自動化集裝箱碼頭主要搬運(yùn)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

楊有貴

（北部灣港欽州碼頭有限公司，廣西 欽州 535011）

集裝箱碼頭主要由碼頭前沿、堆場和水平運(yùn)輸系統(tǒng)組成。碼頭前沿是指沿碼頭岸壁到集裝箱堆場之間的碼頭面積，是集裝箱碼頭的主要生產(chǎn)區(qū)。堆場是辦理集裝箱重箱或空箱裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)、保管和交接的場所。水平運(yùn)輸系統(tǒng)則扮演著連接堆場與碼頭前沿的重要角色，具有承上啟下的作用。自動化集裝箱碼頭的搬運(yùn)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)集裝箱運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)基礎(chǔ)，使碼頭的各部分緊密相連，形成一個有機(jī)整體，對于集裝箱碼頭的作業(yè)效率、安全和環(huán)保具有重要影響。隨著自動化集裝箱碼頭向著智能化和綠色化方向發(fā)展，其主要搬運(yùn)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)也在與時俱進(jìn)。本文針對集裝箱碼頭智能化和綠色化的發(fā)展前景，從碼頭前沿、堆場和水平運(yùn)輸三個場景介紹自動化集裝箱碼頭主要運(yùn)輸設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)，對各技術(shù)的主要特點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 碼頭前沿主要設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

碼頭前沿完成集裝箱從海到陸的運(yùn)輸過程，絕大部分港口都采用岸邊集裝箱起重機(jī)（岸橋）作為運(yùn)輸設(shè)備。岸橋關(guān)鍵技術(shù)主要包括岸橋雙小車技術(shù)、岸橋吊具防搖技術(shù)、岸橋遠(yuǎn)程操作技術(shù)、岸橋加高技術(shù)和岸橋狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)等。

1.1 岸橋雙小車技術(shù)

雙小車岸橋有利于實(shí)現(xiàn)裝卸作業(yè)的自動化，通過先進(jìn)的自動控制技術(shù)使其與地面運(yùn)輸AGV 或卡車自動配合，形成高效作業(yè)系統(tǒng)，大大提高作業(yè)效率。目前雙小車岸橋存在兩種基本形式，一種是岸橋的一個作業(yè)循環(huán)由相互獨(dú)立的高位前小車和低位后支架體小車在中轉(zhuǎn)平臺處以接力方式來完成，稱之為接力式雙小車岸橋；第二種是岸橋上主梁同時工作有兩個獨(dú)立的起重小車，每套小車存在獨(dú)立的起升裝置，各自完成自己的作業(yè)循環(huán)，稱為獨(dú)立的雙小車岸橋。

1.2 岸橋吊具防搖技術(shù)

隨著岸橋向大型化發(fā)展，其行走小車的運(yùn)行速度及集裝箱的起升高度也相應(yīng)提高。如果不采取防搖措施，將導(dǎo)致岸橋在迅速正確對位（吊具與集裝箱對位，起吊的集裝箱與底盤車、堆場或船艙對位）環(huán)節(jié)上花費(fèi)過多的時間，極大影響生產(chǎn)效率和裝卸速度。目前在岸橋采用的吊具防搖技術(shù)有機(jī)械式防搖和電子式防搖兩大類。電子式防搖已得到廣泛應(yīng)用，主要包括輸入整形技術(shù)和模糊控制技術(shù)等。輸入整形技術(shù)是一種開環(huán)控制技術(shù)，主要通過對小車運(yùn)行速度進(jìn)行整形以達(dá)到控制吊具擺動的目的；模糊控制技術(shù)主要通過視覺傳感器或陀螺儀測量吊具擺角和角速度，利用模仿司機(jī)操作的模糊規(guī)則來實(shí)現(xiàn)防搖控制。

1.3 岸橋遠(yuǎn)程操作技術(shù)

遠(yuǎn)程操控岸橋的應(yīng)用可提高岸橋司機(jī)的操作舒適度，通過攝像設(shè)備和掃描監(jiān)控的應(yīng)用，擴(kuò)展操作人員的視線范圍。通過自動化操控系統(tǒng)和TOS 系統(tǒng)相連接，達(dá)到岸橋遠(yuǎn)程自動操作的目的，把岸橋司機(jī)從惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中解放出來。岸橋遠(yuǎn)程操作主要包括以下環(huán)節(jié)：岸橋與遠(yuǎn)程控制室之間的高速數(shù)據(jù)通訊連接，高清全數(shù)字視頻采集系統(tǒng)，畫面分割顯示系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操作室，集裝箱船形掃描系統(tǒng)，集卡定位系統(tǒng)等。

