集裝箱自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)

1、相品集裝箱自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)摘要：介紹上海外高橋二期碼頭建造的世界一流的全自動(dòng)、無(wú)人化集裝箱空箱堆場(chǎng)。 該堆場(chǎng)采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高、低架軌道龍門吊與中轉(zhuǎn)平臺(tái)相結(jié)合的接力式集裝箱堆場(chǎng)裝卸新工藝，結(jié)合數(shù)字通信、自動(dòng)控制技術(shù)、三維堆場(chǎng)管理與規(guī)劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱堆場(chǎng)無(wú)人化的高效自動(dòng)裝卸。關(guān)鍵詞：集裝箱；自動(dòng)化堆場(chǎng)；裝卸工藝，控制系統(tǒng)；作業(yè)流程0引言堆場(chǎng)的自動(dòng)化無(wú)人堆放是集裝箱碼頭作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。由于影響和制約堆場(chǎng)堆放的因素較多，綜合考慮各方向的因素并融合調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)集裝箱進(jìn)行合理高效地堆放一直是集裝箱碼頭作業(yè)所追求的目標(biāo)。自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)作為當(dāng)今世界集裝箱碼頭的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于提高集裝箱堆場(chǎng)和設(shè)備

2、利用率、降低運(yùn)營(yíng)成本起到非常重要的作用。裝卸工藝的創(chuàng)新是提高裝卸效率的一個(gè)重要途徑。但是，裝卸工藝的創(chuàng)新必然會(huì)給堆場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多新的技術(shù)問(wèn)題；而且整個(gè)堆場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題， 涉及到多方面的技術(shù)，包括土建、堆場(chǎng)作業(yè)流程設(shè)計(jì)、堆場(chǎng)堆存管理、堆場(chǎng)運(yùn)行控制與監(jiān)控以及堆場(chǎng)系統(tǒng)的安全等。如何根據(jù)堆場(chǎng)的裝卸系統(tǒng)特點(diǎn)，采用合適的地基處理方法，設(shè)計(jì)出合理的堆場(chǎng)市局，制定完善的作業(yè)規(guī)則，設(shè)計(jì)滿足堆場(chǎng)運(yùn)行要求的具有較高自動(dòng)化、信息化程度的運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)等，都是提高集裝箱堆場(chǎng)和設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)集裝箱堆場(chǎng)的自動(dòng)化與無(wú)人化運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀早在20世紀(jì)80年代中期，在勞動(dòng)力成本

3、昂貴和熟練勞動(dòng)力匱乏的地區(qū)，自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)集裝箱碼頭首先受到關(guān)注，英國(guó)泰晤士港、日本川崎港以及荷蘭鹿特丹港紛紛規(guī)劃建設(shè)自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)的集裝箱碼頭。泰晤士港和川崎港自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)集裝箱碼頭均計(jì)劃采用分階段建設(shè)的方法 實(shí)施，但是由于后續(xù)的自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)的財(cái)政資助發(fā)生變化而擱淺。1993年全球第1個(gè)自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)集裝箱碼頭一一荷蘭鹿特丹港ECT碼頭Delta Sealand建成投產(chǎn)，實(shí)踐證明其自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)的集裝箱碼頭建設(shè)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。之后，ECT又分別于1997年和2000年建成自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)碼頭 Delta Dedicated East(DDE)和 Delta Dedicated west(DDW) 。 2002 年德

4、國(guó)漢堡 Altenwerdet自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)碼頭也建成投產(chǎn)。國(guó)際集裝箱自動(dòng)化碼頭的發(fā)展大致可以分為3代：第l代，以荷蘭鹿特丹港 ECT碼頭I期和II期為代表，目前已投入運(yùn)營(yíng)的自動(dòng)化程度最高 的碼頭。碼頭岸邊設(shè)備為人工操作，水平搬運(yùn)設(shè)備一一自動(dòng)導(dǎo)向車AGV和堆場(chǎng)設(shè)備 RMG均為無(wú)人操作。另外，還有一部分作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能的集裝箱碼頭，例如新加坡PSA碼頭、中國(guó)香港HIT碼頭，主要是堆場(chǎng)作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。第2代，以德國(guó)漢堡HHLA-CTA碼頭為代表，目前正在試運(yùn)行的最先進(jìn)的自動(dòng)化集裝箱碼 頭。碼頭自動(dòng)化范圍從岸橋到堆場(chǎng)和堆場(chǎng)到集卡，岸邊設(shè)備岸橋?yàn)榘胱詣?dòng)化操作，水平搬運(yùn)設(shè)備AGV和堆場(chǎng)設(shè)備 RMG均為

