自動化集裝箱碼頭主要搬運設備關鍵技術

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、堆場和水平運輸系統組成。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區。堆場是辦理集裝箱重箱或空箱裝卸、轉運、保管和交接的場所。水平運輸系統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設備是實現集裝箱運輸的物質基礎，使碼頭的各部分緊密相連，形成一個有機整體，對于集裝箱碼頭的作業效率、安全和環保具有重要影響。隨著自動化集裝箱碼頭向著智能化和綠色化方向發展，其主要搬運設備的相關技術也在與時俱進。本文針對集裝箱碼頭智能化和綠色化的發展前景，從碼頭前沿、堆場和水平運輸三個場景介紹自動化集裝箱碼頭主要運輸設備及其關鍵技術，對各技術的主要特點進行分析和總結。

1 碼頭前沿主要設備關鍵技術

碼頭前沿完成集裝箱從海到陸的運輸過程，絕大部分港口都采用岸邊集裝箱起重機（岸橋）作為運輸設備。岸橋關鍵技術主要包括岸橋雙小車技術、岸橋吊具防搖技術、岸橋遠程操作技術、岸橋加高技術和岸橋狀態監測技術等。

1.1 岸橋雙小車技術

雙小車岸橋有利于實現裝卸作業的自動化，通過先進的自動控制技術使其與地面運輸AGV 或卡車自動配合，形成高效作業系統，大大提高作業效率。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循環由相互獨立的高位前小車和低位后支架體小車在中轉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立的起重小車，每套小車存在獨立的起升裝置，各自完成自己的作業循環，稱為獨立的雙小車岸橋。

1.2 岸橋吊具防搖技術

隨著岸橋向大型化發展，其行走小車的運行速度及集裝箱的起升高度也相應提高。如果不采取防搖措施，將導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）環節上花費過多的時間，極大影響生產效率和裝卸速度。目前在岸橋采用的吊具防搖技術有機械式防搖和電子式防搖兩大類。電子式防搖已得到廣泛應用，主要包括輸入整形技術和模糊控制技術等。輸入整形技術是一種開環控制技術，主要通過對小車運行速度進行整形以達到控制吊具擺動的目的；模糊控制技術主要通過視覺傳感器或陀螺儀測量吊具擺角和角速度，利用模仿司機操作的模糊規則來實現防搖控制。

1.3 岸橋遠程操作技術

遠程操控岸橋的應用可提高岸橋司機的操作舒適度，通過攝像設備和掃描監控的應用，擴展操作人員的視線范圍。通過自動化操控系統和TOS 系統相連接，達到岸橋遠程自動操作的目的，把岸橋司機從惡劣的現場環境中解放出來。岸橋遠程操作主要包括以下環節：岸橋與遠程控制室之間的高速數據通訊連接，高清全數字視頻采集系統，畫面分割顯示系統，遠程操作室，集裝箱船形掃描系統，集卡定位系統等。

1.4 岸橋加高技術

對現有岸橋進行加高，可提升大型船舶的作業效率，更加適應船舶大型化要求和提升岸橋工作能力，并將設備的使用價值最大化。如上港集團振東碼頭分公司采用上部結構加高方法，即主要采用浮吊等大型起重設備將上部結構抬升與門框分離，機器房再將加高段安裝至上部結構與門框中間。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“下部機構頂升”的方式加高。

1.5 岸橋狀態監測技術

岸橋的狀態監測是用來監測起重機工作時的運行狀態，通過提取的狀態信息數據反映起重機的工作情況，以保證起重機安全高效的運行。如天津港采用虛擬儀器技術，以LABVIEW 軟件為開發平臺，結合數據采集卡，設計出岸橋應力監控系統，用于監測岸橋重點部分的應力變化。

2 集裝箱堆場主要設備關鍵技術

集裝箱堆場完成的是用于交接和保管集裝箱的運輸過程，該過程用到的主要運輸設備有輪胎吊和軌道吊，統稱為場橋。場橋關鍵技術主要包括輪胎吊新能源技術、場橋遠程操作技術、場橋定位技術、場橋吊具防搖技術、輪胎吊自動糾偏技術、場橋防撞技術和場橋狀態監測技術等。

