多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統及其裝卸方法
2023-09-20 04:43:10 3
多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統及其裝卸方法
【專利摘要】本發明公開了一種多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場系統及其裝卸方法。採用框架橋水平運輸系統，岸邊採用高低架橋配合的形式，堆場內部也同樣設有若干層的軌道框架，堆場平板小車可以在這些層上隨意互不幹擾穿梭於岸邊和堆場。利用完全由電驅動的電動平板小車和多層框架式軌道橋的配合方案，實現貨櫃在碼頭前沿岸橋與碼頭後方堆場場橋間的快捷立體傳送，便於實現智能化調度、自動化控制，提高貨櫃傳送效率。該堆場裝卸系統的使用使得高速穿梭的堆場平板小車減少了場橋大車的移動距離，大大提高了堆場內的裝卸船、提箱集港的作業效率。該堆場裝卸系統可極大地減少碼頭箱區的佔地面積、減少碼頭造價。
【專利說明】多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統及其裝卸方法
[【技術領域】]
[0001]本發明涉及貨櫃碼頭的貨櫃裝卸技術，具體是一種多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場系統及其裝卸方法。
[【背景技術】]
[0002]隨著世界貨櫃海運量的大幅增長和貨櫃船舶的大型化趨勢,如何有效地提高碼頭裝卸船效率、降低營運成本已成為業內人員關注的重點[1]。在這種形勢下，自動化貨櫃碼頭也得到了港口設計規劃人員們的肯定，對自動化碼頭的裝卸工藝的研究也受到了國內外很多專家學者的關注，如朱明華等[2]詳細分析了由雙40英尺貨櫃岸橋、低架橋分配系統和軌道式貨櫃起重機構成的一種自動化貨櫃碼頭新型裝卸工藝，分析了在該新型工藝系統下岸橋和低架橋的裝卸作業特性，並計算了該工藝方案關鍵設備的作業效率。最後利用仿真證明其有效性。史飛M分析了全球主要港口所應用的先進裝卸設備。針對上海振華重工自主研發的高效經濟型自動化貨櫃碼頭，基於自動導引小車和基於自動搬運車的自動化貨櫃碼頭的裝卸工藝進行仿真分析。史飛，張新豔等[4]針對港口未來期望的作業量，計算出自動化貨櫃碼頭內部各裝卸設備數量，並確定碼頭的總體布局，在此說明書高型軌道吊和矮型軌道吊接力式的貨櫃自動化碼頭的裝卸工藝。趙彥虎[6]闡述了新型貨櫃岸橋的結構、特點、工作過程以及貨櫃堆場自動化堆存若干關鍵技術問題。提出了一種基於自動化倉儲技術的新型自動化貨櫃裝卸工藝。Lu Zhen等m對兩種採用不同水平運輸設備的自動化貨櫃碼頭進行了對比分析，建立對比指標，最後通過仿真驗證兩種方案各自的優勢和不足。Hyo Young Baet8]對基於自動導引小車和基於自動搬運車的水平運輸系統進行對比分析，通過調整機械的設備，對兩種運輸系統的作業率進行了對比，得出當使用雙小車岸邊貨櫃起重機時，自動搬運車的作業效率要遠高於自動導引小車。溫智民等[9]以最小化船舶靠岸後裝卸作業的總時間和最大化各種設備的操作效率為目標，利用仿真優化方法搜索優化調度方案，建立了自動化貨櫃碼頭中間運輸系統的仿真優化模型。並且通過仿真計算表明能夠非枚舉地從所有可能的動態調度方案中搜到最佳方案。邱惠清等[1°]介紹了振華港機新提出的低架橋電動小車立體水平運輸系統和堆場軌道式龍門起重機方案，將該方案在碼頭利用率、自動化與智能化程度、泊位設備、能耗與環保等主要技術性能方面與常規碼頭和已有的自動化碼頭進行比較分析，得出了該方案更實際、高效的結論，從而更易得到推廣和應用。