一種新型立體軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭及其效能分析

梁 燕 吳富生 葉 軍

1.上海交通大學(xué)，上海，200240 2.上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海，200125

0 引言

目前，大部分的集裝箱碼頭采用的是傳統(tǒng)的運(yùn)輸模式，即碼頭前沿與堆場(chǎng)間的水平運(yùn)輸由集卡（Truck）完成。在人口遞減、勞動(dòng)力成本昂貴和熟練勞動(dòng)力匱乏的地區(qū)，自動(dòng)化集裝箱碼頭首先受到關(guān)注。鹿特丹港ECT碼頭、德國(guó)漢堡港由HHLA碼頭公司經(jīng)營(yíng)管理的Altenwerder碼頭以及ECT Euromax碼頭相繼建成了自動(dòng)化集裝箱碼頭［1］。自動(dòng)化碼頭的岸橋部分與傳統(tǒng)碼頭裝卸工藝基本相同，平面運(yùn)輸?shù)姆绞绞嵌咧饕膮^(qū)別。自動(dòng)化碼頭采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)導(dǎo)航小車（automatic guided vehicle，AGV）取代了傳統(tǒng)的集卡。AGV裝卸區(qū)與后方堆場(chǎng)之間的運(yùn)輸則由堆垛內(nèi)的自動(dòng)起重機(jī)（automated stacking crane，ASC）來(lái)完成，該部分也為無(wú)人操作。碼頭中央控制室對(duì)AGV和ASC進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化。

傳統(tǒng)碼頭采用集卡實(shí)現(xiàn)岸橋與場(chǎng)橋間集裝箱的轉(zhuǎn)運(yùn)，集裝箱定位對(duì)司機(jī)的技術(shù)水平要求較高，對(duì)人的依賴性較強(qiáng)，不易實(shí)現(xiàn)智能控制，人為造成的故障率高［2］。目前的自動(dòng)化碼頭采用AGV實(shí)現(xiàn)岸橋與場(chǎng)橋間集裝箱的轉(zhuǎn)運(yùn)，AGV雖然可以自動(dòng)導(dǎo)航及定位，但由于導(dǎo)航系統(tǒng)及軟件昂貴，致使碼頭前期投資成本高；另外，由于AGV小車長(zhǎng)距離平面轉(zhuǎn)運(yùn)，容易引發(fā)交通阻塞，影響裝卸效率。集卡和AGV均采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致燃油消耗、廢氣與噪聲污染增加，不符合當(dāng)今能源危機(jī)下低碳經(jīng)濟(jì)的環(huán)保理念。

綜上所述，碼頭前沿與堆場(chǎng)間的轉(zhuǎn)運(yùn)方式已成為碼頭發(fā)展的一大瓶頸。因此，亟需探索新工藝、研制新設(shè)備、開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)，徹底改變這種平面轉(zhuǎn)運(yùn)方式，加快岸橋與場(chǎng)橋間的集裝箱周轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度控制，最終在提高碼頭裝卸效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、安全可靠的裝卸。

1 一種新型的立體軌道式裝卸系統(tǒng)

立體軌道式自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)的主要設(shè)備包括岸邊集裝箱起重機(jī)（quayside crane，QC）、立體軌道平板小車（frame trolley，F(xiàn)T）、立體軌道起重小車（lifting trolley，LT）、地面平板小車（ground trolley，GT）、軌道 式 集 裝箱龍門起重機(jī) （rail mounted gantry crane，RMG）。立體軌道式自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)組成如表1所示。

表1 立體軌道式自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)組成

立體軌道式自動(dòng)化碼頭設(shè)備的運(yùn)行指令均由碼頭中央控制室統(tǒng)一調(diào)配，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化。立體軌道式自動(dòng)化碼頭與AGV自動(dòng)化碼頭在設(shè)備性能方面的對(duì)比分析如表2所示。

