蔡黃河 魏紅梅 武 彬 蔡沛辰

1 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 2 青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 3 天津港第二集裝箱碼頭有限公司

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，以自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱軌道吊)為代表的新型堆場(chǎng)裝卸設(shè)備逐漸成為國(guó)內(nèi)軌道吊市場(chǎng)的主流。截止到2020年初，已有超過1 200臺(tái)自動(dòng)化軌道吊運(yùn)行在全球約45個(gè)碼頭。該類設(shè)備基本形成了成熟的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其根據(jù)裝卸工藝的不同，主要分為雙懸臂、單懸臂、無懸臂3種[1]。各型自動(dòng)化軌道吊已被證明是一種能夠有效地滿足堆場(chǎng)使用和提高生產(chǎn)效率的裝卸設(shè)備。相較于常規(guī)的輪胎式龍門起重機(jī)，其能提供更大的堆區(qū)覆蓋能力和更快的響應(yīng)速度，最大化地減少了人為因素的干擾，擁有更快的工作速度，更準(zhǔn)的自動(dòng)掃描定位，并能根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)的安排進(jìn)行堆場(chǎng)理貨預(yù)翻箱。

2 自動(dòng)化軌道吊作業(yè)效率評(píng)估概述

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)此類設(shè)備的效率評(píng)估缺乏標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)手段和方法。相關(guān)的技術(shù)招標(biāo)文件也只是規(guī)定了設(shè)備的工作機(jī)構(gòu)參數(shù)以及需要達(dá)到25 move/h的工作效率，但是并沒有針對(duì)設(shè)備在堆場(chǎng)中的實(shí)際工作效率及評(píng)價(jià)方法給出具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

軌道吊的性能是基于其工作循環(huán)時(shí)間來衡量的，工作循環(huán)時(shí)間是設(shè)備搬運(yùn)1個(gè)集裝箱所需要的時(shí)間。整個(gè)搬運(yùn)流程包括4個(gè)基本運(yùn)行步驟，4個(gè)步驟所需時(shí)間決定了設(shè)備的工作循環(huán)時(shí)間(見圖1)。

圖1 軌道吊工作循環(huán)

圖2 軌道吊作業(yè)流程

3 常規(guī)設(shè)備工作循環(huán)計(jì)算

常規(guī)設(shè)備一般按照?qǐng)D2理論作業(yè)流程進(jìn)行工作循環(huán)時(shí)間計(jì)算，單個(gè)工作循環(huán)包含的主要工作流程包括：小車運(yùn)行到取箱位置；空載下降到取箱位；抓箱后滿載上升到堆箱位置；小車運(yùn)行到落箱位置；滿載下降到落箱位放箱。

在理論循環(huán)中所用的起升和小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間按照設(shè)備的額定能力來計(jì)算，理論循環(huán)應(yīng)包括從堆場(chǎng)堆垛上移走到底盤車上放置集裝箱的全部過程。工作循環(huán)應(yīng)以從堆垛上移走所有45個(gè)集裝箱(如集裝箱堆垛方式為5層高×9排寬)并裝到底盤車上，然后從底盤車上移走45個(gè)集裝箱并放置于堆垛上為基礎(chǔ)來計(jì)算[2]。

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況，設(shè)定的輸入條件如下：

(1)軌距：集裝箱排數(shù)n=9、10、11、12、13,對(duì)應(yīng)軌道吊軌距分別為28.4 m、31 m 、34 m、37 m、40 m。

(2)懸臂距離：對(duì)應(yīng)為懸臂兩側(cè)車道距離軌道中心的距離為4.5 m。

(3)起升高度：“堆五過六”18.1 m。

(4)起升速度：滿載45 m/min、空載90 m/min，加減速時(shí)間滿載2 s、空載4 s。

(5)小車速度：120 m/min,加減速時(shí)間6 s。

單個(gè)流程所需要的時(shí)間根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算[3]，其中起升時(shí)間計(jì)算如下：

(1)

式中，SAB為總的起升高度；SAH為加減速距離；tAH1為加速時(shí)間；tAH2為減速時(shí)間；VH為起升速度。計(jì)算所需要的平均循環(huán)時(shí)間見表1。

