廣州港南沙四期自動化集裝箱碼頭新型裝卸工藝系統設計

梁 浩 吳邵強

中交第四航務工程勘察設計院有限公司

1 引言

國際集裝箱物流業的飛速發展使得集裝箱港口對集裝箱集散能力和裝卸效率的追求越來越高，近年來自動化集裝箱碼頭技術因其裝卸效率高、工人的人力成本和勞動強度低、生產作業安全環保等優點而備受關注，世界范圍內自動化集裝箱碼頭的建設數量也與日俱增[1]。依托廣州港規劃新建的南沙四期自動化碼頭工程，充分分析其工程特點，結合典型自動化裝卸工藝系統對于本工程的適用性，提出了一套完整的新型集裝箱自動化裝卸工藝系統，在實現本工程自動化的同時也可為具有類似特點的集裝箱碼頭自動化建設和改造工程提供參考。

2 工程概況

廣州港南沙港區四期工程地處珠江口，港區規劃總面積約120萬m2，擬建設4個5～10萬t級海輪泊位及12個駁船泊位，碼頭設計年通過能力約490萬TEU。

從港區功能定位和總體規劃的角度上看，本工程有2大主要特點：定位為內貿集裝箱中轉港，水轉水集裝箱比例高；海輪碼頭岸線與駁船碼頭岸線相對獨立，整體岸線形態特殊，4個5～10萬t級海輪泊位連續布置在約1.5 km的海輪碼頭岸線上，駁船碼頭岸線整體呈現不規格“折線”形態，布置在海輪碼頭岸線一側，12個駁船泊位分散地布置在“折線”駁船碼頭岸線上(見圖1)。

圖1 廣州港南沙四期工程碼頭岸線分布圖

3 南沙四期新型自動化集裝箱裝卸系統論證

3.1 現有自動化集裝箱裝卸系統適應性分析

自動化集裝箱碼頭技術在歷經20多年的發展后，已逐步形成了多種成熟的裝卸系統方案，主要有“單小車岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)+集裝箱牽引半掛車+自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)”、“雙小車岸橋+AGV+自動化軌道吊”和“單小車橋+集裝箱跨運車+自動化軌道吊”3種方案[2]。目前，以自動化集裝箱裝卸設備技術發展的成熟度及系統整體應用情況來看，“雙小車岸橋+AGV+自動化軌道吊”自動化程度最高、技術最為成熟、應用最為廣泛，該系統已逐步成為目前最先進的第4代自動化集裝箱碼頭工程裝卸工藝系統的典型代表[3]。在國內，已投產運營的全自動化碼頭工程如青島前灣自動化集裝箱碼頭、上海洋山四期自動化集裝箱碼頭工程等采用的均是該系統[4]。

與該裝卸系統相匹配的最典型的總體布局形態是“T”型布置形態，即自動化集裝箱泊位沿直線型岸線連續布置。集裝箱堆場采用垂直于碼頭岸線的布置形態，滿堂式布置，兩端分別設置海側交互區及陸側交互區，除陸側交互區以外的集裝箱堆場與岸橋陸側軌后方的碼頭前沿作業地帶形成封閉的自動化作業區。自動化作業區域的水平轉運作業主要依靠AGV完成，集裝箱堆場內部水平轉運作業主要依靠集裝箱自動化高速軌道吊來完成，陸側交互區與其他集疏運端口(如閘口或其他非自動化作業區)間的水平轉運作業主要依靠普通集卡完成[4]。

從集裝箱在港內轉運的主流向來看，直線型岸線已決定了無論是水轉水集裝箱或是陸水直航集裝箱，其在港內的主要流向都是垂直于碼頭岸線的。若從港內集裝箱水平運輸作業能耗及車流周轉的效率上看，該布局形態在集裝箱主要轉運流向為垂直于碼頭岸線的自動化碼頭工程，適應性較好。

本工程在岸線整體布置形態特殊及集裝箱水轉水比例高兩大客觀條件的限制下，集裝箱在港內的水平轉運流向必定是以平行于海輪碼頭岸線為主。若采用與第4代自動化集裝箱碼頭工程裝卸系統相匹配的“T型”總體布局，水轉水集裝箱就必須全部從自動化堆場陸側交互端繞行至駁船碼頭各岸線，單箱平均運距較大，作業能耗高。若將該裝卸系統調整為平行于海輪碼頭岸線的總體布局，那么自動化堆場的箱條長度將遠遠超過自動化軌道吊的經濟運距，堆場內集裝箱的運輸能耗將大幅提高，轉運效率也大受影響。

