DE19841570A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Ladeprofilen beim Be- und Entladen von Containern - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Be- und Entladen von Containern zwischen einem Kai und einem am Kai liegenden Schiff mittels eines Kaikrans mit einem Kranausleger, einer Laufkatze sowie einem Containerhebegeschirr, wird über eine an der Laufkatze angeordnete Meßeinrichtung die unter dieser befindliche Kai- und Schiffsoberflächenkontur sowie die Containerbeladung des Schiffes in drei Koordinatenrichtungen vermessen, diese Meßwerte werden in einer Rechnereinheit gespeichert und es werden aus ihnen Ausgangsdaten in Form eines Profils errechnet, das für eine automatische Bewegungssteuerung der Kranlast, insbesondere für die Steuerung des Laufkatzenweges und der Kranhakenlänge, verwendet wird. Die hierfür vorgesehene Vorrichtung umfaßt wenigstens je einen Entfernungsmesser, einen Laserscanner, einen Weggeber, einen Lastgewichtgeber sowie eine Rechnereinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein verfahren zum Be- und Ent­ laden von Containern zwischen einem Kai und einem am Kai liegenden Schiff mittels eines Kaikrans, einer an einem Kranausleger verfahrbaren Laufkatze sowie einem Containerhebegeschirr mit Haken. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Ver­ fahrens.

Auf dem Seeweg zu transportierende Güter werden in zu­ nehmendem Maße so kommissioniert, daß ihr Umschlag mit Standard-Containern erfolgen kann, die von entsprechend ausgebildeten Schiffen weltweit transportiert werden. Ihre Be- und Entladung erfolgt mittels sogenannter Kaikräne, von denen in der Regel immer mehrere Kräne ein Schiff bedienen, um die Schiffsliegezeiten so kurz wie möglich zu gestalten. Die Anzahl der ein. Schiff be­ dienenden Kräne ist jedoch dadurch begrenzt, daß zwischen den einzelnen Kränen ein Sicherheitsabstand eingehalten werden muß. Somit hängt die Liegezeit eines Schiffes unmittelbar von der Umschlagsgeschwindigkeit jedes einzelnen Kaikranes ab.

Jeder Kran kann in dem ihm zugeordneten Schiffsab­ schnitt entweder be- oder entladen. Er wird manuell von einem Bediener gefahren. Das Hebegeschirr, das üblicherweise als Container-Tragegeschirr, auch als Spreader bezeichnet, ausgebildet ist, muß bei jeder Kranfahrt in der Höhe verfahren werden, um eine Kollision zwischen dem Kranhaken bzw. der an diesem hängenden Last und dem Schiff oder den auf dem Schiff befindlichen Containern zu vermeiden. Bei dieser Kran­ fahrt wird die Laufkatze quer über einen Bereich des Kais und über das Schiff verfahren, um einen Container vom Land auf das Schiff zu befördern oder um einen Container vom Schiff aufzunehmen und anschließend auf dem Land bzw. einem bereitstehenden Transportfahrzeug abzusetzen.

Ein üblicher Kranzyklus sieht während des Entladevor­ ganges etwa wie folgt aus:

• - Verfahren der Krankatze vom Kai über das Schiff,
• - Absenken des Spreaders, der über Seilzüge an der Katze hängt, bis zum Container,
• - Aufnahme des Containers mittels Spreaders,
• - Verriegeln des Containers im Spreader,
• - Anheben des Containers über das Schiffsdeck,
• - Verfahren der Katze bis auf die Höhe des Kais,
• - Absenken des Containers auf den Boden oder einen be­ reitstehenden LKW,
• - Lösen der Verriegelung des Containers im Spreader,
• - erneute Kranfahrt.