鄭見粹等[n]介紹了自動化貨櫃碼頭裝卸工藝系統的發展、工作過程及應用情況，對基於自動導引小車和框架橋的兩種自動化貨櫃碼頭裝卸工藝系統方案的技術特點進行了全面的分析比較。梁燕等[12]介紹了一種節能環保的立體軌道式自動化貨櫃碼頭，對其水平運輸能耗進行了分析，並與現有碼頭的水平運輸能耗進行了對比。分析結果表明，立體軌道式自動化貨櫃碼頭在節能減排方面具有明顯優勢，該環保型自動化碼頭是港口發展的必然趨勢。魏恆州[13]認為採用節能減排技術、新型高效的岸邊裝卸橋和堆場水平運輸機械設備，建設自動化貨櫃堆場和全自動化的貨櫃碼頭已成為今後海港貨櫃碼頭發展的方向。根據新時期我國海港貨櫃碼頭發展的特點，提出貨櫃碼頭和堆場裝卸工藝模式創新的設想，並建議創造條件儘快建設我國第I座全自動化貨櫃碼頭。魏丹M將立體自動化倉儲技術應用於港口貨櫃堆場，並對自動化貨櫃倉庫的設計和仿真中一些關鍵技術進行研究，在建立了仿真模型後，通過Flexsim仿真軟體對模型進行了數據分析，將其與傳統的貨櫃堆場進行比較分析各自的優缺點。LuZhen等[15]對兩種採用不同水平運輸設備的自動化貨櫃碼頭進行了對比分析，建立了水平運輸系統的評價指標，最後通過仿真驗證兩種方案各自的優勢和不足。Hyo Young Bae[16]對基於自動導引小車和基於自動搬運車的水平運輸系統進行對比分析，通過調整機械的設備，對兩種運輸系統的作業率進行了對比，得出當使用雙小車岸邊貨櫃起重機時，自動搬運車的作業效率要遠高於自動導引小車。Chin-1.Liu等[17]設計，分析和評估四種不同的自動化貨櫃碼頭的概念，這些概念包括:在自動化貨櫃碼頭的基礎上使用自動引導小車，直線電機輸送系統，架空電網鐵路系統，和高層的自動化存儲和檢索結構。S.Hoshino等[18]建立了基於自動導引小車的自動化貨櫃碼頭的工藝評價系統，並建立了評價指標和數學模型。B.K.Lee[19]研究分析了堆場內起重機的各種作業狀態，包括集港、裝箱、卸箱、和提箱作業的時間周期。一個操作周期內包含不同的基本操作，根據數學期望和方差公式對每個基本作業進行分析。並通過仿真對其準確性進行研究及評估。D.Steenken，S[2°]指出現在的貨櫃碼頭作業如果脫離有效的信息化技術和合適的優化方法(運籌學方法)幾乎是無法完成的。並對貨櫃碼頭內的主要物流環節和作業過程進行了描述和分類，並總結了一些文獻中涉及計劃調度等方面的優化方法。R.Stahlbockt21]近幾年專家和學者對貨櫃作業優化問題的關注不斷提高和相關文獻的大量湧出，作者對運籌學在碼頭作業中的應用進行了綜合、總結和分類，為後人研究提供幫助。Bae H Y[22]對基於自動導引小車和自動搬運車與不同績效的起重機結合的自動化貨櫃碼頭的作業效率進行對比研究。通過仿真研究得出，如果自動導引小車的數量足夠大，則基於自動導引小車碼頭的效率超過基於自動搬運車，但是當岸橋用於裝船作業時，無論自動導引小車的個數增加到多少，基於自動導引小車碼頭的效率都低於基於自動搬運車。Vis I F Α[23]提出在建設自動化貨櫃碼頭選取水平運輸設備時應該考慮的各種因素，如裝卸船時間、佔用率和所設備數量。重點分析了自動導引小車和自動搬運車兩種設備，通過仿真分析，得出同樣規模的碼頭，所需自動導引小車的數量比自動搬運車多38%。Yang CH[24]研究了如何在不影響碼頭效率的前提下提高碼頭中自動搬運車的選用。根據運輸設備的循環時間，即完成一次裝卸作業所需時間得出了四種參考方案，最終利用仿真驗證各方案的機械效率。Duinkerken M B[25]對三種自動化貨櫃碼頭水平運輸設備進行了比較，即拖車、自動導引小車和自動搬運車。並將三種設備配合基於規則的控制系統和相應的優化算法應用於荷蘭鹿特丹港口的Maasvlakte物流園區的實際作業模擬中，總結了各個運輸系統的特點和與作業設備如岸橋等的相互配合。通過成本分析，為將來碼頭建設的運輸設備選型提供幫助。
