集装箱轨道吊远程自动控制系统设计及优化

马会军+信毅+王洪亮

随着世界经济总量的增长和国际贸易的发展，集装箱运输业快速发展，各码头之间的竞争日趋激烈。传统集装箱码头生产作业受自然环境、技术发展等因素影响较大，在新形势下，集装箱码头在生产作业和操作管理模式方面的精细化、系统化、自动化要求更高。以自动化技术为核心的自动化集装箱码头具有安全、高效、智能等优点，正成为港口建设的新趋势。我国自动化集装箱码头发展尚处于起步阶段，对现有设备操控网络进行自动化改造是顺应这一趋势的重要途径。

1 集装箱轨道吊远程自动控制系统作用

集装箱轨道吊远程自动控制系统是集装箱码头作业系统的重要组成部分，其主要有以下作用：（1）有利于降低轨道吊作业人员的劳动强度，简化作业人员操作环节。（2）有利于提高设备利用率。由于码头作业存在忙闲时差异，导致轨道吊作业任务不均衡，通过远程控制可以实现人机分离和一对多操作，大大提高单机利用率，充分发挥设备作业能力。（3）满足建设智能化港口的需要。自动化集装箱码头是未来港口发展的趋势，将网络化、信息化、自动化技术相结合，可以提升码头的现代化水平，降低运营成本，增强码头竞争力。

2 集装箱轨道吊远程自动控制系统设计

2.1 设计目标

（1）效率目标：根据仿真结果，1个循环用时，因此作业效率为24自然箱/h。

（2）功能目标：在箱区内实现自动翻箱和吊装作业，当轨道吊吊具位于集卡上方时开始实行远程人工操作；实现1人对3台轨道吊的远程操作。

2.2 设计方案

（1）自动化程度 轨道吊能够自动接收码头操作系统发送的指令，并根据作业指令实现箱区内堆码箱的自动运行；由作业人员在远程控制室内完成集卡上方安全距离内的操作，从而达到改善作业环境、降低劳动强度的目的。

（2）单机效率 由于轨道吊灵活性差，无法形成局部设备集中作业，因此对单机运行效率有较高的要求，以保证高效生产。轨道吊作业步骤分解如图1所示，轨道吊单机效率目标分解方案如表1所示。

图1 轨道吊作业步骤分解

表1 轨道吊单机效率目标分解方案

（3）业务逻辑 由于堆场面积相对狭小，为平衡场地资源，提出“全场打散、提前吊箱”等操作方法，这需要通过软件逻辑予以优化实施。

（4）安全性 集装箱轨道吊采用顺岸式跨距内作业方式，保证轨道吊、集卡及堆场集装箱作业的安全衔接是集装箱轨道吊远程自动控制系统成功实施的关键。

3 集装箱轨道吊远程自动控制系统优化

3.1 单机设备优化方案

（1）视频监控系统 原有视频监控系统只用于观察大车运行时的轨道及其两侧是否存在障碍物，现增加观察集卡车牌号、箱号及吊箱时锁眼的高清相机，使远程操作员能够清楚观察到集装箱及集卡的状态是否与作业指令一致。

（2）大车、小车和吊具冗余定位系统 为保证大车、小车、吊具运行位置的可靠性和准确性，在原有定位方式的基础上，增加新的定位技术互为校验。

（3）吊具定位系统 在吊具上架和小车架上加装吊具定位系统，以检测吊具与小车架的相对位置，起到防摇和精确控制吊具位置的作用。

（4）可编程逻辑控制器及工控机 为满足自动运行时复杂逻辑的运算和编程要求，将功能更加强大的可编程逻辑控制器和工控机作为上位机控制原有可编程逻辑控制器，并与中控室进行信息交互。

（5）三维激光扫描装置 在小车架上加装高精度的三维激光扫描装置，以扫描当前作业位置的箱区轮廓，保证吊具起升高度处于安全范围内，实现吊具、小车联动时以最优路径运行，同时保证抓箱的准确性和码箱的垂直度。

（6）集卡防吊起装置 通过红外线传感器检测集卡与集装箱是否有效分离，避免因锁销未开引发安全事故。

（7）集卡、行人防碰撞装置 在原有超声波防撞装置的基础上，在大车四角加装防碰撞传感器，以保证轨道吊在无人操作时的安全运行。

（8）集卡识别和定位系统 在堆场内集卡必经地和轨道吊上设置有源RFID读卡器，以获取与集卡绑定的标签信息。通过计算集卡速度、与目标位置的距离等，判断轨道吊是否需要预执行作业任务（如大车提前运行、提前进入场地内抓箱等），以缩短集卡滞留时间。此外，当集卡在轨道吊下作业时，该系统可识别当前作业集卡是否与作业指令中的集卡一致。

