港口技术研究前沿ppt课件.ppt

武汉理工大学物流工程学院肖汉斌教授 2014年2月于青岛 港口物流技术研究前沿 主讲内容 一 港口装卸关键装备的研究前沿二 大型港口机械防风安全性能与试验研究三 港口机械设备状态监测与诊断技术四 智慧港口 解决方案五 港口节能技术 2 全场自动化调度 1 集装箱港口生产过程自动化德国汉堡哈拉港实现自动化装卸船 自动化运输 自动化堆放的联调与控制 系统特点 高 低轨道龙门吊 RMG 自动导向小车 AGV 一 港口装卸技术 高低RMG 3 ECT码头 荷兰 4 在外高桥二期码头 建造一个世界一流的全自动 无人化集装箱智能化空箱堆场 自动化无人堆场规模 占地面积 263 85m 245 24m 64506 堆场垛数 五条自动化堆垛 一期建设2条 二期建设3条 生产能力 一期64 7万标箱 年通过 二期70 96万标箱 作业效率 比目前堆高机作业能力提高20 以上 我国自动化无人堆场系统与自动化装卸技术 五个自动堆跺 每跺配备1台高架RMG 用于自动堆取 堆场两端各配置3个低架RMG 用于集卡装卸 我国自动化无人堆场系统与自动化装卸技术 低架RMG 负责集装箱从集卡与中转平台间的吊运 高架RMG 将两端中转平台上的集装箱吊起自动堆放 低架RMG 固定转接平台 高架RMG工艺 我国自动化无人堆场系统与自动化装卸技术 我国自动化无人堆场系统与自动化装卸技术 自动化堆场工艺方案特点 将垂直作业与水平作业分开 集卡不进入堆放区 堆场人机分开 高效 安全 将集卡装卸作业 低架RMG 与堆场作业 高架RMG 过程分开 解决集卡装卸定位的对准效率 利用中转平台 解决水平运输作业与垂直堆场作业的生产能力平衡问题 我国自动化无人堆场系统与自动化装卸技术 大跨度 研制出轨距42米 高度23米的大型刚性轨吊 高效率 双小车全自动控制 高效吊装 小车速度可达85米 分 大车速度可达150米 分 各项参数均为世界领先 近十年来中国沿海港口集装箱吞吐量增长率一直保持在30 左右 随着经济全球化的步伐进一步加快 国际贸易快速发展 集装箱运输以其高效 便捷 安全的特点成为交通运输现代化的重要形式 在发展的过程中 广大客户也对集装箱物流提出了新的需求 2 集装箱电子标签系统与技术标准 物流作为现代服务业的重要组成部分 各行各业对降低物流成本 提高物流的透明度提出了更高的要求 然而 目前的集装箱物流过程中集装箱自身不载有信息 信息的传递还依赖于传统方式 集装箱的流向 流转和识别基本上还是处于人工 半人工状态 信息化需求 近年来不断发生的恐怖袭击事件以及偷渡 走私 失窃问题 引起了全球各界的广泛关注 特别是 全球集装箱物流安全保障形势相当严峻 世界各国都高度重视集装箱物流的安全 安全需求 事件一 据 西雅图时报 2007年4月5日报道 美国华盛顿海关当天凌晨在西雅图一个集装箱码头抓获了22名偷渡客 这批偷渡客躲藏在一个40英尺集装箱内 12 事件二 据 欧洲日报 2008年4月12日报道 泰国当地9日发生了54名缅甸偷渡客被闷死在集装箱内的惨剧 13 事件三 据上海 劳动报 2008年7月2日报道 仅一名卡车司机盗窃集装箱货物价值超过百万元 此外 相关资料显示 美国一年在集装箱货物失窃方面的损失达140亿美元 14 事件四 2008年1月底 在日本发生的因食用中国饺子而产生农药中毒事件引起了国际社会对于食品安全的广泛关注 中日双方共同就此事展开了调查 日本 东洋经济 周刊报道称 日本食品行业人士分析认为 饺子中毒事件的根源极有可能出现在漫长的运输和保管过程中 因此确保食品安全不仅需要对生产过程进行科学管理 更需要对物流过程进行有效监控 15 868MHz 2 4GHz 电子标签 有源电子标签 可读写 32k字节存储容量 具备电子标签和电子门封双重功能 实现了EDI GPS数据的有机融合 改进天线结构 采用吸波材料 解决了金属体表面对无线电波信号产生强反射而引起的多径效应和逆向电磁波干扰等问题 进行低功耗设计 可循环使用 使用寿命可达10年 采用定时激活和无源激活相结合的双激活机制 