[0003]上海振華港口機械(集團)股份有限公司創新研發了新一代高效智能型立體裝卸貨櫃碼頭的方案，即基於低架橋系統的自動化貨櫃碼頭。該貨櫃碼頭的裝卸工藝可以分為三個步驟，岸橋，低架橋平板小車和場橋完成貨櫃的起吊過程，低架橋平板小車和地面平板下車完成貨櫃的水平運輸。這三個步驟完成了一次貨櫃的卸船作業，裝船作業是卸船作業的逆過程。
[0004]第一步:在進行裝卸作業時，岸橋的海側小車將貨櫃從船舶上吊起，運送至岸橋轉接平臺，人工取下貨櫃旋鎖。海測小車進行下一次起吊作業。然後岸橋陸測小車將貨櫃轉運到平板小車上。
[0005]第二步:低架橋平板小車將貨櫃運送至指定箱區的轉接處，此時低架橋起重小車也隨之運行到該轉接處，起重小車將貨櫃吊起，待低架橋平板下車離開後，帶著貨櫃旋轉90度後，將貨櫃落入地面平板小車上。
[0006]第三步:地面平板小車載著貨櫃運輸到箱區的指定的貝位旁，待場橋到達後，將貨櫃吊起並落入指定的箱位。
[0007]該軌道式自動化貨櫃碼頭取消了內燃機驅動的水平運輸設備和昂貴的導航系統，採用電驅動的平板小車和軌道定位系統，節能環保，且易於實現自動化。但是該碼頭也存在著許多不足，堆場利用率不高，作業系統的柔性差等。如箱區內的每一條軌道上只能放置一輛平板小車，作業時，必須等待該輛平板小車作業完成後，才能進行下一次作業；且當卸船、裝船和集港作業同時進行時，地面平板下車的個數無法滿足工作強度的要求。故提出了多層軌道式自動化貨櫃堆場裝卸工藝，以克服該缺點。
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【發明內容】
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[0008]本發明在前人研究的基礎上，提出了一種多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統，該系統採用完全由電驅動的電動平板小車和多層框架式軌道橋的配合方案，實現貨櫃在碼頭前沿岸橋與碼頭後方堆場場橋間的快捷立體傳送，便於實現智能化調度、自動化控制，提高貨櫃傳送效率。該堆場裝卸系統的使用使得高速穿梭的堆場平板小車減少了場橋大車的移動距離，大大提高了堆場內的裝卸船、提箱集港的作業效率。該堆場裝卸系統可極大地減少碼頭箱區的佔地面積、減少碼頭造價。碼頭的布局圖如圖1和圖2所示。
[0009]本發明採用框架橋水平運輸系統，岸邊採用高低架橋配合的形式，堆場內部也同樣設有若干層的軌道框架，堆場平板小車可以在這些層上隨意互不幹擾穿梭於岸邊和堆場。並在此運輸系統下，調整堆場的布局，來減少場橋的移動距離，在提高場橋的作業效率的同時也可以提高堆場的利用率。最後通過案例分析，給出碼頭前沿和堆場框架橋的配合層數，在該配合方案下，使得碼頭的裝卸效率有所提高。
[0010]該自動化貨櫃碼頭與由上海振華重工自主開發的基於高低架橋的裝卸系統有所不同，其框架橋採用多層式，框架橋的層數與平板小車的個數互相配合，以達到作業效率最高。多層的軌道，相當於將原來的串聯繫統轉化成為並聯作業系統，大大提高其系統的可靠性。
[0011]原方案每個箱區內布置一條半軌道，不僅佔用了堆場的空間資源，而且水平運輸設備運行不流暢，存在場橋大車與平板小車等待和接力作業的情況。而多層的設置方式使得裝卸船作業和集港作業同時進行時，平板小車之間可以互不幹擾的進行各自的作業，有效地避免了接力作業，減少了場橋大車的運行距離。而且，貨櫃從堆場前沿到箱區之間有多個運輸通道可以選擇，有效地較少了等待的情況，從而減少裝卸船時間。該多層堆場軌道系統中，碼頭前沿的軌道要高於箱區內軌道的最大層數，如箱區軌道最高為4層，則碼頭前沿軌道的高度至少起於第五層，如圖3中所示的安全高度，該高度至少為一個貨櫃的高度。碼頭前沿框架橋和箱區框架橋平面結構布置圖如圖4至圖5所示。
