我國岸邊集裝箱起重機技術(shù)發(fā)展回顧及展望

李明軒 耿衛(wèi)寧 宋海濤

在世界經(jīng)濟貿(mào)易一體化發(fā)展的背景下，集裝箱海運量大幅攀升，推動集裝箱船舶和集裝箱碼頭向大型化發(fā)展，碼頭裝卸設(shè)備升級換代的步伐也隨之加快。作為集裝箱碼頭的主要裝卸設(shè)備，岸邊集裝箱起重機（以下簡稱“岸橋”）的作業(yè)能力在很大程度上決定著集裝箱碼頭的作業(yè)能力。我國岸橋制造業(yè)經(jīng)歷從無到有、從小到大的發(fā)展階段后，當前面臨著如何通過轉(zhuǎn)型升級實現(xiàn)從大到強的課題。本文回顧我國岸橋技術(shù)發(fā)展歷史，介紹新一代岸橋的技術(shù)特征，并探討未來岸橋技術(shù)的發(fā)展方向。

1 我國岸橋技術(shù)發(fā)展回顧

我國岸橋制造業(yè)與集裝箱運輸業(yè)呈現(xiàn)同步發(fā)展態(tài)勢。從20世紀70年代第一代岸橋誕生到如今第五代岸橋面世，我國岸橋制造業(yè)經(jīng)歷了從無到有、從小到大的發(fā)展過程，目前占全球岸橋市場的份額超過80%，有力地促進了我國集裝箱運輸業(yè)的發(fā)展。

（1）第一代岸橋 我國岸橋制造業(yè)起步于1978年。第一代岸橋的主要技術(shù)參數(shù)如下：采用單小車單吊具和電動機組發(fā)電機，吊具額定載荷，起升高度18 m，前伸距28 m，每次只能起吊1個20英尺集裝箱或1個40英尺集裝箱，可接卸以下集裝箱船舶。受當時技術(shù)發(fā)展水平的限制，第一代岸橋雖然實現(xiàn)了從無到有的目標，但技術(shù)性能一般，且故障率較高。

（2）第二代岸橋 第二代岸橋的主要技術(shù)參數(shù)如下：采用單小車單吊具和可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)，吊具額定載荷45 t，起升高度25 m，前伸距40 m，每次只能起吊2個20英尺集裝箱或1個40英尺集裝箱，可接卸2 000 TEU以下集裝箱船舶。與第一代岸橋相比，第二代岸橋的技術(shù)性能有所提升，尤其是可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用使岸橋調(diào)速范圍更大且加減速更為平滑。

（3）第三代岸橋 第三代岸橋的主要技術(shù)參數(shù)如下：采用單小車雙吊具和交流變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)，吊具額定載荷50～65 t，起升高度32 m，前伸距，每次能同時起吊4個20英尺集裝箱或2個40英尺集裝箱，可接卸5 000 TEU以下集裝箱船舶。第三代岸橋的技術(shù)性能實現(xiàn)較大突破，尤其是單次作業(yè)箱量的提高能夠顯著提升船舶裝卸效率。

（4）第四代岸橋 第四代岸橋的主要技術(shù)參數(shù)如下：采用雙小車雙吊具（40英尺）或單小車三吊具（40英尺）以及智能交流變頻驅(qū)動裝置，吊具額定載荷70 t，起升高度42 m，前伸距70 m，每次最多能起吊6個20英尺集裝箱或3個40英尺集裝箱，可接卸10 000 TEU以下集裝箱船舶。第四代岸橋的技術(shù)性能繼續(xù)改善，作業(yè)能力進一步增強，尤其是智能交流變頻驅(qū)動裝置的應(yīng)用使岸橋性能大幅提升且能耗顯著下降。隨著第四代岸橋的面世，我國岸橋制造業(yè)進入從小到大的發(fā)展階段，占全球岸橋市場的份額達到70%以上。