大大减少了不必要的电池损耗采用一种自适应调整分槽时间窗的算法来有效地解决多标签碰撞问题 16 集装箱电子标签自动识别系统 2 集装箱电子标签系统与技术标准 1 集装箱电子标签智能识别系统 道口 堆场 中控室 码头 2 集装箱电子标签系统与技术标准 2 基于电子标签自动识别系统的港口信息安全管理技术 建设满足内贸集装箱电子标签示范系统需求的多级安全性机制 建立安全认证系统和日志分析系统 保证电子标签和读写器之间空中接口的信息传输安全技术 实现信息的加密存储和传输 对电子标签实施写操作时的授权写入验证 电子标签读写器和主机间的信息通信加密技术 无线通信系统间的信息传输安全性保障技术 集装箱信息实时交换系统中的安全支撑系统 2 集装箱电子标签系统与技术标准 4 研究建立电子标签的相关技术标准草案 在大量的工业性试验的基础上 通过技术方案的完善和提高 研究建立中国内贸集装箱电子标签相关的技术标准 进而为申请国际标准作出努力 3 电子封条与电子标签的连接系统 建立了电子封条与电子标签的连接系统 能够实时记录集装箱开关门的次数和时间 将集装箱开关门的相关信息无缝接入集装箱电子标签系统中 在各种场合中能够实时读取 2 集装箱电子标签系统与技术标准 世界散货装船机的处理能力已达每小时8000吨 世界散货卸船机的处理能力已达每小时5600吨 一批自动化 数字化的散货装卸设备已经开始在码头上得到使用 3 散货物流装备技术 发展趋势 1 装卸设备大型化 数字化 高效化 3 散货物流装备技术 发展趋势 2 虚拟样机及数字化工厂技术的应用不断发展 3 码头装卸作业管理和监控的数字化 智能化 虚拟样机技术是一种计算机数字模型 它采用具有真实感的虚拟样机来代替物理产品 用来对所开发产品的全寿命周期 如设计 制造 运行状态和功能特性等进行展示 分析和测试 国际上在飞机 汽车制造等行业得到应用 在集装箱码头 大力推进数字化 智能化管理的同时 散货码头也逐步推进数字化 智能化的管理技术 综合应用网络技术 远程监控和检测技术 数字通讯技术以及计算机仿真 智能辅助决策等技术 建立散货码头的自动化 智能化管理系统 实现对整个系统生产全过程监测 控制 维护和管理决策的功能 基于知识工程 KBE 技术的高效装备设计与开发 高效全自动抓斗卸船机的摆动控制与自动抛料技术 面向不同船型 物料的卸船路径智能规划技术 最佳卸船路径自动选择技术 物料面检测及取料点自动选择技术 抓斗同步均衡技术 小车位置 起升位置自动检测技术 抓斗防碰撞安全技术 3 散货物流装备技术 关键技术 1 大型 高效的散货自动化抓斗卸船机研发 基于图像处理技术的散货智能堆取料技术 斗轮取料系统的自动控制技术 斗轮机智能化管理技术 斗轮散货物料的传感检测技术 斗轮堆取自动操作运动规划控制技术 斗轮机系统动态特性分析与优化 斗轮机绿色生产工艺研究 2 自动斗轮堆取料机及堆取工艺系统的研发 3 散货物流装备技术 关键技术 近些年 起重机由于遭受台风或飓风侵袭而引起的风灾事故不断发生 不但直接影响了码头正常的生产秩序 同时也给港口企业造成严重的经济损失 而且还造成人员伤亡 右图所示 2003年釜山的 鸣蝉 台风 瞬间达狂风刮倒了釜山港区集装箱码头的10多台岸边集装箱起重机 现状与背景 当前起重机防风技术的不足 当前国内外港口防风措施基本上局限于被动的预防 还未达到主动防御 目前对起重机结构的风振特性的研究还比较缺乏 无法有效指导起重机的设计与制造 目前对于港口机械群的风场研究较为缺乏 忽视起重机组群实现主动防风的重要性 现状与背景 超巴拿马型岸桥数值风洞实验 三台岸桥10米间距 工况 三台岸桥10米间距 在非工作状态最大设计风速55m s 风向与大车轨道平行 大臂放平情况 岸桥结构表面风载荷压力场分布 岸桥大梁水平面上X方向速度分布 分析 第二 三台岸桥的各箱形构件和机器房的表面压力较第一台普遍较小 沿风速方向 第二台岸桥大部分结构都处在第一台岸桥对风场的影响区域 三台岸桥各自周围流场有部分交叠区域 关键技术 1 大型港口机械防风数值模拟 岸桥 超巴拿马型岸桥数值风洞实验 三台岸桥30米间距 工况 三台岸桥30米间距 