5、無(wú)人操作。1堆場(chǎng)裝卸工藝為大、小穿越 RMG與AGV 相結(jié)合，RMG在堆區(qū)兩端完成裝卸作業(yè)。第3代，以荷蘭鹿特丹港 EUROPMAX碼頭為代表，尚在設(shè)計(jì)中的自動(dòng)化集裝箱碼頭。此 類堆場(chǎng)自動(dòng)化范圍從岸橋到堆場(chǎng)、堆場(chǎng)到集卡和堆場(chǎng)到軌道吊，岸邊設(shè)備岸橋?yàn)榘胱詣?dòng)化操作，水平搬運(yùn)設(shè)備 AGV和堆場(chǎng)設(shè)備RMG均為無(wú)人操作，軌道吊為半自動(dòng)化操作另外，在 港口裝卸工藝方面，國(guó)內(nèi)外各大港口也不斷創(chuàng)新，爭(zhēng)相改進(jìn)自己的裝卸系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)高效率的集裝箱裝卸工藝和裝卸系統(tǒng)。2目前應(yīng)用最多的集裝箱裝卸工藝是“岸邊集裝箱裝卸橋一一跨越車系統(tǒng)”和“岸邊集裝箱裝卸橋一一龍門起重機(jī)系統(tǒng)”。但是，它們都避免不了岸橋到堆場(chǎng)之間的多次

6、裝卸作業(yè)，僅靠 提高裝卸機(jī)械的作業(yè)速度對(duì)裝卸系統(tǒng)效率的提升空間不大。裝卸效率的大幅提升還需要裝卸工藝的改革。隨著集裝箱運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展和相關(guān)控制、生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，新的工藝系統(tǒng)不斷被研究試驗(yàn)，也促進(jìn)了全自動(dòng)化堆場(chǎng)的快速發(fā)展。比較典型的有“馬托松高架裝卸系統(tǒng)和環(huán)形電動(dòng)平車系統(tǒng)”和“環(huán)形電動(dòng)平車系統(tǒng)”“國(guó)內(nèi)最近還提出一種“港口集裝箱兀型裝卸系統(tǒng)的設(shè)備及工藝”，并獲得國(guó)家發(fā)明專利。這些裝卸工藝各具特點(diǎn)，適合不同的港口環(huán)境。2自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)系統(tǒng)2.1裝卸工藝堆場(chǎng)裝卸工藝采用的新型全自動(dòng)化高低架軌道吊接力式裝卸系統(tǒng)，世界首創(chuàng)，可將目前堆場(chǎng)的堆高從堆4過(guò)5,提高到堆8過(guò)9（標(biāo)準(zhǔn)*f高）。3設(shè)計(jì)的整個(gè)堆場(chǎng)共由 5垛

7、堆區(qū)組成，每 個(gè)堆區(qū)配備l臺(tái)DRMG ,堆場(chǎng)兩端各配置 3臺(tái)CRMG ,組成5條裝卸作業(yè)線。用于自動(dòng)化 堆場(chǎng)建設(shè)的場(chǎng)地占地面積為263.85 m X 245.24 m。完成自動(dòng)化堆場(chǎng)裝卸作業(yè)的主要設(shè)備及功能為：（1）低架軌道吊CRMG用來(lái)將集裝箱從集卡取出放到緩沖區(qū)的中間平臺(tái)上（集卡卸有f過(guò)程），或者將集裝箱由緩沖區(qū)中轉(zhuǎn)平臺(tái)取出放到集卡（集卡裝箱過(guò)程）。它采用最新一代軌道式集裝箱裝卸橋，采用單小車單吊具，可 1次起吊1個(gè)40 ft集裝箱或2個(gè)20 ft集裝箱。（2）高架軌道吊DRMG。用來(lái)將集裝箱從緩沖區(qū)中轉(zhuǎn)平臺(tái)取出放進(jìn)堆場(chǎng)（集卡卸箱過(guò)程），或者將集裝箱由堆場(chǎng)取出放到緩沖區(qū)中轉(zhuǎn)平臺(tái)（集卡裝箱過(guò)

