多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统及其装卸方法
【专利摘要】本发明公开了一种多层框架式集装箱自动化码头堆场系统及其装卸方法。采用框架桥水平运输系统，岸边采用高低架桥配合的形式，堆场内部也同样设有若干层的轨道框架，堆场平板小车可以在这些层上随意互不干扰穿梭于岸边和堆场。利用完全由电驱动的电动平板小车和多层框架式轨道桥的配合方案，实现集装箱在码头前沿岸桥与码头后方堆场场桥间的快捷立体传送，便于实现智能化调度、自动化控制，提高集装箱传送效率。该堆场装卸系统的使用使得高速穿梭的堆场平板小车减少了场桥大车的移动距离，大大提高了堆场内的装卸船、提箱集港的作业效率。该堆场装卸系统可极大地减少码头箱区的占地面积、减少码头造价。
【专利说明】多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统及其装卸方法
[【技术领域】]
[0001]本发明涉及集装箱码头的集装箱装卸技术，具体是一种多层框架式集装箱自动化码头堆场系统及其装卸方法。
[【背景技术】]
[0002]随着世界集装箱海运量的大幅增长和集装箱船舶的大型化趋势,如何有效地提高码头装卸船效率、降低营运成本已成为业内人员关注的重点[1]。在这种形势下，自动化集装箱码头也得到了港口设计规划人员们的肯定，对自动化码头的装卸工艺的研究也受到了国内外很多专家学者的关注，如朱明华等[2]详细分析了由双40英尺集装箱岸桥、低架桥分配系统和轨道式集装箱起重机构成的一种自动化集装箱码头新型装卸工艺，分析了在该新型工艺系统下岸桥和低架桥的装卸作业特性，并计算了该工艺方案关键设备的作业效率。最后利用仿真证明其有效性。史飞M分析了全球主要港口所应用的先进装卸设备。针对上海振华重工自主研发的高效经济型自动化集装箱码头，基于自动导引小车和基于自动搬运车的自动化集装箱码头的装卸工艺进行仿真分析。史飞，张新艳等[4]针对港口未来期望的作业量，计算出自动化集装箱码头内部各装卸设备数量，并确定码头的总体布局，在此说明书高型轨道吊和矮型轨道吊接力式的集装箱自动化码头的装卸工艺。赵彦虎[6]阐述了新型集装箱岸桥的结构、特点、工作过程以及集装箱堆场自动化堆存若干关键技术问题。提出了一种基于自动化仓储技术的新型自动化集装箱装卸工艺。Lu Zhen等m对两种采用不同水平运输设备的自动化集装箱码头进行了对比分析，建立对比指标，最后通过仿真验证两种方案各自的优势和不足。Hyo Young Baet8]对基于自动导引小车和基于自动搬运车的水平运输系统进行对比分析，通过调整机械的设备，对两种运输系统的作业率进行了对比，得出当使用双小车岸边集装箱起重机时，自动搬运车的作业效率要远高于自动导引小车。温智民等[9]以最小化船舶靠岸后装卸作业的总时间和最大化各种设备的操作效率为目标，利用仿真优化方法搜索优化调度方案，建立了自动化集装箱码头中间运输系统的仿真优化模型。并且通过仿真计算表明能够非枚举地从所有可能的动态调度方案中搜到最佳方案。邱惠清等[1°]介绍了振华港机新提出的低架桥电动小车立体水平运输系统和堆场轨道式龙门起重机方案，将该方案在码头利用率、自动化与智能化程度、泊位设备、能耗与环保等主要技术性能方面与常规码头和已有的自动化码头进行比较分析，得出了该方案更实际、高效的结论，从而更易得到推广和应用。郑见粹等[n]介绍了自动化集装箱码头装卸工艺系统的发展、工作过程及应用情况，对基于自动导引小车和框架桥的两种自动化集装箱码头装卸工艺系统方案的技术特点进行了全面的分析比较。梁燕等[12]介绍了一种节能环保的立体轨道式自动化集装箱码头，对其水平运输能耗进行了分析，并与现有码头的水平运输能耗进行了对比。