青島港集裝箱自動化碼頭關鍵技術綜述

元 征，于青雙

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；2.青島港（集團）港務工程有限公司，山東 青島 266432）

引 言

青島港前灣港區迪拜環球碼頭工程是全自動化集裝箱碼頭，工程位于青島港前灣港區南岸，建設規模為10萬t級和3萬t級集裝箱泊位各2個。岸線總長度1 320 m，陸域縱深784 m，可最大停靠20萬t級集裝箱船，設計年通過能力300萬TEU。2019年11月，其二期工程也正式投入使用，標志著該項目整體正式投入運營。

1 主要技術創新點

本項目潛心研究了適合青島港實際情況的全自動化集裝箱碼頭的關鍵技術，在項目前期研究、設計以及施工過程中，取得了一系列創新性成果。主要科技創新內容如下。

1.1 通過仿真模擬優化的總體布置設計

1）采用多目標優化算法優化碼頭總體布置

自動化集裝箱碼頭的總體設計與碼頭的投資、吞吐能力、堆場能力、疏運能力、自動化程度、作業效率、運營安全等密切相關，其平面布置是一個多目標優化問題，將各子目標達到平衡，使總目標最優。通過對自動化碼頭全局性目標和局部性目標的分析，基于多目標遺傳算法，進行自動化碼頭總體布置優化仿真。

2）基于仿真模擬結果優化總平面布置

運用多目標優化算法建立總體布置優化模型，對總體平面布置進行模擬，根據模型結果分析調整設計后，再經過仿真模擬評價驗證，最終確定了最優的方案，用以指導總平面設計工作。

通過對仿真結果的分析，確定了裝卸工藝設備的配比數量和堆場模數，并確定將冷藏箱區布置在堆場中間的最優方案。最終形成全自動化集裝箱碼頭總體優化布置。

3）國內首創的垂直碼頭堆場布置型式

根據集裝箱自動化裝卸工藝的要求，節省AGV行走路徑，堆場布置國內首創采用垂直碼頭布置型式，使常規的集卡與堆場的作業限制在堆場的陸側交互區，堆場至碼頭前沿實現全程無人化管理。

4）進出分開的閘口布置型式

工程輔助建筑均布置在場區后方，按不同功能分區布置，通過多方案比選，設計采用進出閘口分開的布置方案，使場區內形成單向車流，逆時針行駛進行裝卸作業，車流組織提高了碼頭的裝卸效率。

1.2 采用世界領先的集裝箱自動化裝卸工藝

碼頭裝卸船作業采用世界首創無人化雙小車岸邊裝卸橋，主小車后半程和門架小車全程可實現無人操作，為目前世界上自動化、智能化程度最高的岸邊集裝箱裝卸起重機。

集裝箱水平運輸采用最先進的自帶起升功能的自動化引導車（L-AGV），由自動導航系統實現自動運輸，海側交互區設置 AGV支架，減少了L-AGV等待時間，提高了L-AGV水平運輸效率。

堆場內集裝箱運輸采用世界先進的全自動集裝箱軌道式龍門起重機（ARMG），實現了整個堆場及海側交互區的集裝箱全自動作業，每個箱區配備兩臺ARMG，相互冗余，增強了堆場工作效率，提高可靠性。

1.3 智能化自動化的控制系統

全自動化集裝箱碼頭作業系統根據布局分為岸邊裝卸系統、水平運輸系統、堆場裝卸系統與集疏運系統四大部分，作業系統總體布局及各系統間的連接如圖1所示。

在計算機管理與控制方面，工程采用先進的計算機管理系統（TOS）和先進的設備控制系統（ECS）。通過ECS與TOS之間的數據交換實現任務指令傳輸和處理，實現裝卸設備和集裝箱運輸的自動化控制管理。控制系統又可分為如下子系統。