1.4 岸橋加高技術(shù)

對現(xiàn)有岸橋進(jìn)行加高，可提升大型船舶的作業(yè)效率，更加適應(yīng)船舶大型化要求和提升岸橋工作能力，并將設(shè)備的使用價值最大化。如上港集團(tuán)振東碼頭分公司采用上部結(jié)構(gòu)加高方法，即主要采用浮吊等大型起重設(shè)備將上部結(jié)構(gòu)抬升與門框分離，機(jī)器房再將加高段安裝至上部結(jié)構(gòu)與門框中間。廈門嵩嶼集裝箱碼頭有限公司在沒有考慮使用大型浮吊配合改造的情況下采用“下部機(jī)構(gòu)頂升”的方式加高。

1.5 岸橋狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

岸橋的狀態(tài)監(jiān)測是用來監(jiān)測起重機(jī)工作時的運(yùn)行狀態(tài)，通過提取的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)反映起重機(jī)的工作情況，以保證起重機(jī)安全高效的運(yùn)行。如天津港采用虛擬儀器技術(shù)，以LABVIEW 軟件為開發(fā)平臺，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計出岸橋應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)測岸橋重點(diǎn)部分的應(yīng)力變化。

2 集裝箱堆場主要設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

集裝箱堆場完成的是用于交接和保管集裝箱的運(yùn)輸過程，該過程用到的主要運(yùn)輸設(shè)備有輪胎吊和軌道吊，統(tǒng)稱為場橋。場橋關(guān)鍵技術(shù)主要包括輪胎吊新能源技術(shù)、場橋遠(yuǎn)程操作技術(shù)、場橋定位技術(shù)、場橋吊具防搖技術(shù)、輪胎吊自動糾偏技術(shù)、場橋防撞技術(shù)和場橋狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)等。

2.1 輪胎吊新能源技術(shù)

傳統(tǒng)輪胎吊采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，已不能適應(yīng)港口綠色化的發(fā)展趨勢。輪胎吊新能源技術(shù)主要包括混合動力驅(qū)動技術(shù)、鋰電池動力系統(tǒng)技術(shù)、液化天然氣燃?xì)饧夹g(shù)和氫燃料電池技術(shù)等?；旌蟿恿︱?qū)動技術(shù)是在輪胎吊的直流母線上加裝儲能系統(tǒng)，當(dāng)輪胎吊初始運(yùn)行時由發(fā)電機(jī)組對儲能機(jī)構(gòu)充電至規(guī)定數(shù)值后開始正常運(yùn)行，該技術(shù)具有節(jié)能率高、使用靈活、方便轉(zhuǎn)場以及便于生產(chǎn)調(diào)度等優(yōu)點(diǎn)。鋰電池動力系統(tǒng)技術(shù)是將大容量鋰電池應(yīng)用輪胎吊，節(jié)能效果可達(dá)到50%以上，與市電輪胎吊相比，保持了RTG 轉(zhuǎn)場的機(jī)動性，不需要人工參與。振華重工成功將鋰電池與液化天然氣兩種優(yōu)質(zhì)清潔能源結(jié)合應(yīng)用在輪胎吊上，與常規(guī)節(jié)能輪胎吊相比，改造后的輪胎吊不僅保留了常規(guī)產(chǎn)品的機(jī)動性優(yōu)點(diǎn)，而且在節(jié)能減排效果和使用壽命方面得到顯著提升。此外，振華重工還推出了全球首臺氫燃料電池輪胎吊，氫燃料電池在整個工作過程只產(chǎn)生水和熱，相比鋰電池，其體積小、重量輕、充能效率高，是未來港口輪胎吊及流動機(jī)械的發(fā)展趨勢。

2.2 場橋遠(yuǎn)程操作技術(shù)

與岸橋輪遠(yuǎn)程操作技術(shù)類似，場橋遠(yuǎn)程操控指通過技術(shù)手段，將原先在駕駛室內(nèi)的操作移至后方遠(yuǎn)程控制室操作，操作模式由原先的“一對一”轉(zhuǎn)變?yōu)槿蛛S機(jī)分配的“一對多”。場橋遠(yuǎn)程操控技術(shù)改造可大幅減少人工費(fèi)用，降低司機(jī)勞動強(qiáng)度，延長司機(jī)職業(yè)壽命，降低設(shè)備能耗和排放，提高產(chǎn)業(yè)智能化水平。