2.1 輪胎吊新能源技術

傳統輪胎吊采用內燃機驅動，已不能適應港口綠色化的發展趨勢。輪胎吊新能源技術主要包括混合動力驅動技術、鋰電池動力系統技術、液化天然氣燃氣技術和氫燃料電池技術等。混合動力驅動技術是在輪胎吊的直流母線上加裝儲能系統，當輪胎吊初始運行時由發電機組對儲能機構充電至規定數值后開始正常運行，該技術具有節能率高、使用靈活、方便轉場以及便于生產調度等優點。鋰電池動力系統技術是將大容量鋰電池應用輪胎吊，節能效果可達到50%以上，與市電輪胎吊相比，保持了RTG 轉場的機動性，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質清潔能源結合應用在輪胎吊上，與常規節能輪胎吊相比，改造后的輪胎吊不僅保留了常規產品的機動性優點，而且在節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械的發展趨勢。

2.2 場橋遠程操作技術

與岸橋輪遠程操作技術類似，場橋遠程操控指通過技術手段，將原先在駕駛室內的操作移至后方遠程控制室操作，操作模式由原先的“一對一”轉變為全局隨機分配的“一對多”。場橋遠程操控技術改造可大幅減少人工費用，降低司機勞動強度，延長司機職業壽命，降低設備能耗和排放，提高產業智能化水平。

2.3 場橋定位技術

為實現自動化堆場的高效運作，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確定位。輪胎吊大車定位技術主要有直接坐標定位、電磁定位、BTG 磁釘定位、光學定位、DGPS 差分全球定位系統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行定位。

2.4 場橋吊具防搖技術

與岸橋吊具防搖技術類似，場橋吊具防搖技術也分為機械式和電子式兩大類。其技術原理類似，這里不再贅述。

2.5 輪胎吊自動糾偏技術

由于輪胎吊自身結構特點，在運行時會發生輕微的路徑偏移，隨著運行時間的增加，偏移會越發嚴重，如果在作業過程中跑偏，極易發生刮碰事故，造成輪胎吊或其他設施設備損壞。常用的自動糾偏技術包括基于GPS 的糾偏技術、地面劃線和圖像識別糾偏技術、地面埋設檢測體糾偏技術、紅外線或光電測距糾偏技術和激光掃描糾偏技術等。

2.6 場橋防撞技術

場橋在作業時，由于吊具遮擋存在視野盲區，有時無法及時、完整觀察到堆碼集裝箱的情況。而小車和起升機構運動速度較快，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“打保齡球”事故，導致集裝箱傾倒，甚至出現人員傷亡。因此，可采用集裝箱堆碼輪廓掃描技術，利用激光掃描儀對堆場內碼垛的集裝箱輪廓進行掃描，建立了堆碼集裝箱輪廓，從而避免視覺盲區。

2.7 場橋狀態監測技術

場橋狀態監測技術與岸橋狀態監測技術類似，主要用來監測場橋工作時的運行狀態，通過提取的狀態信息數據反映其工作情況，以保證場橋安全高效的運行。對于輪胎吊，通常還需要在輪胎中安裝胎壓監測系統以讀取輪胎氣壓、溫度等數據，通過監測到數據分析降低由于輪胎引起的事故頻次。

3 集裝箱水平運輸主要設備關鍵技術

水平運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輸過程，該過程中用的到設備有集裝箱卡車、跨運車、AGV、IGV、堆高機和正面吊等設備。

3.1 集卡關鍵技術

集裝箱拖掛車簡稱集卡，港口用的集卡主要是作為水平運輸的車輛，利用牽引車來拖動承載集裝箱的底盤車，進而完成集裝箱的轉運工作。集卡關鍵技術主要包括集裝箱防吊起技術、集卡引導與定位技術。

（1）集裝箱防吊起技術。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，嚴重時會使車輛傾覆，損壞車輛并危及拖車司機的安全。防吊起系統可使用二維激光器實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面和集卡車身。當集裝箱從集卡車身提起過程中，檢測集卡車身是否發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，系統會立刻禁止起升機構繼續上升動作，防止車身被集裝箱一同提起。

（2）集卡引導與定位技術。集卡引導系統（CPS）可解決集卡定位不準確和自動化碼頭對集卡車無法引導定位的問題。該系統主要用于引導集卡司機快速、準確地進行集卡裝卸作業。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時監測集卡位置，將集卡實時位置與理論位置對比，集卡位置顯示屏實時顯示在大車方向上與準確停靠位置的偏差值，引導集卡司機向前、向后移動集卡，快速、準確地停靠到準確位置，極大地提高了岸橋和場橋的工作效率。