Der für das Be- oder Entladen eines Containers be­ nötigte Zeitaufwand hängt in erheblichem Maße von der Erfahrung und dem Geschick des Kranführers ab. Da ins­ besondere die tatsächliche Höhendifferenz zwischen der Unterkante der Last und der Oberkante des von den übrigen im Schiff befindlichen Containern gebildeten Beladungsprofils aus der Position des Kranführers nur schwer zu erkennen ist, wird die Last in der Regel höher angehoben, als es zur Einhaltung der vorge­ schriebenen Sicherheitsabstände notwendig wäre. Hier­ durch verlängern sich diejenigen Phasen der Kranbewe­ gung, in denen die Last nur gehoben oder gesenkt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, durch das die Be- und Entladezeiten von Containern we­ sentlich verkürzt werden können. Weiterhin ist es Auf­ gabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art, bei dem mittels einer an der Laufkatze angeordneten Meßeinrichtung die unter dieser befindliche Kai- und Schiffsoberflächen­ kontur sowie die Containerbeladung des Schiffes in drei Koordinatenrichtungen (X, Y, Z) vermessen wird, die Meßwerte in einer Rechnereinheit gespeichert werden und aus den Meßwerten Ausgangsdaten für die Steuerung des Laufkatzenweges und der Kranhakenlänge generiert werden. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß es zugleich auch Störungen des Lade- oder Löschvor­ ganges, die durch Schiffsbewegungen aufgrund eines sich verändernden Wasserstands oder Beladezustandes des Schiffes hervorgerufen werden könnten, zuverlässig aus­ schließt. Auch ein Durchhängen des Kranauslegers auf­ grund einer am Haken hängenden Last kann keine Störung dieses Vorganges verursachen. Indem in vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung zusätz­ lich Konturmessungen zur Erfassung des Profils des zu befördernden Ladegutes vorgesehen sind, ist dieses Ver­ fahren in gleicher Weise auch für das Be- und Entladen anderer quaderförmiger oder geometrisch regelmäßig ge­ formter Gegenstände hervorragend geeignet.

Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt durch eine Vor­ richtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 10. Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung werden für die Durchführung des Verfahrens nach der Er­ findung, das den geometrischen Ladezustand und/oder das Ladeprofil erfaßt, an sich bekannte Einzelkomponenten wie ein Laserentfernungsmesser, ein Laserscanner, ein Weggeber und eine Rechnereinheit eingesetzt. Diese ge­ nerieren Profildaten, die für eine automatische Bewe­ gungssteuerung der Last und des Lastaufnahmemittels be­ nutzt werden. Der Entfernungsmesser ist in vorteil­ hafter Weise vorn und zum Schiff hin ausgerichtet an der Laufkatze angebracht, seine Meßrichtung weist senk­ recht nach unten, d. h. in Z-Richtung. Der Laserscanner ist am gleichen Ort angebracht, seine Meßrichtung, die der X-Y-Ebene entspricht, verläuft quer zur Bewegungs­ richtung der Laufkatze auf dem Kranausleger, der Y-Richtung. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung wird die Breite der Beladungskontur über etwa zwei Containerlängen hin vermessen. Der Weggeber schließlich erfaßt die aktuelle Position der Katze in bezug auf die Y-Richtung. Dieses Signal kann gegebenen­ falls auch aus einer vorhandenen Kransteuerung abgeleitet werden, ebenso wie das Gewicht der jeweils am Haken hängenden Last.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Verfahrens wird bei jeder Kranfahrt mittels der Meßeinrichtung ein Höhenprofil unterhalb des Fahrweges aufgenommen, einschließlich aller Einzelheiten des Schiffes und seiner Containerbeladung. Damit wird zu­ gleich der freie Raum über dem Schiff erfaßt und es kann der für die Rückfahrt und die nächste Hinfahrt der Katze optimale, d. h. kürzeste, Verfahrweg errechnet werden. Indem bei jeder Kranfahrt gemessen wird, werden Störgrößen wie Wasserstands- oder Beladezu­ standsänderungen, die sich auf die Lage des Schiffes auswirken, zuverlässig eliminiert. Dabei erfolgt die Messung unterhalb der Laufkatze mittels der Sensoren in drei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen: Der Laserentfernungsmesser mißt in Z-Richtung die Höhe über dem Boden bzw. dem Schiff. Der Laserscanner mißt die Entfernung in der X-Z-Ebene und den zugehörigen Winkel. Schließlich liefert der Weggeber für die Y-Richtung den Verfahrweg der Laufkatze auf dem Kranausleger. Zusätzlich kann mittels eines Lastgewichtgebers der Einfluß einer etwaigen Durchbiegung des Kranausleger, verursacht durch eine am Kranhaken befindliche Last, als Korrekturgröße erfaßt und von der Kransteuerung bei der Höheneinstellung des Kranhakens berücksichtigt werden.