綜合以上分析，若要提高集裝箱在港內水平轉運效率、降低集裝箱單箱平均運距(平均運輸能耗)，現有的第4代集裝箱自動裝卸系統在南沙四期工程中的應用存在一定的局限性。

3.2 新型自動化裝卸系統選擇

集裝箱碼頭裝卸系統主要包括碼頭前沿裝卸船作業、集裝箱堆場堆碼垛作業、集裝箱港內水平運輸作業三大環節。

集裝箱港內水平運輸作業中，應用最為成熟的是自動導引小車(AGV)。在第4代集裝箱碼頭裝卸系統中，AGV主要依賴于在特定區域內路面結構中預鋪設的導航磁釘來實現其定位和自動行駛，對路面結構的承載能力要求較高。該技術在集裝箱自動化水平轉運設備運行區域相對限制的第4代集裝箱碼頭裝卸系統中應用較好，但當裝卸系統的總體布局形態發生變化，需要集裝箱水平運輸覆蓋范圍擴大時，應用該技術的經濟性較差。

近年來無人駕駛技術發展迅速，集裝箱港區具有相對獨立和封閉的運行區域、車行速度不高、車行路線相對比較規律等特點，與開放性生活場景相比，集裝箱港區是無人駕駛技術更為理想的應用場景。若無人駕駛技術能應用在集卡上，便可大幅度降低集卡司機勞動強度和碼頭人力成本，減少因疲勞駕駛或注意力不集中等人為因素引起的交通事故。

南沙四期工程在綜合考慮岸線特殊形態及集裝箱港內主要流向等客觀因素的基礎上，以集裝箱港內水平轉運作業采用無人駕駛技術的智能集卡為中心，配合集裝箱裝卸船作業采用自動化岸橋及堆場堆碼垛作業采用自動化軌道吊，提出了一套可實現全港區集裝箱裝卸運輸自動化的裝卸系統及總體平面布局(見圖2)。

圖2 廣州港南沙四期工程新型裝卸系統及工藝平面布置圖

4 新型裝卸工藝系統設計

4.1 裝卸工藝方案及布置

(1)碼頭前沿裝卸船作業。根據本工程各岸線上泊位的基本分布情況及各岸線設計代表船型要求，海輪泊位岸線采用自動化單小車岸橋作業。海輪碼頭岸線前沿作業地帶從海測往陸側依次布置岸橋海測軌、岸橋陸側軌、前沿輔助設施放置區、特殊箱作業通道、前沿設備檢修通道、前沿人行通道、艙蓋板區及港區橫一路等(見圖3)。其他岸線泊位均采用新型自動化輕型岸橋作業，南側岸線泊位采用門座起重機(配現場司機操控)作業。本工程駁船泊位岸線數量分段數量較多、泊位噸級普遍較小，設計時已根據實際運營情況，最大限度地利用現有的設備自動化技術實現了大部分泊位的自動化裝卸船作業。對于各駁船泊位岸線碼頭前沿作業地帶布置情況，本文不作過多贅述。

圖3 新型裝卸系統海輪泊位前沿功能區劃分斷面圖

(2)自動化集裝箱堆場作業。為了適應本工程集裝箱在港區內主要流向平行于海輪碼頭岸線的特點，最大程度地降低水轉水集裝箱在港區內的平均運距、提高車流周轉效率，集裝箱堆場采用平行于海輪碼頭岸線的整體布局形式，堆場內箱條采用“背靠背”模式布置。堆場作業均采用自動化單懸臂軌道吊，其中重箱及冷藏箱堆場采用自動化單懸臂重箱軌道吊作業，空箱堆場采用自動化單懸臂空箱軌道吊作業。