表1 常規(guī)循環(huán)時(shí)間計(jì)算

4 自動(dòng)化設(shè)備影響因素分析

常規(guī)軌道吊設(shè)備，其工作效率更多的由司機(jī)的操作技術(shù)水平?jīng)Q定；而自動(dòng)化軌道吊其工作效率主要由自身性能參數(shù)決定，更加可預(yù)測(cè)，便于碼頭在前期規(guī)劃階段進(jìn)行整體效率評(píng)估，在碼頭投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)后方便生產(chǎn)操作人員制訂相應(yīng)的生產(chǎn)工作計(jì)劃[4]。影響自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行效率的主要因素包括自動(dòng)化子系統(tǒng)和碼頭設(shè)備調(diào)度策略。

4.1 自動(dòng)化子系統(tǒng)

4.1.1 堆場(chǎng)掃描

基于安裝于小車底部的3D激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，獲取堆場(chǎng)的堆碼輪廓信息。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)在吊具周圍創(chuàng)建一個(gè)虛擬安全區(qū)域(見圖3)，其隨著小車的速度和搖晃角度動(dòng)態(tài)變化。一旦檢測(cè)到本安全區(qū)域內(nèi)有物體侵入，則會(huì)根據(jù)設(shè)定的安全距離自動(dòng)減速或停止。本系統(tǒng)在工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行中一直保持激活監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

圖3 防碰撞虛擬安全區(qū)域示意圖

4.1.2 車輛引導(dǎo)

基于安裝于平衡梁處的激光掃描儀檢測(cè)集卡的準(zhǔn)確位置，并引導(dǎo)司機(jī)將集卡停放至準(zhǔn)確位置。該動(dòng)作在檢測(cè)到集卡接近時(shí)觸發(fā)，只有檢測(cè)到車輛位于正確位置時(shí)，自動(dòng)化軌道吊才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行抓放箱作業(yè)任務(wù)。

4.1.3 吊具微動(dòng)

由于集卡停放不能保證100%準(zhǔn)確，在從集卡上抓放箱時(shí)還需要對(duì)吊具姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，其通過吊具上架上配置的4個(gè)推桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)。該動(dòng)作在吊具進(jìn)行軟著箱并慢速接近目標(biāo)位置之前完成，可以和下降動(dòng)作同步進(jìn)行。

圖4 自動(dòng)化作業(yè)流程示意圖

4.1.4 車輛識(shí)別

該系統(tǒng)通過RFID或OCR識(shí)別作業(yè)車輛信息，并與作業(yè)任務(wù)中的車輛信息進(jìn)行比對(duì)，校核無誤后方允許軌道吊開始作業(yè)。該動(dòng)作在車輛就位后觸發(fā)。

4.1.5 軟著箱

基于吊具位置信息和目標(biāo)位置信息，在吊具接近目標(biāo)位置時(shí)，為了減少?zèng)_擊會(huì)慢速靠近直至觸發(fā)著箱限位。常規(guī)工作循環(huán)的理論計(jì)算中未考慮此流程所需要的時(shí)間，其對(duì)設(shè)備的工作時(shí)間影響尤其明顯。

4.2 碼頭設(shè)備調(diào)度策略

操作計(jì)劃決策通常由碼頭管理系統(tǒng)(TOS)做出，并考慮操作決策以優(yōu)化堆場(chǎng)的通過性能。軌道吊平均每個(gè)作業(yè)任務(wù)所需移動(dòng)的大車距離越短，其作業(yè)效率越高。其主要受如下幾個(gè)因素的影響。

(1)集裝箱堆碼策略。每個(gè)碼頭的堆場(chǎng)策略都會(huì)根據(jù)自己的碼頭的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，其主要目的在于有效利用堆場(chǎng)空間，減低集卡的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，盡量避免翻箱。上述優(yōu)化目標(biāo)互相之間可能存在彼此沖突之處，這就需要碼頭操作人員對(duì)此進(jìn)行權(quán)衡和再平衡。不同的堆碼策略會(huì)導(dǎo)致軌道吊的作業(yè)任務(wù)有所差異，平均單次任務(wù)大車行走距離也不盡相同，從而影響軌道吊的實(shí)際工作效率。

(2)設(shè)備作業(yè)計(jì)劃。軌道吊不僅要兼顧內(nèi)外集卡的作業(yè)任務(wù)，還要執(zhí)行翻箱理貨任務(wù)，由于單個(gè)堆場(chǎng)內(nèi)不止一臺(tái)設(shè)備，還要考慮大車減速或停止等待以避免與其他設(shè)備間的碰撞。

