自動化集裝箱碼頭裝卸工藝設計

何繼紅，林浩，姜橋

自動化集裝箱碼頭裝卸工藝設計

何繼紅，林浩，姜橋

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

圍繞裝卸工藝設計的主要內容，對裝卸系統主要環節的設備選型和工藝平面布置進行分析，提出自動化集裝箱碼頭裝卸工藝設計的關鍵點和需進一步研究的技術。

集裝箱碼頭；自動化；裝卸工藝

隨著集裝箱船舶的大型化趨勢和碼頭裝備技術的發展，自動化集裝箱碼頭在經歷了一段技術發展期后重新被關注，國內也興起了自動化碼頭的建設浪潮。裝卸工藝是自動化集裝箱碼頭設計的重要部分，我國自動化集裝箱碼頭發展起步較晚，相關設計經驗也少，本文結合工程實例對自動化集裝箱碼頭的裝卸工藝設計進行總結和探討。

1　自動化集裝箱碼頭裝卸系統設計重點

自動化集裝箱裝卸系統主要由三個作業環節組成：由集裝箱裝卸橋（簡稱：岸橋）組成的碼頭裝卸船環節、由軌道式集裝箱龍門起重機（簡稱：軌道吊）為主要代表的集裝箱堆場裝卸環節和由自動導引運輸車或跨運車組成的碼頭與堆場間的水平運輸環節。其中：軌道吊相對容易實現自動化作業，因此自動化集裝箱碼頭的最低標準就是堆場作業的自動化；水平運輸的自動化由于涉及許多隨機的路由決策和交通規劃等智能化問題，需要高度可靠的自動定位、大容量信息處理和無線通信技術支撐，與堆場自動化相比技術難度較大，是影響碼頭裝卸效率的主要瓶頸；三個作業環節中實現自動化難度最大的是裝卸船作業，主要由于船舶在波浪和風載情況下的運動具有不可預測性以及船舶布局和結構的差異。

裝卸工藝設計的主要內容是裝卸系統的設備選型和工藝平面布置。在整個裝卸系統中，碼頭裝卸環節的技術發展方向是實現自動化操作和提高裝卸效率，這也是碼頭設備選型的重要考慮因素；堆場裝卸設備現已逐步統一到自動化軌道吊方案，技術相對成熟，設計重點是進一步優化堆場布置，提高海、陸側的作業效率；水平運輸環節對整個裝卸系統能力的發揮起著關鍵作用，其設計重點是：如何更好地連接碼頭、堆場裝卸環節，提高整個系統的效率；水平運輸區域的布置如何在硬件上保證運輸車輛能以最短距離和最少沖突路徑行駛。另外，如何在有人的交接面保證作業安全也是工藝設計中需特別注意的問題。

2　裝卸工藝設計

2.1水平運輸設備選型

目前能實現水平運輸自動化的設備主要有自動導引運輸車（AGV）和跨運車[1]。

1）AGV

AGV是由計算機控制能夠沿指定的導引路徑自動行駛的運輸車輛，具有無人駕駛、自動導航、定位精確、路徑優化以及安全避障等智能化功能。AGV載重量為60 t，運行速度可達到21.6 km/h，其動力已由柴油發電機組向全電力（可充式電池）方向發展，具有自重輕、能耗低、噪聲小、零排放的優點。在AGV運行區域地面上需埋設呈矩陣排列的Transponder（俗稱“磁釘”），AGV車身底部前后各安裝有磁釘感應天線，通過讀取地面上磁釘的位置來確定AGV的位置。AGV與中控室管理系統間采用無線信號傳輸方式，根據實時位置、車流信息選擇最優運行路徑。AGV系統是包括AGV車輛、控制系統、導航系統、通訊系統和充電系統等的一整套系統。

AGV按功能分為普通AGV和提升式AGV兩種。與普通AGV相比，提升式AGV通過在堆場交接區設置固定的集裝箱支架可以實現AGV與軌道吊間的裝卸作業解耦，AGV進入交接區后，由AGV自帶的升降平臺對集裝箱支架取、放箱，AGV無需被動等待堆場設備作業，使AGV單車的作業效率得到大幅提升，由此可減少AGV配置數量。提升式AGV與堆場交接區示意圖見圖1。

