我国岸边集装箱起重机技术发展回顾及展望

李明轩 耿卫宁 宋海涛

在世界经济贸易一体化发展的背景下，集装箱海运量大幅攀升，推动集装箱船舶和集装箱码头向大型化发展，码头装卸设备升级换代的步伐也随之加快。作为集装箱码头的主要装卸设备，岸边集装箱起重机（以下简称“岸桥”）的作业能力在很大程度上决定着集装箱码头的作业能力。我国岸桥制造业经历从无到有、从小到大的发展阶段后，当前面临着如何通过转型升级实现從大到强的课题。本文回顾我国岸桥技术发展历史，介绍新一代岸桥的技术特征，并探讨未来岸桥技术的发展方向。

1 我国岸桥技术发展回顾

我国岸桥制造业与集装箱运输业呈现同步发展态势。从20世纪70年代第一代岸桥诞生到如今第五代岸桥面世，我国岸桥制造业经历了从无到有、从小到大的发展过程，目前占全球岸桥市场的份额超过80%，有力地促进了我国集装箱运输业的发展。

（1）第一代岸桥 我国岸桥制造业起步于1978年。第一代岸桥的主要技术参数如下：采用单小车单吊具和电动机组发电机，吊具额定载荷，起升高度18 m，前伸距28 m，每次只能起吊1个20英尺集装箱或1个40英尺集装箱，可接卸以下集装箱船舶。受当时技术发展水平的限制，第一代岸桥虽然实现了从无到有的目标，但技术性能一般，且故障率较高。

（2）第二代岸桥 第二代岸桥的主要技术参数如下：采用单小车单吊具和可控硅直流调速系统，吊具额定载荷45 t，起升高度25 m，前伸距40 m，每次只能起吊2个20英尺集装箱或1个40英尺集装箱，可接卸2 000 TEU以下集装箱船舶。与第一代岸桥相比，第二代岸桥的技术性能有所提升，尤其是可控硅直流调速系统的应用使岸桥调速范围更大且加减速更为平滑。

（3）第三代岸桥 第三代岸桥的主要技术参数如下：采用单小车双吊具和交流变频驱动控制系统，吊具额定载荷50～65 t，起升高度32 m，前伸距，每次能同时起吊4个20英尺集装箱或2个40英尺集装箱，可接卸5 000 TEU以下集装箱船舶。第三代岸桥的技术性能实现较大突破，尤其是单次作业箱量的提高能够显著提升船舶装卸效率。

（4）第四代岸桥 第四代岸桥的主要技术参数如下：采用双小车双吊具（40英尺）或单小车三吊具（40英尺）以及智能交流变频驱动装置，吊具额定载荷70 t，起升高度42 m，前伸距70 m，每次最多能起吊6个20英尺集装箱或3个40英尺集装箱，可接卸10 000 TEU以下集装箱船舶。第四代岸桥的技术性能继续改善，作业能力进一步增强，尤其是智能交流变频驱动装置的应用使岸桥性能大幅提升且能耗显著下降。随着第四代岸桥的面世，我国岸桥制造业进入从小到大的发展阶段，占全球岸桥市场的份额达到70%以上。

（5）第五代岸桥 第五代岸桥的主要技术参数如下：采用双小车双吊具（40英尺）和全数字式交流变频无级调速驱动装置，吊具额定载荷70 t，起升高度50 m，前伸距70 m，主小车由人工远程操控辅助作业，门架小车实现全自动作业，可接卸目前世界上最大的集装箱船舶。第五代岸桥应用大量新技术，具有显著的自动化和智能化特点，其典型代表是上海振华重工（集团）股份有限公司为青岛新前湾集装箱码头有限公司制造的双小车自动化岸桥。

2 第五代岸桥的技术特征

随着现代科学技术的快速发展，计算机自动化控制、设备故障自检、激光扫描、模糊逻辑等新技术广泛应用于岸桥制造业。第五代岸桥已不再是单纯的钢结构与电气控制系统相结合的工业设备，而是自动化和智能化程度较高的港机设备，从而使集装箱码头装卸作业告别传统的机械时代，进入人工智能时代。