（5）第五代岸橋 第五代岸橋的主要技術(shù)參數(shù)如下：采用雙小車雙吊具（40英尺）和全數(shù)字式交流變頻無級調(diào)速驅(qū)動裝置，吊具額定載荷70 t，起升高度50 m，前伸距70 m，主小車由人工遠程操控輔助作業(yè)，門架小車實現(xiàn)全自動作業(yè)，可接卸目前世界上最大的集裝箱船舶。第五代岸橋應(yīng)用大量新技術(shù)，具有顯著的自動化和智能化特點，其典型代表是上海振華重工（集團）股份有限公司為青島新前灣集裝箱碼頭有限公司制造的雙小車自動化岸橋。

2 第五代岸橋的技術(shù)特征

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機自動化控制、設(shè)備故障自檢、激光掃描、模糊邏輯等新技術(shù)廣泛應(yīng)用于岸橋制造業(yè)。第五代岸橋已不再是單純的鋼結(jié)構(gòu)與電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合的工業(yè)設(shè)備，而是自動化和智能化程度較高的港機設(shè)備，從而使集裝箱碼頭裝卸作業(yè)告別傳統(tǒng)的機械時代，進入人工智能時代。

（1）設(shè)備自動控制和管理 傳統(tǒng)的岸橋單純執(zhí)行人工作業(yè)指令，與碼頭操作系統(tǒng)沒有信息交互和傳遞，完全依靠現(xiàn)場人員檢查和反饋設(shè)備狀態(tài)和故障等，存在信息確認延遲、錯誤率較高等問題。第五代岸橋采用先進的設(shè)備控制管理系統(tǒng)，實現(xiàn)岸橋與碼頭操作系統(tǒng)的信息交互和傳遞，即：碼頭操作系統(tǒng)向設(shè)備控制管理系統(tǒng)下達作業(yè)指令;設(shè)備控制管理系統(tǒng)分解作業(yè)指令，并將相應(yīng)的作業(yè)指令發(fā)送給岸橋管理系統(tǒng);岸橋管理系統(tǒng)控制岸橋執(zhí)行作業(yè)指令，并通過設(shè)備控制管理系統(tǒng)向碼頭操作系統(tǒng)反饋指令執(zhí)行情況和岸橋狀態(tài)。

（2）遠程操控輔助作業(yè) 傳統(tǒng)的岸橋作業(yè)完全依靠司機手動操控，而第五代岸橋的自動化程度較高，其中：門架小車作業(yè)完全實現(xiàn)自動化，主小車作業(yè)大部分實現(xiàn)自動化（見圖1）。以主小車卸船作業(yè)為例：主小車按照碼頭操作系統(tǒng)的指令，自動運行至相應(yīng)的集裝箱上方安全高度處懸停;碼頭操作系統(tǒng)發(fā)出人工輔助作業(yè)信號，司機遠程操控主小車完成抓箱、關(guān)鎖、起升等動作;碼頭操作系統(tǒng)發(fā)出自動作業(yè)信號，主小車自動吊箱至中轉(zhuǎn)平臺并完成放箱、開鎖、起升等動作。

（3）磁釘定位 第五代岸橋采用磁釘定位技術(shù)，實現(xiàn)大車精確定位（精度達到毫米級），并根據(jù)船舶規(guī)范提供的數(shù)據(jù)自動計算大車運行距離，從而提高大車運行效率。此外，在瞬時大風(fēng)等惡劣天氣下，啟動“一鍵錨定”模式后，岸橋立即停止作業(yè)，自動尋找各自的錨定坑完成錨定。

（4）船型掃描 船型掃描以激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)，具有精確度高且實時更新等優(yōu)點。安裝在主小車吊具上的掃描儀沿船舶海側(cè)掃描船型，據(jù)此計算主小車吊具在船上的最佳運行路線和安全高度并實時調(diào)整優(yōu)化，從而在確保作業(yè)安全的前提下盡可能減少人工輔助操作。

（5）排位學(xué)習(xí) 對于第一次到港作業(yè)的船舶，岸橋遠程操控人員首先需要確認第一個作業(yè)集裝箱的排位，然后排位系統(tǒng)根據(jù)第一個作業(yè)集裝箱的排位和船公司提供的船舶規(guī)范自動推算后續(xù)作業(yè)集裝箱的排位，并在作業(yè)過程中不斷校正。首次作業(yè)完成后，相應(yīng)的船舶、貝位等數(shù)據(jù)自動保存至數(shù)據(jù)庫，下次作業(yè)時岸橋無須重復(fù)學(xué)習(xí)。

