自動化軌道式龍門起重機作業效率評估方法研究

蔡黃河 魏紅梅 武 彬 蔡沛辰

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

1 引言

隨著科學技術發展，以自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)為代表的新型堆場裝卸設備逐漸成為國內軌道吊市場的主流。截止到2020年初，已有超過1 200臺自動化軌道吊運行在全球約45個碼頭。該類設備基本形成了成熟的標準產品，其根據裝卸工藝的不同，主要分為雙懸臂、單懸臂、無懸臂3種[1]。各型自動化軌道吊已被證明是一種能夠有效地滿足堆場使用和提高生產效率的裝卸設備。相較于常規的輪胎式龍門起重機，其能提供更大的堆區覆蓋能力和更快的響應速度，最大化地減少了人為因素的干擾，擁有更快的工作速度，更準的自動掃描定位，并能根據生產調度任務的安排進行堆場理貨預翻箱。

2 自動化軌道吊作業效率評估概述

目前國內針對此類設備的效率評估缺乏標準的檢驗手段和方法。相關的技術招標文件也只是規定了設備的工作機構參數以及需要達到25 move/h的工作效率，但是并沒有針對設備在堆場中的實際工作效率及評價方法給出具體的執行標準。

軌道吊的性能是基于其工作循環時間來衡量的，工作循環時間是設備搬運1個集裝箱所需要的時間。整個搬運流程包括4個基本運行步驟，4個步驟所需時間決定了設備的工作循環時間(見圖1)。

圖1 軌道吊工作循環

圖2 軌道吊作業流程

3 常規設備工作循環計算

常規設備一般按照圖2理論作業流程進行工作循環時間計算，單個工作循環包含的主要工作流程包括：小車運行到取箱位置；空載下降到取箱位；抓箱后滿載上升到堆箱位置；小車運行到落箱位置；滿載下降到落箱位放箱。

在理論循環中所用的起升和小車驅動系統的時間按照設備的額定能力來計算，理論循環應包括從堆場堆垛上移走到底盤車上放置集裝箱的全部過程。工作循環應以從堆垛上移走所有45個集裝箱(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個集裝箱并放置于堆垛上為基礎來計算[2]。

根據實際項目情況，設定的輸入條件如下：

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

(2)懸臂距離：對應為懸臂兩側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，加減速時間滿載2 s、空載4 s。

(5)小車速度：120 m/min,加減速時間6 s。

單個流程所需要的時間根據設計手冊進行計算[3]，其中起升時間計算如下：

(1)

式中，SAB為總的起升高度；SAH為加減速距離；tAH1為加速時間；tAH2為減速時間；VH為起升速度。計算所需要的平均循環時間見表1。

表1 常規循環時間計算

4 自動化設備影響因素分析

常規軌道吊設備，其工作效率更多的由司機的操作技術水平決定；而自動化軌道吊其工作效率主要由自身性能參數決定，更加可預測，便于碼頭在前期規劃階段進行整體效率評估，在碼頭投入生產運營后方便生產操作人員制訂相應的生產工作計劃[4]。影響自動化設備運行效率的主要因素包括自動化子系統和碼頭設備調度策略。

4.1 自動化子系統

4.1.1 堆場掃描

基于安裝于小車底部的3D激光掃描儀獲得的點云數據信息，獲取堆場的堆碼輪廓信息。當設備運行時，本系統會在吊具周圍創建一個虛擬安全區域(見圖3)，其隨著小車的速度和搖晃角度動態變化。一旦檢測到本安全區域內有物體侵入，則會根據設定的安全距離自動減速或停止。本系統在工作機構運行中一直保持激活監測狀態。

圖3 防碰撞虛擬安全區域示意圖

4.1.2 車輛引導

基于安裝于平衡梁處的激光掃描儀檢測集卡的準確位置，并引導司機將集卡停放至準確位置。該動作在檢測到集卡接近時觸發，只有檢測到車輛位于正確位置時，自動化軌道吊才會繼續執行抓放箱作業任務。

4.1.3 吊具微動

由于集卡停放不能保證100%準確，在從集卡上抓放箱時還需要對吊具姿態進行微調，其通過吊具上架上配置的4個推桿電機實現。該動作在吊具進行軟著箱并慢速接近目標位置之前完成，可以和下降動作同步進行。