(3)自動化區集裝箱水平運輸。港區自動化區域內各裝卸功能區間的集裝箱水平運輸均采用無人駕駛集卡。

(4)港內外集卡交互作業區。為實現港外普通集卡與港內自動化作業區無人駕駛集卡隔離分流，避免交叉行駛帶來的安全和法律問題，本系統在自動化堆場后方(進出港閘口與自動化堆場之間)布置了專用的港內外集卡交互作業區，作業區設置1個跨集裝箱臨時堆存箱區，用于交互箱臨時堆存。該區域配置自動化雙懸臂重箱軌道吊，并設置物理隔離圍網，將港內無人駕駛集卡與港外車輛隔離，利用雙懸臂軌道吊的雙外伸懸臂，完成集裝箱港在內外集卡間的交互作業。

4.2 關鍵技術點分析

4.2.1 主要裝卸環節設備選型

(1)碼頭前沿裝卸船設備。在第4代集裝箱碼頭裝卸系統中，碼頭前沿裝卸船自動化作業設備，應用最為廣泛的是雙小車岸橋，但雙小車岸橋本身具有自重大、對水工結構承載能力要求高、設備造價昂貴等缺點。本著節省工程建設成本的原則，本工程在確保碼頭前沿裝卸作業效率的前提下，選擇了造價相對較低、自重較輕、對基礎結構承載能力要求較低的單小車岸橋作為海輪碼頭裝卸船作業設備。為有效解決采用單小車岸橋而引起的集裝箱拆裝鎖銷作業場地缺失的問題，設計考慮在碼頭前沿作業地帶艙蓋板區域設置集裝箱集中拆裝鎖銷區，作業人員和相關設備設施可利用碼頭TOS系統的實時電子鎖閉功能，沿鎖閉的人行通道進入集中拆裝鎖銷區安全島就位，等待作業。

(2)集裝箱自動化堆場裝卸設備。在第4代集裝箱碼頭裝卸系統中，由于AGV的作業范圍基本都限定在堆場海測交互與岸橋陸側軌后方，并不能行駛到集裝箱堆場內部交接箱，因此自動化軌道吊除了具備集裝箱堆碼垛功能之外，還需承擔集裝箱在堆場內部的水平轉運功能。為了不影響集裝箱在堆場中的轉運效率，需采用大車運行速度較高的高速軌道吊，并相匹配特殊的軌道供其高速運行。但在本工程裝卸系統中，集裝箱在整個自動化作業區(包括碼頭前沿和所有自動化堆場區)中的水平轉運作業可依靠無人駕駛集卡完成。因此，堆場軌道吊不再需要承擔集裝箱在堆場中的水平運輸作業，其大車運行機構采用常規速度即可，且運行軌道也可用常規的起重機大車軌道。

(3)集裝箱自動化水平運輸設備。本工程裝卸系統中集裝箱水平運輸作業均采用無人駕駛集卡，該設備采用北斗導航、本地差分基站及慣性導航技術實現智能化導航、避障、定位和行駛。該設備與傳統自動化水平運輸設備AGV相比，導航模式不同，無須像AGV一樣依托地面預設的定位磁釘導航，且對地面結構的承載能力要求低。無人駕駛集卡為全電驅動設備，為解決其在自動化區內可適時地補充電能的問題，本裝卸系統在自動堆場區及內部停車場區分散地設置了多處無人駕駛集卡集中自動充電區域，使用大電流快速充電系統，當無人駕駛集卡電量低至某個系統預設值時，將自動行駛至充電區進行充電。

4.2.2 港內外集卡隔離分流

為避免自動化集裝箱碼頭工程中無人操作設備與有人駕駛設備出現交叉運行而引起的安全和法律問題，本系統在自動化堆場后方與閘口之間設置了專用的港內外集卡交互作業區。在該交互區布置設計時，預留布置縱向道路，與自動化堆場區縱向道路連接。近期港內外集卡隔離分流時，預留縱向道路可堆放集裝箱；待自動駕駛技術發展到允許有人駕駛集卡與無人駕駛混行階段時，可以將縱向道路打開，港外有人駕駛集卡可直接進入自動化區域交接集裝箱。

5 結語

南沙四期工程采用“自動化單小車岸橋+無人駕駛智能集卡+自動化軌道吊”的新型自動化裝卸工藝系統，采用堆場平行于海輪碼頭岸線的總體布局形態，實現全港區集裝箱裝卸運輸自動化，可為類似自動化集裝箱碼頭工程的設計和建設提供一定的參考。