1 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1港口件杂货装卸的概述

1.1.1港口件杂货装卸现状

港口件杂货装卸生产系统是由船舶、货物、装卸设备、装卸用工属具、劳动力、货场等多种生产因素组成的复杂系统，装卸环节多而繁杂，自动化程度不高，因此装卸效率普遍较低，生产成本较高。与集装箱运输相比较，件杂货运输是一种相对落后的运输方式，其标准化和装卸作业自动化水平远不及集装箱运输。我国的平均经济发展水平相对落后，件杂货港口在数量上仍超过集装箱港口。目前件杂货码头的比例占国内码头总数的以上，在国民经济中占有特殊而重要的地位[1]。

1.1.2港口件杂货装卸的特点

件杂货装卸指的是在港口码头实现件杂货在空间上的转移，其中作业场所涉及到港口码头、货场、仓库等，独享针对的是件杂货，而实现装卸流程的主体是工人，作业工具大多是装卸专业工具。实际上，件杂货码头生产要素多种多样，系统结构和作业流程比较复杂，具体来说件杂货码头装卸作业的特点如下：

（1）复杂

件杂货码头装卸作业系统比较复杂，其中涉及到各种各样的因素，比如装卸机械装置包括吊车、门机、叉车等，单从某一项机械本身来说也会因为负荷水平、技术参数、生产厂家等因素而有所区别；件杂货本身质量、包装形式以及外形规格等也会存在一定差别；各个件杂货船舶的结构、形式、尺寸、构造等多种多样；件杂货装卸工具会由于具体使用及组合能够产生各种可能性；货物类别的不同使得应用作业工艺不尽相同。总而言之，五花八门的生产要素组成了一个非常复杂的装卸系统。

（2）关联

件杂货码头装卸作业系统受上述多种因素的影响，而各种影响因素之间具有一定关联性。件杂货装卸作业过程中一种装卸机械能够开展几类不同货物的装卸，一种装卸工艺有可能适用于多种件杂货的装卸。整体而言，装卸作业过程中会因为作业对象、机械、工具、工艺流程等因素的影响，而因素之间又会产生交叉影响，形成一定的关联性特征。

（3）系统

件杂货码头装卸作业是根据一定的装卸工艺流程，针对各种装卸机械、装卸用工属具等，而形成的一套复杂的系统。许多条作业线共同组成件杂货码头的生产活动，换言之就是多条作业线能够共享码头全部生产资源。如果作业系统中不同环节实现配合协调合作，那么装卸生产作业线能够以最优的效率进行；如果任何一条作业线的作业机械配置不妥当，一方面会造成作业线装卸作业生产停滞，甚至会对整个码头装卸效率产生影响[2]。

1.2港口件杂货装卸工艺流程的概述

港口装卸工艺是将各个生产要素（包括劳动力、装卸机械及工属具等）联系起来的一条红线，是港口生产的灵魂[3]。件杂货码头装卸作业装卸船作业、转场作业及集疏运作业这几个过程组成，工艺流程主要有以下几种[3][4][5]：

1.2.1 装卸船作业工艺流程

（1）船—场工艺流程

在这种工艺流程下，货物通过船吊或门机垂直卸下，通过拖车进行水平运输，到达货场，在货场通过轮胎吊卸入货场堆垛。这一作业流程是可逆的。

（2）船—车工艺流程

在这种工艺流程下，货物通过门机或船吊卸下，不经过码头货场，直接装入提货的汽车，或通过拖车进行水平运输，到达铁路线边，通过轮胎吊直接装入火车车皮。这一作业流程是可逆的。

1.2.2 转场作业工艺流程

（1）场—场工艺流程

在这种工艺流程下，货物在一个货场用轮胎吊或叉车拆垛，用拖车水平运输到另一个货场，用轮胎吊堆垛。

1.2.3集港、疏港作业工艺流程

（1）车—场工艺流程

在这种工艺流程下，码头货物通过汽车、火车运进码头，进入货场堆垛集货。如为汽车集货，则货物由汽车直接运到码头货场，用轮胎吊堆垛；如为火车集货，则货物由火车运到码头，在铁路线边用轮胎吊卸下，通过拖车进行水平运输，到达货场，在货场通过轮胎吊卸入货场堆垛。这一作业流程是可逆的。

