我國岸邊集裝箱起重機技術發展回顧及展望

李明軒 耿衛寧 宋海濤

在世界經濟貿易一體化發展的背景下，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展，碼頭裝卸設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備，岸邊集裝箱起重機（以下簡稱“岸橋”）的作業能力在很大程度上決定著集裝箱碼頭的作業能力。我國岸橋制造業經歷從無到有、從小到大的發展階段后，當前面臨著如何通過轉型升級實現從大到強的課題。本文回顧我國岸橋技術發展歷史，介紹新一代岸橋的技術特征，并探討未來岸橋技術的發展方向。

1 我國岸橋技術發展回顧

我國岸橋制造業與集裝箱運輸業呈現同步發展態勢。從20世紀70年代第一代岸橋誕生到如今第五代岸橋面世，我國岸橋制造業經歷了從無到有、從小到大的發展過程，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的發展。

（1）第一代岸橋 我國岸橋制造業起步于1978年。第一代岸橋的主要技術參數如下：采用單小車單吊具和電動機組發電機，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。受當時技術發展水平的限制，第一代岸橋雖然實現了從無到有的目標，但技術性能一般，且故障率較高。

（2）第二代岸橋 第二代岸橋的主要技術參數如下：采用單小車單吊具和可控硅直流調速系統，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，第二代岸橋的技術性能有所提升，尤其是可控硅直流調速系統的應用使岸橋調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參數如下：采用單小車雙吊具和交流變頻驅動控制系統，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。第三代岸橋的技術性能實現較大突破，尤其是單次作業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參數如下：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。第四代岸橋的技術性能繼續改善，作業能力進一步增強，尤其是智能交流變頻驅動裝置的應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，我國岸橋制造業進入從小到大的發展階段，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參數如下：采用雙小車雙吊具（40英尺）和全數字式交流變頻無級調速驅動裝置，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，門架小車實現全自動作業，可接卸目前世界上最大的集裝箱船舶。第五代岸橋應用大量新技術，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 第五代岸橋的技術特征

隨著現代科學技術的快速發展，計算機自動化控制、設備故障自檢、激光掃描、模糊邏輯等新技術廣泛應用于岸橋制造業。第五代岸橋已不再是單純的鋼結構與電氣控制系統相結合的工業設備，而是自動化和智能化程度較高的港機設備，從而使集裝箱碼頭裝卸作業告別傳統的機械時代，進入人工智能時代。

（1）設備自動控制和管理 傳統的岸橋單純執行人工作業指令，與碼頭操作系統沒有信息交互和傳遞，完全依靠現場人員檢查和反饋設備狀態和故障等，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備控制管理系統，實現岸橋與碼頭操作系統的信息交互和傳遞，即：碼頭操作系統向設備控制管理系統下達作業指令;設備控制管理系統分解作業指令，并將相應的作業指令發送給岸橋管理系統;岸橋管理系統控制岸橋執行作業指令，并通過設備控制管理系統向碼頭操作系統反饋指令執行情況和岸橋狀態。

（2）遠程操控輔助作業 傳統的岸橋作業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：門架小車作業完全實現自動化，主小車作業大部分實現自動化（見圖1）。以主小車卸船作業為例：主小車按照碼頭操作系統的指令，自動運行至相應的集裝箱上方安全高度處懸停;碼頭操作系統發出人工輔助作業信號，司機遠程操控主小車完成抓箱、關鎖、起升等動作;碼頭操作系統發出自動作業信號，主小車自動吊箱至中轉平臺并完成放箱、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，實現大車精確定位（精度達到毫米級），并根據船舶規范提供的數據自動計算大車運行距離，從而提高大車運行效率。此外，在瞬時大風等惡劣天氣下，啟動“一鍵錨定”模式后，岸橋立即停止作業，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為基礎，具有精確度高且實時更新等優點。安裝在主小車吊具上的掃描儀沿船舶海側掃描船型，據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整優化，從而在確保作業安全的前提下盡可能減少人工輔助操作。

