某客運(yùn)滾裝碼頭自動(dòng)化升級(jí)改造關(guān)鍵技術(shù)研究

顏紅亮　蒙平　李科夫

摘要：文章以某客運(yùn)滾裝碼頭自動(dòng)化升級(jí)改造工程為例，從工藝方案、關(guān)鍵設(shè)備、自動(dòng)化控制及監(jiān)測技術(shù)、智能視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用四個(gè)方面，研究了客運(yùn)滾裝碼頭自動(dòng)化升級(jí)改造關(guān)鍵技術(shù)，對提高客運(yùn)滾裝碼頭的作業(yè)效率和穩(wěn)定性，降低作業(yè)成本，減少客運(yùn)滾裝碼頭作業(yè)安全事故，推動(dòng)碼頭向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：客運(yùn)滾裝;自動(dòng)化改造;關(guān)鍵技術(shù)

中國分類號(hào)：U656.1+36文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

近年來，我國港口主動(dòng)對接并積極服務(wù)于國家發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合各自港口條件，不斷推進(jìn)轉(zhuǎn)型發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展，大膽積極地?fù)肀录夹g(shù)革命，深度運(yùn)用好新技術(shù)，推進(jìn)港口的自動(dòng)化和智能化，打造智慧港口，有效整合物流、信息流、資金流，不斷增加自身競爭力。

與傳統(tǒng)碼頭相比，自動(dòng)化碼頭在智能化、可靠性、穩(wěn)定性、設(shè)備利用率、運(yùn)營成本等方面具有較大的優(yōu)勢，可減少作業(yè)安全事故，提高作業(yè)效率的穩(wěn)定性，降低作業(yè)成本。目前國內(nèi)不少碼頭紛紛實(shí)施或準(zhǔn)備實(shí)施自動(dòng)化，碼頭向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展已是大勢所趨。集成創(chuàng)新智能制造、無線通信、自動(dòng)導(dǎo)航定位、智能識(shí)別、自動(dòng)化等技術(shù)和裝備，形成新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利技術(shù)的智能、零排放、安全、環(huán)保的自動(dòng)化碼頭是自動(dòng)化碼頭發(fā)展的內(nèi)在需求和發(fā)展方向。

以往，為了促進(jìn)不同地區(qū)商貿(mào)旅游和文化交流的發(fā)展，國內(nèi)不少地區(qū)新建或改建了多個(gè)以服務(wù)客流為主、具有休閑旅游功能的客運(yùn)滾裝碼頭。國內(nèi)大部分客運(yùn)滾裝碼頭采用固定式斜坡道結(jié)構(gòu)形式，船舶作業(yè)時(shí)通過船舶跳板與斜坡道直接搭接，實(shí)現(xiàn)來往旅客客貨車輛的上下岸。固定式斜坡道結(jié)構(gòu)形式客運(yùn)滾裝碼頭難以滿足不同水位的滾裝船正常靠泊作業(yè)，且斜坡長度一般較長，有時(shí)候甚至要設(shè)置多級(jí)斜坡道才能滿足使用要求。為了改善此局面，客運(yùn)滾裝碼頭改造升級(jí)迫在眉睫。

1 自動(dòng)化升級(jí)改造工藝方案

某客運(yùn)滾裝碼頭海域潮差較大，改造設(shè)計(jì)需要確保不同水位下的滾裝系統(tǒng)正常運(yùn)營，兼顧上、下游臨近岸線使用要求，合理利用碼頭岸線，減少對臨近泊位的影響，為旅客和車輛提供集散服務(wù)，不但要滿足碼頭的滾裝功能要求，還要保證旅客及車輛上、下船的安全性、舒適性和便捷性，因此需合理選擇上下船工藝方式。

可調(diào)式斜坡道是對原滾裝泊位固定式斜坡道新增一座自動(dòng)液壓升降橋，作為旅客上下船接岸設(shè)施，可根據(jù)水位相應(yīng)調(diào)整橋面高度，以滿足客船安全?？看罱哟宓男枨?。此方案具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)固定式斜坡道方案的諸多不足。

自動(dòng)液壓升降橋可根據(jù)項(xiàng)目碼頭面高程，設(shè)計(jì)高水位、低水位和滾裝船滿載、空載入口高度及跳板長度、寬度、厚度、坡度等輸入條件，經(jīng)計(jì)算得出升降橋長度、橋?qū)捄皖^寬。自動(dòng)液壓升降橋技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

2 自動(dòng)液壓升降橋

2.1 總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)液壓升降橋由滾裝橋、龍門架、液壓鎖緊裝置和液壓升降設(shè)備等組成，如圖1所示。