（1）设备自动控制和管理 传统的岸桥单纯执行人工作业指令，与码头操作系统没有信息交互和传递，完全依靠现场人员检查和反馈设备状态和故障等，存在信息确认延迟、错误率较高等问题。第五代岸桥采用先进的设备控制管理系统，实现岸桥与码头操作系统的信息交互和传递，即：码头操作系统向设备控制管理系统下达作业指令;设备控制管理系统分解作业指令，并将相应的作业指令发送给岸桥管理系统;岸桥管理系统控制岸桥执行作业指令，并通过设备控制管理系统向码头操作系统反馈指令执行情况和岸桥状态。

（2）远程操控辅助作业 传统的岸桥作业完全依靠司机手动操控，而第五代岸桥的自动化程度较高，其中：门架小车作业完全实现自动化，主小车作业大部分实现自动化（见图1）。以主小车卸船作业为例：主小车按照码头操作系统的指令，自动运行至相应的集装箱上方安全高度处悬停;码头操作系统发出人工辅助作业信号，司机远程操控主小车完成抓箱、关锁、起升等动作;码头操作系统发出自动作业信号，主小车自动吊箱至中转平台并完成放箱、开锁、起升等动作。

（3）磁钉定位 第五代岸桥采用磁钉定位技术，实现大车精确定位（精度达到毫米级），并根据船舶规范提供的数据自动计算大车运行距离，从而提高大车运行效率。此外，在瞬时大风等恶劣天气下，启动“一键锚定”模式后，岸桥立即停止作业，自动寻找各自的锚定坑完成锚定。

（4）船型扫描 船型扫描以激光扫描技术为基础，具有精确度高且实时更新等优点。安装在主小车吊具上的扫描仪沿船舶海侧扫描船型，据此计算主小车吊具在船上的最佳运行路线和安全高度并实时调整优化，从而在确保作业安全的前提下尽可能减少人工辅助操作。

（5）排位学习 对于第一次到港作业的船舶，岸桥远程操控人员首先需要确认第一个作业集装箱的排位，然后排位系统根据第一个作业集装箱的排位和船公司提供的船舶规范自动推算后续作业集装箱的排位，并在作业过程中不断校正。首次作业完成后，相应的船舶、贝位等数据自动保存至数据库，下次作业时岸桥无须重复学习。

（6）自动记忆 在作业过程中，受船体倾斜的影响，需要不断调整主小车吊具的倾转角度，此时系统会自动记忆吊具倾转角度。当主小车吊具返回平台作业时，系统自动调平吊具;当主小车吊具返回船上相应的作业位置时，吊具自动调整倾转角度以适应船体倾斜。

（7）中转平台逻辑控制 岸桥装卸作业由主小车和门架小车在中转平台接力完成，其间作业人员需要在中转平台人工完成拆装扭锁作业;因此，中转平台逻辑控制对岸桥作业效率和拆装扭锁作业安全有重要影响。如图2所示，中转平台两侧各安装1个控制盒。按照是否需要拆装扭锁和拆装扭锁作业人员数量，中转平台逻辑控制分为0人模式、1人模式和2人模式：0人模式下，无须实施拆装扭锁作业，集装箱到达中转平台后即可转运;1人模式下，需要实施拆装扭锁作业，并且只要有1个控制盒得到释放信号即可转运集装箱;2人模式下，需要实施拆装扭锁作业，并且必须2个控制盒均得到释放信号才可转运集装箱。为提高岸桥作业效率，当中转平台的一个台座有人作业而另一个台座释放时，主小车和门架小车的吊具在空载状态下可以申请进入释放台座。若吊具后续的运行轨迹不越过有人作业的台座，则允许执行;若吊具后续的运行轨迹需要越过有人作业的台座，则不允许执行，只允许吊具着箱、关锁，等待相邻台座释放。

