基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)設(shè)計

李偉+李勛+安國利

隨著世界集裝箱海運量不斷增長及集裝箱船舶日益大型化（特別是3E級船舶的投入使用），集裝箱裝卸作業(yè)的穩(wěn)定高效、節(jié)能環(huán)保和成本壓縮已成為港口經(jīng)營者關(guān)注的重點。自動化集裝箱碼頭在減少碼頭人力成本、提高碼頭通過能力、降低碼頭能耗、提升碼頭形象等方面具有顯著優(yōu)勢，是未來集裝箱碼頭發(fā)展的必然趨勢。

天津港是世界上等級最高的人工深水港，處于京津城市帶和環(huán)渤海經(jīng)濟圈的交匯點，是首都北京的海上門戶。天津港現(xiàn)有水陸域面積2，是我國北方最大的綜合性港口，是連接?xùn)|北亞與中西亞的紐帶。2013年天津港貨物吞吐量達(dá)5億t，世界排名第四位，集裝箱吞吐量達(dá)萬TEU，世界排名第十位。為適應(yīng)集裝箱碼頭的發(fā)展趨勢，天津港計劃在東疆港區(qū)建設(shè)自動化集裝箱碼頭。該集裝箱碼頭位于天津港東疆港區(qū)西側(cè)岸線，碼頭岸線總長約，碼頭縱深約，規(guī)劃建設(shè)4個泊位，年設(shè)計集裝箱吞吐量300萬TEU。根據(jù)上述自動化集裝箱碼頭的基本規(guī)劃，天津港開展自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)分析和研究工作，設(shè)計出基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)。

1 世界自動化集裝箱碼頭發(fā)展現(xiàn)狀及特點

1993年，荷蘭鹿特丹港ECT碼頭投入運行，標(biāo)志著世界上第一個自動化集裝箱碼頭的誕生。截至目前，世界自動化集裝箱碼頭已歷經(jīng)20多年的發(fā)展，并呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢。據(jù)統(tǒng)計，截至2013年底，世界建成和在建的自動化集裝箱碼頭遍及四大洲，共計32個項目。根據(jù)自動化集裝箱碼頭所采用堆場設(shè)備和水平運輸方式的不同，可將現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭分為以下3類。

（1）“自動化軌道吊+自動導(dǎo)引車”工藝碼頭 此類工藝碼頭采用自動導(dǎo)引車作為從岸橋到堆場的集裝箱水平運輸設(shè)備；堆場垂直于岸線布置，采用自動化軌道吊作為堆場起重設(shè)備，負(fù)責(zé)集裝箱在堆場內(nèi)的水平運輸和垂直起重作業(yè)。[1]此類工藝碼頭的優(yōu)點在于：自動化水平較高，有利于節(jié)省碼頭人工成本。此類工藝碼頭的缺點在于：自動導(dǎo)引車采用全自動調(diào)度和行駛模式，效率較低，碼頭平均單線效率為28自然箱/h左右；由于自動導(dǎo)引車與岸橋和自動化軌道吊間存在耦合問題，作業(yè)時必須互相等待，影響作業(yè)效率；碼頭前期成本較高。此類工藝碼頭一般建設(shè)在人工成本較高的歐美發(fā)達(dá)國家或地區(qū)，代表碼頭有鹿特丹港ECT碼頭和Euromax碼頭。[2]近年來，一些集裝箱碼頭（如鹿特丹港RWG碼頭）采用帶自升降功能的自動導(dǎo)引車，以提升碼頭作業(yè)效率；不過，目前這些碼頭尚未投產(chǎn)，帶自升降功能自動導(dǎo)引車的投入到底能夠帶來多大效率提升空間仍有待觀察。

（2）“自動化軌道吊+跨運車”工藝碼頭 此類工藝碼頭使用輕型跨運車作為水平運輸設(shè)備，跨運車由人工駕駛；堆場垂直于岸線布置，采用自動化軌道吊作為堆場起重設(shè)備。此類工藝碼頭的優(yōu)點在于：跨運車具有起重能力，能夠?qū)崿F(xiàn)其與岸橋和自動化軌道吊間的解耦控制，作業(yè)時無須互相等待，因此作業(yè)效率較高；人工駕駛模式使碼頭初期投資較少，并有利于提高作業(yè)效率。此類工藝碼頭的缺點在于：與使用自動導(dǎo)引車的碼頭相比，其自動化水平較低，且運營成本較高。此類工藝碼頭的代表有倫敦門戶碼頭[3]和弗吉尼亞集裝箱碼頭。