表2 自動(dòng)化碼頭設(shè)備性能比較

由表2可見(jiàn)，立體軌道式自動(dòng)化碼頭在設(shè)備單次作業(yè)能力、定位精度及系統(tǒng)柔性等方面均優(yōu)于AGV自動(dòng)化碼頭，此外，以GPS導(dǎo)航的自動(dòng)化碼頭系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而立體軌道式裝卸系統(tǒng)取消了復(fù)雜又昂貴的導(dǎo)航系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)完全置于軌道上，至少可節(jié)約成本20%。利用電驅(qū)動(dòng)的立體軌道水平運(yùn)輸取消了內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)方式，不僅解決了噪聲大、排放超標(biāo)、污染環(huán)境等問(wèn)題，也可降低運(yùn)營(yíng)成本。

2 立體軌道式自動(dòng)化碼頭的效率與能耗分析

立體軌道式自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)是一種全新的自動(dòng)化碼頭模式，在當(dāng)前的低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代，為集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)開(kāi)辟了新的出路。為了驗(yàn)證其高效、節(jié)能的突出特點(diǎn)，下面分別在裝卸效率和作業(yè)能耗兩個(gè)方面，將該立體裝卸系統(tǒng)與現(xiàn)有集裝箱碼頭進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 裝卸效率對(duì)比

港口生產(chǎn)調(diào)度水平的高低直接影響港口能耗。高水平的生產(chǎn)調(diào)度可以合理配置參加裝卸作業(yè)的裝卸機(jī)械，減少待機(jī)時(shí)間；可以盡可能減少作業(yè)中間環(huán)節(jié)，合理安排工藝流程，縮短運(yùn)距；可以合理安排作業(yè)時(shí)間，“削峰填谷”，取得明顯的節(jié)能效果［3］。裝卸效率直接體現(xiàn)了調(diào)度水平的高低，因此，借助計(jì)算機(jī)仿真方法將立體軌道式自動(dòng)化碼頭分別與傳統(tǒng)碼頭和AGV自動(dòng)化碼頭在裝卸效率方面進(jìn)行了對(duì)比分析。

利用Witness軟件結(jié)合DirectX工具建立立體軌道式自動(dòng)化碼頭三維仿真分析模型，如圖1所示。按照相同的堆場(chǎng)面積（400m×400m）配置，根據(jù)碼頭經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值及仿真修正值，得出不同碼頭的效率，如表3所示。

表3 碼頭裝卸效率對(duì)比

由表3可見(jiàn)，立體軌道式自動(dòng)化碼頭相比傳統(tǒng)碼頭和AGV自動(dòng)化碼頭，堆場(chǎng)利用率分別提高了22%和41%，作業(yè)效率分別提高了20%和67%。以卸載完成容量為4800TEU的貨船為例，不考慮工人換班等因素，立體軌道式自動(dòng)化碼頭需16h，傳統(tǒng)碼頭需19.2h，AGV自動(dòng)化碼頭需26.7h。貨船在港停靠時(shí)間的縮短會(huì)降低船東及碼頭的運(yùn)營(yíng)成本，提高碼頭的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 作業(yè)能耗對(duì)比［4］

碼頭裝卸流程包含多個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，如岸橋裝卸、碼頭水平運(yùn)輸、碼頭堆場(chǎng)裝卸、碼頭陸側(cè)運(yùn)輸與裝卸等。立體軌道式自動(dòng)化碼頭區(qū)別于現(xiàn)有碼頭的顯著特點(diǎn)是，碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備及工藝不同。因此，為了分析立體軌道式自動(dòng)化碼頭相對(duì)于現(xiàn)有碼頭的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，只對(duì)碼頭水平運(yùn)輸進(jìn)行能耗計(jì)算。以卸船為例，3種碼頭的不同運(yùn)輸設(shè)備及工藝如表4所示。