8、程）。它采用最新一代軌道式集裝箱裝卸橋，具有雙小車雙吊具，可 l次起吊2個(gè)40 ft集裝箱或4個(gè)20 ft集裝箱。（3）集裝箱拖掛車。承擔(dān)集裝箱在碼頭的水平運(yùn)輸在該堆場(chǎng)參與作業(yè)的集卡分為外集卡（社會(huì)集裝箱卡車）與內(nèi)集卡（集裝箱碼頭內(nèi)部集裝箱卡車 ）。利用該裝卸工藝方案在自動(dòng)化堆場(chǎng)的裝卸過(guò)程為：DRMG和CRMG在各自的軌道上運(yùn)行作業(yè)，兩者大車運(yùn)行方向相互垂直。在每條堆放線兩端與集卡的運(yùn)行區(qū)之間布置有緩沖區(qū)，并安裝集裝箱中轉(zhuǎn)平臺(tái)，DRMG和CRMG通過(guò)中轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行接力式作業(yè)，實(shí)現(xiàn)集裝箱“多次 裝卸，一次集拼”的高效作業(yè)模式。DRMG在堆放線的堆區(qū)內(nèi)運(yùn)行，負(fù)責(zé)完成集裝箱的堆放、提取與翻箱作業(yè)，CR

9、MG則負(fù)責(zé)將集卡上的集裝箱吊到中轉(zhuǎn)平臺(tái)或者將中轉(zhuǎn)平臺(tái)上的集裝箱吊到集卡上。接力式裝卸工藝在占地面積為263.85m X 245.24 m的堆場(chǎng)上，堆存能力為5垛X 8層X(jué) 64排X6列=1 5 360 TEU。該工藝方案同時(shí)適用于碼頭重箱與空箱的作業(yè)要求，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)裝卸集卡與堆存箱分別由DRMG和CRMG通過(guò)緩沖平臺(tái)進(jìn)行中轉(zhuǎn)接力完成。堆區(qū)集裝箱排列力向與集卡方向一致，并將垂直作業(yè)和水平作業(yè)分開(kāi)；(2)集卡不進(jìn)入堆區(qū)，在堆區(qū)兩端完成裝卸，在自動(dòng)的作業(yè)過(guò)程中確保司機(jī)的安全；(3)通過(guò)緩沖平臺(tái)，解決進(jìn)出箱裝卸能力不平衡的難題，同時(shí)其導(dǎo)板結(jié)構(gòu)保證集裝箱的快速落位，有助于規(guī)范進(jìn)出箱區(qū)集裝箱

10、的位置，提高 RMG提取箱的作業(yè)效率；(4)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了獨(dú)立運(yùn)行的雙小車DHMG ,配上2個(gè)吊具，可以1次起吊2只40 ft或4只20 ft集裝箱，并具有冗余功能；(5) CRMG專門用來(lái)裝卸集卡，易于實(shí)現(xiàn)防搖和定位，使集卡快速裝卸，大大減少集卡的逗 留時(shí)間。在本研究實(shí)施過(guò)程中，為適當(dāng)降低技術(shù)難度與投資風(fēng)險(xiǎn)，以實(shí)現(xiàn)空箱作業(yè)的自動(dòng)化為目標(biāo)，該方案實(shí)施成功后， 可以進(jìn)一步推廣到重箱堆場(chǎng)的自動(dòng)化作業(yè)。一期工程率先實(shí)施 2垛。待一期完成，技術(shù)條件成熟后，二期工程將實(shí)施另外3垛。2.2 控制系統(tǒng)自動(dòng)化堆場(chǎng)控制系統(tǒng)將現(xiàn)代碼頭生產(chǎn)管理技術(shù)與自動(dòng)化堆場(chǎng)的裝卸工藝有效地結(jié)合起來(lái)，綜合采用網(wǎng)絡(luò)傳輸與管理控制技術(shù)、