（3）“帶外伸臂式軌道吊+集卡”工藝碼頭 此類工藝碼頭采用集卡作為水平運輸設(shè)備；堆場平行于岸線布置，采用帶外伸臂的軌道吊作為起重設(shè)備；軌道吊下是自動化集裝箱堆場，兩側(cè)外伸臂下是集卡通道。此類工藝碼頭的優(yōu)點是：建設(shè)成本較低，其生產(chǎn)方式與原有集卡生產(chǎn)方式的兼容性較好。[4]此類工藝碼頭的缺點在于：由于集卡在場地內(nèi)運行距離較長，難以精確定位，導(dǎo)致設(shè)備間交接容易出現(xiàn)長時間互相等待的情況，影響作業(yè)效率；人工駕駛的集卡與軌道吊的交接點較多，存在一定安全隱患。[5]此類工藝碼頭多建于亞洲國家或地區(qū)，例如，建于香港港的香港國際貨柜碼頭和建于釜山港的HJNC碼頭就屬于此類工藝碼頭。

2 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

參考現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)，結(jié)合天津港自動化集裝箱碼頭的建設(shè)規(guī)劃，設(shè)計基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)（見圖1）。在新系統(tǒng)下：碼頭岸邊配置帶地面平臺的新型高效岸橋，利用跨運車完成岸邊水平運輸；堆場垂直于岸線布置，由梭車系統(tǒng)完成堆場集裝箱水平運輸，由自動化軌道吊進行堆場集裝箱裝卸；在集疏運方面，使用優(yōu)化的集卡倒車解決方案。此外，為提高梭車作業(yè)效率，在堆場前后側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)承平臺，梭車配置自動頂升裝置；跨運車將集裝箱運至轉(zhuǎn)承平臺后，由梭車自動頂升裝置實現(xiàn)集裝箱與轉(zhuǎn)承平臺分離，從而完成集裝箱水平運輸。

圖1 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)

2.2 流程設(shè)計

基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭卸船工藝流程如圖2所示。岸橋?qū)⒓b箱卸至碼頭前沿，系統(tǒng)判定集裝箱應(yīng)進入的堆場位置?？邕\車將集裝箱運送至堆場海側(cè)，并根據(jù)系統(tǒng)判定，選擇以下路徑：（1）將集裝箱放到轉(zhuǎn)承平臺上后，通過軌道梭車將之運送到海側(cè)或陸側(cè)自動化軌道吊，由其將集裝箱放至堆場；（2）將集裝箱放到堆場海側(cè)緩沖區(qū)內(nèi)后，由海側(cè)自動化軌道吊將集裝箱吊至堆場指定位置。此工藝的裝船流程與卸船流程相反。

圖2 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭卸船工藝流程

2.3 岸橋設(shè)計

配備人工跨運車的自動化集裝箱碼頭多采用雙小車岸橋，在岸橋岸側(cè)腿間設(shè)中間平臺，以便進行轉(zhuǎn)鎖拆裝和箱號掃描作業(yè)。不過，設(shè)置該平臺的弊端在于：將集裝箱作業(yè)過程分為兩部分（見圖3），使得岸橋單次作業(yè)需要進行2次加減速，導(dǎo)致岸橋作業(yè)效率大幅降低。為此，很多自動化集裝箱碼頭廢棄該平臺，選擇在地面進行轉(zhuǎn)鎖拆裝作業(yè)；但地面轉(zhuǎn)鎖拆裝作業(yè)存在人機混雜的問題，容易引發(fā)安全事故。

圖3 帶中間平臺岸橋作業(yè)

為解決上述問題，設(shè)計帶地面隨動平臺的新型岸橋。隨動平臺可布置于岸橋跨距內(nèi)或后側(cè)外伸臂下，通過電氣控制與岸橋進行自動隨動和定位。卸船作業(yè)時，岸橋?qū)⒓b箱從船上取下后放置到隨動平臺上；工人取下轉(zhuǎn)鎖后，跨運車即可將集裝箱自平臺上提起運走（見圖4）。