圖1 全自動化碼頭作業系統

全自動AGV控制系統，通過設備監測、信息傳遞及智能化的控制管理系統可實現 AGV的自動規劃運行、自動導航、精確定位、自動識別及自動避讓。

ARMG控制系統，通過設備監測、信息傳遞及智能化的控制管理系統，實現了 ARMG的自動運行、自動定位、自動識別及自動起裝箱等操作。

陸側交互區安全控制系統，集卡司機將卡車停到指定位置后，在指定位置通過刷卡、按鈕或壓力傳感器等技術手段，通知 ARMG作業，保證人員和集卡在裝卸過程中的安全。

網絡系統，用于生產管理、設備控制系統的服務器具備大容量、計算速度快、高可靠性等特點。

輔助控制系統，包括圍網、堆場門禁系統，保證自動化堆場的生產操作安全。

橋吊箱號自動識別系統，通過對接作業管理系統及對應岸橋和場橋的PLC，獲取作業工況、起箱高度、作業箱號等信號，箱號自動識別系統觸發啟動集裝箱號監控相機，截取相應的箱號圖像，對畫面中包含集裝箱號的圖像進行分析，實現集裝箱號的自動化識別。

智能化的集裝箱閘口控制系統，通過進出各三道閘的控制，實現了車牌號、箱號自動識別，信息自動采集，信息自動驗證，容錯自動處理等多種智能化功能。

1.4 創新設計與施工的高速重載軌道結構

1）創新設計的高速重載軌道結構

針對堆場 ARMG設備高速重載運行的特點，對基礎設施的承載力提出了較高的要求，軌道基礎采用PHC管樁+鋼筋混凝土軌道梁結構，軌道梁樁基支撐，保證使用期無沉降，最大限度滿足了ARMG對地基不均勻沉降及承載力的嚴苛要求。截止目前，一期工程已正式運營近三年，未發生任何因軌道梁沉降造成的維修事故，實施效果超過了預期，節約了工程后期運營成本。

軌道壓板扣件采用大壓板形式，具有鋸齒狀鎖緊裝置及擋肩設計，大大增加了鎖緊效果，同時又保證了鋼軌的合理伸縮變形，保證了設備高速度運行的安全可靠。

2）高速重載起重機軌道安裝施工工法

龍門式起重機軌道安裝是設備安裝和土建施工之間的關鍵環節。全自動集裝箱軌道式龍門起重機滿載時速可達到270 m/min，由靜止加速至最大速度只需12.86 s，運行加速度超過常規集裝箱龍門起重機的2倍，因此對自動化碼頭高速重載軌道的安裝施工提出了更高的要求。

工程施工單位通過研究了新型軌道安裝工藝，以及新型鋼軌的鋁熱焊工藝，保證軌道一次鋪設無縫銜接，同時對軌道安裝施工過程中的工具和工法進行了創新，成功應用于本工程的軌道安裝施工。采用新型軌道安裝工法實施后，軌道施工成果順利通過了檢驗，在同一截面兩軌高差、軌道截面表面公差、直線段等各項驗收數據均達到了嚴苛的設備安裝標準，各項誤差控制在±3 mm以內。

1.5 改進的AGV充電與動力系統

1）采用鈦酸鋰電池AGV動力系統

國外AGV普遍采用鉛酸電池，需要換電站及備用電池。換電站投資大且風險高，AGV自重大且能耗高，電池滿充滿放壽命短。本工程將鈦酸鋰電池技術應用于AGV電池動力系統，根據碼頭作業工況，配套研發了電池管理系統（BMS）和液體循環溫度管理系統，充分發揮鈦酸鋰電池的性能。與鉛酸電池比，電池重量減少 10 t，AGV自重降低25 %，工程建設成本及AGV系統運行成本均大幅降低。

2）AGV車載集電器與改進的滑觸線供電技術

AGV取電系統主要包括AGV車載可伸縮集電器和交互支架處的地面供電滑觸線等。集電器整體設計采用四連桿機構和上下可自動調整裝置，充分適應AGV輪胎磨損、氣壓不足等異常工況。為保證滑觸線平穩的接觸，適應AGV運行速度的要求，在滑觸線上配以橡膠保護套和溫控加熱帶裝置，滿足自動化碼頭全天候作業的使用要求。

3）AGV淺充淺放循環充電模式

根據 AGV作業工況，將集裝箱交互作業與AGV充電合二為一，規劃AGV充電、運行的調度策略，開發出適應堆場海側交互作業的循環充電流程，AGV充電不占用額外時間，平均每個作業流程的充電量大于耗電量，實現了 AGV的無限續航。作業過程中生產管理系統、設備控制系統與單機電池管理系統實時通信，始終對 AGV車組的充電進行管理與控制，確保AGV電池電量維持在80 %～85 %的最合理區間，淺充淺放的電池使用方式，使電池的使用壽命至少延長了1倍。節約了更換電池影響的碼頭作業時間5 %，電池循環使用次數是國外同類碼頭的20倍，電池使用壽命達到12年，是國外同類碼頭的6倍。