[0012]堆場的布局也有所改善，採用左右堆放貨櫃，中間設置多層框架橋軌道，從碼頭前沿直通堆場後方。這樣集港時集卡可以不需進入堆場，而直接將貨櫃放入堆場後方的平板小車上，再將其運輸到堆場內。框架橋軌道設置在堆場中間，可以將場橋小車在橫向的水平移動距離減少到原來的二分之一。一條多層框架橋軌道取代一條半單層軌道，大大的提高了堆場的空間利用率，特別是碼頭縱向長度比較大時。
[0013]採用設備
[0014]如下表1所示為本文所研究的自動化貨櫃碼頭的裝卸和運輸設備。碼頭前沿的岸邊貨櫃裝卸橋採用雙40英尺雙小車岸橋，可以同時抓兩個40尺貨櫃或8個20尺貨櫃。沿海岸線方向的水平運輸採用低架橋起重機和低架橋平板小車，垂直海岸線方向採用堆場平板小車。在堆場後方，採用門式起重機。
[0015]表1設備及參數
[0016]
【權利要求】
1.一種多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統，包括: 相互平行的海側軌道和陸側軌道以及與之垂直的岸橋，船舶在海側平行於海側軌道排列，所述岸橋從海側穿過所述海側軌道和陸側軌道，所述岸橋包括海側起重機、海側岸橋小車、陸側岸橋小車以及位於海側軌道和陸側軌道之間的轉接平臺； 多層低架橋轉接系統，所述多層低架橋轉接系統包括低架橋軌道、低架橋起重機和低架橋平板小車； 多個場橋，所述場橋平行於陸側軌道，包括沿垂直於陸側軌道的方向運行的場橋起重機； 其特徵在於，還 包括多層框架式系統，所述多層框架式系統包括垂直於陸側軌道方向的多個多層框架式軌道和沿所述多層框架式軌道運行的堆場平板小車，堆場的貨櫃堆放在各個所述多層框架式軌道兩旁，每個所述場橋對應一個所述多層框架式軌道，所述場橋的所述場橋起重機能把對應所述多層框架式軌道兩旁的貨櫃提起並置放到多層框架式軌道的任何一層的任何一輛堆場平板小車上，也能從所述多層框架式軌道的任何一層的任何一輛堆場平板小車上的貨櫃吊起並放置到堆場的相應貝位及相應箱位上； 所述多層低架橋轉接系統上任何一層上的任何一輛所述低架橋平板小車可以和所述多層框架式軌道的任何一層的任何一輛所述堆場平板小車通過所述低架橋起重機和所述場橋起重機相互轉運貨櫃。
2.根據權利要求1所述的多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統，其特徵在於，所述多層框架式系統的層數為2-6層；所述多層低架橋轉接系統的層數和所述多層框架式系統的層數可以相同也可以不同。
3.根據權利要求1所述的多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統，其特徵在於，設備分配採用實時設備分配調度方案:船舶進行卸船作業時，已分配的所述岸橋可對應多條已分配的低架橋作業線；每條低架橋作業線其上有兩組所述低架橋平板小車和所述低架橋起重小車；每個所述低架橋平板小車對應在同一條所述低架橋作業線上的多個所述低架橋起重小車；每個所述低架橋起重小車又可對應所述多層框架式軌道上的多臺所述堆場平板小車，每個箱區內的所述堆場平板小車再跟相應所述場橋對應；裝船也同樣採用此調度方案，設備的選擇如下:第一種情況，存在同一作業有多個設備可供選擇，當所述低架橋起重小車將貨櫃吊裝到該堆場的所述堆場平板小車上時，可能有多個箱區的所述堆場平板小車可供選擇，此時同一箱區上的所述堆場平板小車均可供選擇，不存在優先級別；第二種情況，存在多個作業選擇同一設備，當所述堆場平板小車進行裝船作業時，載箱運送到碼頭前沿的箱區轉接處進行卸箱後，並不是直接空箱返回，接受下一個場橋作業指令，而是接受所述低架橋起重小車的作業任務，載進口箱入堆場；當所述岸橋和所述低架橋起重小車對所述低架橋平板小車同時發出作業指令時，應該以所述岸橋優先。
