1 引言

自动化智慧港口要求集装箱运输高效、安全、快速、数字化、信息化管理。目前我国大部分港口集装箱起重机未引入自动化操控系统，港口物流装备、系统未更新升级，流转信息识别依赖装箱单。 

2自动化智慧港口集装箱起重机关键技术研发

运用互联网技术、整机轻量化设计技术、主梁优化结构设计技术、防摇摆技术、CMS、RCMS信息化管理技术和安全冗余控制技术等，研发了自动化智慧港口起重机设备。在利用图像识别、RCMS远程监控技术、起重机GPS和高精度传感器定位技术，实现集装箱的识别、定位和物流追踪。通过港口的互联网追踪和算法优化的装卸路径和行程。研发门式、桥式和轮胎式多种类型的集装箱起重装备，提高堆场和集装箱吊装作业的效率，加快实现智慧、自动化港口的升级，优化劳动力、提升作业箱量工作效率。

在集装箱起重机整机结构研发计算过程中，采取了变密度计算法和SIMP密度材料建模法，建立了箱型结构件承载压力及整机轻量化设计，结合TLAB函数和逆迭代法，模拟各机构在整体运行的过程。通过过滤性计算和OC准则迭代模型求解优化结果，提高整机结构的稳定性。深入研究起重机各机构在联动中的拓扑优化设计的承载动能，提升整机的动态响应能力。通过编写电控程序，结合整机前后大梁动载的优化，加强了起重机在运行中相应速度，达到起重机整体的运行效率。 

3远程控制技术的起重装备大数据管理平台研发

随着港口自动化控制技术趋于成熟，智慧港发展成为后续升级改造的愿景，以信息化、自动操控的新技术应用，起重机正向无人控制技术、自动化和智能化方向发展，传统起重机升级改造、制造存在巨大的发展空间，特别在远程控制技术、RCMS监控系统等。大数据平台开发系统将陆续引用到集装箱起重机上，实现了无线监控，利用数据、信号、图像画面等传输手段，完成数字化管理。 

利用智能化制造技术是应对挑战的最佳助推器，已ZPMC制造技术为代表，公司为洋山港、青岛港、厦门港开发制造无人自动化智慧港口的起重机设备，特别是在智能集装箱起重机方面，已面向工业时代3.0出发，具有智能导向定位技术和智能远程控制技术，两种控制技术加快推进起重机数字化、网络化、智能化整体水平。在大数据时代，远程开发控制技术的产品，已Any-CAnopen网关作为主站，控制器监控为 AnyCANopen 网关的桥接从站，从控制器中的通讯端口出发，将信号传输到远程监控室中，达到远程检查故障，找到问题源头，实现远程控制要求。作为目前数字化领域中最有应用前景的技术之一，远程控制技术发展迅速，将全面开发引用到多维平面扫描技术的3D箱形轮廓扫描系统，利用多视角2D扫描仪合成3D技术，对起重机和小车运行两侧的箱形轮廓进行扫描，并计算作业区的二维障碍数据，能实现自我诊断和反馈，满足自动化系统无人操作的需求。为此，远程控制技术在自动化智慧港口研发中为重要一环。

4 集装箱装卸过程控制技术研发

吊装过程中箱体姿态控制技术的研发。首先，电气、机械设计师共同研发了防摇摆系统，吊具、起升防摇一体式钢丝绳缠绕系统，简化了缠绕机构，由先前的八绳缠绕方式，研发了全功能小车防摇系统，利用电机、减速箱控制防倾覆、摇摆，提高了可靠性和稳定性。其次，机械设计师在基于起升和防摇一体化的基础上，升级开发十二绳防摇平面姿态控制技术，通过特殊的钢丝绳缠绕方式，在吊具和小车之间有效的结合，能让吊具在运行过程中有显著的防摇效果。此设计结构简单、维护工作量小、可靠性高，并且防摇效果佳，将大力推广到自动化智慧港口起重机上。

在作业过程中集装箱控制方面，采用多重模型优化算法，建立了实际起重机载荷摇摆的数学模型，并应用弹性模板插值计算法，通过向量防摇摆控制计算方法，实现双变量防摇摆自动定位、同步控制等技术，有效控制了起重机的防摇，到达控制吊具的防摇效果。这项技术不仅能够减小摇摆幅度，提高防摇效果，还具有高精度定位和一次性到位的特点。

另外，还研发了精确定位控制系统和回转姿态控制技术。采用集装箱吊装多维姿态精度定位系统和行走纠偏机构，可以实现起重机的精确定位和纠偏功能。通过绝对值编码器和磁钉结合的方式实现大车的定位，采用双绝对值编码器实现起升机构的冗余检测，确保定位精度和可靠性。同时，设计了旋转小车结构，配备倾转、倾斜系统和双冗余检测系统，实现吊具的姿态控制和小车的精确定位。

5 机械、电气机构安全控制技术

基于机械、电气复合特性的多冗余高可靠性安全结构和控制技术包括钢丝绳断绳保护、钢丝绳防松绳保护、机械和电控系统多重制动保护、断轴及系统冗余保护等功能，并采用数字远程监控技术，对于存在的故障，通过传感器信号的输出，反馈到监控系统、报警等手段，实现作业的安全。

针对钢丝绳断绳保护和防叠绕技术，采用双根钢丝绳设计，一根钢丝绳缠绕在卷筒组上，另一根固定在平衡臂上，平衡臂的两端配备缓冲器和检测传感器。当平衡臂倾斜过大或断绳时，缓冲器吸收部分能量并发出报警信号，确保另外一套钢丝绳能平稳保持载荷，实现断绳保护。此外，机械设计开发了双L型钢丝绳防叠绕结构，配合限位感应器，一旦发生钢丝绳叠绕，传感器检测到故障，将信号传递给电控系统，系统发出报警信号并停止各机构动作，确保作业安全。

在多重制动和过载保护方面，按照三级安全保护系统的设计原则实现了电控制动、运行制动和安全制动的三级保护。各制动系统能够在短距离内完成制动过程，并在1.1倍过载吊装时不发生滑移，就目前的智慧港口、自动化码头起重机多数使用Bubenzer的制动器，制动器安装在起升、小车、俯仰机构输出端，通过制动器的传感器信号反馈，连接输出端电控系统，由程序来检测传感器信号，已保证各机构正常运行。如制动器输出端上传感器检测运行机构及制动器存在故障，电控系统接收信号后自我采取制动措施。另外，外部Bubenzer制动器会及制动，如在制动过程中产生额外的力，Bubenzer制动器会打开SOS系统，将自行脱开联轴节，起到对运行中机构自我保护。按照《国家起重机安全规范标准》都采用多重保护系统，确保起重机作业中的安全。      

针对冗余控制系统，采用双回路保护功能的设计。核心PLC芯片采用双CPU设计，与总线控制系统连接同步。起升机构变频器采用一用一备的冗余设计，安全信号输入到PLC也进行了冗余设计，避免了因控制系统部件故障而导致系统停机的风险，确保起重机在作业过程中的安全性和可靠性。

6 结语

综上所述，研发了自动化智慧港口集装箱起重机，实现了远程监测、控制和故障诊断等功能。自动化无人控制技术及智慧港的开发，提升了集装箱起重机的作业效率。设备投入运营后，客户对其反应积极，实现降本增效。自动化、智慧港口技术运用，为我国“一带一路”建设提供了有力支持。具有显著社会和经济效益，成为国际市场中有力的竞争者。

参考文献：

[1] 智慧港口标准化建设研究[J]. 徐磊;钱振明.中国标准化,2015(09)