1.6 智能一體化的綜合應用

除上述主要技術特點外，工程還自主研發了多項科技創新，包括“一鍵錨定”、機器人解鎖、閘口自動控制等，申請發明專利2項，實用新型專利30余項，是多種創新技術綜合應用的集中體現。

1）發明了大型設備自動防風錨定系統

圖2 “一鍵錨定”自動防風系統流程

目前，國內外大型港機設備的防風錨定，需依靠現場人員介入才能完成，遇突發情況不能快速響應，存在重大的安全隱患。結合高速設備運行的特點，結合工程無人化的設計要求，工程建設單位設計研發了全新的設備錨定裝置，集成精準定位技術和設備控制系統，首創了“一鍵錨定”的自動防風系統，調度控制系統發出錨定指令后，設備可在2分鐘內自動完成防風錨定，設備定位精度在5 mm以內。系統操作簡單、定位精準、安全可靠，有效解決了港口大型設備防風的難題，特別是對瞬時大風的應急響應取得顯著效果。錨定系統流程如圖2所示。

2）智能閘口作業系統

自動化集裝箱碼頭需要進出分離、多級通關協同的智能閘口系統，集成激光掃描、OCR、RFID技術，智能識別車號、箱號、尺寸、箱門方向等信息，自動校驗并異常報警，實現了集卡的高效、快速、流暢通行，構建了高效無人閘口管理系統。對比國內外相關工程的研究及應用現狀，本工程智能閘口系統具有如下特點：

①將信息技術與集裝箱業務集成，簡化業務操作流程，實現集裝箱間口自動管理；

②將 OCR或光柵等識別技術應用于車號和箱號識別，達到提升集卡車號和集箱箱號的識別率與識別速度的目標；

③閘口通道實現了無人值守、箱號與車號自動識別、箱體殘損遠程監控、實現空車不停車通過。

3）世界首創的岸橋機器人解鎖系統

目前實際應用的集裝箱固定鎖墊有100多種，一直以來依靠人工進行摘裝。通過對鎖墊拆裝動作的數據分析，利用人工機器人的學習能力不斷完善適應各種拆裝動作。集合自動控制、快速定位、鎖墊旋轉等技術，與生產作業控制系統信息集成，通過岸橋交互平臺的作業機器人自動完成各類集裝箱鎖墊的自動拆裝作業。徹底擺脫了傳統必須依賴人工解鎖的模式，是集裝箱碼頭解鎖模式上的重大突破。

圖3 機器人自動解鎖技術

2 運營效果

一期工程2個泊位穩定運行3年，岸橋、自動化軌道吊可靠率分別達到99.5 %以上，船舶準班率達100 %。岸橋單鉤循環時間縮短5 s，AGV周轉時間縮短2.9 min，堆場作業能力等多個指標大幅度提升。自動化集裝箱碼頭的平均單機效率已達 35自然箱/h，全面超越人工碼頭。在“以星上海”輪作業中創造了43.8自然箱/h的平均單機效率紀錄。

工程運營期間碼頭設施安全可靠，設備運轉正常，達到設計要求，滿足裝卸生產需要，運營效果遠超過了預期。

3 結 語

智能化的控制系統是集裝箱自動化碼頭的核心技術，裝卸設備的自動化是智能控制系統的體現，基礎和土建工程的精準設計與施工是實現自動化的保證。基礎算法和核心軟件上的技術突破將是自動化碼頭發展的關鍵，依賴于通信技術的進步，設備輕量化和智能化是發展方向。智能、安全、環保、高效是未來不斷追求的發展趨勢。

本工程在實現未來港口智能化、無人化進程中起到了至關重要的一步，是一個真正意義上的集裝箱自動化碼頭。贏得了國內外同行和社會各界的廣泛關注和高度評價。隨著物聯網、云計算、大數據等計算機技術的成熟和應用，自動化裝卸工藝會更加成熟完善。