2.3 場橋定位技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)自動化堆場的高效運(yùn)作，高、低架軌道吊的大車、小車和吊具以及集裝箱卡車必須快速準(zhǔn)確定位。輪胎吊大車定位技術(shù)主要有直接坐標(biāo)定位、電磁定位、BTG 磁釘定位、光學(xué)定位、DGPS 差分全球定位系統(tǒng)定位和圖像識別定位等。軌道吊小車定位可采用編碼器加磁尺雙校驗定位模式。吊具起升則可采用絕對位置編碼器的方法進(jìn)行定位。

2.4 場橋吊具防搖技術(shù)

與岸橋吊具防搖技術(shù)類似，場橋吊具防搖技術(shù)也分為機(jī)械式和電子式兩大類。其技術(shù)原理類似，這里不再贅述。

2.5 輪胎吊自動糾偏技術(shù)

由于輪胎吊自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)行時會發(fā)生輕微的路徑偏移，隨著運(yùn)行時間的增加，偏移會越發(fā)嚴(yán)重，如果在作業(yè)過程中跑偏，極易發(fā)生刮碰事故，造成輪胎吊或其他設(shè)施設(shè)備損壞。常用的自動糾偏技術(shù)包括基于GPS 的糾偏技術(shù)、地面劃線和圖像識別糾偏技術(shù)、地面埋設(shè)檢測體糾偏技術(shù)、紅外線或光電測距糾偏技術(shù)和激光掃描糾偏技術(shù)等。

2.6 場橋防撞技術(shù)

場橋在作業(yè)時，由于吊具遮擋存在視野盲區(qū)，有時無法及時、完整觀察到堆碼集裝箱的情況。而小車和起升機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度較快，且吊具所帶載荷往往較大，如果沒有正確觀察到集裝箱堆碼高度及集卡高度，輕則會造成著箱過快或者碰箱，重則可能引發(fā)“打保齡球”事故，導(dǎo)致集裝箱傾倒，甚至出現(xiàn)人員傷亡。因此，可采用集裝箱堆碼輪廓掃描技術(shù)，利用激光掃描儀對堆場內(nèi)碼垛的集裝箱輪廓進(jìn)行掃描，建立了堆碼集裝箱輪廓，從而避免視覺盲區(qū)。

2.7 場橋狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

場橋狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)與岸橋狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)類似，主要用來監(jiān)測場橋工作時的運(yùn)行狀態(tài)，通過提取的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)反映其工作情況，以保證場橋安全高效的運(yùn)行。對于輪胎吊，通常還需要在輪胎中安裝胎壓監(jiān)測系統(tǒng)以讀取輪胎氣壓、溫度等數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測到數(shù)據(jù)分析降低由于輪胎引起的事故頻次。

3 集裝箱水平運(yùn)輸主要設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

水平運(yùn)輸完成將集裝箱從碼頭前沿到堆場和從堆場到港口外的運(yùn)輸過程，該過程中用的到設(shè)備有集裝箱卡車、跨運(yùn)車、AGV、IGV、堆高機(jī)和正面吊等設(shè)備。

3.1 集卡關(guān)鍵技術(shù)

集裝箱拖掛車簡稱集卡，港口用的集卡主要是作為水平運(yùn)輸?shù)能囕v，利用牽引車來拖動承載集裝箱的底盤車，進(jìn)而完成集裝箱的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。集卡關(guān)鍵技術(shù)主要包括集裝箱防吊起技術(shù)、集卡引導(dǎo)與定位技術(shù)。

（1）集裝箱防吊起技術(shù)。在集裝箱提升過程中，如果集裝箱和集卡車身未完全分離，使得車身被一并提起，嚴(yán)重時會使車輛傾覆，損壞車輛并危及拖車司機(jī)的安全。防吊起系統(tǒng)可使用二維激光器實(shí)時掃描集卡車身和集裝箱，通過分析距離檢測值以識別出集裝箱側(cè)面和集卡車身。當(dāng)集裝箱從集卡車身提起過程中，檢測集卡車身是否發(fā)生位移以確定車身鎖頭是否與集裝箱完全解開。一旦集卡車身位移過大，系統(tǒng)會立刻禁止起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)上升動作，防止車身被集裝箱一同提起。

（2）集卡引導(dǎo)與定位技術(shù)。集卡引導(dǎo)系統(tǒng)（CPS）可解決集卡定位不準(zhǔn)確和自動化碼頭對集卡車無法引導(dǎo)定位的問題。該系統(tǒng)主要用于引導(dǎo)集卡司機(jī)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行集卡裝卸作業(yè)。包括激光掃描、中央處理及顯示屏三個部分，其原理是通過激光掃描器實(shí)時監(jiān)測集卡位置，將集卡實(shí)時位置與理論位置對比，集卡位置顯示屏實(shí)時顯示在大車方向上與準(zhǔn)確?？课恢玫钠钪担龑?dǎo)集卡司機(jī)向前、向后移動集卡，快速、準(zhǔn)確地?？康綔?zhǔn)確位置，極大地提高了岸橋和場橋的工作效率。