11、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操作技術(shù)、 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控與報(bào)警技術(shù)， 通過(guò)圖形 化的操作管理界面、 遠(yuǎn)程對(duì)講系統(tǒng)將整個(gè)自動(dòng)化堆場(chǎng)的人、 設(shè)備和集卡有機(jī)地結(jié)合起來(lái)， 實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)指揮與控制，形成自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型應(yīng)用4。實(shí)現(xiàn)集裝箱自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)的高效運(yùn)行，包括：生產(chǎn)控制服務(wù)系統(tǒng)(GDS),堆場(chǎng)任務(wù)管理系統(tǒng)(LDS),遠(yuǎn)程操作站(ROS)以及設(shè)備遠(yuǎn)程中央監(jiān)控系統(tǒng) (CMS)。2.3 堆存管理與作業(yè)策略高度自動(dòng)化的堆場(chǎng)設(shè)備只有與正確的堆場(chǎng)堆存管理和作業(yè)策略規(guī)劃相結(jié)合，才能充分發(fā)揮裝卸設(shè)備自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。由于集裝箱堆場(chǎng)為自動(dòng)化無(wú)人智能堆場(chǎng)，需要按照生產(chǎn)計(jì)劃及時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)度，

12、完成堆場(chǎng)的進(jìn)出箱任務(wù)，實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)集裝箱的信息管理。作業(yè)策略規(guī)劃是碼頭作業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，受到諸多因素的影響和制約。 合理高效的集裝箱碼頭作業(yè)策略一直是集裝箱碼頭作業(yè)所追求的目標(biāo)。為滿足這些要求，通過(guò)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化堆場(chǎng)堆存管理與作業(yè)策略的優(yōu)化，提高裝卸效率，降低運(yùn)營(yíng)成本：(1)集裝箱屬性標(biāo)志，保證每個(gè)集裝箱有唯一的編碼，用于集裝箱信息的管理；(2)堆場(chǎng)區(qū)域和緩沖區(qū)內(nèi)任意位置的集裝箱都具有唯一的編碼，用于堆場(chǎng)設(shè)備對(duì)集裝箱的自動(dòng)化操作；(3)通過(guò)對(duì)作業(yè)過(guò)程的分配與控制、CRMG作業(yè)分配與 DRMG作業(yè)分配的研究，并通過(guò)堆場(chǎng)LDS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，為自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)的堆場(chǎng)作業(yè)提出合理的作業(yè)策略；(4)

13、合理設(shè)計(jì)堆場(chǎng)的作業(yè)流程，保證整個(gè)堆場(chǎng)各方面運(yùn)行協(xié)調(diào)一致。2.4 智能道口系統(tǒng)碼頭智能堆場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)道口主要是將進(jìn)入智能堆場(chǎng)箱區(qū)的集卡車號(hào)及裝載的箱號(hào)信息自動(dòng)識(shí)別 并提交碼頭營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)(TOPS)。它與已在進(jìn)港大門作業(yè)系統(tǒng)中生成的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行校驗(yàn)，確 保軌道吊作業(yè)指令與駛?cè)氲募ㄑb載信息的唯一匹配；同時(shí)將得到的業(yè)務(wù)系統(tǒng)任務(wù)反饋信息給集卡司機(jī)，讓集卡司機(jī)明確應(yīng)該進(jìn)入的相應(yīng)車道。5針對(duì)現(xiàn)今集裝箱運(yùn)輸車輛和集裝箱的現(xiàn)狀，并結(jié)合今后的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)一套用于集裝箱自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)的智能道幾系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成用于集裝箱箱號(hào)識(shí)別的OCR自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和用于集卡車號(hào)識(shí)別的 RFID車輛識(shí)別技術(shù)，并結(jié)合電子信息提示牌及閘道系統(tǒng)

14、、道口自助終端 系統(tǒng)、配合紅綠燈等多重保護(hù)裝置完善系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)集卡信息與集裝箱箱號(hào)高準(zhǔn)確率識(shí)別。整個(gè)智能道口的系統(tǒng)架構(gòu)如圖l所示。圖1智能道口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.5 抗地基不均勻沉降上海外高橋二期堆場(chǎng)地基由吹填粉砂構(gòu)成，呈飽和疏松狀態(tài)；飽和軟黏土下地基含水量高、 孔隙比較大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮層厚、載荷作用后變形時(shí)間長(zhǎng)。但是，由于本堆場(chǎng)要實(shí)現(xiàn)堆 8過(guò)9的堆高要求，堆場(chǎng)載荷比較大，地基最容易出現(xiàn)的問(wèn)題就是這種軟土地基的不均勻沉 降。因此，迫切需要研究解決堆場(chǎng)這類地基的不均勻沉降問(wèn)題。針對(duì)外高橋二期自動(dòng)化堆場(chǎng)的地質(zhì)特點(diǎn)，采用土工格柵處理的方案， 配合振動(dòng)碾壓與降水的聯(lián)合的方法，解決自動(dòng)化機(jī)械對(duì)場(chǎng)地差異沉降

