作者：港口装备智能化研究中心 | 日期：2025年3月
摘要
本文以我国华东某沿海集装箱港口一台40t/35m门式起重机（以下简称”龙门吊”）的自动化改造项目为研究案例，系统阐述了从传统人工驾驶模式升级为远程操控+智能作业模式的完整技术路径。改造历时8个月（2024年1月至8月），总投资约320万元人民币。改造后设备实现了作业区域无人化、关键工序自动化、远程监控实时化三大目标。经12个月连续运行数据统计，单机平均作业效率提升28.6%，故障停机率下降62.3%，单位能耗降低18.2%，操作人员减少60%，为港口集装箱装卸业务的降本增效提供了可复制的技术方案。。也可参考本站起重机相关内容。
1 项目背景与需求分析
1.1 改造前设备概况
该港口现有两台40t-35m轨道式门式起重机，投产于2015年，主要用于堆场集装箱的装卸、转运和堆放作业。原设备采用传统司机室人工操作方式，司机通过目视观察和手柄操纵完成吊具对箱、起升、小车行走、大车行走等全部动作。随着港口吞吐量逐年增长（2023年该堆场日均作业量已达380箱），人工操作模式暴露出以下突出问题：
- 作业效率瓶颈：单机平均效率为22箱/小时，司机连续作业2小时后注意力下降明显，效率衰减约15%~20%；
- 安全隐患突出：近三年共发生4起轻微碰撞事故，2起吊具摆动伤人未遂事件，人机混合作业风险高；
- 人员成本高企：每台龙门吊需配置2名司机（每班1人）、1名指挥手，三班倒共需9人/台，人力成本占设备运营总成本的35%；
- 能耗偏高：司机操作习惯差异大，急加速/急减速行为导致电能浪费严重，平均能耗为0.68 kWh/箱；
- 维保困难：缺乏设备状态实时监测手段，”事后维修”模式导致非计划停机频繁，年故障停机时间累计达420小时。
1.2 改造目标
基于上述痛点，港口管理方提出以下五大改造目标：
2 自动化改造技术方案
2.1 总体架构
采用”感知-决策-执行”三层架构。感知层通过多传感器融合（激光雷达、毫米波雷达、视觉相机、编码器、倾角仪等）实时获取环境与设备状态信息；决策层由工业控制器（PLC）与边缘计算单元协同完成路径规划、防摇控制、对箱定位等核心算法；执行层通过变频伺服系统驱动各机构精准动作。通信网络采用工业以太环网+5G双链路冗余设计，端到端通信时延≤20ms。
（2）智能控制系统升级
（3）远程操控系统
（4）安全防护系统
2.3 改造前后设备配置对比
表1 改造前后龙门吊设备配置与性能参数对比
第二阶段（2024年3月—5月）：硬件安装与单机调试。
完成传感器、伺服驱动器、控制器、通信网络等硬件安装；进行单机构动调试；
第三阶段（2024年6月—7月）：系统联调与自动化功能测试。
完成多传感器融合标定、自动对箱、防摇控制、路径规划等功能的联调测试；
第四阶段（2024年8月）：试运行与优化。
进入为期一个月的试运行期，逐步提升自动化作业比例，对异常工况进行专项优化。
3.2 关键难点与解决对策
难点一：室外复杂光照及天气条件对视觉识别的影响。
港口露天环境面临强光、逆光、雨雾、夜间低照度等挑战。解决对策：采用多光谱融合方案（可见光+近红外双光相机），配合自适应曝光算法和图像增强预处理；同时引入激光雷达点云数据作为视觉识别的补充和校验。
难点二：吊具防摇对高速作业稳定性的制约。
传统PID防摇在起升高度变化、风速扰动等工况下效果不稳定。解决对策：采用基于模型预测控制（MPC）的自适应防摇算法，同时引入吊具姿态倾角仪的实时反馈，将稳态摆动角控制在±0.3°以内。
难点三：老旧设备与新增系统的电气兼容性问题。
原设备滑环、电缆等部件老化，信号干扰严重。解决对策：全面更换信号电缆，采用屏蔽双绞线+铁氧体磁环方案；对关键信号增加隔离模块；重新规划接地系统。
