集装箱自动化无人堆场.docx

集装箱自动化无人堆场包起帆(上海国际港务 (集团 )有限公司 ,上海 200082 )摘要 :介绍上海外高桥二期码头建造的世界一流的全自动 、无人化集装箱空箱堆场 . 该堆场采用具有自主知识产权的高 、低架轨道龙门吊与中转平台相结合的接力式集装箱堆场装卸新工艺 ,结合 数字通信 、自动控制技术 、三维堆场管理与规划技术 ,实现对集装箱堆场无人化的高效自动装卸 .关键词 : 集装箱 ; 自动化堆场 ; 装卸工艺 ; 控制系统 ; 作业流程中图分类号 :文献标志码 : AU169. 95Automa ted and unmanned con ta iner yardBAO Q ifan( Shangha i In te rna tiona l Po rt ( Group ) Co. L td, Shangha i 200082 , Ch ina)fu lly au tom a ted and unm anned con ta ine r ya rd of the second2p ha se wha rf in Shangha iA b stra c t: AW a igaoq iao Te rm ina l is in troduced. The ya rd u tilize s a new typ e p roce ss w ith own know ledge p rop e rtyrigh t, and imp rove s the hand ling effic iency. The p roce ss com b ine s a low Can tileve r R a il Moun ted Gan try C rane ( CRM G) , a h igh Doub le2tro lley R a il Moun ted Gan try C rane (DRM G) and con ta ine r buffe rs be2 tween CRM G and DRM G, and u se s d igita l comm un ica tion techno logy, au tom a tion techno logy and 3Dya rd m anagem en t and p lann ing techno logy.Key word s: con ta ine r; au tom a tic con ta ine r ya rd;hand ling p roce ss; con tro l system; op e ra ting p rocedu re本身是一个复杂的系统工程问题 ,涉及到多方面的技术 ,包括土建 、堆场作业流程设计 、堆场堆存管理 、 堆场运行控制与监控以及堆场系统的安全等 . 如何 根据堆场的装卸系统特点 ,采用合适的地基处理方 法 ,设计出合理的堆场布局 ,制定完善的作业规则 ,设计满足堆场运行要求的具有较高自动化 、信息化 程度的运营管理系统等 ,都是提高集装箱堆场和设 备利用率 ,实现集装箱堆场的自动化与无人化运行 的关键技术问题 .1 国内外发展现状早在 20 世纪 80 年代中期 ,在劳动力成本昂贵0 引言堆场的自动化无人堆放是集装箱码头作业的发展趋势. 由于影响和制约堆场堆放的因素较多 ,综合 考虑各方面的因素并融合调度人员的经验 ,对集装箱进行合理高效地堆放一直是集装箱码头作业所追 求的目标 . 自动化无人堆场作为当今世界集装箱码头的发展趋势 ,对于提高集装箱堆场和设备利用率 、 降低运营成本起到非常重要的作用 .装卸工艺的创新是提高装卸效率的一个重要途 径 . 