2.2 滾裝橋有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.2.1 工況與荷載

自動(dòng)液壓升降橋工況分為人行和車行工況：

（1）人行工況下，自動(dòng)液壓升降設(shè)備油缸自鎖，液壓鎖緊裝置插銷。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010），自動(dòng)液壓升降橋旅客人群荷載取4 kPa。

（2）車行工況下，自動(dòng)液壓升降設(shè)備油缸自鎖，液壓鎖緊裝置插銷。自動(dòng)液壓升降橋設(shè)計(jì)允許最大通行車輛為汽車20 t。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010），具體荷載參數(shù)為：軸距4.0 m，輪距1.8 m，前軸7 t，后軸13 t，前輪著地0.30 m×0.20 m（寬度×寬度），后輪著地0.60 m×0.20 m（寬度×寬度），因此前后輪壓取值300 kPa和550 kPa。

2.2.2 有限元分析

根據(jù)工況、荷載、邊界條件，采用有限元計(jì)算滾裝橋人行工況和車行工況下的強(qiáng)度和擾度值，計(jì)算結(jié)果見表2。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

滾裝橋主梁材料采用Q235B，主梁最大拉（壓）應(yīng)力：σmax=91 MPa<[σ]=190 MPa，強(qiáng)度滿足要求。主梁最大擾度：fmax=24.2 mm<[f]=24 000/500=48 mm，擾度滿足要求。

龍門架主梁材料采用Q235B，主梁最大拉（壓）應(yīng)力：σmax=117 MPa<[σ]=190 MPa，強(qiáng)度滿足要求。主梁最大擾度：fmax=3.5 mm<[f]=3 000/500=6 mm，擾度滿足要求。

行車工況下，滾裝橋疲勞應(yīng)力幅Δσ=81 MPa<疲勞許用應(yīng)力幅[Δσ]=（C/n）1/β=84.2 MPa，滿足耐久性（疲勞）設(shè)計(jì)要求。

2.3 滾裝橋-龍門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾裝橋-龍門架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于BIM技術(shù)設(shè)計(jì)的，可有效實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)化、結(jié)構(gòu)典型化、部件通用化、系列化、裝配組合化，有利于不同模塊設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)工作與中心數(shù)據(jù)庫同步更新，有利于通過BIM協(xié)作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的共享與轉(zhuǎn)換，將總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程費(fèi)用等工作有效集成。見圖2、圖3。

2.4 液壓升降-鎖緊驅(qū)動(dòng)設(shè)備

液壓升降-鎖緊設(shè)備是自動(dòng)液壓升降橋的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也是可實(shí)現(xiàn)升降橋俯仰和鎖緊裝置安全鎖緊的執(zhí)行設(shè)備，其主要技術(shù)參數(shù)見表3。

3 自動(dòng)控制、監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)

自動(dòng)液壓升降橋電控系統(tǒng)由液壓泵站電控箱組成，完成對液壓泵站、閥組、液壓升降設(shè)備、液壓鎖緊裝置錨定銷的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及處理，并對升降橋進(jìn)行仰俯控制。電控系統(tǒng)主要包括控制按鈕、信號(hào)燈、繼電器接線等電氣控制設(shè)備及斷路器、接觸器、熱繼電器等液壓泵站電機(jī)主回路設(shè)備。

自動(dòng)液壓升降橋采用現(xiàn)地控制方式，操作司機(jī)在碼頭前沿升降橋控制室通過控制系統(tǒng)的人機(jī)界面對升降橋進(jìn)行升降仰俯操作，使船舶的搭接舌頭板處于規(guī)定的角度范圍，并可隨著潮位和船舶的裝載量變化對升降橋仰俯角進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整。橋體調(diào)整到位后，液壓鎖緊裝置錨定銷鎖銷，并使液壓升降設(shè)備油缸泄壓，鎖定橋體。升降橋電控系統(tǒng)通過對液壓泵站出口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)升降橋左右兩套液壓仰俯機(jī)構(gòu)在升降作業(yè)中能在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)同步運(yùn)行。

升降橋電控系統(tǒng)具備對液壓系統(tǒng)油路壓力異常、濾油器堵塞、油溫異常、油位異常及升降橋升降極限位、升降同步越限等非電量保護(hù)的功能?？刂葡到y(tǒng)具備電源短路、斷相保護(hù)及電機(jī)過流、過載保護(hù)和防雷保護(hù)等功能。升降橋系統(tǒng)一旦出現(xiàn)異?；蚬收锨闆r，電控系統(tǒng)將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，司機(jī)可通過停止按鈕對全系統(tǒng)進(jìn)行緊急停機(jī)。同時(shí)，升降橋電控系統(tǒng)在液壓鎖緊裝置和液壓升降設(shè)備間設(shè)有連鎖保護(hù)，確保只有在2個(gè)錨定銷全部退出的情況下，液壓缸才允許動(dòng)作。