分析结果表明，立体轨道式自动化集装箱码头在节能减排方面具有明显优势，该环保型自动化码头是港口发展的必然趋势。魏恒州[13]认为采用节能减排技术、新型高效的岸边装卸桥和堆场水平运输机械设备，建设自动化集装箱堆场和全自动化的集装箱码头已成为今后海港集装箱码头发展的方向。根据新时期我国海港集装箱码头发展的特点，提出集装箱码头和堆场装卸工艺模式创新的设想，并建议创造条件尽快建设我国第I座全自动化集装箱码头。魏丹M将立体自动化仓储技术应用于港口集装箱堆场，并对自动化集装箱仓库的设计和仿真中一些关键技术进行研究，在建立了仿真模型后，通过Flexsim仿真软件对模型进行了数据分析，将其与传统的集装箱堆场进行比较分析各自的优缺点。LuZhen等[15]对两种采用不同水平运输设备的自动化集装箱码头进行了对比分析，建立了水平运输系统的评价指标，最后通过仿真验证两种方案各自的优势和不足。Hyo Young Bae[16]对基于自动导引小车和基于自动搬运车的水平运输系统进行对比分析，通过调整机械的设备，对两种运输系统的作业率进行了对比，得出当使用双小车岸边集装箱起重机时，自动搬运车的作业效率要远高于自动导引小车。Chin-1.Liu等[17]设计，分析和评估四种不同的自动化集装箱码头的概念，这些概念包括:在自动化集装箱码头的基础上使用自动引导小车，直线电机输送系统，架空电网铁路系统，和高层的自动化存储和检索结构。S.Hoshino等[18]建立了基于自动导引小车的自动化集装箱码头的工艺评价系统，并建立了评价指标和数学模型。B.K.Lee[19]研究分析了堆场内起重机的各种作业状态，包括集港、装箱、卸箱、和提箱作业的时间周期。一个操作周期内包含不同的基本操作，根据数学期望和方差公式对每个基本作业进行分析。并通过仿真对其准确性进行研究及评估。D.Steenken，S[2°]指出现在的集装箱码头作业如果脱离有效的信息化技术和合适的优化方法(运筹学方法)几乎是无法完成的。并对集装箱码头内的主要物流环节和作业过程进行了描述和分类，并总结了一些文献中涉及计划调度等方面的优化方法。R.Stahlbockt21]近几年专家和学者对集装箱作业优化问题的关注不断提高和相关文献的大量涌出，作者对运筹学在码头作业中的应用进行了综合、总结和分类，为后人研究提供帮助。Bae H Y[22]对基于自动导引小车和自动搬运车与不同绩效的起重机结合的自动化集装箱码头的作业效率进行对比研究。通过仿真研究得出，如果自动导引小车的数量足够大，则基于自动导引小车码头的效率超过基于自动搬运车，但是当岸桥用于装船作业时，无论自动导引小车的个数增加到多少，基于自动导引小车码头的效率都低于基于自动搬运车。Vis I F Α[23]提出在建设自动化集装箱码头选取水平运输设备时应该考虑的各种因素，如装卸船时间、占用率和所设备数量。重点分析了自动导引小车和自动搬运车两种设备，通过仿真分析，得出同样规模的码头，所需自动导引小车的数量比自动搬运车多38%。Yang CH[24]研究了如何在不影响码头效率的前提下提高码头中自动搬运车的选用。根据运输设备的循环时间，即完成一次装卸作业所需时间得出了四种参考方案，最终利用仿真验证各方案的机械效率。Duinkerken M B[25]对三种自动化集装箱码头水平运输设备进行了比较，即拖车、自动导引小车和自动搬运车。并将三种设备配合基于规则的控制系统和相应的优化算法应用于荷兰鹿特丹港口的Maasvlakte物流园区的实际作业模拟中，总结了各个运输系统的特点和与作业设备如岸桥等的相互配合。通过成本分析，为将来码头建设的运输设备选型提供帮助。