但是 ,装卸工艺的创新必然会给堆场系统的设计 带来许多新的技术问题 ; 而且整个堆场系统的设计收稿日期 : 2006 211 209;修回日期 : 2006 203 228作者简介 :包起帆 ( 1951 2) ,男 ,浙江镇海人 ,教授级高级工程师 ,研究方向为港口设备自动化 , ( E2m a il) B aoQ F51 163. com第 2 期包起帆 :集装箱自动化无人堆场59和熟练劳动力匮乏的地区 ,自动化运转集装箱码头首先受到关注 ,英国泰晤士港 、日本川崎港以及荷兰 鹿特丹港纷纷规划建设自动化运转的集装箱码头 . 泰晤士港和川崎港自动化运转集装箱码头均计划采 用分阶段建设的方法实施 ,但是由于后续的自动化设备开发的财政资助发生变化而搁浅 . 1993 年全球 第 1 个自 动化 运 转集 装箱 码 头 荷 兰 鹿 特 丹 港 ECT码头 D e lta Sea land 建成投产 ,实践证明其自动 化运转的集装箱码头建设达到预期目标 . 之后 , ECT 又分别于 1997 年 和 2000 年 建 成 自 动 化 运 转 码 头 D e lta D ed ica ted Ea st (DD E )和 D e lta D ed ica ted W e st(DDW ) . 2002 年德国汉堡 A ltenwe rde r自动化运转 码头也建成投产. 国际集装箱自动化码头的发展大 致可以分为 3代 :第 1代 ,以荷兰鹿特丹港 ECT码头 I期和 II期 为代表 ,目前已投入运营的自动化程度最高的码头 .码头岸边设备为人工操作 ,水平搬运设备 自动 导向车 A GV 和堆场设备 RM G均为无人操作 . 另外 , 还有一些部分作业实现自动化功能的集装箱码头 , 例如新加坡 PSA 码头 、中国香港 H IT码头 , 主要是 堆场作业实现自动化操作 .第 2 代 , 以德国汉堡 HHLA 2CTA 码头为 代表 , 目前正在试运行的最先进的自动化集装箱码头. 码 头自动化范围从岸桥到堆场和堆场到集卡 ,岸边设 备岸桥为半自动化操作 ,水平搬运设备 A GV 和堆场 设备 RM G均为无人操作 . 1 堆场装卸工艺为大 、小穿越 RM G与 A GV 相结合 , RM G在堆区两端完成装 卸作业.第 3 代 , 以 荷兰 鹿特 丹港 EURO PMAX 码头 为 代表 ,尚在设计中的自动化集装箱码头 . 此类堆场自 动化范围从岸桥到堆场 、堆场到集卡和堆场到轨道吊 ,岸边设备岸桥为 半 自动 化操 作 , 水平 搬 运设 备 A GV 和堆场设备 RM G均为无人操作 , 轨道吊为半 自动化操作 . 另外 ,在港口装卸工艺方面 ,国内外各 大港口也不断创新 ,争相改进自己的装卸系统 ,开发 设计高效率的集装箱装卸工艺和装卸系统. 2 目前应用最多的集装箱装卸工艺是“岸边集装 箱装 卸 桥 跨 越 车 系 统 ”和“岸 边 集 装 箱 装 卸 桥 龙门起重机系统 ”. 但是 ,它们都避免不了岸 桥到堆场之间的多次装卸作业 ,仅靠提高装卸机械 的作业速度对装卸系统效率的提升空间不大 . 装卸效率的大幅提升还需要装卸工艺的改革. 随着集装 箱运输的发展和相关控制 、生产技术的进步 ,新的工 艺系统不断被研究试验 ,也促进了全自动化堆场的 快速发展 . 比较典型的有“马托松高架装卸系统和环形电动平车系统 ”和“环形电动平车系统 ”. 国内最近还提出一种“港口集装箱 型装卸系统的设备 及工艺 ”,并获得国家发明专利 . 这些装卸工艺各具 特点 ,适合不同的港口环境.2 自动化无人堆场系统2. 1 装卸工艺堆场装卸工艺采用的新型全自动化高低架轨道 吊接力式装卸系统 ,世界首创 ,可将目前堆场的堆高 从堆 4 过 5 ,提高到堆 8 过 9 (标准箱高 ) . 3 设计的 整个堆 场 共 由 5 垛 堆 区 组 成 , 每 个 堆 区 配 备 1 台 DRM G,堆场两端各配置 3 台 CRM G,组成 5 条装卸 作业线. 用 于 自 动 化 堆 场 建 设 的 场 地 占 地 面 积 为263. 85 m 245. 24 m.完成自动化堆场装卸作业的主要设备及功能 为 :( 1 ) 低架轨道吊 CRM G. 