在非工作状态最大设计风速55m s 风向与大车轨道平行 大臂放平情况 三台岸桥表面风载荷压力场分布情况 岸桥前门框截面上速度分布 分析 由以上岸桥表面风载荷压力场和速度场分布情况可看出 第二 三台岸桥机器房 门框联系横梁及门框中上部表面压力较第一台岸桥小 其余结构件受影响很小 三台岸桥各自流场比较分明 但在一定区域内仍有叠加现象 关键技术 1 大型港口机械防风数值模拟 岸桥 超巴拿马型岸桥数值风洞实验 三台岸桥50米间距 工况 三台岸桥50米间距 在非工作状态最大设计风速55m s 风向与大车轨道平行 大臂放平情况 分析 由上图三台岸桥表面风载荷压力场分布云图可知 除机器房部位第二 三台比第一台略小外 其余各结构件上风压分布基本没有差别 说明当风速为55m s 风向与轨道平行时 这种65t 65m岸桥沿风速方向对周围流场的影响约为50m 三台岸桥表面风载荷压力场分布情况 关键技术 1 大型港口机械防风数值模拟 岸桥 龙门起重机及机群数值风洞试验 关键技术 1 大型港口机械防风数值模拟 龙门起重机 单机 机群 龙门起重机及机群数值风洞试验 从计算结果分析可知 龙门起重机受到垂直于主梁风向的风载荷时 迎风的第一台起重机所受到的影响最大 从工况一到工况四相同台数的龙门起重机可以看出随着距离的增大第二台所受到的影响也逐步增大 而工况五 三台龙门起重机的工况可以看出在每台起重机距离相对较小时 当增加起重机数目的时候 其越偏后的起重机所受到的风压影响越小 关键技术 1 大型港口机械防风数值模拟 龙门起重机 门座起重机数值风洞试验单机 关键技术 1 大型港口机械防风数值模拟 门座起重机 门座起重机数值风洞试验两台数值典型工况计算结果 工况一示意图 工况三示意图 工况五示意图 通过计算发现 当风沿着轨道方向作用于门机的时候 可以将门机按照工况三中的方位进行布置 即将门机的臂架方向与风向保持一致 从而可以明显减小强风载荷对门机群的影响 除此以外 两台门机之间的距离越近 相邻两台门机联合防风的效果就越明显 关键技术 1 大型港口机械防风数值模拟 门座起重机 岸边集装箱起重机和门座式起重机是港口码头前沿常见的两大类装卸设备 而大型龙门起重机则是港口堆场常见的搬运类起重机 针对这三种不同形式的大型港口起重机分别进行了研究 对每种机型均建立了相应的流固耦合有限元分析模型并利用数值方法对上述模型进行了虚拟试验 研究分析了不同风向 风速等因素对大型港口机械金属结构应力与稳定性的影响 以及大型港口机械群的防风方法与预防体系 并在此基础上分别提出来适用于不同机械的防风安全方法与措施 关键技术 1 大型港口机械防风数值模拟 结论 目前防风装备以预防为主 通过抵御风载荷对大型起重机产生的水平和上拔作用力达到防风目的 各种防风装置 制动器 夹轮器 防风铁楔 顶轨器 夹轨器 锚定 防风拉锁等 关键技术 2 大型港口机械防风装置设计 传统防风拉锁的不足 防风拉杆或拉索是防台风防飓风中最有力也是最关键的装置之一 但是 由于安装偏差以及在台风中起重机会有较大振动甚至偏转 经常造成同一个角落上两个拉索受力不等 这样 受力大的拉索可能因超载而损坏或断裂 使载荷完全转移到同一个门架角上的另外一个拉索上 将导致另外一个拉索也因超载而断裂 最终造成起重机门架一个角上的两个拉索都断裂失效 酿成重大事故 关键技术 2 大型港口机械防风装置设计 自平衡防风拉锁自平衡防风拉锁可以实现起重机每个角落上的两个拉索受力相等 使拉索达到最优的受力状态 从而克服上述港口大型起重机防台风防飓风存在的缺陷 2 大型港口机械防风装置设计 关键技术 武汉理工大学港口装卸技术实验室设计的港口起重机防风安全装置试验台 模拟港口起重机在工作状态下受到较大风力的阵风和非工作状态受到强风暴袭击的情况 检测防风铁楔和夹轮器的防风抗滑能力 防风安全装置检测试验台组成及性能参数 3 大型港口机械防风试验平台 防风抗滑试验台 关键技术 风洞形式 回流式开口风洞风速 可无级调速 最大设计风速为60m s湍流度 约2 测速仪器 叶轮式风速仪 皮托管测力仪器 应变式传感器 称量范围0 100N 精度 0 