我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設方案比較

王夏宇 劉璐 李歆婳 章強

20世紀90年代，荷蘭鹿特丹港建成全球首個自動化集裝箱碼頭;隨后，英國倫敦港、日本川崎港和德國漢堡港等相繼建成全自動化或半自動化集裝箱碼頭。[1]迄今為止，自動化集裝箱碼頭已發展至第四代，其中：第一代以1993年投入運營的荷蘭鹿特丹港ECT碼頭為代表;第二代以2002年投入運營的德國漢堡港CTA碼頭為代表;第三代以2008年投入運營的荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭為代表;2016年投入運營的我國首個自動化集裝箱碼頭廈門港遠海自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“廈門港遠海自動化碼頭”）屬于第四代自動化集裝箱碼頭，可見我國自動化集裝箱碼頭建設起步較晚但起點很高。在我國港口轉型升級的背景下，越來越多的傳統集裝箱碼頭也開始實施自動化升級改造。國內關于自動化集裝箱碼頭的研究大多側重于碼頭總體布局和配套設備，而對碼頭節能 環保的關注較少，其中：在碼頭總體布局方面，現有研究主要聚焦于作業系統的布置形式[2]及相互協作[3-4];在碼頭配套設備方面，現有研究主要聚焦于作業系統的設備選型[5]及設備之間的相互配合[6-8];在碼頭節能環保方面，方懷瑾等[9]提出通過管理節能、結構節能和技術節能等三大舉措實現港口可持續發展。本文比較我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設方案，分析我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設特點，并提出自動化集裝箱碼頭建設建議。

1 自動化集裝箱碼頭主要作業設備

（1）岸邊裝卸設備 自動化岸邊集裝箱起重機（以下簡稱“自動化岸橋”）是自動化集裝箱碼頭的主要岸邊裝卸設備。按照小車數量劃分，自動化岸橋可分為單小車自動化岸橋和雙小車自動化岸橋;按照吊具尺寸劃分，自動化岸橋可分為20英尺自動化岸橋和40英尺自動化岸橋。目前自動化集裝箱碼頭大多應用雙小車20英尺自動化岸橋，也有部分自動化集裝箱碼頭出于成本考慮而使用單小車自動化岸橋。

（2）堆場作業設備 自動化軌道式龍門起重機（以下簡稱“自動化軌道吊”）是自動化集裝箱碼頭的主要堆場作業設備，主要執行堆場與水平運輸設備之間的集裝箱轉運作業。按照箱量結構和裝卸特點劃分，自動化軌道吊可分為無懸臂自動化軌道吊、單懸臂自動化軌道吊和雙懸臂自動化軌道吊。

（3）水平運輸設備 自動化集裝箱碼頭的水平運輸設備包括自動導引車、智能導引車和無人駕駛集卡等，主要執行碼頭前沿與后方堆場之間的集裝箱水平運輸作業，其中：自動導引車通過預埋在地下的磁釘實現精確定位和導航;智能導引車采用第五代移動通信（以下簡稱“5G”）和北斗衛星導航等技術，能夠擺脫場區磁釘限制，實現更加靈活的運行路線;無人駕駛集卡由傳統集卡經智能化升級改造而成，可實現低成本、高效率的無人駕駛作業。

2 我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設

方案比較

2.1 上海港洋山深水港區四期自動化集裝箱碼頭

上海港洋山深水港區四期自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“上海港洋山四期自動化碼頭”）岸線長，面積為223萬m2，共有7個泊位，采用“雙小車自動化岸橋+自動導引車+自動化軌道吊”裝卸工藝，配備26臺自動化岸橋、135臺自動導引車和119臺自動化軌道吊，設計年集裝箱吞吐能力為630萬TEU，是我國單體規模最大的自動化集裝箱碼頭。上海港洋山四期自動化碼頭的岸邊作業區配備帶中轉平臺的雙小車自動化岸橋：主小車在抓取集裝箱的同時掃描作業區域，并建立船舶三維模型，使遠程操作人員能夠準確定位作業區域內的每個集裝箱，從而提高遠程作業精度;副小車實時監測自動化岸橋運行狀況，從而降低作業安全風險。以卸船作業為例：在傳統單小車岸橋作業流程下，小車需要完成從船上抓取集裝箱、帶箱沿軌道運行至水平運輸設備上方、將集裝箱放置于水平運輸設備上的全過程;而在雙小車自動化岸橋作業流程下，主小車與副小車相互銜接，各自只要完成原作業路徑的一半即可，從而提高岸橋作業效率和碼頭泊位利用率。