用来将集装箱从集卡取出放到缓冲区的中间平台上 (集卡卸箱过程 ) ,或 者将集装箱由缓冲区中转平台取出放到集卡 (集卡 装箱过程 ) . 它采用最新一代轨道式集装箱装卸桥 ,采用单小车单吊具 ,可 1 次起吊 1 个 40 ft集装箱或2个 20 ft集装箱.( 2 ) 高架轨道吊 DRM G. 用来将集装箱从缓冲 区中转平台取出放进堆场 (集卡卸箱过程 ) ,或者将集装箱由堆场取出放到缓冲区中转平台 (集卡装箱 过程 ) . 它采用最新一代轨道式集装箱装卸桥 ,具有 双小车双吊具 ,可 1次起吊 2个 40 ft集装箱或 4 个20 ft集装箱 .( 3 )集装箱拖挂车. 承担集装箱在码头的水平 运输 . 在该堆场参与作业的集卡分为外集卡 (社会 集装箱卡车 ) 与内集卡 (集装箱码头内部集装箱卡 车 ) .利用该装卸工艺方案在自动化堆场的装卸过程为 : DRM G和 CRM G在各自的轨道上运行作业 , 两 者大车运行方向相互垂直. 在每条堆放线两端与集 卡的运行区之间布置有缓冲区 ,并安装集装箱中转 平台 , DRM G和 CRM G通过中转平台进行接力式作 业 ,实现集装箱“多次装卸 ,一次集拼 ”的高效作业 模式 . DRM G在堆放线的堆区内运行 ,负责完成集装 箱的堆放 、提取与翻箱作业 , CRM G则负责将集卡上 的集装箱吊到中转平台或者将中转平台上的集装箱 吊到集卡上 .接力式 装 卸 工 艺 在 占 地 面 积 为 263. 85 m 245. 24 m 的 堆 场 上 , 堆 存 能 力 为 5 垛 8 层 64排 6列 = 15 360 TEU. 该工艺方案同时适用于码上海海事大学学报第 28卷60头重箱与空箱的作业要求 ,具有如下几个特点 :( 1 ) 装 卸 集 卡 与 堆 存 箱 分 别 由 DRM G 和 CRM G通过缓冲平台进行中转接力完成. 堆区集装 箱排列方向与集卡方向一致 ,并将垂直作业和水平 作业分开 ;( 2 ) 集卡不进入堆区 ,在堆区两端完成装卸 ,在 自动的作业过程中确保司机的安全 ;( 3 ) 通过缓冲平台 ,解决进出箱装卸能力不平 衡的难题 ,同时其导板结构保证集装箱的快速落位 , 有助于规范进出箱区集 装箱 的 位置 , 提 高 RM G提 取箱的作业效率 ;( 4 ) 创新设计了独立运行的双小车 DRM G,配 上 2 个吊具 ,可以 1次起吊 2只 40 ft或 4只 20 ft集 装箱 ,并具有冗余功能 ;( 5 ) CRM G专门用来装卸集卡 , 易于实现防摇 和定位 ,使集卡快速 装 卸 , 大 大 减少 集卡 的 逗留 时间 .在本研究实施过程中 ,为适当降低技术难度与 投资风险 ,以实现空箱作业的自动化为目标 ,该方案 实施成功后 ,可以进一步推广到重箱堆场的自动化 作业. 一期工程率先实施 2 垛. 待一期完成 ,技术条件成熟后 ,二期工程将实施另外 3 垛.2. 2 控制系统自动化堆场控制系统将现代码头生产管理技术 与自动化堆场的装卸工艺有效地结合起来 ,综合采 用网络传输与管理控制技术 、远程实时操作技术 、远 程自动监控与报警技术 ,通过图形化的操作管理界 面 、远程对讲系统将整个自动化堆场的人 、设备和集 卡有机地结合起来 ,实现自动化无人堆场的实时生 产指挥与控制 ,形成自动化无人堆场控制系统设计 的典型应用 4 ,实现集装箱自动化无人堆场的高效 运行 ,包括 :生产控制服务系统 ( GD S) ,堆场任务管 理系统 (LD S) ,远程操作站 ( RO S) 以及设备远程中 央监控系统 ( CM S) .2. 3 堆存管理与作业策略高度自动化的堆场设备只有与正确的堆场堆存 管理和作业策略规划相结合 ,才能充分发挥装卸设 备自动化的优势. 由于集装箱堆场为自动化无人智 能堆场 ,需要按照生产计划及时准确地实现堆场自 动化设备的实时调度 ,完成堆场的进出箱任务 ,实现 堆场集装箱的信息管理 . 作业策略规划是码头作业 生产的关键技术 ,受到诸多因素的影响和制约. 