全球集装箱贸易一直以每年9%的速度增长，相应地美国的增长速度约为6%。到2010年，预计将有90%的班轮运输采用集装箱。因此，每个主要的港口的集装箱预计到2
3、020年翻一倍甚至三倍。为了保持竞争力，都市地区的海洋集装箱码头必须满足存储和处理容量不断增长的需求。那些港口，例如洛杉矶/长滩，处理近三分之一的美国国外集装箱运输量，承担着满足容量不断增长的需求的巨大压力，以便保持竞争性和避免拥挤在码头和相邻的区域。一个可行的减小在码头增加存储容量的压力的方法是使用内陆港口，它将在货物进行进出口处理之前作为一个中间存储区域。这样一个内陆港口可以非常有效地自动完成所有这些任务，包括处理、调度、存储和内陆港口与集装箱码头间的转移。这样一个自动系统的重要一部分是采用自动化卡车得集装箱运输。自动化卡车在货物运输中的使用具有以下优势：自动化和一致性的集装箱装卸作业方式
4、高集装箱吞吐量连续操作:一天24小时,一年365天降低运营成本,特别是劳动力成本高度可控性和可靠性高安全标准近几年里，一些研究已经实现了在货物运输中采用自动化卡车的可行性。伊洛瓦底江三角洲在鹿特丹的港口已经运行了自动化卡车，简称自助指导车辆（AGVs），为码头运输集装箱，同时，新加坡、泰晤士、汉堡、川崎及高雄的港口也正在试验类似的系统。伊洛瓦底江三角洲在鹿特丹的港口，一个中央控制器指示所有自助指导车辆去哪接受新任务。每个自助指导车辆的载重为14吨，运行一个柴油液压传动系统可以装载40吨负荷。自助指导车辆以680公理/时的速度无噪声地移动，遵循位于地面下6.46英尺间隔的转发器的指导。Figur
5、e 1. The Delta Port Container Terminal at Rotterdam 在码头内，距离相对较短，交通相对拥挤，因此自动化卡车以低速运行。传感、控制和导航的问题比高速时更容易。但是，如果自动化卡车被要求在码头和内陆港口间运输货物，一般几英里远时，还是期望以相对高的速度运行，这将使车辆控制问题具挑战性。在荷兰运输技术的中心，1994年研究了一种集装箱运输系统，称为“Combi-Road”。每个集装箱通过一个自动化卡车装载，如图2的左边。卡车是电动的，沿着专门设计的通道行驶。这个计划是为了建立一个大型的能提供集装箱不拥堵的最大距离为200千米最高速度在50千米/小时的
6、运输系统。一个原型车在一个200米长的测试通道已经被成功测试。Figure 2.Combi-Road最近，在卡车自动化地区很多研究工作，自动化公路系统、智能交通系统已经完成。例如戴姆勒-克莱斯勒公司已经为重型车辆开发的车辆自动跟随控制系统，如“电子牵引杆”系统。其他的包括Eaton-VORAD船舶避碰决策系统允许卡车当在交通流维护安全时间进展时执行自动车辆跟随。横向控制器如迅速适应横向位置处理器用于沿着蜿蜒的道路驾驶公共汽车/卡车和换车道来超过慢车。在美国，大量的研究成果正在研究部署在高速公路上的自动化卡车，作为车队或自主车辆操作混合交通。合作伙伴为先进交通和高速公路关于卡车的自动化已经有了一
7、些研究成果。大量不同的纵向控制器，被用线性或非线性间距政策提出和测试过，允许车辆在纵向方向上自动跟随。控制策略能满足个体稳定性和一车队卡车的稳定性已被证明。在重型卡车的横向控制的案例中，经典环形、H环形和滑模结构控制方法已通过实验测试和证明。尽管卡车自动化地区过去和最近的各项活动，目前仍然没有采用较高速度的完全自动化卡车系统。纵向和横向发展的控制规则非常稳定，充分利用现有的传感器和通信技术仍处于初级阶段。在这个项目中，我们研究一个在内陆港口和码头间的自动货物运输系统，它采用完全自动化得卡车在内陆港口和码头间运输货物。自从我们的方法集中部署这可能会导致自动化卡车在一个受控而人类安全不成问题的环境
8、中的发展上，这可能会导致第一次实现全自动化卡车的高速行驶。我们的方法通过自动化卡车携带将会有很高的负荷变化，集装箱可以是空的或装载的，卡车可以简单的携带底盘用自己的方法选择一个集装箱。控制规则应该是这样的，他们在所有可能的负荷变化范围内，提供一个合理的反应，并且能够在不牺牲性能和可靠性的情况下处理这种变化。我们的方法中，卡车将不运送旅客或司机。像驾驶舒适性及自动和手动模式之间转换的人为因素等问题，在目前的系统如可变巡航控制和自动化公路系统中将不适用。在提出的ACTIPOT系统中自动化卡车的使用没有人为因素和使自动化车辆的发展成为未来幻想责任问题。ACTIPOT系统中，自动化卡车将在一个没有人参
9、加的可控环境中操作。因此，卡车自动化是可行的，并且将在ACTIPOT提供的环境中被接受，它合理的设计和优势将被确立。2. 在内河港口和码头间的自动化货物运输（ACTIPOT）系统Figure 3. Automated trucks on dedicated lanes between an inland port and a container terminal.图3所示是ACTIPOT系统的视觉框图。自动卡车正在内陆港口与码头之间运输集装箱。这些卡车是自动行驶在一条几英里长的专门通道上。卡车通道可以是一直专门给自动化卡车用也可以间隔给它们用，其余时间可以给手动车辆使用。ACTIPOT系统中采