3.2 跨運車關鍵技術

跨運車可一機多用，具有完成多種作業的能力，可做水平運輸，也可作堆垛堆碼、搬運及裝卸作業，機動性好，作業靈活，但結構、機構復雜，車體較窄，質心位置高，行走穩定性差，對路面和司機操作水平要求高。跨運車關鍵技術主要包括防側翻控制技術、防集裝箱偏載技術、轉向差速電子校正技術、平順性技術和清潔能源技術等。

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

（2）防集裝箱偏載技術。包含機械式升降系統方式等，其采取特定的纏繞方式將吊具一側兩個吊點的鋼絲繩連在一起，可有效防止因集裝箱偏載引起的吊具偏轉。

（3）轉向差速電子校正技術。跨運車兩側的車輪分別用兩臺變頻電機驅動，不采用差速器的傳動方案，有利于整機的布置，簡化結構。兩套轉向機構分別布置在車的兩側，轉向時由兩側的油缸分別驅動各自的轉向機構。在整機轉向行駛時，根據內外車輪的實際轉向角度，PLC 根據轉向油缸的伸縮長度實時計算內外輪的運行速度關系，從而控制內外兩側的兩個變頻電機按不同的速度運轉，實現內外車輪的差速運轉，保證整車的4個車輪繞一點做近似的純滾動。

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

（5）清潔能源技術。跨運車采用清潔能源主要有混合動力和純電池兩大模式。混合動力跨運車主要采用“柴油機+鋰電池”和“LNG 燃料+鋰電池”兩種方式，與原有柴油動力跨運車相比，“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，可實現污染物的零排放。

3.3 AGV 關鍵技術

AGV 是裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車，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 關鍵技術主要包括定位導航技術、自動換電技術和路徑規劃技術等。

（1）定位導航技術。導航系統為AGV 核心組成部分，面向自動化集裝箱碼頭常見的AGV 導航方式主要有視覺導航、激光導航、磁導航等，這些技術各有優缺點。視覺導航能夠實現自主高精度定位，但易受環境影響導致適應性差；激光導航定位精度高、抗干擾能力強，但硬件成本也較高；磁導航控制簡單、成本低、且抗干擾能力強，可在各種環境下工作，但其運行路徑受限于地埋標簽（磁釘），靈活性受限，更改路徑施工量大。

（2）自動換電技術。傳統的AGV 采用充電方式，在充電過程中會導致本體閑置，影響作業效率。利用換電機器人可24 小時對多輛AGV 進行不間斷換電。做到動力電池集中充電和換電，使動力電池實現獨立檢修，每臺AGV 有更多的時間作業，還可降低AGV 的配置數量，提高每臺AGV 的產能。

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

3.4 IGV 關鍵技術

IGV 即智慧型引導運輸車，在港口也稱為無人集卡，和AGV 相比較，IGV 柔性化程度更高，無需借助任何標記物行駛，并且路徑靈活多變，可根據實際生產需求靈活調度單。IGV 關鍵技術與AGV 類似，主要包括定位導航技術、自動換電技術和路徑規劃技術等。但其定位導航技術與AGV 有所不同。作為水平運輸設備的IGV，主要依靠自然輪廓導航，采用配備衛星導航定位、激光雷達SLAM（同步定位與建圖）、視覺SLAM 等多傳感器融合定位技術，存儲一套工作空間的數字地圖，通過實時比較數字地圖和激光雷達的讀數或視覺數據來推斷其所在位置。這種無人駕駛IGV 運輸靈活，在碼頭堆場間自由穿梭，可將集裝箱運輸至每一個堆場箱區內。

3.5 正面吊關鍵技術

集裝箱正面起重機俗稱正面吊，主要用于集裝箱的堆垛和碼頭、堆場內的水平運輸，它具有機動靈活、操作方便、穩定性好、輪壓較底、堆碼層數高、堆場利用率高等優點，可進行跨箱作業。正面吊關鍵技術主要包括純電正面吊技術、流量放大技術和正面吊安全保護技術等。

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

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

（3）安全保護技術。正面吊安全保護技術需要自動獲取吊具上重物重量，以避免過大的載荷導致正面吊受損。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；另一種是根據力矩平衡的方法，計算出吊具上的重物重量。

4 結束語

隨著港口向智慧化和綠色化方向發展，自動化集裝箱碼頭的主要設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輸設備為對象，將其按前沿設備、堆場設備和水平運輸設備進行了分類，對各設備在智能化和綠色化前景下的關鍵技術進行了梳理，詳細分析和總結了各關鍵技術的特點，可為自動化集裝箱碼頭的設備選型和技術革新提供參考。