（5）排位學習 對于第一次到港作業的船舶，岸橋遠程操控人員首先需要確認第一個作業集裝箱的排位，然后排位系統根據第一個作業集裝箱的排位和船公司提供的船舶規范自動推算后續作業集裝箱的排位，并在作業過程中不斷校正。首次作業完成后，相應的船舶、貝位等數據自動保存至數據庫，下次作業時岸橋無須重復學習。

（6）自動記憶 在作業過程中，受船體傾斜的影響，需要不斷調整主小車吊具的傾轉角度，此時系統會自動記憶吊具傾轉角度。當主小車吊具返回平臺作業時，系統自動調平吊具;當主小車吊具返回船上相應的作業位置時，吊具自動調整傾轉角度以適應船體傾斜。

（7）中轉平臺邏輯控制 岸橋裝卸作業由主小車和門架小車在中轉平臺接力完成，其間作業人員需要在中轉平臺人工完成拆裝扭鎖作業;因此，中轉平臺邏輯控制對岸橋作業效率和拆裝扭鎖作業安全有重要影響。如圖2所示，中轉平臺兩側各安裝1個控制盒。按照是否需要拆裝扭鎖和拆裝扭鎖作業人員數量，中轉平臺邏輯控制分為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，集裝箱到達中轉平臺后即可轉運;1人模式下，需要實施拆裝扭鎖作業，并且只要有1個控制盒得到釋放信號即可轉運集裝箱;2人模式下，需要實施拆裝扭鎖作業，并且必須2個控制盒均得到釋放信號才可轉運集裝箱。為提高岸橋作業效率，當中轉平臺的一個臺座有人作業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下可以申請進入釋放臺座。若吊具后續的運行軌跡不越過有人作業的臺座，則允許執行;若吊具后續的運行軌跡需要越過有人作業的臺座，則不允許執行，只允許吊具著箱、關鎖，等待相鄰臺座釋放。

3 我國岸橋技術發展展望

（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造、水位和波浪等因素的影響而變化，導致作業過程中箱位定位比較復雜，使得船上集裝箱裝卸作業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，尚未實現真正意義上的全自動化。可以預見，隨著自動化技術的發展，未來岸橋將繼續向全自動化方向發展。

（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效率。岸橋的作業工況和作業環境比較單一，其起升機構和小車行走機構的動作具有短時間隔、連續重復的特點，這就要求驅動電機具有良好的調速性能。要實現這一點，驅動電機不僅須具備足夠的額定功率和啟制動轉矩，還應當有靈敏的過載反應能力和良好的通風散熱性能。

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

（4）可升降岸橋 為適應超大型船舶的作業要求，目前第五代岸橋軌面以上的起升高度已達到，導致在甲板底層集裝箱和艙內集裝箱作業過程中，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的情況有所加劇;雖然業內專家學者對此開展大量研究并取得一定成效，但受集裝箱質量分布不均和作業過程中側向風的影響，吊具防搖技術和起升鋼絲繩防扭轉技術的應用效果有限。設計可升降岸橋有助于解決上述問題，但存在以下技術難點：一是如何確保岸橋升降效率;二是在岸橋降低作業高度的情況下，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效率的關鍵在于提升主小車作業效率，但主小車作業效率的提升空間有限。對此，業內提出三小車岸橋的創意，即：在雙小車岸橋的基礎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：海側小車負責在船上取放集裝箱，水平運輸小車負責水平運輸集裝箱，陸側小車負責在陸側取放集裝箱。

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

4 結束語

在過去30年里，雖然我國岸橋制造業取得長足發展，但大而不強的弊端逐漸顯現。當前，“中國制造2025”和“互聯網+”正在深刻地影響我國制造業，推動制造業與新一代信息技術實現深度融合。我國岸橋制造業應當抓住機遇，利用現有優勢，以創新為驅動內核，由低成本競爭優勢向質量效益競爭優勢轉變，由高耗能、高污染的粗放型制造向節能環保型制造轉變，由生產型制造向設計創新服務型制造轉變，從而搶占新一輪競爭的制高點，實現可持續發展。相信未來我國岸橋制造業發展將躍上新臺階，生產出更加先進、高端的岸橋，展現中國創造的風采，繼續為我國集裝箱運輸事業發展作出貢獻。

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）