10、用的自动化卡车可以被分配很多任务，如从内陆港口运输集装箱，加入车队，加快到所需的速度和在路上巡航，在进入集装箱码头时减速，将自己停在码头起重机下准备卸货，然后装载进口集装箱并返回内陆港口，反之亦然。路上的传感器结合车载卡车传感器，提供适当的测量数据给车载纵向和横向的控制系统以便保持卡车在通道中间，卡车要求的速度以及为装卸货物而停止。该研究的重点是开发这些卡车考虑给出的应用的操作特点并且设计出提供纵向和横向控制系统的全自动功能。仿真用来说明每个单独的卡车在用发达的纵向和横向控制器时具有在自动模式或适当跟随前面卡车的功能。一个能命令和同步吊车和卡车的动作以便以高效、安全的方式完成工作任务的全面系统
11、控制器在设计和分析中。3. 设计考量如今最大的船是17集装箱宽,能承载超过8000标准箱。目前中型船（超过6000标准箱）的服务窗口时间期望为48小时。在ACTIPOT系统中我们考虑以下条件：(1).集装箱码头能为载重为8000标准箱的船服务。假设货船没24小时到达一次，也就是说服务时间应该严格限制在24小时或更少。在我们的设计中，我们再假设船装载进口集装箱量达到其容量的85%，应该装载同样数量的出口集装箱。装载85%的一艘船的周转时间被限制为20小时，一便系统能够在24小时内为任何船服务，甚至是船满载和一些意外发生时。(2). 所有的进口集装箱在被分配到不同目的地前将被运到内陆港口，并且所有
12、的出口货物在被运到集装箱码头前将被储存在内陆港口。所有的集装箱在ACTIPOT系统中都是40英尺单位类型。(3).一个码头起重机的最大物理容量在单一模式下运行时假定为50次移动每小时，在双模式下42次移动每小时。码头起重机最大容量的15%的变化时考虑到的，因为不确定性涉及到了码头起重机的运作。(4).在内陆港口一个起重机的最大物理容量单一模式时被假定为60次移动每小时。这个最大容量的15%的变化也被考虑了。(5).自动化卡车能够工作24小时每天。在本研究中，没有考虑加速和维护时间。4. 自动化卡车自动化卡车是带有扮演司机角色的自动化控制系统的卡车。它具有全自动功能，例如跟踪预期速度，跟随前面的
13、卡车，跟踪设定路线，绕过障碍物等等。这部分我研究用于ACTIPOT系统的动态卡车，并为卡车自动化设计在纵向和横向的控制器。Figure 4. The experiment HDV in PATH.图4是重型车辆用于实验的路线,这属于那些可以用于ACTIPOT系统的系列。它是一辆带有涡轮增压柴油发动机和自动变速器的半挂牵引车辆。有个所谓的“第五轮”用于连接牵引机和半挂车。在这个项目中我们考虑了这个模型并控制研究工作在自动化卡车的路线下进行。5. 动态卡车因为一辆自动化卡车期望跟踪理想的速度并遵循指定路径,所以最重要的输出就是纵向位置与速度还有在牵引机前轴后轴和拖车后轴的横向错误。机载控制器将产生
14、的输入是燃料、制动和转向的命令。鉴于人类驾驶，我们假定燃料和制动命令在同一时间不成问题。严格来说，一辆卡车的纵向和横向动态是耦合在一起的，也就是说纵向流速和横向错误同时都受燃料、制动和转向命令的影响。由于这种耦合，重型车辆的所有动态命令变得非常复杂和难以分析。但是在一些合理的假设中，我们可以把卡车模型解耦成纵向模型和横向模型。这些假设是：卡车只有在路是直的时(或者录得曲率很小时)才变换速度。卡车在路的曲率很大时维持一个恒定速度（或接近恒定的速度）行驶。通过设计控制系统是这两个假设有效，卡车的纵向速度就会受燃料和制动命令影响而横向错误只受转向命令影响。 Automated Container T
15、ransport System between Inland Port and Terminals ABSTRACT Due to the fast growing rate of the global container trade, every major port is under the pressure of meeting the projected capacity demand. The scarcity of land at ports in many Metropolitan areas makes it difficult if at all possible to im
16、prove capacity by expanding the terminal area. As a result alternative solutions have been sought for improving capacity and meeting the growing demand for container storage area and terminal capacity. In this study we propose a new concept called “Automated Cargo Transportation system between Inland Port and Terminals” (ACTIPOT) which involves the u