1 其它仪器 应变仪等 3 大型港口机械防风试验平台 风洞实验台 二 大型港口机械防风安全性能与试验 关键技术 风洞试验平台技术指标及有关参数 门座起重机整机风洞实验整机风洞试验中正确复现大气边界层流动特征 是实验结果可信的必要条件 也是风工程研究的重要基础 进行起重机整机的风洞实验主要目的是研究雷诺数 相邻起重机以及起重机上细小结构等因素对于起重机所受风载荷的影响 3 大型港口机械防风试验平台 风洞实验台 二 大型港口机械防风安全性能与试验 关键技术 起重机主要型式结构件风洞实验 3 大型港口机械防风试验平台 风洞实验台 二 大型港口机械防风安全性能与试验 关键技术 数值风洞试验模型及试验结果云图 3 大型港口机械防风试验平台 风洞实验台 二 大型港口机械防风安全性能与试验 关键技术 可靠运行和故障监测与诊断技术一直以来是装备制造领域迫切需要解决的瓶颈问题 然而现有理论与方法存在严重不足 传统的应变片 热电偶 压电传感等无法满足目前需求 传统的信号处理方法和监测与诊断手段也无法达到要求 必须寻求新的原理和方法 基于光纤传感和嵌入式技术的重大机械装备安全运行监测与诊断系统 关键技术 港口机械结构中的传感技术 光纤传感研究现状及原理 与电类传感技术相比 光纤光栅传感器具有明显优势 满足了现代工程结构监测的高精度 远距离 分布式和长期性的技术要求 具有广阔的应用前景 可实现对材料和结构内部多目标信息的监控和提取 被视为当今重大工程结构的首选传感方式 44 光纤光栅是利用紫外曝光技术在光纤中产生折射率的周期性改变而形成的 45 46 光纤光栅分布式传感机理 47 主要技术 1 重大装备多场耦合 多测点与高速信号解调方法和技术 2 能耐受高温 重载 电磁干扰 振动和粉尘等恶劣环境的新型传感原理和技术 3 能对旋转机械等特殊机械长期在线 动态监测的新原理和新方法 4 重大装备安全运行实时在线 动态监测与诊断系统集成的技术与方法 关键技术 针对在重大机械装备的监测和诊断中 高速信号采集 多测点分布 多参数 多场耦合 高速信号传输与处理等难题 采用嵌入式技术 从信号采集 调制与解调 信号传输与处理等多个层面 发明了重大装备高速多场耦合 多测点与异构传感信号传输与解调方法和技术 并成功地在众多装备监测工程中长期连续运行 此技术首次提出了重大工程和装备的多通道多点和自适应频率变化的解调方法 实现了4000Hz以上的高速解调 关键技术 1 重大装备多场耦合 多测点与高速信号解调方法和技术 重大机械装备运行环境特点 高温 重载 强干扰 振动和粉尘等 光纤与被监测机械装备焊接的新型传感技术解决了重大装备复杂工况下 多种物理量可靠监测的难题 为重大装备的实时监测提供了基础元器件 技术特点石英光纤金属化封装结构 方法 保证了镀制金属层的附着力和光纤光栅的谱型稳定 提高了重大机械装备用各类光纤传感器的灵敏性 线性 长期稳定性和温度使用范围 石英光纤金属化湿化学工艺 实现了光纤大范围的金属化 关键技术 2 能耐受恶劣环境的新型传感原理和技术 针对长期存在的机械装备旋转体实时在线监测与诊断技术难题 基于磁力耦合和光纤光栅传感技术 发明了多种基于光纤传感技术的特殊机械安全监测新方法及装置 为旋转机械装备的实时在线安全监测提供了新的可靠技术 关键技术 3 长期在线 动态监测的新原理和新方法 光纤光栅传感磁力耦合非接触传输的新方法 应用光学方法实现了光信号的空间非接触传输解决了转轴运行扰动 振动偏差 微小偏心与倾斜引起耦合特性变化对光束的干扰问题首创了光纤光栅实时在线监测旋转机械装备的新方法在港口大型岸桥 翻车机和浮吊等重大机械装备旋转体状态监测中成功应用 关键技术 3 长期在线 动态监测的新原理和新方法 此技术通过多技术集成 以及多信号传输 多信息融合等研究 科学地实现了重大装备实时在线监测的系统集成 解决了不同领域应用中特殊的要求 软件系统 关键技术 4 安全运行实时在线 动态监测与诊断系统集成技术 国内外比较 关键技术 应用与推广 一 上海港岸边集装箱起重机 外伸臂内传感器 梯形架上部横梁上传感器 大拉杆下部传感器 关键技术 