3.2 中控室优化方案

中控室内主要设置远程操控台和数据服务器，设备数据通过光纤和数据服务器与远程操控台及操作系统进行信息交互。

3.3 系统软件优化方案

系统软件主要包括对码头操作系统指令进行翻译和优化的接口软件和对堆场内设备和操控台进行控制的堆场管理系统软件。系统软件优化后的设备控制流程如图2所示。

图2 系统软件优化后的设备控制流程

4 集装箱轨道吊远程自动控制系统实施

效果

天津港五洲国际集装箱码头轨道吊远程自动控制系统改造项目自2013年9月24日起正式施工，现已完成80%。在集卡饱和模拟作业指令的情况下，轨道吊从堆场到集卡的集装箱作业能力为27.5自然箱/h，轨道吊从集卡到堆场的集装箱作业能力为25.0自然箱/h。远程操作员培训周期为，单箱平均操作时间为30～/自然箱，1名操作员能够远程控制多台轨道吊作业，有利于节省码头人力成本。轨道吊在箱区内自动堆码集装箱作业时，上下两层集装箱在大车方向和小车方向上的偏差均不超过，有效保障堆场作业安全。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）

随着世界经济总量的增长和国际贸易的发展，集装箱运输业快速发展，各码头之间的竞争日趋激烈。传统集装箱码头生产作业受自然环境、技术发展等因素影响较大，在新形势下，集装箱码头在生产作业和操作管理模式方面的精细化、系统化、自动化要求更高。以自动化技术为核心的自动化集装箱码头具有安全、高效、智能等优点，正成为港口建设的新趋势。我国自动化集装箱码头发展尚处于起步阶段，对现有设备操控网络进行自动化改造是顺应这一趋势的重要途径。

1 集装箱轨道吊远程自动控制系统作用

集装箱轨道吊远程自动控制系统是集装箱码头作业系统的重要组成部分，其主要有以下作用：（1）有利于降低轨道吊作业人员的劳动强度，简化作业人员操作环节。（2）有利于提高设备利用率。由于码头作业存在忙闲时差异，导致轨道吊作业任务不均衡，通过远程控制可以实现人机分离和一对多操作，大大提高单机利用率，充分发挥设备作业能力。（3）满足建设智能化港口的需要。自动化集装箱码头是未来港口发展的趋势，将网络化、信息化、自动化技术相结合，可以提升码头的现代化水平，降低运营成本，增强码头竞争力。

2 集装箱轨道吊远程自动控制系统设计

2.1 设计目标

（1）效率目标：根据仿真结果，1个循环用时，因此作业效率为24自然箱/h。

（2）功能目标：在箱区内实现自动翻箱和吊装作业，当轨道吊吊具位于集卡上方时开始实行远程人工操作；实现1人对3台轨道吊的远程操作。

2.2 设计方案

（1）自动化程度 轨道吊能够自动接收码头操作系统发送的指令，并根据作业指令实现箱区内堆码箱的自动运行；由作业人员在远程控制室内完成集卡上方安全距离内的操作，从而达到改善作业环境、降低劳动强度的目的。

（2）单机效率 由于轨道吊灵活性差，无法形成局部设备集中作业，因此对单机运行效率有较高的要求，以保证高效生产。轨道吊作业步骤分解如图1所示，轨道吊单机效率目标分解方案如表1所示。

图1 轨道吊作业步骤分解

表1 轨道吊单机效率目标分解方案

（3）业务逻辑 由于堆场面积相对狭小，为平衡场地资源，提出“全场打散、提前吊箱”等操作方法，这需要通过软件逻辑予以优化实施。

（4）安全性 集装箱轨道吊采用顺岸式跨距内作业方式，保证轨道吊、集卡及堆场集装箱作业的安全衔接是集装箱轨道吊远程自动控制系统成功实施的关键。

3 集装箱轨道吊远程自动控制系统优化

3.1 单机设备优化方案

（1）视频监控系统 原有视频监控系统只用于观察大车运行时的轨道及其两侧是否存在障碍物，现增加观察集卡车牌号、箱号及吊箱时锁眼的高清相机，使远程操作员能够清楚观察到集装箱及集卡的状态是否与作业指令一致。