（6）自動記憶 在作業(yè)過程中，受船體傾斜的影響，需要不斷調(diào)整主小車吊具的傾轉(zhuǎn)角度，此時系統(tǒng)會自動記憶吊具傾轉(zhuǎn)角度。當主小車吊具返回平臺作業(yè)時，系統(tǒng)自動調(diào)平吊具;當主小車吊具返回船上相應(yīng)的作業(yè)位置時，吊具自動調(diào)整傾轉(zhuǎn)角度以適應(yīng)船體傾斜。

（7）中轉(zhuǎn)平臺邏輯控制 岸橋裝卸作業(yè)由主小車和門架小車在中轉(zhuǎn)平臺接力完成，其間作業(yè)人員需要在中轉(zhuǎn)平臺人工完成拆裝扭鎖作業(yè);因此，中轉(zhuǎn)平臺邏輯控制對岸橋作業(yè)效率和拆裝扭鎖作業(yè)安全有重要影響。如圖2所示，中轉(zhuǎn)平臺兩側(cè)各安裝1個控制盒。按照是否需要拆裝扭鎖和拆裝扭鎖作業(yè)人員數(shù)量，中轉(zhuǎn)平臺邏輯控制分為0人模式、1人模式和2人模式：0人模式下，無須實施拆裝扭鎖作業(yè)，集裝箱到達中轉(zhuǎn)平臺后即可轉(zhuǎn)運;1人模式下，需要實施拆裝扭鎖作業(yè)，并且只要有1個控制盒得到釋放信號即可轉(zhuǎn)運集裝箱;2人模式下，需要實施拆裝扭鎖作業(yè)，并且必須2個控制盒均得到釋放信號才可轉(zhuǎn)運集裝箱。為提高岸橋作業(yè)效率，當中轉(zhuǎn)平臺的一個臺座有人作業(yè)而另一個臺座釋放時，主小車和門架小車的吊具在空載狀態(tài)下可以申請進入釋放臺座。若吊具后續(xù)的運行軌跡不越過有人作業(yè)的臺座，則允許執(zhí)行;若吊具后續(xù)的運行軌跡需要越過有人作業(yè)的臺座，則不允許執(zhí)行，只允許吊具著箱、關(guān)鎖，等待相鄰臺座釋放。

3 我國岸橋技術(shù)發(fā)展展望

（1）全自動岸橋 船舶靠泊碼頭后，船舶位置和船上箱位受船舶構(gòu)造、水位和波浪等因素的影響而變化，導(dǎo)致作業(yè)過程中箱位定位比較復(fù)雜，使得船上集裝箱裝卸作業(yè)自動化面臨較大難度。[1]目前我國第五代岸橋的自動化程度已達到90%，但在船上安全高度以下仍然需要人工遠程操控輔助作業(yè)，尚未實現(xiàn)真正意義上的全自動化?？梢灶A(yù)見，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，未來岸橋?qū)⒗^續(xù)向全自動化方向發(fā)展。

（2）高速岸橋 通過提高岸橋吊具的起升速度和小車水平運行速度，可以有效提高岸橋作業(yè)效率。岸橋的作業(yè)工況和作業(yè)環(huán)境比較單一，其起升機構(gòu)和小車行走機構(gòu)的動作具有短時間隔、連續(xù)重復(fù)的特點，這就要求驅(qū)動電機具有良好的調(diào)速性能。要實現(xiàn)這一點，驅(qū)動電機不僅須具備足夠的額定功率和啟制動轉(zhuǎn)矩，還應(yīng)當有靈敏的過載反應(yīng)能力和良好的通風(fēng)散熱性能。

（3）儲能岸橋 岸橋起升機構(gòu)下降的過程涉及能量轉(zhuǎn)換，此時電動機處于發(fā)電狀態(tài)。如何吸收、儲存并利用電動機在此過程中產(chǎn)生的能量，是實現(xiàn)岸橋節(jié)能降耗的重要課題。