圖1　提升式AGV與堆場交接區的示意圖Fig.1 Sketch map for Lift-AGV and yard exchange area

為解決普通AGV與軌道吊的作業解耦問題，上海振華重工提出了在堆場海側交接區布置AGV“伴侶”的方案，AGV進入交接區后，由“伴侶”對AGV裝、卸箱，使AGV可及時進入下一個工作循環，提高普通AGV的作業效率。在AGV“伴侶”上還可增配充電裝置解決AGV快速充電問題。

2）跨運車

跨箱搬運車（以下按習慣稱跨運車）是在跨運車基礎上開發的、僅用于碼頭和堆場間集裝箱水平穿梭搬運的設備，這種跨運車只運不堆，提升高度僅為堆一過一，起重量可達50 t，最高運行速度可達空載30 km/h、滿載18 km/h。由跨運車與自動化軌道吊配合作業，既能解決高密度堆場容量問題又能實現水平運輸與碼頭、堆場裝卸環節間的雙邊解耦作業，使岸橋和軌道吊的工作循環不受水平運輸機械是否及時到位的影響，裝卸效率可以得到充分發揮。跨運車與堆場交接區的示意圖見圖2。

圖2　跨運車與堆場交接區的示意圖Fig.2 Sketch map for shuttle carrier and yard exchange area

跨運車設備本身可實現無人駕駛。受車體本身構造和作業方式的限制，跨運車的導航和定位系統通常需利用差分全球定位系統（DGPS）及現場定位雷達（LPR）。該系統的動態定位精度不高，影響了跨運車的快速作業能力，而且該系統易受氣候的影響。因此除布里斯班Patrick碼頭和洛杉磯Trapac碼頭外，目前其它自動化碼頭的跨運車在實際應用中仍由人工駕駛，將來隨著相關技術的發展逐步向無人駕駛過渡。

跨運車自重較大，且必須具有集裝箱提升功能，配置的電機功率較大，故目前仍以采用柴油發電機驅動為主，有向油電混合及其它清潔能源為動力的發展趨勢。

3）水平運輸設備的選擇

AGV和跨運車是目前自動化集裝箱碼頭的主要水平運輸設備。在自動化集裝箱碼頭中水平運輸設備決定了碼頭的裝卸系統形式，它的選擇可根據設備特點，綜合考慮項目所要實現的自動化目標、投資、營運成本以及設備采購及日常維護的便利性等因素。

2.2岸橋選型

自動化集裝箱碼頭中的岸橋選型主要與工藝系統中所采用的水平運輸方式和系統要達到的效率目標有關。

采用AGV作為水平運輸設備的自動化碼頭適合采用雙小車岸橋。雙小車岸橋通過在岸橋海側或陸側門框上設置中轉平臺形成海側主小車和陸側副小車的交接緩沖區。這樣的布局使得雙小車岸橋相比單小車岸橋在作業效率和自動化操作方面具有較大優勢：雙小車岸橋用2臺高度不同的小車巧妙地處理高（裝卸船）與矮（裝卸AGV）兩種需要；雙小車接力，作業循環時間縮短，岸橋的整機作業效率得到提升；甲板箱鎖銷的拆裝和箱號掃描可在平臺上進行；陸側副小車僅負責中轉平臺和AGV間的裝卸，其作業的兩端位置和狀態均可以自動確定，使主小車采用自動化+人工確認的遠程操控、副小車采用全自動化的作業模式成為可能。集裝箱船舶的大型化趨勢對碼頭裝卸能力提出了更高的要求。綜合考慮與后續水平運輸系統的銜接難度及岸橋整機效率的上升空間，AGV系統的碼頭可采用主小車配置雙吊具、副小車配置雙箱吊具的雙小車岸橋。