(3)非生產(chǎn)性任務(wù)。該類型任務(wù)包含翻搗箱任務(wù)和預(yù)翻箱理貨任務(wù)。自動(dòng)化堆場(chǎng)的翻箱任務(wù)一般為同貝位翻搗，其與碼頭的堆碼策略密切相關(guān)。

5 自動(dòng)化設(shè)備工作循環(huán)分析

在綜合考慮上述影響因素后，可將自動(dòng)化軌道吊的工作循環(huán)流程進(jìn)行細(xì)化，添加吊具定位調(diào)整、軟著箱、抓箱放箱(開閉鎖)等流程(見圖4)。其中大車的運(yùn)行時(shí)間可以根據(jù)碼頭歷史數(shù)據(jù)中的平均大車單箱作業(yè)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行估算。與集卡交互時(shí)的抓放箱操作需要人工干預(yù)，此部分時(shí)間也需要額外考慮。

6 作業(yè)效率評(píng)估流程

結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，以及不同碼頭的實(shí)際情況，在設(shè)備的驗(yàn)收試車中，可考慮采取如下兩種試車方案來檢驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化作業(yè)性能是否達(dá)到理論設(shè)計(jì)要求。

圖5 同貝位試車流程示意圖

6.1 同貝位作業(yè)情況

設(shè)備工作循環(huán)設(shè)定見圖5，其具體步驟詳細(xì)描述如下：①由起始位置抓1#集裝箱；②將1#箱放置于陸側(cè)集卡；③將2#箱放置于海側(cè)集卡；④抓取1#放置于Row1；⑤抓取2#箱放置于Row1；⑥返回初始位置。

根據(jù)上述過程計(jì)算當(dāng)集裝箱排數(shù)為9～13時(shí)，按照6個(gè)過程計(jì)算所需要的循環(huán)時(shí)間。

當(dāng)n=9,軌距為28.4 m時(shí)(大門框運(yùn)行，不聯(lián)動(dòng))，循環(huán)時(shí)間計(jì)算見表2。

每增加1排集裝箱，小車運(yùn)行距離約增加3 m，從1到5過程中小車運(yùn)行距離增加15 m[5](見表3)。

表2 自動(dòng)化試車循環(huán)時(shí)間計(jì)算

表3 自動(dòng)化試車時(shí)間對(duì)比

6.2 堆區(qū)作業(yè)情況

不同于垂直端裝卸工藝，雙懸臂軌道吊采用兩邊裝卸，按照貝位設(shè)置交換區(qū)，大車帶箱移動(dòng)作業(yè)較少；但是根據(jù)每個(gè)堆場(chǎng)尺寸的不同和實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度策略，軌道吊大車仍然需要在堆場(chǎng)內(nèi)頻繁移動(dòng)。在此情況下，本試驗(yàn)流程能盡可能實(shí)際地反映出堆場(chǎng)的實(shí)際作業(yè)效率。其中，大車的移動(dòng)貝位距離可參考碼頭原有設(shè)備的單箱作業(yè)平均移動(dòng)值。

設(shè)備工作循環(huán)設(shè)定見圖6，其具體步驟詳細(xì)描述如下：①同貝位作業(yè)任務(wù)序列；②移動(dòng)至Bay7；③翻搗箱作業(yè)；④移動(dòng)至Bay1。

圖6 包含大車工況試車流程示意圖

根據(jù)跑大車貝位距離，測(cè)算理論數(shù)值。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，大車和小車機(jī)構(gòu)可進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)大于理論計(jì)算數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語

基于主流的自動(dòng)化軌道吊設(shè)備分別針對(duì)不同的工況條件進(jìn)行了工作循環(huán)時(shí)間計(jì)算，分析了自動(dòng)化設(shè)備相比常規(guī)設(shè)備需要在循環(huán)計(jì)算中考慮的額外因素。并提出了基于同貝位工況和大車運(yùn)行工況兩種設(shè)備工作效率評(píng)估方法，從而能夠更好地檢驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化作業(yè)性能，驗(yàn)證設(shè)備是否符合理論計(jì)算的數(shù)據(jù)，是否達(dá)到設(shè)計(jì)的工作效率，后續(xù)還將根據(jù)實(shí)際試車情況進(jìn)一步完善工作循環(huán)計(jì)算。