3.2 跨運(yùn)車關(guān)鍵技術(shù)

跨運(yùn)車可一機(jī)多用，具有完成多種作業(yè)的能力，可做水平運(yùn)輸，也可作堆垛堆碼、搬運(yùn)及裝卸作業(yè)，機(jī)動性好，作業(yè)靈活，但結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，車體較窄，質(zhì)心位置高，行走穩(wěn)定性差，對路面和司機(jī)操作水平要求高?？邕\(yùn)車關(guān)鍵技術(shù)主要包括防側(cè)翻控制技術(shù)、防集裝箱偏載技術(shù)、轉(zhuǎn)向差速電子校正技術(shù)、平順性技術(shù)和清潔能源技術(shù)等。

（1）防側(cè)翻控制技術(shù)。包含差動制動技術(shù)等，差動制動是通過控制車輛的橫擺運(yùn)動間接控制車輛的側(cè)傾運(yùn)動從而防止車輛發(fā)生側(cè)翻事故。

（2）防集裝箱偏載技術(shù)。包含機(jī)械式升降系統(tǒng)方式等，其采取特定的纏繞方式將吊具一側(cè)兩個吊點(diǎn)的鋼絲繩連在一起，可有效防止因集裝箱偏載引起的吊具偏轉(zhuǎn)。

（3）轉(zhuǎn)向差速電子校正技術(shù)。跨運(yùn)車兩側(cè)的車輪分別用兩臺變頻電機(jī)驅(qū)動，不采用差速器的傳動方案，有利于整機(jī)的布置，簡化結(jié)構(gòu)。兩套轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)分別布置在車的兩側(cè)，轉(zhuǎn)向時由兩側(cè)的油缸分別驅(qū)動各自的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。在整機(jī)轉(zhuǎn)向行駛時，根據(jù)內(nèi)外車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度，PLC 根據(jù)轉(zhuǎn)向油缸的伸縮長度實(shí)時計算內(nèi)外輪的運(yùn)行速度關(guān)系，從而控制內(nèi)外兩側(cè)的兩個變頻電機(jī)按不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外車輪的差速運(yùn)轉(zhuǎn)，保證整車的4個車輪繞一點(diǎn)做近似的純滾動。

（4）平順性技術(shù)。采取大車車輪采用無內(nèi)胎式橡膠輪胎、車架與底梁之間設(shè)螺旋彈簧，形成彈性獨(dú)立懸掛等措施來使跨運(yùn)車具有較好的平順性。

（5）清潔能源技術(shù)?？邕\(yùn)車采用清潔能源主要有混合動力和純電池兩大模式。混合動力跨運(yùn)車主要采用“柴油機(jī)+鋰電池”和“LNG 燃料+鋰電池”兩種方式，與原有柴油動力跨運(yùn)車相比，“LNG 燃料+鋰電池”方式可減少99%的浮塵排放量，其它有害污染物的排放也大幅減少。純電池有純鋰電池和氫燃料電池兩種方式，可實(shí)現(xiàn)污染物的零排放。

3.3 AGV 關(guān)鍵技術(shù)

AGV 是裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車，它不需要駕駛員，利用可充電的蓄電池為其動力來源。集裝箱碼頭AGV 關(guān)鍵技術(shù)主要包括定位導(dǎo)航技術(shù)、自動換電技術(shù)和路徑規(guī)劃技術(shù)等。

（1）定位導(dǎo)航技術(shù)。導(dǎo)航系統(tǒng)為AGV 核心組成部分，面向自動化集裝箱碼頭常見的AGV 導(dǎo)航方式主要有視覺導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、磁導(dǎo)航等，這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。視覺導(dǎo)航能夠?qū)崿F(xiàn)自主高精度定位，但易受環(huán)境影響導(dǎo)致適應(yīng)性差；激光導(dǎo)航定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但硬件成本也較高；磁導(dǎo)航控制簡單、成本低、且抗干擾能力強(qiáng)，可在各種環(huán)境下工作，但其運(yùn)行路徑受限于地埋標(biāo)簽（磁釘），靈活性受限，更改路徑施工量大。