本次毕业设计拟将装卸船作业工艺流程作为研究和仿真的对象。

1.3件杂货码头装卸机械设备及其工属具

1.3.1装卸机械设备

装卸机械设备是港口进行装卸生产作业的重要工具，是用来装卸火车、汽车、船舶，进行车内、船内、货场作业的各类机械的总称。港口实际作业中所用到的装卸机械设备主要分为固定设备和流动设备，设备的类型和数量多样繁杂。在件杂货码头，最常用的主力设备是门座式起重机、轮胎起重机、拖车和叉车[3][4][6]。

（1）门座式起重机

门座式起重机（后文简称门机）主要用于前沿的装卸船作业，其作业幅度应能够覆盖船舶的舱口，起升高度应较大，以便顺利地将货场吊出船舱或吊入船舱。主要特点是幅度大、起升高度大、负荷大及速度高等。另外，由于门机需要在专用轨道上进行作业，因此它的灵活机动性较差。

（2）轮胎起重机

轮胎起重机（后文简称轮胎吊）是件杂货码头主要的装卸机械，主要用于货场和车边等位置的装卸作业，主要的作业功能为装卸件杂货汽车、火车、货物堆垛等，其特点是具有较强的适用性、灵活机动。轮胎吊应具备较高的速度及较大的起重能力，以便与门机的作业能力相匹配，并能满足装卸火车站点的要求。

（3）拖车

拖车主要完成货物在码头前沿与货场之间以及火车车边与货场之间的位置转移，在整个码头装卸系统中起着重要的作用，是连接码头前后方装卸机械的桥梁，其主要特点是速度高和负荷大。通常在一条作业线中一辆拖车配备一定数量的拖板，采用甩挂运输作业方式完成货物在码头前沿与货场之间的转移。

（4）叉车

叉车的主要作业功能是装卸汽车、拖车、货物堆垛、工属具配送等，在不同的作业环境及对象中得到普遍应用，是船舱及陆地装卸搬运作业中非常重要的机械设备。叉车操作自如、使用灵活，其货叉部分能够根据装卸需要配置其它工属具，以增强装卸作业的适用性，因此，叉车的机动性较强。

1.3.2装卸用工属具

港口装卸用工属具是装卸机械功能的延伸，是用以辅助装卸机械进行装卸作业的附属设备。常用的装卸用工属具按照装卸作业的要求被分为三大类：装卸机械属具、吊货工具、货物承载工具[3][6]。

（1）装卸机械属具

装卸机械属具是某种用于和装卸机械配合使用的自动取货装置[7][8]。装卸机械属具的种类较多，主要有集装箱吊具、抓斗、吸盘等。这些装卸机械属具可以基于负荷匹配原则和实际作业环境组合使用。

（2）吊货工具

吊货工具（简称吊具）是指用于连接门机、轮胎吊等起重机械吊钩与承载工具或货物的，起吊挂作用的属具的总称。一般情况下，吊货工具需要与装卸机械配合使用，其性能的好坏，对改善劳动条件和缓和劳动强度、提升装卸效率及提高生产安全性都起着重要的作用，在港口实际作业中所处的地位十分重要。由于适用货类的物理特性及包装形式多样，吊货工具的类别也较多，较为常用的有吊索类、吊钩类、装卸夹具类等。

（3）承载工具

在港口装卸作业中，承载工具是指用于承载成组及袋装货物、散货和生铁等属具的总称。主要有货板和网络两大类，是通用性承载工具[9]。

1.4件杂货码头设备吊装工艺

1.4.1设备吊装工艺及特征

吊装工艺属于件杂货码头装卸工艺的一部分，主要指吊装过程中工属具的配置以及工属具的使用方法。工属具是指在港口生产中，配合装卸机械完成货物装卸和搬运所使用的各种附属工具的总称，是机械装卸和搬运货物的附属装置。工属具品种、类型和规格繁多，可根据作业对象和条件配置选用。工属具的吊装方法是指对于同一种工属具所采用的不同使用方法。根据设备外形及吊装要求，最终选择工属具的数量、尺寸、载荷等，由此制定出工属具细类的配工方案。设备吊装工艺的选择涉及工属具类型的配置、使用方法及具体规格尺寸的确定，因此，吊装工艺问题求解具有分层次求解的特征。