（2）大车、小车和吊具冗余定位系统 为保证大车、小车、吊具运行位置的可靠性和准确性，在原有定位方式的基础上，增加新的定位技术互为校验。

（3）吊具定位系统 在吊具上架和小车架上加装吊具定位系统，以检测吊具与小车架的相对位置，起到防摇和精确控制吊具位置的作用。

（4）可编程逻辑控制器及工控机 为满足自动运行时复杂逻辑的运算和编程要求，将功能更加强大的可编程逻辑控制器和工控机作为上位机控制原有可编程逻辑控制器，并与中控室进行信息交互。

（5）三维激光扫描装置 在小车架上加装高精度的三维激光扫描装置，以扫描当前作业位置的箱区轮廓，保证吊具起升高度处于安全范围内，实现吊具、小车联动时以最优路径运行，同时保证抓箱的准确性和码箱的垂直度。

（6）集卡防吊起装置 通过红外线传感器检测集卡与集装箱是否有效分离，避免因锁销未开引发安全事故。

（7）集卡、行人防碰撞装置 在原有超声波防撞装置的基础上，在大车四角加装防碰撞传感器，以保证轨道吊在无人操作时的安全运行。

（8）集卡识别和定位系统 在堆场内集卡必经地和轨道吊上设置有源RFID读卡器，以获取与集卡绑定的标签信息。通过计算集卡速度、与目标位置的距离等，判断轨道吊是否需要预执行作业任务（如大车提前运行、提前进入场地内抓箱等），以缩短集卡滞留时间。此外，当集卡在轨道吊下作业时，该系统可识别当前作业集卡是否与作业指令中的集卡一致。

3.2 中控室优化方案

中控室内主要设置远程操控台和数据服务器，设备数据通过光纤和数据服务器与远程操控台及操作系统进行信息交互。

3.3 系统软件优化方案

系统软件主要包括对码头操作系统指令进行翻译和优化的接口软件和对堆场内设备和操控台进行控制的堆场管理系统软件。系统软件优化后的设备控制流程如图2所示。

图2 系统软件优化后的设备控制流程

4 集装箱轨道吊远程自动控制系统实施

效果

天津港五洲国际集装箱码头轨道吊远程自动控制系统改造项目自2013年9月24日起正式施工，现已完成80%。在集卡饱和模拟作业指令的情况下，轨道吊从堆场到集卡的集装箱作业能力为27.5自然箱/h，轨道吊从集卡到堆场的集装箱作业能力为25.0自然箱/h。远程操作员培训周期为，单箱平均操作时间为30～/自然箱，1名操作员能够远程控制多台轨道吊作业，有利于节省码头人力成本。轨道吊在箱区内自动堆码集装箱作业时，上下两层集装箱在大车方向和小车方向上的偏差均不超过，有效保障堆场作业安全。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）

随着世界经济总量的增长和国际贸易的发展，集装箱运输业快速发展，各码头之间的竞争日趋激烈。传统集装箱码头生产作业受自然环境、技术发展等因素影响较大，在新形势下，集装箱码头在生产作业和操作管理模式方面的精细化、系统化、自动化要求更高。以自动化技术为核心的自动化集装箱码头具有安全、高效、智能等优点，正成为港口建设的新趋势。我国自动化集装箱码头发展尚处于起步阶段，对现有设备操控网络进行自动化改造是顺应这一趋势的重要途径。

1 集装箱轨道吊远程自动控制系统作用

集装箱轨道吊远程自动控制系统是集装箱码头作业系统的重要组成部分，其主要有以下作用：（1）有利于降低轨道吊作业人员的劳动强度，简化作业人员操作环节。（2）有利于提高设备利用率。由于码头作业存在忙闲时差异，导致轨道吊作业任务不均衡，通过远程控制可以实现人机分离和一对多操作，大大提高单机利用率，充分发挥设备作业能力。（3）满足建设智能化港口的需要。自动化集装箱码头是未来港口发展的趋势，将网络化、信息化、自动化技术相结合，可以提升码头的现代化水平，降低运营成本，增强码头竞争力。