Durch die Kombination eines Laserentfernungsmessers und eines Laserscanners für die Messung in X-Z-Ebene ist es möglich, sowohl Profilflanken mit hoher Genauigkeit zu detektieren als auch Hindernisse zu erkennen. Der Laserscanner sendet dabei einen gepulsten Laserstrahl aus, der über einen Drehspiegel abgelenkt wird und die Umgebung fächerförmig abtastet. Der Strahl wird bei Auftreffen auf ein Objekt reflektiert und im Empfänger des Scanners registriert. Der gemessene Zeitunterschied zwischen dem Aussenden und Empfangen eines Strahls ist der Entfernung zwischen Sender und Objekt proportional. Der aktuelle Drehwinkel des Spiegels ist ein Maß für die Winkellage des Objektes, das sich im Blickfeld des Scanners befindet. Damit werden das Ladeprofil und die Oberkante des Querschnitts von Schiff und Beladung ver­ messen und erfaßt, zugleich werden Störgrößen wie die Hakenlast und der Wasserstand mit erfaßt, so daß auch diese Informationen für das automatische Be- und Ent­ laden mit verwendet werden können.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile bestehen nicht nur in einer erheblichen Zeit- und Kostenersparnis durch verkürzte Verfahrzeiten für den Kranhaken zwischen Schiff und Kai, sie bieten viel­ mehr zugleich eine deutliche Erhöhung der Sicherheit gegen Kollisionen, da der Ablauf der Be- und Entladung laufend überwacht wird. Der Kranbediener wird auf diese Weise von ermüdender, gleichförmiger Arbeit entlastet und kann sich voll auf seine Überwachungsaufgaben konzentrieren.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher er­ läutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Gesamt­ anordnung, bestehend aus einem Kran und einem von diesem zu beladenden Schiff,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Profilsensoran­ ordnung,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Wirkungsweise eines Laserscanners und

Fig. 4 eine Verfahrkurve eines Verladekrans.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist ein zu be- oder entladendes Schiff 1 an einem Kai 2 zusammen mit einem Kran 3 im Querschnitt dargestellt. Eine Laufkatze 4 des Kranes 3 ist mit einem Hakengeschirr 5 versehen, an dem ein zu befördernder Container 6 hängt. Die mit einer Führerkabine ausgestattete Laufkatze 4 ist längs eines in etwa horizontal angeordneten Auslegers 7 des Kranes 3 derart gehaltert, daß sie in Y-Richtung über das Schiff 1 hinweg verfahren werden kann. Im Inneren des Schiffes 1 befinden sich weitere Container 8. Mit in diese Figur eingezeichnet sind die Richtungen der Koordinaten Y, dem Verfahrweg der Laufkatze 4, und Z, dem vertikalen Abstand zwischen dem Kranausleger 7 und dem darunter befindlichen Objekt. Schließlich ist in dieser Figur noch eine vor der Laufkatze 4 angeordnete Meßanordnung 9 angedeutet, die im einzelnen anhand von Fig. 2 erläutert wird.