秦皇岛港口翻车机安全监测 三 转化 应用与推广 世界最大能源港的咽喉设备 长期无法实现在线 实时 动态监测 成为港口发展的瓶颈 一期 56 大型浮吊安全监测 三 转化 应用与推广 大型浮吊等旋转机械装备安全监测 57 应用与推广 二 武钢1580轧机监测 大型轧机振动是世界轧制生产中普遍存在和期待解决的问题振动能量通常较大 具有很强的破坏性 经常带来不可预料的后果强电磁干扰 空间狭小 传统压电传感无法远传研制成功光纤光栅地脚螺栓等特种振动传感器 关键技术 1 港口的发展面临着挑战 2 智慧港口 的内涵 3 智慧港口 的规划 4 智慧港口 的关键技术 5 智慧港口 的推广应用基础 1 港口信息化建设面临四大问题 1 缺乏有效规划 重复建设 信息化全局工作缺乏有效的规划 导致部分重复建设 2 信息孤岛现象严重 各部门 各行业都在信息化 但不能连接起来发挥综合效应 3 缺乏完整 科学的标准体系 缺乏统一的港口信息化标准体系 不同部门组织制订的信息化标准之间不协调 4 缺乏合适的运行管理模式 缺乏科学 实用的港口信息化建设的总体框架 缺乏适合不同类型港口使用的建设与运行模式 智慧港口是信息技术高度集成 信息应用深度整合的的网络化 信息化和智能化港口 智慧港口是信息化向更高阶段发展的表现 具有更强的集中智慧发现问题 解决问题的能力 因而具有更强的创新发展能力 智慧港口是以智慧技术 智慧产业 智慧人文 智慧服务 智慧管理 智慧生活等为重要内容的港口发展的新模式 智慧港口 的定义 2 智慧港口 的内涵 智慧港口让港口的管理及服务呈现六大特点 富有预见性 更加高效 更加科学 更加敏捷 更富有创造性 更加协作 如何形成广泛的认知如何破解体制的障碍如何突破人才的瓶颈如何形成持续的投资 智慧港口 的特点及难点 2 智慧港口 的内涵 智慧港口的发展现状与趋势分析 十二五 规划解读 各领域应用需求 港口信息化现状与基础 总体需求 现有基础 智慧港口关键点 总体建设思路指导思想 建设原则 发展远景建设目标 建设任务 港口智慧港口的架构规划 港口智慧港口的规划应用体系规划 运营体系规划 港口智慧港口建设的综合保障措施 3 智慧港口 的规划 总体思路 物联网 是通过识别 感知的技术与设备获取物体 环境的静 动态属性信息 再由网络传输通信技术与设备进行信息 知识交换和通信 并最终经智能信息 知识处理技术与设备实现人 机 物世界的智能化管理与控制的一种 人物互联 物物互联 人人互联 的高效能 智能化网络 物联网技术包含 感知层技术 传输层技术和应用层技术 物联网技术为智慧港口中实现 人 机 物 三元融合一体的世界提供最重要的基础使能技术与新运行模式 物联网技术 4 智慧港口 的关键技术 1 云计算是一种基于网络的 面向服务的计算新模式 它融合与发展了虚拟化 网络 面向服务 高效计算和智能科学等新兴信息技术 将各类计算资源虚拟化 服务化 构成虚拟化计算资源的服务云池 2 云计算技术包含 资源的虚拟化 服务化 资源感知 云服务环境的管理 构建 运行 评估 云服务安全 人机交互 云计算应用技术 及商业模式等技术 3 云计算技术为智慧港口中海量信息的处理 智能计算提供重要的使能技术与服务 云计算技术 4 智慧港口 的关键技术 1 高性能计算技术是指一类具有超高计算能力 存储能力 交互能力的计算技术 目前 计算能力已达千万亿次 秒 正研制万万亿次 秒 2 高性能计算技术研究内容 高性能处理器 并行高效计算机系统 开发相关系统软件及研究并行算法 开发相关领域大型并行应用软件 3 高性能计算技术为智慧港口中求解复杂问题和开展海量信息处理提供了高计算能力使能技术 高性能计算技术 4 智慧港口 的关键技术 1 建模仿真技术是以相似理论 模型理论 系统技术 信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础 根据对系统仿真的目标 建立并利用模型 对系统 已有的或设想的 进行研究 分析 试验 运行和评估 系统全生命周期活动 的一门综合性 交叉性技术 2 建模仿真技术由仿真建模技术 仿真系统与支撑技术 以