2.2 青島港一期全自動化集裝箱碼頭

青島港一期全自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“青島港一期全自動化碼頭”）岸線長2 088 m，面積為285萬m2，共有6個泊位，采用“雙小車自動化岸橋+自動導引車+自動化軌道吊”裝卸工藝，配備16臺自動化岸橋、83臺自動導引車和76臺自動化軌道吊，設計年集裝箱吞吐能力為520萬TEU，是世界上裝卸效率最高的自動化集裝箱碼頭。在碼頭水平運輸環節，青島港一期全自動化碼頭首創自動導引車循環充電技術：當監測到自動導引車電量低于設定值時，設備監控系統安排自動導引車自行進入換電站更換電池，從而使電池使用壽命延長至10年，有效減少電池更換次數。自動導引車具有以下應用優勢：第一，自動導引車為無人駕駛設備，無須人工干預作業，能夠實現碼頭作業區域全封閉;第二，自動導引車能夠通過算法優化作業路徑;第三，自動導引車使用鈦酸鋰電池，能夠有效減少溫室氣體排放量。

2.3 廈門港遠海自動化碼頭

廈門港遠海自動化碼頭岸線長447 m，面積為122萬m2，共有1個泊位，采用“雙小車自動化岸橋+自動導引車+自動化軌道吊”裝卸工藝，配備3臺自動化岸橋、18臺自動導引車和16臺自動化軌道吊，設計年集裝箱吞吐能力為95萬TEU，是我國首個具有完全自主知識產權的自動化集裝箱碼頭。廈門港遠海自動化碼頭在全球率先將5G網絡應用于全場景作業，成功解決光纖網絡存在的管道開挖和光纜鋪設干擾碼頭生產的問題，從而在不停工、不停產的情況下完成傳統集裝箱碼頭的自動化升級改造，并且實現碼頭通信網絡的可擴展、易維護和低成本。

2.4 天津港五洲國際集裝箱碼頭

天津港五洲國際集裝箱碼頭岸線長1 202 m，面積為35萬m2，共有4個泊位，采用“單小車自動化岸橋+智能集卡+雙懸臂自動化軌道吊”裝卸工藝，配備12臺自動化岸橋和31臺自動化軌道吊，設計年集裝箱吞吐能力為150萬TEU，是我國首個由傳統集裝箱碼頭升級改造而成的全流程自動化集裝箱碼頭。天津港五洲國際集裝箱碼頭建設分三步完成：首先，完成堆場自動化改造;然后，引入無人駕駛電動集卡，實現水平運輸自動化;最后，完成碼頭作業全流程自動化改造。在水平運輸環節，天津港五洲國際集裝箱碼頭對傳統集卡實施自動化改造，不僅節約自動化水平運輸設備購置成本，而且延長集卡使用壽命，主要改造措施為：在傳統集卡內部及前視鏡和后視鏡上安裝高清攝像頭，并通過5G網絡將影像視頻傳輸至聯調聯試操作中心，從而使工作人員能夠根據集卡運行情況遠程操控方向盤。

2.5 廣州港南沙港區四期自動化集裝箱碼頭

廣州港南沙港區四期自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“廣州港南沙四期自動化碼頭”）岸線長，面積為120萬m2，共有4個泊位，采用“單小車自動化岸橋+智能導引車+自動化軌道吊”裝卸工藝，配備49臺單懸臂自動化軌道吊、3臺雙懸臂自動化軌道吊和158臺智能導引車，設計年集裝箱吞吐能力為490萬TEU，建成后將成為全球首個在水平運輸環節采用智能導引車的自動化集裝箱碼頭。智能導引車具有以下應用優勢：第一，智能導引車具有較高的靈活性和柔性，能夠實現最優的運行路線;第二，當電量低于設定值時，智能導引車自動行駛至充電區充電;第三，智能導引車能夠搭載不同的功能模塊，從而滿足一車多用的需求。

2.6 小結

據不完全統計，“十四五”時期我國沿海自動化集裝箱碼頭投產規模將近20個。[10]通過比較我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設方案，總結現有建設方案的突出特點和先進經驗，有助于進一步提升我國沿海港口自動化水平。由表1可見，我國沿海自動化集裝箱碼頭建設主要有以下特點。

表1 我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設方案比較

（1）新建和改造兩種建設類型并存。我國自動化集裝箱碼頭建設分為新建和改造兩種類型，兩者并存的主要原因是：第一，自動化集裝箱碼頭投資規模較大且投資回報期較長[11]，港口企業需要根據自身的資金承受能力選擇合適的建設方案;第二，自動化集裝箱碼頭作業效率較高，就傳統中小型集裝箱碼頭而言，采取自動化升級改造的建設方案足以滿足吞吐量需求。

（2）主要分布在沿海大型樞紐港。沿海大型樞紐港具有較強的貨源吸引力，能夠為自動化集裝箱碼頭提供大量穩定的貨源以維持其可持續發展：首先，沿海大型樞紐港地處我國進出口貿易最活躍的地區，擁有廣闊的經濟腹地;其次，沿海大型樞紐港是國際集裝箱班輪的主要掛靠港，其周邊有很多喂給港為其提供貨物集散服務;最后，沿海大型樞紐港的基礎設施更完備且管理模式更規范，是進出口貿易商優先考慮的合作對象。

（3）綠色環保優勢突出。自動化集裝箱碼頭的綠色環保優勢主要表現在以下兩方面：一是通過采用太陽能和風能等可再生清潔能源，從源頭控制污染物排放量;二是通過應用能源管理系統，科學合理地分配和使用能源。數據顯示：與傳統集裝箱碼頭相比，大部分自動化集裝箱碼頭單箱綜合能耗降低20%以上。[12]

