集装箱起重机智能化与绿色化技术研究：防摇、精准定位、势能回收

项目背景

岸桥集装箱起重机是决定集装箱港口安全作业效率和能源利用效率的关键装备。吊具防摇、精准定位、势能回收是集装箱起重机作业过程中提高作业效率、安全性以及高效节能的关键技术。

① 吊具防摇技术：在夹紧和放置集装箱时，起重小车加减速控制不合理，使得吊具负载在小车平面内作周期摆动，吊具在较短时间内难以减小摇摆幅度直至停止摆动。加装吊具防摇装置，是提高集装箱起重机作业效率的重要技术手段。目前使用较为广泛的防摇装置主要有：

a. 机械式防摇装置：其工作原理主要是在进行钢丝绳的缠绕时，要选择科学适当的方法，保证起升滑轮与牵引滑轮处于同一平面并偏离一定角度；保证卷筒只能单方向运动，即钢丝绳的收绳方向。一旦吊具发生摇摆的现象，就需要不断地加大防摇钢丝绳的张力，通过不断重复以上步骤，使吊具的摇摆幅度不断减小，从而最终实现防摇的目的。传统的机械式防摇装置仍然具有很多的局限性，比如结构复杂、稳定性较差、维修保养工作量大、效果不佳等。另一类机械式防摇装置，主要是增加悬挂系统刚性抑制摇摆，同样具有这些局限性。因此，机械式防摇装置无论是在技术上、设计上还是应用中，都需要不断地加强研究。

图1 机械式防摇技术示意图

b. 电子式防摇装置：电子式防摇装置是这些年引入的一种新型装置，其主要利用各种检测元件和传感器，把检测到的信息传送到用于系统控制的微机，在微机内部控制软件的处理下，把最优控制参数传递给小车调速系统，最终调节小车速度实现对小车运行情况的控制，降低吊载摆幅。电子式摇摆装置和机械式摇摆装置相比，具有防摇时间短、附加设备少和额外重量基本不变的优势。不仅如此，这一装置弥补了机械式装置没有将小车运行控制和吊载相互融合的缺点。由于电子式防摇无法解决对集装箱起重机小车已经到达指定位置后因减速造成的摇摆或者因其他因素造成的摇摆进行主动防摇，防摇方案不具有灵活性，因此电子式防摇也具有一定的局限性。

图2 电子式防摇技术示意图

② 精准定位技术：操作室里的控制人员通过操纵设备移动吊具，当移动至集装箱正上方时再放下吊具；在吊具降至箱面时，在确认箱顶面锁孔对准无误后，插入并旋转锁头固定集装箱，即完成吊具锁孔工作。然而，大型港口起重机控制室普遍高达几十米，操作人员主要靠肉眼判断锁孔与锁头的相对位置，如有障碍物遮蔽，并且集装箱的锁孔很小，四个锁头同时固定难度极大，控制人员在操作时难以完成吊具锁孔固定工作，从而导致装卸时间延长，装卸效率降低。

起重机传统的定位方式是在各机构的驱动轴上安装绝对值编码器，绝对值编码器将轴的旋转换算成移动距离输送给控制系统，控制系统以此判断设备是否到位，最终实现吊具和目标位置的精确对准。由于主动车轮偶发的轻微打滑，车轮轴旋转了但实际并未发生位移，造成定位系统不稳定；由于轨道的高低差，某个车轮和轨道在一小段距离内不接触，此情况大多发生在被动车轮处，但也可能发生在主动车轮处，此时车轮转动量和位移不再对应。故传统定位装置有很大的缺陷，无法满足智能高效港口的要求。

③ 势能回收技术：在港口集装箱装卸运输设备中，门机、轮胎式集装箱门式起重机、岸边集装箱起重机等设备在工作时，其起升机构在载运货物下降过程中产生大量的势能，而这部分能量通常是以热能的形式耗散掉，未被有效利用。若能充分回收起重机构下降所产生的势能并将这部分能量供起重机构上升或其他负载使用，能够节约大量用电成本，并且降低能源损耗，提高港口经济效益。

目前起重机构作业时，有效利用产生的再生能量常用的方法是逆变回馈型再生能量吸收装置，其主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该逆变器的直流侧与起重设备直流母线连接，其交流进线接入交流电网上；当再生制动抬高直流母线电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生能量回馈至交流电网，供其他负载使用，提高了再生制动能量的利用效率。但是此装置具有一定的缺陷，例如回馈至电网的电能，虽然可以达到重复利用的效果，但由于在传输线路上存在损耗，不能达到节能的最大化；逆变回馈装置的电路结构复杂，维护费用较高。