圖4 自動化作業流程示意圖

4.1.4 車輛識別

該系統通過RFID或OCR識別作業車輛信息，并與作業任務中的車輛信息進行比對，校核無誤后方允許軌道吊開始作業。該動作在車輛就位后觸發。

4.1.5 軟著箱

基于吊具位置信息和目標位置信息，在吊具接近目標位置時，為了減少沖擊會慢速靠近直至觸發著箱限位。常規工作循環的理論計算中未考慮此流程所需要的時間，其對設備的工作時間影響尤其明顯。

4.2 碼頭設備調度策略

操作計劃決策通常由碼頭管理系統(TOS)做出，并考慮操作決策以優化堆場的通過性能。軌道吊平均每個作業任務所需移動的大車距離越短，其作業效率越高。其主要受如下幾個因素的影響。

(1)集裝箱堆碼策略。每個碼頭的堆場策略都會根據自己的碼頭的實際情況進行調整，其主要目的在于有效利用堆場空間，減低集卡的轉運時間，盡量避免翻箱。上述優化目標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此進行權衡和再平衡。不同的堆碼策略會導致軌道吊的作業任務有所差異，平均單次任務大車行走距離也不盡相同，從而影響軌道吊的實際工作效率。

(2)設備作業計劃。軌道吊不僅要兼顧內外集卡的作業任務，還要執行翻箱理貨任務，由于單個堆場內不止一臺設備，還要考慮大車減速或停止等待以避免與其他設備間的碰撞。

(3)非生產性任務。該類型任務包含翻搗箱任務和預翻箱理貨任務。自動化堆場的翻箱任務一般為同貝位翻搗，其與碼頭的堆碼策略密切相關。

5 自動化設備工作循環分析

在綜合考慮上述影響因素后，可將自動化軌道吊的工作循環流程進行細化，添加吊具定位調整、軟著箱、抓箱放箱(開閉鎖)等流程(見圖4)。其中大車的運行時間可以根據碼頭歷史數據中的平均大車單箱作業運行時間進行估算。與集卡交互時的抓放箱操作需要人工干預，此部分時間也需要額外考慮。

6 作業效率評估流程

結合實際項目經驗，以及不同碼頭的實際情況，在設備的驗收試車中，可考慮采取如下兩種試車方案來檢驗設備的自動化作業性能是否達到理論設計要求。

圖5 同貝位試車流程示意圖

6.1 同貝位作業情況

設備工作循環設定見圖5，其具體步驟詳細描述如下：①由起始位置抓1#集裝箱；②將1#箱放置于陸側集卡；③將2#箱放置于海側集卡；④抓取1#放置于Row1；⑤抓取2#箱放置于Row1；⑥返回初始位置。

根據上述過程計算當集裝箱排數為9～13時，按照6個過程計算所需要的循環時間。

當n=9,軌距為28.4 m時(大門框運行，不聯動)，循環時間計算見表2。

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

表2 自動化試車循環時間計算

表3 自動化試車時間對比

6.2 堆區作業情況

不同于垂直端裝卸工藝，雙懸臂軌道吊采用兩邊裝卸，按照貝位設置交換區，大車帶箱移動作業較少；但是根據每個堆場尺寸的不同和實際生產調度策略，軌道吊大車仍然需要在堆場內頻繁移動。在此情況下，本試驗流程能盡可能實際地反映出堆場的實際作業效率。其中，大車的移動貝位距離可參考碼頭原有設備的單箱作業平均移動值。

設備工作循環設定見圖6，其具體步驟詳細描述如下：①同貝位作業任務序列；②移動至Bay7；③翻搗箱作業；④移動至Bay1。

圖6 包含大車工況試車流程示意圖

根據跑大車貝位距離，測算理論數值。實際試驗時，大車和小車機構可進行聯動，實際測試數據應大于理論計算數據。

7 結語

基于主流的自動化軌道吊設備分別針對不同的工況條件進行了工作循環時間計算，分析了自動化設備相比常規設備需要在循環計算中考慮的額外因素。并提出了基于同貝位工況和大車運行工況兩種設備工作效率評估方法，從而能夠更好地檢驗設備的自動化作業性能，驗證設備是否符合理論計算的數據，是否達到設計的工作效率，后續還將根據實際試車情況進一步完善工作循環計算。