4 智能視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

監(jiān)控相機(jī)目前已在港口被廣泛應(yīng)用，在港口范圍內(nèi)，港口相機(jī)主要應(yīng)用在生產(chǎn)過程、生產(chǎn)安全、安防監(jiān)控等方面。

4.1 生產(chǎn)過程

4.1.1 液壓升降橋升降位置和船舶?？?/p>

根據(jù)潮位情況，監(jiān)控液壓升降橋升降至合理位置并鎖銷，指揮船舶安全?？浚⒋罱哟?，實(shí)現(xiàn)船舶靠泊安全銜接。

4.1.2 遠(yuǎn)程視頻操控

操控人員可以在機(jī)房中通過視頻操控液壓升降橋系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。操作環(huán)境舒適，大幅提升操作效率，降低用工成本。遠(yuǎn)程操控由于涉及實(shí)時(shí)作業(yè)，要求視頻延時(shí)低，所以對視頻編解碼、傳輸都有特殊要求，而且要求可以與現(xiàn)場PLC聯(lián)動(dòng)，液壓升降橋到指定位置時(shí)自動(dòng)錨定鎖銷，視頻自動(dòng)切換到指定攝像頭，便于操作人員判斷現(xiàn)場狀況。

4.1.3 車人分離調(diào)配

為了保證安全，過橋的時(shí)候車和人必須分開行駛。應(yīng)用視頻監(jiān)控技術(shù)和廣播系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配車人可有效防止安全事故發(fā)生，避免人車擁堵現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 生產(chǎn)安全監(jiān)控

4.2.1 火焰煙霧報(bào)警

對于戶外消防目前沒有好的自動(dòng)報(bào)警手段，通過視頻可以對火焰煙霧進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別報(bào)警，而且可利用現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過后端增加識(shí)別軟件實(shí)現(xiàn)，性價(jià)比較高。

4.2.2 車輛人員安全識(shí)別

對于過橋車輛和人員的行為自動(dòng)識(shí)別，由此統(tǒng)一約束過橋車輛和人員的過橋行為，保證生產(chǎn)安全。

4.3 安防監(jiān)控

視頻監(jiān)控是安防監(jiān)控的主要手段。通過自動(dòng)識(shí)別跟蹤入侵船只和人員，可以減輕監(jiān)控人員的工作強(qiáng)度，大幅提升港口安保水平。

5 結(jié)語

（1）客運(yùn)滾裝碼頭可調(diào)式斜坡道是由固定式斜坡道自動(dòng)化改造升級(jí)，總體改造工藝方案對相鄰泊位船舶的靠泊作業(yè)影響較小，不影響周邊泊位的運(yùn)營，且投資不大，可靠性好，是一種綜合效益較高的改造升級(jí)方式，值得推廣應(yīng)用。

（2）自動(dòng)液壓升降橋是本改造項(xiàng)目的關(guān)鍵核心設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)了客運(yùn)滾裝碼頭的無人操作，是在線檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)控為一體的自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)。

（3）自動(dòng)控制和監(jiān)測系統(tǒng)包含自動(dòng)液壓升降橋的底層控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)，安全可靠，是液壓升降橋數(shù)據(jù)系統(tǒng)與控制臺(tái)的信息樞紐。

（4）利用智能視頻監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化客運(yùn)滾裝泊位的遠(yuǎn)程監(jiān)控和液壓滾裝橋的集中操縱系統(tǒng)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了無人值守和集中調(diào)配，提高了客運(yùn)滾裝橋通行效率和安全性，有效降低了人力成本，提高了工作效率和客戶滿意度。

（5）自動(dòng)化、智能化不僅讓港口充滿智慧，更凸顯了企業(yè)的軟實(shí)力，依靠智能化手段，可以使很多碼頭在未來降低人力成本并提升效率。這種對運(yùn)營的碼頭的改造升級(jí)，其性價(jià)比將大大超越新建自動(dòng)化碼頭，使企業(yè)的效率更高，服務(wù)更優(yōu)、功能更全、成本更低、市場競爭力更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王金山.滾裝船及滾裝碼頭布置的初步分析[J].中國科技信息，2015（10）：124-128.

[2]李志國，魏立春.我國滾裝碼頭的設(shè)計(jì)方式研究[J].水運(yùn)工程，2006（8）：14-18.

[3]JTS152-2012，水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]黃凱奇，陳曉棠，康運(yùn)鋒，等.智能視頻監(jiān)控技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2015（6）：1 093-1 117.

[6]李立仁，李少軍，劉忠領(lǐng).智能視頻監(jiān)控技術(shù)綜述[J].中國安防，2009（10）：90-95.

[7]李思曄.自動(dòng)化碼頭安防系統(tǒng)方案解析[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（36）：113-114.