国内外科技创新发展概况

国外：自从集装箱起重机被发明以来，国外对集装箱起重机的研究就一直没有停止过。日本的科研人员 Hiroki Sano、Kiyoshi Ohishi 等人设计出的控制系统可以根据吊具的摆幅和钢丝绳长度的变化来计算出响应的控制策略，由此达到防摇功能，这种方法在仿真实验中取得了很好的效果，但由于其设计成本过高以及系统过于复杂，所以并没有在实际中得到应用。

三菱重工发明了一项关于集装箱位置检测方法的专利。该专利将摄像装置安装在吊具上，协作采集集装箱图像，基于双目定位技术引导吊具锁孔，实现对集装箱与吊具相对位置的精确检测。

Tobishima 码头采用了全自动轮胎式龙门起重机作为集装箱堆场装卸设备，该码头采用智能道口系统光学字符识别 (OCR) 技术和无线射频识别 (FRID) 技术，结合电子信息提示牌、闹道系统、道口自助终端系统等多重设施，可实现卡车号及集装箱号的自动采集。

日本安川公司开发了 H-RTG，并研究超级电容的能量回收与控制技术使其达到节能目的，其方法为在起重机系统增设直流母线及双向 DC-DC 转换器，控制超级电容的充电与放电。

国内：我国的集装箱起重机生产研发起步较晚，但由于国内市场的巨大需求，目前已取得了一定的成果。西安交大的科研人员董明晓等人以桥式起重机为研究对象，通过对其自身结构以及运动规律进行分析后，以吊具摆幅的最小值和时滞系统优化控制为基础，以吊载摆动的幅度为目标函数，设计出了控制吊具摆角的控制器，通过实验得出该控制器可以大大缩短系统的响应时间。由于起重机工作的环境十分恶劣，面对这种复杂的工作环境，对于这类输入整形的控制系统，会因为外界干扰而造成误差，故这类控制方法在工程实际中的应用会受到一定的限制。

刘宇、张茂军等基于计算机视觉技术提出了一种将吊具自动对准集装箱的系统。根据集装箱的顶部红外线计算出吊具与集装箱的相对位置，并采用估计误差方法修正吊具的横向倾斜度，系统可以全天候操作。尚倩提出了一种可智能跟踪起重机及重物的图像监控系统，通过图像采取，图像处理及相关算法的计算，识别吊绳的坐标来得到监控图像中的吊具位置，从而实现摄像机对起重机吊具动作的智能跟踪。

王峰、聂雨萱等针对智能化港口集装箱起重机远程控制问题，以轨道式龙门起重机为对象，开发一种基于远程控制、激光扫描、定位系统、设备安全监控、视频系统等关键技术的远程操控系统。

上海振华港口机械集团股份有限公司设计了基于大容量超级电容的门式起重机，负载上升时，超级电容作为辅助动力源进行迅速供能；负载下降时，由超级电容回收电能，对其进行迅速充电，充电与放电过程中电流均较大，从而达到节能与环保的效果。

最新科技创新发展趋势

根据我国《水运“十四五”发展规划》和我省强调“提升码头前沿装卸设备、水平运输车辆等关键设备的自动化水平，强化生态保护和污染防治，重点加强污水、粉尘、有害气体、固体废物、噪声等污染防治”的需求。

同时，随着“一带一路”倡议的推进，我国港口设施的建设水平也有了明显提高，集装箱起重机的需求量进一步增加。伴随着集装箱运输船舶大型化的蓬勃发展和技术进步，使集装箱起重机面临装卸效率提升的压力。可以发现：起重机的最新发展趋势可分为智能定位与绿色节能这两个主要方向：

① 智能定位：随着人工智能、传感器技术和控制系统的不断进步，集装箱起重机将更加智能化和自动化。自主导航、自主操作以及与其他物流设备的无缝对接将成为现实，提高装卸效率和减少人力成本。利用机器视觉开发集装箱吊具定位技术，可以实现起重机对集装箱和小车的精准定位；将 PID 技术融入起重机的控制器中，是提高集装箱起重机吊具防摇和精准定位的重要手段。

② 绿色节能：节能环保将成为集装箱起重机设计的重要考虑因素。为了降低能源消耗和环境污染，未来的集装箱起重机将采用更加高效的动力系统和节能设备，在保证性能的同时，减少能源消耗和废弃物的排放，实现可持续发展。将储能型能量回馈系统应用在起重机械上，并且将起重机设计轻量化，可以帮助设备高效节能。

总结

综上所述，本项目符合我国《水运“十四五”发展规划》的要求，同时也符合我国“十四五”规划明确提出的建设“人与自然和谐共生”的现代化目标新发展阶段和我省强化生态保护和节能降耗等政策要求。项目具有广阔的产业化前景，可以加速我国集装箱起重机产品升级换代，解决目前进口装备兼容性差、售价贵、维护成本高等问题。