（4）可升降岸橋 為適應(yīng)超大型船舶的作業(yè)要求，目前第五代岸橋軌面以上的起升高度已達到，導(dǎo)致在甲板底層集裝箱和艙內(nèi)集裝箱作業(yè)過程中，主小車無效升降動作增加，造成巨大的能源浪費。此外，隨著岸橋高度的增加和吊具起升鋼絲繩的加長，吊具搖擺和起升鋼絲繩扭轉(zhuǎn)的情況有所加劇;雖然業(yè)內(nèi)專家學(xué)者對此開展大量研究并取得一定成效，但受集裝箱質(zhì)量分布不均和作業(yè)過程中側(cè)向風(fēng)的影響，吊具防搖技術(shù)和起升鋼絲繩防扭轉(zhuǎn)技術(shù)的應(yīng)用效果有限。設(shè)計可升降岸橋有助于解決上述問題，但存在以下技術(shù)難點：一是如何確保岸橋升降效率;二是在岸橋降低作業(yè)高度的情況下，如何避免岸橋因船舶漂移而與集裝箱或船舶發(fā)生碰撞。

（5）三小車岸橋 第五代岸橋主小車的平均運行周期約110 s，門架小車的平均運行周期約70 s。由此可見，提升雙小車岸橋作業(yè)效率的關(guān)鍵在于提升主小車作業(yè)效率，但主小車作業(yè)效率的提升空間有限。對此，業(yè)內(nèi)提出三小車岸橋的創(chuàng)意，即：在雙小車岸橋的基礎(chǔ)上增加水平運輸小車，以平衡主小車和門架小車的運行周期。如圖3所示：海側(cè)小車負責(zé)在船上取放集裝箱，水平運輸小車負責(zé)水平運輸集裝箱，陸側(cè)小車負責(zé)在陸側(cè)取放集裝箱。

（6）多功能岸橋 未來的岸橋不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更高的裝卸作業(yè)效率，而且可以將其他服務(wù)功能整合到岸橋裝卸作業(yè)過程中，以簡化碼頭作業(yè)流程，降低碼頭作業(yè)成本，節(jié)省碼頭作業(yè)空間。以雙小車岸橋作業(yè)過程為例：可利用集裝箱在岸橋中轉(zhuǎn)平臺停留十幾秒的時間，完成殘損檢測、噴淋消毒、放射性物質(zhì)檢測、箱體稱重、拆裝扭鎖等作業(yè)。目前，青島港全自動化集裝箱碼頭采用在岸橋中轉(zhuǎn)平臺完成信息識別、殘損檢測、拆裝扭鎖的作業(yè)模式，其中僅使用拆裝扭鎖機器人一項就可使裝卸作業(yè)人員減少50%。

4 結(jié)束語

在過去30年里，雖然我國岸橋制造業(yè)取得長足發(fā)展，但大而不強的弊端逐漸顯現(xiàn)。當前，“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”正在深刻地影響我國制造業(yè)，推動制造業(yè)與新一代信息技術(shù)實現(xiàn)深度融合。我國岸橋制造業(yè)應(yīng)當抓住機遇，利用現(xiàn)有優(yōu)勢，以創(chuàng)新為驅(qū)動內(nèi)核，由低成本競爭優(yōu)勢向質(zhì)量效益競爭優(yōu)勢轉(zhuǎn)變，由高耗能、高污染的粗放型制造向節(jié)能環(huán)保型制造轉(zhuǎn)變，由生產(chǎn)型制造向設(shè)計創(chuàng)新服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變，從而搶占新一輪競爭的制高點，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。相信未來我國岸橋制造業(yè)發(fā)展將躍上新臺階，生產(chǎn)出更加先進、高端的岸橋，展現(xiàn)中國創(chuàng)造的風(fēng)采，繼續(xù)為我國集裝箱運輸事業(yè)發(fā)展作出貢獻。

參考文獻：

[1] 林浩，唐勤華.? 新型集裝箱自動化碼頭裝卸工藝方案探討[J]. 水運工程，2011（1）：158-163.

（編輯：張敏 收稿日期：2018-09-14）