1.4.2影响因素分析

件杂货码头设备的吊装工艺与设备的形态和特征密切相关。通过对件杂货码头大量设备的外观分析，归纳出影响设备吊装工艺的几个因素。

（1）吊点是否存在。吊点是指设备包装外围可供设备装卸用的吊装装置。吊点是设备制造商对出厂设备在物流运输和装卸过程中安全装卸的标定位置，通常是设备重心稳性的综合考虑。吊点是否存在决定了工属具吊装方法的选择，不规则形状的设备通常具有吊点。

（2）吊点的形状。吊点的形状分为鼻式、轴状和钩式。不同的吊点形状涉及不同工属具的使用，即是否使用连接型工属具。

（3）货物的形状。货物的形状分为类似箱状或轴状。对于箱状货物，需要判断是否存在包角，并在设备吊装过程出于对保护措施的考虑，从而决定工属具的使用；对于轴状货物，需要判断是否有挡头，即货物上是否存在可以防止工属具滑动的部分，从而决定工属具的吊装方法。这些影响因素是吊装工艺的生成依据。本文利用产生式规则对吊装工艺进行知识表示，规则的构成来自于不同影响因素的具体属性[10]。

1.5港口件杂货装卸作业对象

1.5.1对象种类

件杂货码头装卸作业的对象种类繁多，依据不同的分类标准，可以划分为很多种类。按照包装形式的不同，件杂货产品可以大致划分为：捆装棉花、烟草等捆装货物；袋装水泥、袋粮、袋盐以及矿石等袋装货物；桶装汽油、石油等桶装货物；电缆等圆筒状货物；管、篓、坛装物；日用百货、小五金、食物等箱装货物；钢材、钢徒等裸装货物。各种各样的产品突出了件杂货码头装卸作业对象的多样与复杂，对件杂货码头装卸作业提出了挑战。

1.5.2对装卸系统旳影响

件杂货码头装卸作业过程中装卸工艺、装卸机械和专用工属具的选取和安排，与装卸作业对象的属性（单位重量、包装形式、外形规格）等紧密相关，装卸作业的对象的不同，直接引致了装卸机械的作业效率和装卸生产作业线的生产效率不同。如果货物的属性，不能充分匹配机械设备的负荷速度特性，则可能出现大马拉小车的现象，不仅装卸作业工期难以保证，还可能因违反合同致使经济与声誉上受损；相反，如果货物的属性充分匹配机械设备的负荷速度特性，则可以事半功倍，取得很好的效果。与此同时，需要按照货物的特点确定相应的装卸作业工艺方案，这一点同样十分重要。

1.6国内外研究现状

1.6.1件杂货装卸研究现状

根据查阅文献，目前国内件杂货码头装卸水平已经比国外先进，国外件杂货相关研究几乎为空白，主要集中于国内研究。

国外涉及到件杂货码头生产作业的研究有：Semih O 等[11]（2008）以国外某件杂货码头的实际数据为依据，将装船效率作为优化目标，构建了件杂货码头装卸系统的优化模型，并采用模糊动态规划和最小生成树方法求解优化模型。

国内针对件杂货码头生产作业的研究主要集中在装卸机械的配置和装卸工艺的优化两方面，涉及的研究有：樊勇春等[12]（2012）从节能降耗的角度出发，对件杂货码头装卸作业进行研究，提出了相应的策略，即提高机械负载率和合理分配泊位和库场。薄万明[3]（2002）分析了影响件杂货码头装卸作业效率的因素，构建了重点船舶和主要货类优先的装卸机械配置模型。董明旺等[13]（2008）结合对单一装卸机械及单条装卸作业线效率的分析，考虑货类、工属具以及船型等约束条件，建立相应的数学模型，并对基于 Web Service 技术的件杂货装卸效率优化系统的结构进行了分析。郑斐城[4]（2009）采用多阶段决策分析方法，基于相关约束条件，构建了件杂货码头机械配置优化模型，采用动态规划法对模型进行求解，并结合 Web Service 技术和 ASP.NET 技术，对件杂货设备配置决策系统进行了分析。宓为建等[8]（2009）在考虑货物种类、流向、重量及机械位置等因素的基础上，总结出机械配置的优先级系数，在对实际作业进行一定的假设和简化后，构建了件杂货码头机械设备配置的通用模型。邢倩晗[5]（2010）从起运量、台时产量及装卸成本三个方面，基于 DEA 方法的系统生产效率的定义，构建了装卸搬运机械配置模型，并将模型转化为多目标优化问题进行求解。莫之平等[14]（2003）在调查装卸工艺成本的基础上，提出了分析装卸工艺成本的方法。