表4 碼頭的裝卸工藝及設(shè)備比較

進(jìn)行能耗對(duì)比時(shí)，以相同的碼頭布局為前提，同時(shí)以卸船為例，計(jì)算利用不同的運(yùn)輸設(shè)備完成一個(gè)40ft集裝箱水平運(yùn)輸?shù)哪芎摹＜b箱在堆場(chǎng)的位置不同會(huì)影響運(yùn)輸設(shè)備的作業(yè)路徑，從而影響作業(yè)能耗。因此，假設(shè)在堆場(chǎng)水平及垂直方向的作業(yè)路徑大小均取平均值，計(jì)算運(yùn)輸設(shè)備的平均能耗，作業(yè)路線如圖2所示。

在立體軌道式自動(dòng)化碼頭中，RMG對(duì)某一貝集裝箱作業(yè)時(shí)，需由當(dāng)前位置空載移動(dòng)至目標(biāo)貝位。以圖2中堆場(chǎng)布局為例，RMG大車軌道方向可放置19貝40ft箱，RMG在兩個(gè)相鄰40ft箱貝位間移動(dòng)距離為12.916m，設(shè)RMG當(dāng)前位置為x，目標(biāo)位置為y（x、y代表RMG相對(duì)第一貝移動(dòng)的貝數(shù)，0≤x≤18，0≤y≤18），則RMG空載移動(dòng)的平均距離

由式（1）計(jì)算得L＝77.5m。RMG移動(dòng)1個(gè)平均距離后可以裝卸多個(gè)集裝箱，本文在計(jì)算RMG能耗時(shí)按最差情況考慮，即移動(dòng)一次只裝卸1個(gè)集裝箱。

由計(jì)算結(jié)果得出立體軌道式自動(dòng)化碼頭、傳統(tǒng)碼頭以及AGV自動(dòng)化碼頭完成一個(gè)集裝箱的水平運(yùn)輸能耗，如表5所示，由于水力、風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)程不產(chǎn)生CO2，而火力發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生CO2，故表中CO2排放量為某一區(qū)間值；CO2排放量根據(jù)文獻(xiàn)［5］中的碳排放公式計(jì)算。

表5 碼頭水平運(yùn)輸能耗對(duì)比

假設(shè)將火電與水電（或風(fēng)電等清潔電能源）按1∶1配比。由表5可見(jiàn)，立體軌道式自動(dòng)化碼頭相比與傳統(tǒng)碼頭和AGV自動(dòng)化碼頭，水平運(yùn)輸能耗成本可分別節(jié)約75.4%和89%，CO2排放量分別減少60.3%和83.9%。以完成4800TEU貨船的裝卸為例，立體軌道式自動(dòng)化碼頭相對(duì)于傳統(tǒng)碼頭和AGV碼頭在水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)可分別節(jié)約作業(yè)成本40 466元和106 527元，減少CO2排放12 408kg和42 720kg。由于立體軌道式裝卸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化，減少了對(duì)司機(jī)的依賴，人工費(fèi)用也將大大降低。

綜上所述，立體軌道式自動(dòng)化碼頭無(wú)論在裝卸效率還是節(jié)能環(huán)保方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。其高效性可以滿足日益增長(zhǎng)的集裝箱運(yùn)量的飛速發(fā)展以及集裝箱船舶的大型化發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)其節(jié)能環(huán)保性能可以很好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前能源危機(jī)，符合低碳經(jīng)濟(jì)的環(huán)保理念。

［1］彭傳圣.集裝箱碼頭的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)［J］.港口裝卸，2003（2）：1－6.

［2］Cao Jinxin，Shi Qixin，Lee Der－Horong.A Decision Support Method for Truck Scheduling and Storage Allocation Problem at Container［J］.Tsinghua Science and Technology，2008，13（S1）：211－216.

［3］交通節(jié)能網(wǎng).港口能源消耗的主要因素及節(jié)能建議［EB／OL］.（2008－01－08）［2011－02－15］.http：／／www.china－esi.com／pat／6587.html

［4］梁燕，吳富生，金建明.立體軌道式自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)能耗分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2010（11）：1－6.

［5］碳排放計(jì)算公式［EB／OL］.［2011－02－15］.http：／／trans.wenweipo.com／gb／paper.wenweipo.com／2010／01／03／NS1001030006.html