[0003]上海振华港口机械(集团)股份有限公司创新研发了新一代高效智能型立体装卸集装箱码头的方案，即基于低架桥系统的自动化集装箱码头。该集装箱码头的装卸工艺可以分为三个步骤，岸桥，低架桥平板小车和场桥完成集装箱的起吊过程，低架桥平板小车和地面平板下车完成集装箱的水平运输。这三个步骤完成了一次集装箱的卸船作业，装船作业是卸船作业的逆过程。
[0004]第一步:在进行装卸作业时，岸桥的海侧小车将集装箱从船舶上吊起，运送至岸桥转接平台，人工取下集装箱旋锁。海测小车进行下一次起吊作业。然后岸桥陆测小车将集装箱转运到平板小车上。
[0005]第二步:低架桥平板小车将集装箱运送至指定箱区的转接处，此时低架桥起重小车也随之运行到该转接处，起重小车将集装箱吊起，待低架桥平板下车离开后，带着集装箱旋转90度后，将集装箱落入地面平板小车上。
[0006]第三步:地面平板小车载着集装箱运输到箱区的指定的贝位旁，待场桥到达后，将集装箱吊起并落入指定的箱位。
[0007]该轨道式自动化集装箱码头取消了内燃机驱动的水平运输设备和昂贵的导航系统，采用电驱动的平板小车和轨道定位系统，节能环保，且易于实现自动化。但是该码头也存在着许多不足，堆场利用率不高，作业系统的柔性差等。如箱区内的每一条轨道上只能放置一辆平板小车，作业时，必须等待该辆平板小车作业完成后，才能进行下一次作业；且当卸船、装船和集港作业同时进行时，地面平板下车的个数无法满足工作强度的要求。故提出了多层轨道式自动化集装箱堆场装卸工艺，以克服该缺点。
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【发明内容】
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[0008]本发明在前人研究的基础上，提出了一种多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统，该系统采用完全由电驱动的电动平板小车和多层框架式轨道桥的配合方案，实现集装箱在码头前沿岸桥与码头后方堆场场桥间的快捷立体传送，便于实现智能化调度、自动化控制，提高集装箱传送效率。该堆场装卸系统的使用使得高速穿梭的堆场平板小车减少了场桥大车的移动距离，大大提高了堆场内的装卸船、提箱集港的作业效率。该堆场装卸系统可极大地减少码头箱区的占地面积、减少码头造价。码头的布局图如图1和图2所示。
[0009]本发明采用框架桥水平运输系统，岸边采用高低架桥配合的形式，堆场内部也同样设有若干层的轨道框架，堆场平板小车可以在这些层上随意互不干扰穿梭于岸边和堆场。并在此运输系统下，调整堆场的布局，来减少场桥的移动距离，在提高场桥的作业效率的同时也可以提高堆场的利用率。最后通过案例分析，给出码头前沿和堆场框架桥的配合层数，在该配合方案下，使得码头的装卸效率有所提高。
[0010]该自动化集装箱码头与由上海振华重工自主开发的基于高低架桥的装卸系统有所不同，其框架桥采用多层式，框架桥的层数与平板小车的个数互相配合，以达到作业效率最高。多层的轨道，相当于将原来的串联系统转化成为并联作业系统，大大提高其系统的可靠性。
[0011]原方案每个箱区内布置一条半轨道，不仅占用了堆场的空间资源，而且水平运输设备运行不流畅，存在场桥大车与平板小车等待和接力作业的情况。而多层的设置方式使得装卸船作业和集港作业同时进行时，平板小车之间可以互不干扰的进行各自的作业，有效地避免了接力作业，减少了场桥大车的运行距离。而且，集装箱从堆场前沿到箱区之间有多个运输通道可以选择，有效地较少了等待的情况，从而减少装卸船时间。该多层堆场轨道系统中，码头前沿的轨道要高于箱区内轨道的最大层数，如箱区轨道最高为4层，则码头前沿轨道的高度至少起于第五层，如图3中所示的安全高度，该高度至少为一个集装箱的高度。码头前沿框架桥和箱区框架桥平面结构布置图如图4至图5所示。
