苏 强 刘志阳 王 柱 毛伟东 陈保栋

青岛前湾集装箱码头有限责任公司

1 引言

集装箱码头作业中，吊具与集卡的交互过程是装卸作业的重点环节。由于操作不当等原因，会出现卸船时吊具放箱尚未开锁或装船时吊具着箱后尚未闭锁的情况下，集卡即启动运行，造成吊具及附属机构被拖行、岸桥控制室及集卡受损、岸桥司机和集卡司机受伤的危险状况，严重影响码头的工作安全和作业效率[1-2]。

为避免此情况的发生，设计了一种智能系统以实现当吊具与集卡没有交互完成时，即吊具没有完全脱离开集装箱或集卡前，通过物防手段进行集卡锁定。此时即使人员误操作，集卡也无法运行，消除岸桥吊具被拖行的安全隐患。

2 目标和思路

2.1 实现目标

从实现作业流程本质安全出发，研究一种基于物防的应用于集装箱码头装卸作业的防拖拉自动驻车系统，从彻底消除人的不可靠因素，实现装卸过程安全化[3]。

2.2 设计思路

采用“单机平台+组网互通”的技术方案。单机平台：每1台集卡、每1部岸桥是一个单独运行的平台；组网互通：任何1台集卡与任何1部岸桥都组网联通，实现交叉配合。采集集装箱卡车托盘称重突变、岸桥起升位置、小车位置、吊具着箱信号等信息，通过集卡上安装的运算单元和岸桥上的无线发射器，分别传输给安装在集卡上的PLC，PLC输出控制信号控制司机室离合踏板锁定动作，从而实现集卡运行自动控制。

“单机平台+组网互通”的形式，优势在于每套完成组网的系统均基于岸桥起升高度、小车位置、吊具顶销信号、托盘重量突变等4个信号，最大程度实现有效互联、大概率排除“误连”可能，以最低成本、最快效率实现全部岸桥、所有集卡动态互联组网的目标，在实现传统集装箱码头岸桥防集卡拖拉功能方面处于领先水平。

3 技术方案

集装箱岸桥智能化防拖系统解决的是岸桥和集卡交互的安全问题，系统主要包括岸桥控制改造和集卡控制两部分。通过采集岸桥起升机构实时位置、小车机构实时位置、吊具着箱信号(顶销信号)、集卡托盘重量突变等4个信息，在全部满足设定条件时启动集卡离合控制，实现集卡锁定。

3.1 岸桥端设计

3.1.1 起升高度设定

集卡托盘对地绝对高度约为1.5 m，集装箱绝对高度约为2.6 m，因此岸桥控制程序内设定起升高度低于6 m时(码头基准面以下时起升高度为负值)，可认为条件满足。

3.1.2 小车位置设定

本系统设计使用环境为岸边岸桥码头作业，小车位置在码头沿陆侧区域即进入有效区间，考虑岸桥有效作业车道与码头沿间的距离和小车海陆侧鉴别位置的重叠性，岸桥控制程序内设定小车位置小于-2 m时，可认为条件满足。

3.1.3 顶销信号设定

吊具(负载集装箱)与集卡交互过程的开始与结束分别表现为顶销信号的出现和消失，顶销信号的变化就意味着交互过程的变化，因此顶销信号出现时可认为交互过程正在进行中。

3.1.4 无线发射基站设计

以上3个条件满足时，岸桥PLC通过输出组态模块DO802输出高电平信号到安装于大车站内的无线发射基站，基站发射无线信号到安装于集卡司机室外侧的无线接收基站，基站间建立连接将岸桥端以上3个信号同时满足的信息传递到集卡外置PLC。无线基站频段区别于码头作业无线通讯频段，不会互相产生干扰和误发，同时基站发射功率设计覆盖半径为100 m，不仅可以满足单台岸桥最大作业半径要求(即轨距，为35 m)，同时也尽量缩短无效半径覆盖，以减少误连接概率。

3.2 集卡端设计

3.2.1 称重单元

系统设计称重单元不是对集卡托盘负载重量进行准确度量，而是采集重量突变量，包括重量增量突变和减量突变。一旦采集到这个突变量，与岸桥端的3个信号进行逻辑运算，当4个信号全部满足设定条件时，认为吊具正在与当前集卡进行交互，此时启动集卡锁定程序。重量突变信号为系统启动条件，其他3个信号为满足设定筛选条件。

重量突变是精准判断“唯一”交互的关键，即一台岸桥的吊具完全落在集卡上或离开集卡具有大概率的时刻唯一性，重量发生突变则PLC控制程序逻辑导通，集卡被锁定。称重单元为安装在集卡承重梁下端的贴片式传感器，通过测量承重梁形变量判断重量变化量，安装工艺简单，可靠性高，具有免维护特性。

3.2.2 无线接收基站

集卡端的无线接收基站采集来自岸桥发射基站发出的起升高度、小车位置、顶销信号，此信号经接收基站转换为高电平输出到集卡端PLC外围继电器，作为控制程序内激活离合控制器条件之一。

3.2.3 防拖拉系统PLC

PLC主要功能是收集重量变化信息和无线接收模块传来的电平信号，当检测到有重量变化达到10 t时(吊具和上架重量一般在14 t，着箱瞬间必然会出现10 t以上的重量突变)，开始进行5 s的条件检测。如果在这个检测窗口期内检测到无线接收模块传来的起升高度、小车位置、顶销信号均满足系统启动条件，则PLC输出一个高电平通过外围继电器实现离合控制器动作，集卡被锁定。

3.2.4 离合控制器

离合控制器安装于集卡司机室内，防拖拉系统PLC输出的高电平信号作为激发条件，采用小功率直流电机驱动。当电机运行时，拉紧固定在离合踏板尾端的钢丝，离合踏板被强制拉下，集卡无法运行。

4 系统特点

4.1 串联式信号设计

系统信号激活采用串联式设计，即当全部4个信号同时满足时，系统才可以激活控制器动作，集卡才可以被锁定，否则集卡可以正常操作。4个信号是交互过程的全部满足条件，串联式设计既可以保证精准识别出交互过程，又可以避免集卡正常运行时误动作可能性。

4.2 多信号辨识设计

控制系统中加入起升、小车、顶销、重量突变4个信息量，目的是通过增加满足条件要求来降低同一时刻2台以上岸桥满足全部条件的概率，大概率实现多条件采集辨识唯一性，确保设备间、系统间不会误动作。

4.3 无线传输设计

无线传输覆盖半径设计为50～100 m有效，此半径可有效保证信号可靠传输，同时尽可能缩小覆盖半径以避免非作业区域内系统误动作，极大提升系统可靠性。

4.4 单机组网设计

不采取组建大规模物联网的方案，进行设备单一识别，保证以最低投入成本和最快建设效率投入使用。测试组网系统实现作业箱量35万TEU，未发生相关安全事项报告。

5 结语

岸桥拖拉事故损失是巨大的，粗略估计单次事故仅机损方面的经济损失约26万元，货损、人员伤亡损失则更加严重。本系统从本质上解决岸桥拖拉事故发生，是传统集装箱码头首次实现集卡自动锁定的物防控制系统，在提升码头装卸工作的效率和安全性方面意义较大，具备推广应用价值。