2 集装箱轨道吊远程自动控制系统设计

2.1 设计目标

（1）效率目标：根据仿真结果，1个循环用时，因此作业效率为24自然箱/h。

（2）功能目标：在箱区内实现自动翻箱和吊装作业，当轨道吊吊具位于集卡上方时开始实行远程人工操作；实现1人对3台轨道吊的远程操作。

2.2 设计方案

（1）自动化程度 轨道吊能够自动接收码头操作系统发送的指令，并根据作业指令实现箱区内堆码箱的自动运行；由作业人员在远程控制室内完成集卡上方安全距离内的操作，从而达到改善作业环境、降低劳动强度的目的。

（2）单机效率 由于轨道吊灵活性差，无法形成局部设备集中作业，因此对单机运行效率有较高的要求，以保证高效生产。轨道吊作业步骤分解如图1所示，轨道吊单机效率目标分解方案如表1所示。

图1 轨道吊作业步骤分解

表1 轨道吊单机效率目标分解方案

（3）业务逻辑 由于堆场面积相对狭小，为平衡场地资源，提出“全场打散、提前吊箱”等操作方法，这需要通过软件逻辑予以优化实施。

（4）安全性 集装箱轨道吊采用顺岸式跨距内作业方式，保证轨道吊、集卡及堆场集装箱作业的安全衔接是集装箱轨道吊远程自动控制系统成功实施的关键。

3 集装箱轨道吊远程自动控制系统优化

3.1 单机设备优化方案

（1）视频监控系统 原有视频监控系统只用于观察大车运行时的轨道及其两侧是否存在障碍物，现增加观察集卡车牌号、箱号及吊箱时锁眼的高清相机，使远程操作员能够清楚观察到集装箱及集卡的状态是否与作业指令一致。

（2）大车、小车和吊具冗余定位系统 为保证大车、小车、吊具运行位置的可靠性和准确性，在原有定位方式的基础上，增加新的定位技术互为校验。

（3）吊具定位系统 在吊具上架和小车架上加装吊具定位系统，以检测吊具与小车架的相对位置，起到防摇和精确控制吊具位置的作用。

（4）可编程逻辑控制器及工控机 为满足自动运行时复杂逻辑的运算和编程要求，将功能更加强大的可编程逻辑控制器和工控机作为上位机控制原有可编程逻辑控制器，并与中控室进行信息交互。

（5）三维激光扫描装置 在小车架上加装高精度的三维激光扫描装置，以扫描当前作业位置的箱区轮廓，保证吊具起升高度处于安全范围内，实现吊具、小车联动时以最优路径运行，同时保证抓箱的准确性和码箱的垂直度。

（6）集卡防吊起装置 通过红外线传感器检测集卡与集装箱是否有效分离，避免因锁销未开引发安全事故。

（7）集卡、行人防碰撞装置 在原有超声波防撞装置的基础上，在大车四角加装防碰撞传感器，以保证轨道吊在无人操作时的安全运行。

（8）集卡识别和定位系统 在堆场内集卡必经地和轨道吊上设置有源RFID读卡器，以获取与集卡绑定的标签信息。通过计算集卡速度、与目标位置的距离等，判断轨道吊是否需要预执行作业任务（如大车提前运行、提前进入场地内抓箱等），以缩短集卡滞留时间。此外，当集卡在轨道吊下作业时，该系统可识别当前作业集卡是否与作业指令中的集卡一致。

3.2 中控室优化方案

中控室内主要设置远程操控台和数据服务器，设备数据通过光纤和数据服务器与远程操控台及操作系统进行信息交互。

3.3 系统软件优化方案

系统软件主要包括对码头操作系统指令进行翻译和优化的接口软件和对堆场内设备和操控台进行控制的堆场管理系统软件。系统软件优化后的设备控制流程如图2所示。

图2 系统软件优化后的设备控制流程

4 集装箱轨道吊远程自动控制系统实施

效果

天津港五洲国际集装箱码头轨道吊远程自动控制系统改造项目自2013年9月24日起正式施工，现已完成80%。在集卡饱和模拟作业指令的情况下，轨道吊从堆场到集卡的集装箱作业能力为27.5自然箱/h，轨道吊从集卡到堆场的集装箱作业能力为25.0自然箱/h。远程操作员培训周期为，单箱平均操作时间为30～/自然箱，1名操作员能够远程控制多台轨道吊作业，有利于节省码头人力成本。轨道吊在箱区内自动堆码集装箱作业时，上下两层集装箱在大车方向和小车方向上的偏差均不超过，有效保障堆场作业安全。

（编辑：谢尘 收稿日期：2014-11-26）