3 我国岸桥技术发展展望

（1）全自动岸桥 船舶靠泊码头后，船舶位置和船上箱位受船舶构造、水位和波浪等因素的影响而变化，导致作业过程中箱位定位比较复杂，使得船上集装箱装卸作业自动化面临较大难度。[1]目前我国第五代岸桥的自动化程度已达到90%，但在船上安全高度以下仍然需要人工远程操控辅助作业，尚未实现真正意义上的全自动化。可以预见，随着自动化技术的发展，未来岸桥将继续向全自动化方向发展。

（2）高速岸桥 通过提高岸桥吊具的起升速度和小车水平运行速度，可以有效提高岸桥作业效率。岸桥的作业工况和作业环境比较单一，其起升机构和小车行走机构的动作具有短时间隔、连续重复的特点，这就要求驱动电机具有良好的调速性能。要实现这一点，驱动电机不仅须具备足够的额定功率和启制动转矩，还应当有灵敏的过载反应能力和良好的通风散热性能。

（3）储能岸桥 岸桥起升机构下降的过程涉及能量转换，此时电动机处于发电状态。如何吸收、储存并利用电动机在此过程中产生的能量，是实现岸桥节能降耗的重要课题。

（4）可升降岸桥 为适应超大型船舶的作业要求，目前第五代岸桥轨面以上的起升高度已达到，导致在甲板底层集装箱和舱内集装箱作业过程中，主小车无效升降动作增加，造成巨大的能源浪费。此外，随着岸桥高度的增加和吊具起升钢丝绳的加长，吊具摇摆和起升钢丝绳扭转的情况有所加剧;虽然业内专家学者对此开展大量研究并取得一定成效，但受集装箱质量分布不均和作业过程中侧向风的影响，吊具防摇技术和起升钢丝绳防扭转技术的应用效果有限。设计可升降岸桥有助于解决上述问题，但存在以下技术难点：一是如何确保岸桥升降效率;二是在岸桥降低作业高度的情况下，如何避免岸桥因船舶漂移而与集装箱或船舶发生碰撞。

（5）三小车岸桥 第五代岸桥主小车的平均运行周期约110 s，门架小车的平均运行周期约70 s。由此可见，提升双小车岸桥作业效率的关键在于提升主小车作业效率，但主小车作业效率的提升空间有限。对此，业内提出三小车岸桥的创意，即：在双小车岸桥的基础上增加水平运输小车，以平衡主小车和门架小车的运行周期。如图3所示：海侧小车负责在船上取放集装箱，水平运输小车负责水平运输集装箱，陆侧小车负责在陆侧取放集装箱。

（6）多功能岸桥 未来的岸桥不仅能够实现更高的裝卸作业效率，而且可以将其他服务功能整合到岸桥装卸作业过程中，以简化码头作业流程，降低码头作业成本，节省码头作业空间。以双小车岸桥作业过程为例：可利用集装箱在岸桥中转平台停留十几秒的时间，完成残损检测、喷淋消毒、放射性物质检测、箱体称重、拆装扭锁等作业。目前，青岛港全自动化集装箱码头采用在岸桥中转平台完成信息识别、残损检测、拆装扭锁的作业模式，其中仅使用拆装扭锁机器人一项就可使装卸作业人员减少50%。

4 结束语

在过去30年里，虽然我国岸桥制造业取得长足发展，但大而不强的弊端逐渐显现。当前，“中国制造2025”和“互联网+”正在深刻地影响我国制造业，推动制造业与新一代信息技术实现深度融合。我国岸桥制造业应当抓住机遇，利用现有优势，以创新为驱动内核，由低成本竞争优势向质量效益竞争优势转变，由高耗能、高污染的粗放型制造向节能环保型制造转变，由生产型制造向设计创新服务型制造转变，从而抢占新一轮竞争的制高点，实现可持续发展。相信未来我国岸桥制造业发展将跃上新台阶，生产出更加先进、高端的岸桥，展现中国创造的风采，继续为我国集装箱运输事业发展作出贡献。

参考文献：

[1] 林浩，唐勤华.  新型集装箱自动化码头装卸工艺方案探讨[J]. 水运工程，2011（1）：158-163.

（编辑：张敏 收稿日期：2018-09-14）