1.6.2仿真技术在港口物流系统中的应用

目前国内外运用系统仿真技术对港口物流系统进行分析和研究的成果越来越丰富。由于件杂货码头装卸工艺复杂、自动化和标准化程度较低，目前在件杂货码头生产作业系统仿真领域，相关的研究较少，主要有：刘洁涛[15]（2006）运用虚拟现实技术和机械设计技术，在 F1exsim 仿真平台上构建了装卸设备的运动学模型，在仿真过程中实现设备对象的装卸运动，并针对卷钢的堆码特点及特性，开发了货物堆码平台。贾智勇等[16][17]（2010）以杂货码头物流系统为对象，结合形式化描述方法及 Petri 网建模理论，在分析装卸工艺系统的基础上，构建了系统的概念模型、道路交通模型，并运用 Witness 仿真软件构建了系统的仿真模型，结合调研数据，进行了多工况下的仿真试验。

相对而言，集装箱码头由于装卸工艺、货类和装卸设备相对简单，自动化和标准化程度较高，目前国内外运用系统仿真技术对港口物流系统进行研究的成果也多见于集装箱码头，相关的研究主要有： Putri Amelia（2010）等[18] 基于agent的仿真，利用集装箱运动的动态性，描述了集装箱堆场占用的最佳设置时间。孟庆雨[19]（2010）运用 Arena 仿真软件构建了“装卸桥吊箱—集卡运输—场桥堆放”这一装卸工艺下的集装箱码头装卸系统仿真模型，同时分析了仿真模型的运行结果，并运用 OptQuest 得到了一定设备利用率下的装卸时间最小化的最佳设备配置结果。KulakO 等[20]（2013）以土耳其的某集装箱码头作业系统为对象，在一定的假设条件下构建了作业系统的仿真模型，通过设计多种不同工况和资源分配策略并进行仿真试验，对系统的生产瓶颈进行了分析。Kotachi M 等[21]（2013）针对集装箱码头生产系统，建立了包括轮胎式起重机、岸桥、船舶、火车、卡车等实体的通用离散事件仿真模型，并在此基础上研究不同工况下不同输入参数对吞吐量、资源利用率等输出参数的影响。

1.6.3基于Unity3D的虚拟装配与仿真

Unity3D引擎为游戏开发引擎，支 持 Android、IOS、VＲ 设 备 等 20 多种 平 台，同 时 支 持JavaScript、C # 脚本 语 言。它拥有丰富的脚本系统和用户界面系统，以及灯光摄像机视角模块，相较于其他的软件可以更加便利地实现动画仿真，同时还拥有虚拟现实交互的开发环境，是虚拟装配与仿真的一个重要软件平台。

Jun An等[22]通过对虚拟现实技术、工业机器人虚拟装配系统及相关软硬件平台的深入分析，提出了适用于一般工业机器人的虚拟装配训练系统的总体结构和基本配置，利用Unity3D软件开发了系统的虚拟场景和用户界面，并开发了基于Unity3D软件和Leap Motion的工业机器人虚拟装配训练系统原型，实现了系统的基本功能。王琛[23]利用现有的虚拟现实技术,结合工厂生产实际,对车间可视化过程中的一些问题进行了研究,使用Unity3D引擎结合SolidWorks、3ds max等三维绘图工具提出了一套工厂生产过程可视化的解决方案。Jian Wu等[24]通过对虚拟现实技术、工业机器人虚拟装配系统及相关软硬件平台的深入分析，提出了适用于一般工业机器人的虚拟装配训练系统的总体结构和基本配置，利用Unity3D软件开发了系统的虚拟场景和用户界面，利用跳跃运动识别手势，进行人机交互。倪萌[25]以某高职院校汽车发动机组装课程教学案例，结合三维建模技术、三维交互设计理论、程序设计理论、虚拟现实技术、汽车发动机装配理论等相关知识，以Unity3D为平台进行了虚拟装配相关技术的理论探讨和开发实践，最终设计并实现了“基于Unity3D的汽车发动机虚拟装配培训与考评系统”，经实际应用，明确了创建一个完整的虚拟装配系统对于机械装配培训的现代化教育的意义。