4.根據權利要求1-3任一權利要求所述的多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統，其特徵在於，所述多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統安裝程控調度系統，所述程控調度系統可以同時安排貨櫃的裝船、卸船、集港和提箱，並可以控制所述裝船、卸船、集港和提箱相關作業之任務的安排、混排和調度，以及貨櫃從船舶通過所述岸橋起重機、所述海側岸橋小車、所述轉接平臺、所述岸橋起重機、所述陸側岸橋小車、所述低架橋平板小車、所述低架橋軌道、所述低架橋起重機、所述堆場平板小車、所述多層框架式軌道、所述場橋起重機，到達所述堆場整個過程的安排和對接以及相反過程貨櫃從所述堆場通過所述場橋起重機、所述堆場平板小車、所述多層框架式軌道、所述低架橋起重機、所述低架橋軌道、所述低架橋起重機、所述低架橋平板小車、所述低架橋軌道、所述岸橋起重機、所述陸側岸橋小車、所述轉接平臺、所述岸橋起重機，到達所屬船舶的整個過程的安排和對接。
5.根據權利要求1-4任一權利要求所述的多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統的裝卸方法，所述裝卸方法能分別或同時進行貨櫃的裝船、卸船、集港和提箱； 卸船方法和集港方法步驟如下: 一、所述岸橋起重機將貨櫃從船舶上吊起，送至起重機門框平臺上，人工拿下貨櫃旋鎖， 二、由所述岸橋起重機將貨櫃卸到所述低架橋平板小車上， 三、所述低架橋平板小車將貨櫃通過所述低架橋軌道運送到指定的箱區交接位置， 四、所述低架橋起重機抓箱，待所述低架橋平板小車離開後，且貨櫃落入安全距離之後，旋轉平臺將貨櫃旋轉90度，此時將貨櫃落入所述堆場平板小車上， 五、所述堆場平板小車載著貨櫃通過所述多層框架式軌道運行到箱區指定箱位對應的貝位，待所述場橋到達時，將貨櫃吊到指定的箱位，所述平板車進入下一個工作循環， 其中，除步驟一的所述人工拿下貨櫃旋鎖外，步驟一至五都為自動化； 裝船方法和提箱方法步驟如下: 一、所述場橋移動到指定裝船的貨櫃所在箱位，吊起貨櫃，待所述堆場平板小車到達該貝位旁時，將貨櫃落入所述堆場平板小車中， 二、由所述堆場平板小車載著貨櫃通過所述多層框架式軌道運行至指定的交接位置， 三、待所述低價橋起重機空閒時將貨櫃吊起，提至安全高度後旋轉平臺將貨櫃旋轉90度，並等待所述低架橋平板小車到達時將貨櫃落入所述低架橋平板小車內， 四、所述低架橋平板小車將貨櫃運送至所述岸橋起重機旁，待所述岸橋起重機空閒時將貨櫃吊起並落入起重機門框平臺上， 五、人工裝上貨櫃旋鎖後，再由所述岸橋起重機將貨櫃裝入船舶指定位置， 其中，除步驟五的所述人工拿下貨櫃旋鎖外，步驟一至五都為自動化。
6.根據權利要求 5所述的多層框架式貨櫃自動化碼頭堆場裝卸系統的裝卸方法，該方法受所述程控調度系統控制，所述程控調度系統根據相關貨櫃的裝船、卸船、集港和提箱任務，所需完成的時間，相關起重機、平板小車的數量和運力，所述多層低架橋軌道和所述多層框架式軌道的狀況和運力，來安排、控制和調度作業。
【文檔編號】B65G67/60GK103723532SQ201410014461
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月13日 優先權日:2014年1月13日
【發明者】何軍良, 萇道方, 朱夷詩, 嚴偉, 陸後軍, 王煜, 房婷, 張雨婷 申請人:上海海事大學