[0012]堆场的布局也有所改善，采用左右堆放集装箱，中间设置多层框架桥轨道，从码头前沿直通堆场后方。这样集港时集卡可以不需进入堆场，而直接将集装箱放入堆场后方的平板小车上，再将其运输到堆场内。框架桥轨道设置在堆场中间，可以将场桥小车在横向的水平移动距离减少到原来的二分之一。一条多层框架桥轨道取代一条半单层轨道，大大的提高了堆场的空间利用率，特别是码头纵向长度比较大时。
[0013]采用设备
[0014]如下表1所示为本文所研究的自动化集装箱码头的装卸和运输设备。码头前沿的岸边集装箱装卸桥采用双40英尺双小车岸桥，可以同时抓两个40尺集装箱或8个20尺集装箱。沿海岸线方向的水平运输采用低架桥起重机和低架桥平板小车，垂直海岸线方向采用堆场平板小车。在堆场后方，采用门式起重机。
[0015]表1设备及参数
[0016]
【权利要求】
1.一种多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统，包括: 相互平行的海侧轨道和陆侧轨道以及与之垂直的岸桥，船舶在海侧平行于海侧轨道排列，所述岸桥从海侧穿过所述海侧轨道和陆侧轨道，所述岸桥包括海侧起重机、海侧岸桥小车、陆侧岸桥小车以及位于海侧轨道和陆侧轨道之间的转接平台； 多层低架桥转接系统，所述多层低架桥转接系统包括低架桥轨道、低架桥起重机和低架桥平板小车； 多个场桥，所述场桥平行于陆侧轨道，包括沿垂直于陆侧轨道的方向运行的场桥起重机； 其特征在于，还 包括多层框架式系统，所述多层框架式系统包括垂直于陆侧轨道方向的多个多层框架式轨道和沿所述多层框架式轨道运行的堆场平板小车，堆场的集装箱堆放在各个所述多层框架式轨道两旁，每个所述场桥对应一个所述多层框架式轨道，所述场桥的所述场桥起重机能把对应所述多层框架式轨道两旁的集装箱提起并置放到多层框架式轨道的任何一层的任何一辆堆场平板小车上，也能从所述多层框架式轨道的任何一层的任何一辆堆场平板小车上的集装箱吊起并放置到堆场的相应贝位及相应箱位上； 所述多层低架桥转接系统上任何一层上的任何一辆所述低架桥平板小车可以和所述多层框架式轨道的任何一层的任何一辆所述堆场平板小车通过所述低架桥起重机和所述场桥起重机相互转运集装箱。
2.根据权利要求1所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统，其特征在于，所述多层框架式系统的层数为2-6层；所述多层低架桥转接系统的层数和所述多层框架式系统的层数可以相同也可以不同。
3.根据权利要求1所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统，其特征在于，设备分配采用实时设备分配调度方案:船舶进行卸船作业时，已分配的所述岸桥可对应多条已分配的低架桥作业线；每条低架桥作业线其上有两组所述低架桥平板小车和所述低架桥起重小车；每个所述低架桥平板小车对应在同一条所述低架桥作业线上的多个所述低架桥起重小车；每个所述低架桥起重小车又可对应所述多层框架式轨道上的多台所述堆场平板小车，每个箱区内的所述堆场平板小车再跟相应所述场桥对应；装船也同样采用此调度方案，设备的选择如下:第一种情况，存在同一作业有多个设备可供选择，当所述低架桥起重小车将集装箱吊装到该堆场的所述堆场平板小车上时，可能有多个箱区的所述堆场平板小车可供选择，此时同一箱区上的所述堆场平板小车均可供选择，不存在优先级别；第二种情况，存在多个作业选择同一设备，当所述堆场平板小车进行装船作业时，载箱运送到码头前沿的箱区转接处进行卸箱后，并不是直接空箱返回，接受下一个场桥作业指令，而是接受所述低架桥起重小车的作业任务，载进口箱入堆场；当所述岸桥和所述低架桥起重小车对所述低架桥平板小车同时发出作业指令时，应该以所述岸桥优先。