Die Meßanordnung 9 besteht aus einem Entfernungsmesser 10 sowie einem Laserscanner 11. Beide Sensoren 10 und 11 sind in Richtung auf das Schiff 1 vor der Laufkatze 4 unterhalb des Kranauslegers 7 angeordnet, ihre Meß­ strahlen erfassen, wie in Fig. 2 angedeutet, die Höhen­ kontur senkrecht unterhalb dieser Sensoren 10 und 11 und damit die Ladungshöhe der Container 8 auf dem Schiff 1 bzw. auch auf dem Kai 2. Beide Sensoren 10 und 11 sind mit einer Rechnereinheit 12 verbunden, an die, wie in der Figur angedeutet, zusätzlich ein an der Laufkatze 4 befindlicher Weggeber 13 angeschlossen ist, der die aktuelle Position der Laufkatze 4 registriert. Diese Information kann aber gegebenenfalls auch aus einer vorhandenen Kransteuerung abgeleitet und als Meß­ größe für die Krankoordinate Y an die Rechnereinheit 12 übergeben werden.

Fig. 3 zeigt die prinzipielle Anordnung der Sensoren 10 und 11, hier der Einfachheit halber als eine Baueinheit dargestellt, über dem Schiff 1 sowie den Containern 8. Die Höhe in Z-Richtung wird vom Entfernungsmesser 10 mit einem durch eine stark gestrichelte Linie ange­ deuteten Meßstrahl erfaßt. Die Meßebene des Laser­ scanners 11, dargestellt durch mehrere dünne ge­ strichelte Linien, verläuft in der X-Z-Ebene der Krankoordinaten. Damit wird die Längenausdehnung der Container 8 in X-Richtung, d. h. quer zur Laufkatzenbe­ wegung, erfaßt. Zugleich wird damit auch vermieden, daß eine Falschmessung, etwa dadurch bedingt, daß der Sensor 10 eine Lücke zwischen zwei Containerreihen er­ faßt, zu einer Funktionsstörung der Anordnung führt.

Während jeder Kranfahrt mißt der Entfernungssensor 10 die Entfernung senkrecht nach unten in Richtung der Krankoordinate Z und übergibt den Meßwert an die Rechnereinheit 12. Zugleich mißt der Laserscanner 11 mit seinem Meßstrahl Entfernung und Winkel in der X-Z-Ebe­ ne, die senkrecht zur Krankoordinate Y verläuft, wo­ bei der Meßstrahl eine Breite von etwa zwei Containern 8 in X-Richtung überstreicht. Auch der Laserscanner 11 übergibt seine Meßwerte an die Rechnereinheit 12. Als weitere Eingangsgröße werden Wegdaten, entweder mittels eines an einer Laufkatze 4 befindlichen Weggebers 13 oder aus der vorhandenen Kransteuerung erfaßt und als Meßgröße für die Krankoordinate Y an die Rechnereinheit 12 übergeben.

Die Rechnereinheit 12 berechnet nunmehr die für die Kransteuerung erforderlichen Profildaten und gibt diese als Ausgangsgrößen aus. Diese Profildaten enthalten die verknüpften Meßdaten der Sensoren 10, 11 und 13 und dienen zur Ansteuerung von Laufkatze 4 und Haken 5 in bezug auf die Krankoordinaten Y und Z. Wie abschließend in Fig. 4 gezeigt ist, kann ein am Hakengeschirr 5 hängender Container 6 zwischen einem Aufnahmepunkt 14 am Kai 2 und einem Abgabepunkt 15 auf dem Schiff 1 bzw. auf einem anderen Container 8 auf verschiedenen Bahn­ kurven 16 oder 17 befördert werden, wobei das Hakenge­ schirr 5 samt der daran hängenden Last 6 in der Höhe, d. h. in Z-Richtung sowie seitlich, d. h. in Y-Richtung, mittels der Laufkatze 4 und der Kransteuerung für das Hakengeschirr 5 bewegt wird. Bei einem herkömmlichen Beladevorgang, bei dem kein Vermessung der Konturen von Schiff und Ladung erfolgt, müßte vom Kranhaken eine kollisionssichere Bahn, angedeutet durch die ausge­ zogene Kurve 16, durchlaufen werden, die erheblich länger wäre als die mit vorangehender Konturvermessung mögliche Bahnkurve 17, die in dieser Figur gestrichelt dargestellt ist. Diese optimierte Bahnkurve ist erheb­ lich kürzer und ermöglicht dadurch eine wesentliche Zeitersparnis bei jedem einzelnen Fördervorgang eines Containers. Daraus ergibt sich in der Summe eine we­ sentlich kürzere Liegezeit für das zu be- und/oder ent­ ladende Schiff.