1.7论文研究的目的及意义

通过本次毕业设计，能够对港口件杂货装卸工艺流程有全面的认识。通过查阅相关文献，了解港口件杂货装卸工艺流程、工艺特点、装卸机械设备、吊装方法等，同时了解港口件杂货装卸过程中常见问题及注意事项，再学习相关的建模、仿真软件，针对港口件杂货装卸过程，使用unity3D软件模拟装卸实况，将整个装配流程划分阶段并设计动画仿真，完成件杂货自动装卸演示、手动装卸演示。通过本次设计使我们把先前学习的基础和专业基础课程中所获得的理论知识在实际的设计工作中综合的加以应用，将专业知识与专业思维与具体的设计题目中进行结合，通过自主文献查阅、收集资料锻炼了资料检索能力以及自主学习能力，扩展了自己的知识面，提高了自身的设计能力，也为以后的工作和学习积累经验。

2 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1基本内容

2.1.1港口件杂货装卸工艺流程的原理方案设计

（1）确定件杂货装卸工艺流程的相关要求：包括分析件杂货装卸工艺流程中包含的环节，确定每个环节涉及的装卸机械设备以及相应机械设备在相应环节中需要实现的功能动作；了解装卸流程中可能出现的问题，并遵循操作规范；考虑装卸效率，经济以及环保要求等。

（2）根据要求确定原理方案：要保证整个装卸工艺流程的完整性和合理性，门机、轮胎吊要具有变幅、回转、运行等功能，能准确将货物从船（火车等）调运至指定区域或拖车上，拖车配备合适的拖板，具有水平运输能力，可以将货物运至指定地点，然后借助叉车将货物放在堆场的指定区域，并保证该流程可逆。

（3）由所确定的原理方案画出装卸工艺流程图，并按照需求划分阶段，通过优化装卸动作和装卸工艺提高装卸效率，进而得出最优方案。

（4）根据所确定的方案规划港口场景和机械设备的布置，装卸顺序及装卸节奏，并实现整个装卸过程的整体运作。最后对设计方案进行经济性分析。

2.1.2港口件杂货装卸工艺流程的三维建模与仿真

（1）根据所设计的方案规划场景布局并划分阶段；

（2）对于件装卸工艺流程和吊装方法的要求进行分析，并对件杂货、装卸机械设备、港口场景模型进行尺寸计算；

（3）使用SolidWorks对零件进行三维建模，初步建立所需要的件杂货、装卸机械设备、港口场景模型的三维模型；

（4）根据装卸要求和工作要求，细化工艺流程，设计机械设备在装卸过程中的动作，并对动作进行优化；

（5）通过SolidWorks将关键零部件以及装配体导出工程图并进行修改，完成工程图绘制；

（6）利用3ds Max对所有SolidWorks模型进行优化；

（7）分阶段将模型导入至Unity3D中，搭建装配场景，编写脚本命令，完成件杂货自动装卸演示、手动装卸演示。

2.2技术方案

论文分为以下几个部分：绪论，港口件杂货装卸工艺流程原理方案分析，件杂货、装卸机械设备、港口场景模型设计，港口件杂货装卸工艺流程仿真，经济性分析，总结与展望。

（1）对于绪论，参考收集的资料中了港口件杂货装卸工艺流程、工艺特点、装卸机械设备、吊装方法、港口件杂货装卸过程中常见问题及注意事项的相关知识，进行总结和归纳，撰写国内外研究现状以及论文的主要内容和方法。

（2）港口件杂货装卸工艺流程原理方案分析之中对现有的港口件杂货装卸工艺流程进行分析以及总结，结合资料，分析装卸工艺流程的要求。确定港口件杂货装卸工艺的具体流程，并将其划分多个阶段。

（3）件杂货、装卸机械设备、港口场景模型设计部分，根据要求分析件杂货、装卸机械设备、港口场景的设计要求，对设计的港口场景合理布局，确定所需的件杂货种类以及装卸机械设备及其工属具，根据相关手册及资料设计各部分尺寸，使用SolidWorks进行三维建模。

（4）港口件杂货装卸工艺流程仿真，将SolidWorks中建立好的模型导入至Unity3D之中，规划装配路径，编写脚本命令，编辑动画，实现件杂货自动装卸演示、手动装卸演示。

（5）对设计方案进行经济性分析，验证装卸工艺流程的合理性。

（6）根据理论计算和结构设计结果，对整个装卸工艺流程进行分析，撰写总结和展望。

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