15、的高要求，實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)的抗地基不均勻沉降設(shè)計(jì)。2.6 高垛空箱堆放的防風(fēng)建設(shè)的自動(dòng)化堆場(chǎng)堆高達(dá)到堆 8過(guò)9,且為空箱堆場(chǎng)，因而針對(duì)自動(dòng)化堆場(chǎng)的集裝箱堆放的 特點(diǎn)，設(shè)計(jì)框式防風(fēng)方案。本方案的特點(diǎn)是能抵擋強(qiáng)風(fēng)能力、充分利用堆場(chǎng)空間(防風(fēng)框內(nèi)堆放集裝箱)。在堆場(chǎng)四周設(shè)置防風(fēng)框，防風(fēng)框由防風(fēng)支架和橫于集裝箱中間的防風(fēng)筋條組 成，其中防風(fēng)支架中是防風(fēng)筋條的支撐。防風(fēng)框內(nèi)堆放集裝箱， 既能節(jié)省空間又能起到防風(fēng)的作用。2.7 堆場(chǎng)系統(tǒng)安全技術(shù)集裝箱堆場(chǎng)作為港口重要的裝卸作業(yè)場(chǎng)地， 承擔(dān)著集裝箱的裝卸、存儲(chǔ)等重要任務(wù)，因此提 高堆場(chǎng)系統(tǒng)的安全性對(duì)堆場(chǎng)的日常運(yùn)營(yíng)十分重要。本課題主要解決裝卸機(jī)械安全、電氣安全、 數(shù)字

16、系統(tǒng)安全等安全技術(shù)問(wèn)題，大大提高自動(dòng)化堆場(chǎng)日常運(yùn)營(yíng)的安全性能。自動(dòng)化堆場(chǎng)中每垛只配備1臺(tái)DRMG ,所以必須保證每臺(tái) DRMG工作的可靠性。可以看出，為了防止驅(qū)動(dòng)器故障而影響整垛箱區(qū)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)DRMG時(shí)便考慮局部故障對(duì)整垛箱區(qū)影響為最小每臺(tái) DRMG均有備用驅(qū)動(dòng)，當(dāng)其中任一驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)另一驅(qū)動(dòng)能立即投人 運(yùn)行，從而不影響 DRMG的正常運(yùn)行。在數(shù)字系統(tǒng)安全上建立一套完整的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，包括防病毒系統(tǒng)、 防火墻、入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全漏洞掃描系統(tǒng)、健全的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)管理制度。它們互相配合，互相協(xié)捅，充分 發(fā)揮各自的作用，確保網(wǎng)絡(luò)暢通和安全。3結(jié)論上海外高橋二期碼頭自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)至今已開(kāi)展

17、了近2年的技術(shù)研發(fā)和實(shí)施上作，于 2006年3月投入工業(yè)性試生產(chǎn)， 至4月22日完成了 5 876 TEU的工作任務(wù)；并于4月23日投入 正式生產(chǎn)，至9月15日堆場(chǎng)總計(jì)完成 2萬(wàn)多TEU的工作任務(wù)。自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)采用的新型全自動(dòng)化高低架軌道龍門吊接力式裝卸系統(tǒng)，裝卸效率達(dá)到130TEU/h,大大提高堆場(chǎng)的裝卸效牢，降低運(yùn)行成本，并可將堆場(chǎng)的堆高能力從目前的堆4過(guò)5(標(biāo)準(zhǔn)多f高)提高到堆8過(guò)9(標(biāo)準(zhǔn)有f高)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明：2個(gè)自動(dòng)化堆場(chǎng)箱區(qū)的堆存能 力比目前堆高機(jī)堆場(chǎng)能力提高20%以上；成熟運(yùn)行后，年通過(guò)能力可達(dá)到54萬(wàn)TEU。同時(shí)，自動(dòng)化無(wú)人堆場(chǎng)的啟用，減少和避免集裝箱在運(yùn)輸過(guò)程中的人為差錯(cuò)，降低操作人員的工作強(qiáng)度，節(jié)省運(yùn)輸成本，可全面提升港口集裝箱裝卸作業(yè)的服務(wù)水平和管理水平。參考文獻(xiàn)：1彭傳