（4）實現碼頭生產作業無人化。自動化集裝箱碼頭大多采用遠程控制作業方式，從而實現碼頭生產作業無人化，其優勢主要表現在以下幾方面：第一，減少安全隱患和人為因素干擾，提高碼頭作業的安全性和穩定性，特別是在當前新冠肺炎疫情長期存在的情況下，無接觸式作業能夠確保自動化集裝箱碼頭正常運轉;第二，改善碼頭作業環境;第三，降低人力成本。

3 我國自動化集裝箱碼頭建設建議

當前我國自動化集裝箱碼頭建設分為新建和改造兩種類型：新建方案是根據港口長遠發展需要，通過合理規劃設計建設具備全自動化裝卸運輸作業能力的集裝箱碼頭;改造方案是在綜合考慮原有的傳統集裝箱碼頭裝卸工藝和平面布局的基礎上，對裝卸運輸設備實施自動化升級改造，從而使集裝箱碼頭具備全自動化裝卸運輸作業能力。[13]本文根據不同規模集裝箱碼頭的需求特點，對我國自動化集裝箱碼頭建設提出建議。為了便于研究，按集裝箱吞吐能力將自動化集裝箱碼頭劃分為三種類型：一是設計年集裝箱吞吐能力小于或等于100萬TEU的小型自動化集裝箱碼頭;二是設計年集裝箱吞吐能力大于100萬TEU但小于或等于400萬TEU的中型自動化集裝箱碼頭;三是設計年集裝箱吞吐能力大于400萬TEU的大型自動化集裝箱碼頭。

對于大型集裝箱碼頭而言，新建自動化集裝箱碼頭是首選方案。上海港、廣州港和青島港等港口作為我國傳統的海運貿易大港，年集裝箱吞吐量排名均位于世界前列。上述港口的集裝箱碼頭生產繁忙，建設自動化集裝箱碼頭是其提高碼頭作業效率和降低碼頭作業成本的重要手段。雖然大型自動化集裝箱碼頭建設投資規模大且周期長，但上海、廣州和青島作為重要的區域經濟中心具備強大的財政實力，能夠為大型自動化集裝箱碼頭建設提供資金支持。此外，自動化集裝箱碼頭建設過程中的技術積累和創新不僅能夠節約資金，而且有助于完善工藝。例如：青島港二期全自動化碼頭創新應用氫動力自動化軌道吊，打造零污染、零排放的智慧綠色碼頭，每年二氧化硫排放量減少近1 000 t，二氧化碳排放量減少近3萬t。

對于中小型集裝箱碼頭而言，傳統集裝箱碼頭自動化升級改造方案更加經濟合理。傳統集裝箱碼頭自動化升級改造可以借鑒天津港五洲國際集裝箱碼頭“三步走”策略，即根據碼頭實際情況分步驟建設自動化集裝箱碼頭三大作業系統。此外，中小型自動化集裝箱碼頭建設投資規模較小且作業效率較高，建成后市場競爭力將顯著提高。

參考文獻：

[1] 李金龍. 中國自動化集裝箱碼頭的發展與挑戰[J]. 中國港口，2016（2）：17-20.

[2] 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）：73-78.

[3] 王施恩，何繼紅，林浩，等. 自動化集裝箱碼頭堆場布置新模式[J]. 水運工程，2016（9）：23-26.

[4] 元征，毛浩，邳青嶺. 集裝箱自動化碼頭閘口總體布置研究[J]. 港工技術，2019，56（5）：27-30.

[5] 彭傳圣. 集裝箱碼頭的自動化運轉[J]. 港口裝卸，2003（2）：1-6.

[6] 金祺，羅勛杰，韓保爽. 自動化集裝箱碼頭水平運輸設備選型[J]. 水運工程，2016（9）：87-90.

[7] 李永翠，劉耀徽，任榮升，等. 自動化集裝箱碼頭設備控制系統實現[J]. 水運工程，2019（7）：28-32.

[8] 梁承姬，林洋. 自動化碼頭雙小車岸橋與AGV協調調度問題研究[J]. 計算機工程與應用，2019，55（10）：256-263.

[9] 方懷瑾，羅勛杰，周維峰. 自動化集裝箱碼頭環境保護分析與展望[J]. 水運工程，2016（9）：9-13.

[10] 柳長滿，張傳捷，陳微波，等. 國內沿海自動化集裝箱碼頭關鍵技術發展趨勢[J]. 中國港口，2021（1）：17-23.

[11] 吳金娜，李擘. 青島港自動化集裝箱碼頭經濟效果分析[J]. 港工技術，2019，56（3）：89-91.

[12] 元征，于青雙. 青島港集裝箱自動化碼頭關鍵技術綜述[J]. 港工技術，2020，57（5）：16-19.

[13] 陳錦文，蘭培真. 新建與改建自動化碼頭研究[J]. 港口裝卸，2019（3）：68-70.

（編輯：張敏 收稿日期：2021-05-20）