4 改造后运行效果分析
4.1 生产效率指标
改造完成后，经过12个月（2024年9月至2025年8月）的连续运行数据采集与分析，各项核心指标均达到或超过预定目标：
- 平均作业效率：28.3箱/小时，较改造前提升28.6%，超过25%的预设目标。其中全自动模式下平均效率达到30.1箱/小时，远程半自动模式为25.6箱/小时；
- 对箱成功率：全自动模式首次对箱成功率达97.2%，二次对箱成功率99.8%；
-
平均单箱作业周期：
从改造前的164秒缩短至127秒，缩短22.6%；
- 操作人员配置：从每台9人降至3人（1名远程操作员+2名维保人员），减员66.7%，且一名远程操作员可同时监管2台龙门吊。
4.2 故障率与可靠性
改造后12个月内累计故障停机时间158小时，较改造前年故障停机420小时减少62.3%。其中自动化系统相关故障占32%，传感器故障占20%，机械/电气老化故障占48%。平均无故障工作时间（MTBF）从改造前的208小时提升至554小时。PHM系统成功预警了7次潜在故障（含2次电机轴承异常、3次减速机油温偏高、1次钢丝绳断丝预警、1次变频器IGBT模块老化），避免了非计划停机造成的生产损失。
分阶段实施策略：
保证港口基本作业不受影响，同时每阶段都有明确的验证节点和验收标准；
人机协同过渡策略：
试运行期保留1名经验丰富司机在旁监控，收集异常案例并持续优化算法模型；
PHM系统与运维闭环：
将状态监测数据与维修计划联动，从”定时维修”转变为”视情维修”，大幅减少非计划停机。
5.2 存在问题与改进方向
-
极端天气适应性仍需提升：
在大雨、浓雾、暴晒等恶劣天气下，视觉识别准确率下降约5%~8%。后续计划引入毫米波雷达与激光雷达的深度融合方案；
-
老旧设备改造成本偏高：
本次改造中约25%的费用用于解决老旧机械部件的磨损与电气系统兼容性问题。对于运行10年以上的老旧龙门吊，建议在自动化改造同步进行大修升级；
-
AI算法泛化能力有限：
当前模型在训练数据集覆盖的场景下表现优异，但对超宽/超高超重等非标集装箱的识别率略低。计划通过持续的数据闭环积累更多边缘案例。
5.3 推广价值
本案例的技术方案和项目管理经验已形成标准化改造成熟度模型（SMM-AGC），可推广至同类港口40t以下门式起重机的自动化升级。以本次改造为例，投资回收期约为3.2年（考虑人力成本节省、效率提升和能耗降低的综合效益）。若按港口自有资金内部收益率8%计算，净现值（NPV）约为85万元，具有良好的投资回报前景。
6 结论
本案例通过对某港口40t龙门吊的自动化改造实践，验证了”多传感器融合定位+AI视觉+伺服驱动+远程操控”技术路线在港口门式起重机智能化升级中的可行性。12个月的运行数据表明：改造后单机效率提升28.6%、故障停机率下降62.3%、能耗降低17.6%、操作人员减少66.7%，安全零事故。该改造项目不仅实现了预期的降本增效目标，也为港口装备的智能化转型积累了宝贵的技术和工程经验。在”智慧港口””绿色港口”建设的大背景下，本案例所形成的技术方案和实施模式具有重要的行业参考价值和推广前景。
关键词：门式起重机；自动化改造；远程操控；智能定位；防摇控制；设备健康管理；港口智能化
项目编号：PORT-AGC-2024-017 | 数据截止日期：2025年8月31日
河南克鲁德重工有限公司作为专业起重设备生产厂家，提供各吨位门式起重机自动化产品及服务，欢迎咨询选型方案。
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