合理 高效的集装箱码头作业策略一直是集装箱码头作业 所追求的目标 . 为满足这些要求 ,通过以下几个方面实现自动化堆场堆存管理与作业策略的优化 ,提高装卸效率 ,降低运营成本 :( 1 ) 集装箱属性标志 ,保证每个集装箱有唯一 的编码 ,用于集装箱信息的管理 ;( 2 ) 堆场区域和缓冲区内任意位置的集装箱都具有唯一的编码 ,用于堆场设备对集装箱的自动化 操作 ;( 3 ) 通过对作业过程的分配与控制 、CRM G作 业分配与 DRM G作业分配的研究 ,并通过堆场 LD S 控制系统实现 ,为自动化无人堆场的堆场作业提出 合理的作业策略 ;( 4 ) 合理设计堆场的作业流程 ,保证整个堆场 各方面运行协调一致.2. 4 智能道口系统码头智能堆场进场道口主要是将进入智能堆场 箱区的集卡车号及装载的箱号信息自动识别并提交 码头营运系统 ( TO PS) . 它与已在进港大门作业系统 中生成的作业任务进行校验 ,确保轨道吊作业指令 与驶入的集卡装载信息的唯一匹配 ; 同时将得到的 业务系统任务反馈信息给集卡司机 ,让集卡司机明 确应该进入的相应车道 . 5 针对现今集装箱运输车辆和集装箱的现状 ,并 结合今后的发展趋势 ,设计一套用于集装箱自动化 无人堆场的智能道口系统. 该系统集成用于集装箱箱号识别的 OCR 自动识别技术和用于集卡车号识 别的 R F ID 车辆识别技术 , 并结合电子信息提示牌 及闸道系统 、道口自助终端系统 、配合红绿灯等多重 保护装置完善系统功能 ,实现集卡信息与集装箱箱 号高准确率识别 . 整个智能道口的系统架构如图 1所示 .图 1 智能道口系统结构第 2 期包起帆 :集装箱自动化无人堆场61须保证每台 DRM G工作的可靠性 . 可以看出 , 为了防止驱动 器 故 障 而 影 响 整 垛 箱 区 的 作 业 , 在 设 计 DRM G时便考虑局部故障对整垛箱区影响为最小. 每台 DRM G均有备用驱动 ,当其中任一驱动器发生 故 障 时 另 一 驱 动 能 立 即 投 入 运 行 , 从 而 不 影 响DRM G的正常运行.在数字系统安全上建立一套完整的网络安全防 护体系 ,包括防病毒系统 、防火墙 、入侵监测系统 、安 全漏洞扫描系统 、健全的网络安全防护管理制度. 它 们互相配合 ,互相协调 ,充分发挥各自的作用 ,确保 网络畅通和安全 .2. 5 抗地基不均匀沉降上海外高桥二期堆场地基由吹填粉砂构成 ,呈 饱和疏松状态 ;饱和软黏土下地基含水量高 、孔隙比 较大 、抗剪强度低 、压缩层厚 、载荷作用后变形时间 长 . 但是 ,由于本堆场要实现堆 8 过 9 的堆高要求 , 堆场载荷比较大 ,地基最容易出现的问题就是这种 软土地基的不均匀沉降 . 因此 ,迫切需要研究解决堆 场这类地基的不均匀沉降问题.针对外高桥二期自动化堆场的地质特点 ,采用 土工格栅处理的方案 ,配合振动碾压与降水的联合的方法 ,解决自动化机械对场地差异沉降的高要求 ,实现堆场的抗地基不均匀沉降设计 .2. 6 高垛空箱堆放的防风3 结论上海外高桥二期码头自动化无人堆场至今已开展了近 2年的技术研发和实施工作 ,于 2006 年 3 月 投入工业性试生产 ,至 4 月 22 日完成了 5 876 TEU的工作任务 ; 并于 4 月 23 日投入正式生产 ,至 9 月15日堆场总计完成 2 万多 TEU 的工作任务 .自动化无人堆场采用的新型全自动化高低架轨 道 龙 门 吊 接 力 式 装 卸 系 统 , 装 卸 效 率 达 到130 TEU / h,大大提高堆场的装卸效率 ,降低运行成本 ,并可将堆场的堆高能力从目前的堆 4 过 5 (标准 箱高 )提高到堆 8过 9 (标准箱高 ) . 系统测试结果表 明 : 2 个自动化堆场箱区的堆存能力比目前堆高机 堆场能力提高 20 %以上 ; 成熟运行后 , 年通过能力 可达到 54万 TEU.同时 ,自动化无人堆场的启用 ,减少和避免集装 箱在运输过程中