Claims (14)

1. Verfahren zum Be- und Entladen von Containern zwischen einem Kai und einem am Kai liegenden Schiff mittels eines Kaikrans, einer an einem Kranausleger verfahrbaren Laufkatze sowie einem Containerhebegeschirr mit Haken, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über eine an der Laufkatze (4) ange­ ordnete Meßeinrichtung (9, 10, 11) die unter dieser befindliche Kai- und Schiffsoberflächenkontur sowie die Containerbeladung (8) des Schiffes (1) in drei Koordinatenrichtungen (X, Y, Z) vermessen wird, daß die Meßwerte in einer Rechnereinheit (12) gespeichert werden und daß aus den Meßwerten Ausgangsdaten für die Steuerung des Laufkatzenweges und der Kranhakenlänge generiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinatenrichtungen (Y, Z) senkrecht auf­ einander stehen und die in diesen Richtungen er­ mittelten Meßwerte dem Kran als Hakenlänge (Z) senkrecht zum Boden sowie als Laufkatzenweg (Y) vom Kranausleger (7) zum Schiff (1) zugeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg (X) senkrecht zum Laufkatzenweg (Y) und zum vertikalen Abstand (Z) als dritte Koordinate erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Hakenlast gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßreihe, bestehend aus mindestens den fortlaufend mit einer vorgebbaren Taktfrequenz gemessenen Meßwerten Laufkatzenweg, Konturhöhe, Konturbreite sowie der Hakenlast je­ weils nach einer vorgebbaren Anzahl von Kranfahrten während wenigstens einer Leerfahrt aufgenommen wird und für die nachfolgende Kranfahrt verwendet wird und daß aus der Meßfahrt Steuerungsdaten für den Katzenweg und die Hakenlänge in die Kransteuerung eingespeist werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Daten über mehrere Meßfahrten gespeichert werden und durch Vergleich der Meß­ reihen Veränderungen der Lage des Schiffes (1) er­ mittelt und für die Kransteuerung verwandt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kransteuerung derart ausge­ legt ist, daß die Kranfahrt auf einer optimierten Bahnkurve (17) von einem Anfangspunkt (14) am Kai (2) bis zu einem Endpunkt (15) am Schiff (1) und umgekehrt durchlaufen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Profil sowie die gefahrene Bahnkurve (17) auf einem Bildschirm mehr­ dimensional dargestellt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß über weitere Sensoren Konturen erfaßt und/oder Korrekturgrößen für die Profilmessung ermittelt werden, die von der Rechnereinheit (12) mit verarbeitet werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bestehend aus einem Kaikran mit einem Kranausleger, einer Laufkatze, einem Containerhebegeschirr sowie einer Meß- und Steuerungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Steuerungseinrichtung (9) einen Wegsensor (13) für den Laufkatzenweg, einen Entfernungssensor (10) für die Entfernung zwischen der Laufkatze und der senkrecht unter dieser befindlichen Oberfläche, einen Winkel- und Entfernungssensor (12) zur Erfassung der Konturbreite unterhalb und quer zur Laufkatzen­ richtung sowie eine Rechnereinheit (12) zur Speicherung, Berechnung und Ausgabe von Daten für die Laufkatzen- und Hakenlängensteuerung umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung (10) zur Messung der Entfernung zwischen der Laufkatze (4) und der senk­ recht unter dieser befindlichen Oberfläche aus einem Lasersensor besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (11) zur Er­ fassung der Konturbreite unterhalb und quer zur Laufkatzenrichtung aus einem Laserscanner besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoren fest mit der Laufkatze (4) verbunden und vor dieser in Richtung auf das abzufertigende Schiff (1) hin angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß weitere Sensoren zur Er­ fassung der Kontur und/oder zur Ermittlung von Korrekturgrößen vorgesehen sind.