對于采用跨運車的自動化集裝箱碼頭工藝系統，因跨運車能實現水平運輸與碼頭裝卸環節的解耦作業，能充分發揮岸橋的裝卸效率，且對于人工駕駛的跨運車，若采用雙小車岸橋，全自動化的陸側副小車與岸橋后伸距下方的跨運車同時作業存在安全風險，故該類碼頭大多采用單小車岸橋。從節省工程投資、同時又為未來碼頭效率的提升留有空間的角度，可采用配置雙吊具的單小車岸橋。

2.3碼頭前方作業區布置

為避免水平運輸設備與岸橋間的相互干涉，自動化集裝箱碼頭的水平運輸區宜布置在岸橋陸側軌后，岸橋軌內設艙蓋板堆放區和特殊箱的集卡運輸通道。水平運輸區的布置應該以減少水平路由的沖突、縮短運輸距離、提高作業效率為原則。

AGV的水平運輸區分為裝卸區、緩沖區和行駛區3個功能區。裝卸區車道采用單向布置，具體方向隨作業時的船頭方向而定，行駛區車道采用雙向布置，裝卸區與行駛區之間為緩沖區。這種布置的優點是：裝卸區車輛組織簡單，AGV通過中間的緩沖區，水平運輸的路由變化選擇多、沖突少、運輸距離短，可適應多泊位、高密度、高強度的作業。

跨運車的水平運輸區布置與AGV系統類似。根據跨運車的設備特點，水平運輸區由裝卸區和行駛區組成，兩個區域間可不設緩沖區。

水平運輸區的車道數需綜合考慮項目的設計船型、泊位數、設備配置等因素。

2.4自動化軌道吊選型

自動化軌道吊的選型主要根據項目的集疏運方式和不同形式軌道吊的作業特點確定。

不同的集疏運方式有其不同的裝卸特點。因此，對于以水-陸聯運為主的碼頭，采用整機重量較輕、堆場面積利用率更高的無懸臂軌道吊是合理的，而對于水-水中轉比例高的碼頭，則應考慮利用懸臂軌道吊的優勢。洋山四期工程中針對集裝箱吞吐量中水-水中轉比例高的特點，在自動化堆場采用無懸臂軌道吊的基礎上加入單側懸臂軌道吊，通過外伸懸臂，使同一箱區的兩臺軌道吊可同時對AGV作業，直接為海側裝卸系統服務[2]。這種懸臂軌道吊和無懸臂軌道吊的組合方案，既滿足了堆場容量的需求，又增加了為岸橋服務的軌道吊數量，滿足船舶大型化對裝卸效率和作業持續強度的要求。

2.5集裝箱堆場布置

1）總體布置形式

要實現水平運輸的自動化，碼頭須采用滿堂式、堆場應采用垂直于碼頭前沿線的布置方式。堆場海側端通過AGV或跨運車實現碼頭與堆場間的自動化作業交接，港外集卡則在堆場陸側端的外側與堆場軌道吊進行自動化+人工確認的作業交接。該布置方式的優點是使碼頭與堆場間的前方車流和陸路提送箱的后方集卡車流自然分離，便于自動化堆場的封閉管理和港區交通組織；也使碼頭與堆場間的水平運輸距離最短[3]。自動化箱區通常采用雙機配置，保證每個箱區可同時進行海、陸側作業。

2）交接區布置

采用無懸臂軌道吊作業的箱區，其交接區設在箱區的兩端。海側交接區設計應根據水平運輸設備的特點，關注水平運輸設備與軌道吊之間能否實現解耦作業，減少作業過程中的相互等待。陸側交接區是自動化裝卸系統中有人的交接面，故應重點考慮裝卸作業的安全性和安全管理措施：軌道吊采用自動化+人工確認的操作模式；設置完善的交通引導設施，使集卡司機快速找到指定箱區并倒車入位；操作站需設緊停按鈕和與中控室的語音對話系統，以應對各種緊急情況；交接區還需設完善的監控設施及對集卡司機的安全管理措施。