（2）自動換電技術(shù)。傳統(tǒng)的AGV 采用充電方式，在充電過程中會導(dǎo)致本體閑置，影響作業(yè)效率。利用換電機(jī)器人可24 小時對多輛AGV 進(jìn)行不間斷換電。做到動力電池集中充電和換電，使動力電池實(shí)現(xiàn)獨(dú)立檢修，每臺AGV 有更多的時間作業(yè)，還可降低AGV 的配置數(shù)量，提高每臺AGV 的產(chǎn)能。

（3）路徑規(guī)劃技術(shù)。合理的路徑規(guī)劃方案能夠確保AGV 順暢行駛并縮短行駛距離，使其在生產(chǎn)過程中快速周轉(zhuǎn)，從而提高AGV 作業(yè)效率，不僅有助于降低岸橋和AGV 數(shù)量配比、節(jié)省設(shè)備一次性投資和后續(xù)維修保養(yǎng)開銷，而且有利于降低能源消耗、提升碼頭生產(chǎn)效益。AGV 行駛路徑規(guī)劃主要受任務(wù)分配、岸橋作業(yè)時間和AGV 數(shù)量的影響。

3.4 IGV 關(guān)鍵技術(shù)

IGV 即智慧型引導(dǎo)運(yùn)輸車，在港口也稱為無人集卡，和AGV 相比較，IGV 柔性化程度更高，無需借助任何標(biāo)記物行駛，并且路徑靈活多變，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求靈活調(diào)度單。IGV 關(guān)鍵技術(shù)與AGV 類似，主要包括定位導(dǎo)航技術(shù)、自動換電技術(shù)和路徑規(guī)劃技術(shù)等。但其定位導(dǎo)航技術(shù)與AGV 有所不同。作為水平運(yùn)輸設(shè)備的IGV，主要依靠自然輪廓導(dǎo)航，采用配備衛(wèi)星導(dǎo)航定位、激光雷達(dá)SLAM（同步定位與建圖）、視覺SLAM 等多傳感器融合定位技術(shù)，存儲一套工作空間的數(shù)字地圖，通過實(shí)時比較數(shù)字地圖和激光雷達(dá)的讀數(shù)或視覺數(shù)據(jù)來推斷其所在位置。這種無人駕駛IGV 運(yùn)輸靈活，在碼頭堆場間自由穿梭，可將集裝箱運(yùn)輸至每一個堆場箱區(qū)內(nèi)。

3.5 正面吊關(guān)鍵技術(shù)

集裝箱正面起重機(jī)俗稱正面吊，主要用于集裝箱的堆垛和碼頭、堆場內(nèi)的水平運(yùn)輸，它具有機(jī)動靈活、操作方便、穩(wěn)定性好、輪壓較底、堆碼層數(shù)高、堆場利用率高等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行跨箱作業(yè)。正面吊關(guān)鍵技術(shù)主要包括純電正面吊技術(shù)、流量放大技術(shù)和正面吊安全保護(hù)技術(shù)等。

（1）純電正面吊技術(shù)。隨著國家雙碳目標(biāo)的制定，環(huán)保要求不斷升級，純電正面吊技術(shù)也開始得到推廣應(yīng)用。如三一重工推出的純電正面吊SRSC45E3 整機(jī)采用507kWh 大容量磷酸鐵鋰電池組，支持大功率雙槍充電技術(shù)，充滿電僅需1 小時，連續(xù)作業(yè)可達(dá)10 小時。

（2）流量放大技術(shù)。流量放大技術(shù)主要思路就是通過控制小流量從而控制到達(dá)轉(zhuǎn)向油缸的大流量，即只有小部分流量通過轉(zhuǎn)向器，通過控制放大器閥芯的開度控制到達(dá)油缸的流量，從而控制轉(zhuǎn)向速度。該技術(shù)可以使正面吊操縱非常輕便，反應(yīng)便捷。

（3）安全保護(hù)技術(shù)。正面吊安全保護(hù)技術(shù)需要自動獲取吊具上重物重量，以避免過大的載荷導(dǎo)致正面吊受損。方法大致可分為兩種：一種是在吊具上裝壓力傳感器，測量吊具受重物拉扯時的力，從而計算出吊具上的重物重量；另一種是根據(jù)力矩平衡的方法，計算出吊具上的重物重量。

4 結(jié)束語

隨著港口向智慧化和綠色化方向發(fā)展，自動化集裝箱碼頭的主要設(shè)備也在走向智能化和綠色化。本文以自動化集裝箱碼頭的主要運(yùn)輸設(shè)備為對象，將其按前沿設(shè)備、堆場設(shè)備和水平運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行了分類，對各設(shè)備在智能化和綠色化前景下的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理，詳細(xì)分析和總結(jié)了各關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)，可為自動化集裝箱碼頭的設(shè)備選型和技術(shù)革新提供參考。