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统，其特征在于，所述多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统安装程控调度系统，所述程控调度系统可以同时安排集装箱的装船、卸船、集港和提箱，并可以控制所述装船、卸船、集港和提箱相关作业之任务的安排、混排和调度，以及集装箱从船舶通过所述岸桥起重机、所述海侧岸桥小车、所述转接平台、所述岸桥起重机、所述陆侧岸桥小车、所述低架桥平板小车、所述低架桥轨道、所述低架桥起重机、所述堆场平板小车、所述多层框架式轨道、所述场桥起重机，到达所述堆场整个过程的安排和对接以及相反过程集装箱从所述堆场通过所述场桥起重机、所述堆场平板小车、所述多层框架式轨道、所述低架桥起重机、所述低架桥轨道、所述低架桥起重机、所述低架桥平板小车、所述低架桥轨道、所述岸桥起重机、所述陆侧岸桥小车、所述转接平台、所述岸桥起重机，到达所属船舶的整个过程的安排和对接。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统的装卸方法，所述装卸方法能分别或同时进行集装箱的装船、卸船、集港和提箱； 卸船方法和集港方法步骤如下: 一、所述岸桥起重机将集装箱从船舶上吊起，送至起重机门框平台上，人工拿下集装箱旋锁， 二、由所述岸桥起重机将集装箱卸到所述低架桥平板小车上， 三、所述低架桥平板小车将集装箱通过所述低架桥轨道运送到指定的箱区交接位置， 四、所述低架桥起重机抓箱，待所述低架桥平板小车离开后，且集装箱落入安全距离之后，旋转平台将集装箱旋转90度，此时将集装箱落入所述堆场平板小车上， 五、所述堆场平板小车载着集装箱通过所述多层框架式轨道运行到箱区指定箱位对应的贝位，待所述场桥到达时，将集装箱吊到指定的箱位，所述平板车进入下一个工作循环， 其中，除步骤一的所述人工拿下集装箱旋锁外，步骤一至五都为自动化； 装船方法和提箱方法步骤如下: 一、所述场桥移动到指定装船的集装箱所在箱位，吊起集装箱，待所述堆场平板小车到达该贝位旁时，将集装箱落入所述堆场平板小车中， 二、由所述堆场平板小车载着集装箱通过所述多层框架式轨道运行至指定的交接位置， 三、待所述低价桥起重机空闲时将集装箱吊起，提至安全高度后旋转平台将集装箱旋转90度，并等待所述低架桥平板小车到达时将集装箱落入所述低架桥平板小车内， 四、所述低架桥平板小车将集装箱运送至所述岸桥起重机旁，待所述岸桥起重机空闲时将集装箱吊起并落入起重机门框平台上， 五、人工装上集装箱旋锁后，再由所述岸桥起重机将集装箱装入船舶指定位置， 其中，除步骤五的所述人工拿下集装箱旋锁外，步骤一至五都为自动化。
6.根据权利要求 5所述的多层框架式集装箱自动化码头堆场装卸系统的装卸方法，该方法受所述程控调度系统控制，所述程控调度系统根据相关集装箱的装船、卸船、集港和提箱任务，所需完成的时间，相关起重机、平板小车的数量和运力，所述多层低架桥轨道和所述多层框架式轨道的状况和运力，来安排、控制和调度作业。
【文档编号】B65G67/60GK103723532SQ201410014461
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】何军良, 苌道方, 朱夷诗, 严伟, 陆后军, 王煜, 房婷, 张雨婷 申请人:上海海事大学