采用懸臂軌道吊作業的箱區，其交接區設在箱區的側面，即軌道吊懸臂下。交接位置不固定，采用水平運輸設備與軌道吊直接交接的方式，作業時由水平運輸設備將集裝箱運輸至指定的排位，因此懸臂軌道吊的作業效率較高，單箱能耗較低，對其大車速度的要求也較低。布置上采用相鄰箱區軌道吊懸臂端相對的方式，兩懸臂下各布置一條裝卸通道，中間布置兩條行駛車道。

3）堆場箱區長度

對于采用無懸臂軌道吊的箱區，軌道吊除完成集裝箱的裝卸、堆取外，還需承擔集裝箱在箱區內的水平運輸，因此需關注箱區的長度，避免使軌道吊行走距離過長，影響堆場作業效率。根據仿真模擬結果，該類箱區的合理長度在300 m左右，最長不超過350m[4]。

3　結語

1）自動化集裝箱裝卸工藝設計中，水平運輸設備的選型是關鍵，它決定了該碼頭的裝卸系統形式、岸橋選型和碼頭前方區布置，設計中應結合項目的具體條件、建設目標、投資和營運成本等因素綜合考慮；堆場是自動化碼頭設計的重點，堆場軌道吊的選型應結合項目的集疏運方式，使堆場海、陸側軌道吊的作業達到均衡，保證海側裝卸系統的裝卸效率，提高對海側作業強度的適應性；堆場平面布置應關注交接區的布置和箱區的合理長度。

自動化是集裝箱碼頭技術發展的必然趨勢，隨著國內勞動力成本的攀升和智慧港口、綠色港口建設的推進，其在我國集裝箱碼頭建設中具有一定的應用前景。

2）自動化集裝箱碼頭的技術目標是實現自動化作業、提高裝卸效率和降低營運成本。綜觀世界自動化集裝箱碼頭，其技術已由最初的自動化無人操作向高效、智能化方向發展，但仍可在下述方面作進一步探索，以使自動化集裝箱碼頭裝卸系統生產效率更為提升、節能環保優勢更加突出：對岸橋的自動化操作、自動拆鎖銷技術作深入研究，更大程度地提高碼頭裝卸效率和自動化水平；以現代信息技術為支撐，進一步提高自動化系統的智能化水平；對采用人工駕駛跨運車的自動化系統應加大研究力度，盡快向無人駕駛完善，跨運車設備動力應向清潔能源發展。

[1]劉廣紅，程澤坤，林浩.自動化集裝箱碼頭總體布置[J].水運工程，2013（10）：73-79. LIUGuang-hong，CHENG Ze-kun,LINHao.General layoutofautomated container terminal[J].Port&Waterway Engineering.2013 (10):73-79.

[2]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.上海國際航運中心洋山深水港區四期工程初步設計[R].2014. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of Yangshan deepwaterportphase IV projectin Shanghai international shipping center[R].2014.

[3]劉廣紅，何繼紅，丁飛虎.全自動化集裝箱港區交通組織設計[J].中國港灣建設，2015，35（12）：71-76. LIU Guang-hong，HE Ji-hong，DING Fei-hu.Traffic organization design of fully-automated container ports[J].China Harbour Engineering,2015,35(12):71-76.

[4]宓為建，楊小明，舒帆.自動化集裝箱碼頭箱區作業仿真分析[J].集裝箱化，2014（12）：19-22. MIWei-jian,YANG Xiao-ming,SHU Fan.Simulation for block operation of automated container terminal[J].Containerization, 2014(12):19-22.

Design of handling technology for automated container terminal

HE Ji-hong,LINHao,JIANGQiao
（CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Based on themain contents of hand ling technology design,we analyzed the equipment selection and technological layout for the main parts of hand ling system,proposed the key points of automated container term inal designing and the technologieswhich require further research.

container terminal;automation;hand ling technology

U656.135

A

2095-7874（2016）04-0067-04

10.7640/zggw js201604017

2015-10-30

2016-01-05

何繼紅（1970—），女，上海市人，學士，高級工程師，從事港口裝卸工藝設計。E-mail：hejihong@theidi.com