圖4 帶地面隨動平臺新型岸橋作業(yè)

2.4 堆場設(shè)計

2.4.1 配置轉(zhuǎn)承平臺

在堆場海側(cè)和陸側(cè)端部設(shè)置轉(zhuǎn)承平臺。通過轉(zhuǎn)承平臺，梭車與跨運車間實現(xiàn)解耦控制，交接時無須相互等待（見圖5），有效提升作業(yè)效率。梭車配置頂升裝置，可以在不借助其他起重機的情況下，將集裝箱頂起并進行水平運輸（見圖6）。

圖5 跨運車堆場轉(zhuǎn)承平臺作業(yè)

圖6 梭車頂升作業(yè)

2.4.2 自動化軌道吊與梭車協(xié)同作業(yè)

在堆場設(shè)置梭車道，采用自動化軌道吊與梭車協(xié)同作業(yè)：梭車負(fù)責(zé)集裝箱水平運輸，自動化軌道吊負(fù)責(zé)集裝箱起重作業(yè)。自動化軌道吊從梭車上取箱作業(yè)如圖7所示。當(dāng)堆場作業(yè)繁忙時，自動化軌道吊可以從堆場端部轉(zhuǎn)承平臺吊箱，并帶箱行走至指定作業(yè)位置（見圖8）。

圖7 自動化軌道吊從梭車上取箱作業(yè)

圖8 自動化軌道吊從堆場轉(zhuǎn)承平臺吊箱作業(yè)

3 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)改進方案

（1）上述新型自動化集裝箱工藝系統(tǒng)以單梭車道方案為主，根據(jù)碼頭實際情況，可以擴展為雙梭車道方案。

（2）雖然本系統(tǒng)選擇跨運車作為堆場集裝箱水平運輸設(shè)備，但實際上，帶自升降功能的自動導(dǎo)引車與頂升梭車也可以較好地配合作業(yè)。

（3）如果配合較好的調(diào)度算法，可以考慮不帶頂升裝置的梭車方案，同時撤去轉(zhuǎn)承平臺，以進一步簡化方案。

4 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)優(yōu)點

4.1 效率和安全性方面

（1）岸橋下設(shè)置的地面隨動平臺和堆場端部設(shè)置的轉(zhuǎn)承平臺實現(xiàn)整個工藝系統(tǒng)的解耦控制，使設(shè)備間的交接無須互相等待，大大提升系統(tǒng)作業(yè)效率。

（2）堆場海陸側(cè)均可建立1條以上作業(yè)線，有利于提高堆場作業(yè)效率。

（3）陸側(cè)自動化軌道吊可以參與海側(cè)作業(yè)，海側(cè)自動化軌道吊也可以參與陸側(cè)作業(yè)，使前后自動化軌道吊的有效作業(yè)量較為均衡。

（4）在1臺自動化軌道吊出現(xiàn)故障的情況下，仍能保持海陸側(cè)作業(yè)，大大提升作業(yè)系統(tǒng)的可靠性。

4.2 經(jīng)濟性方面

（1）梭車工藝系統(tǒng)有利于降低堆場翻箱率。在傳統(tǒng)自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)下，自動化軌道吊通常優(yōu)先進行堆場端部集裝箱吞吐作業(yè)，然后再進行翻箱作業(yè)；而基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)能大大提升堆場集裝箱一次到位率。經(jīng)仿真測算，單梭車道工藝方案下的堆場集裝箱一次到位率為40%，雙梭車道工藝方案下的堆場集裝箱一次到位率達(dá)80%以上。

（2）雖然梭車工藝系統(tǒng)使堆場投資增加，但由于堆場作業(yè)效率大大提升，可以通過減少堆場數(shù)量來減少碼頭投資成本（見圖9）。經(jīng)測算，基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)的設(shè)備投資與傳統(tǒng)自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)的設(shè)備投資基本持平。

圖9 傳統(tǒng)工藝系統(tǒng)方案與梭車工藝系統(tǒng)方案的堆場數(shù)量比較

（3）與采用自動化軌道吊進行集裝箱水平運輸相比，采用梭車進行集裝箱水平運輸可降低能耗75%以上（見表1），經(jīng)測算，每年至少可以節(jié)約成本600萬元人民幣。

表1 梭車與自動化軌道吊能耗比較

參考文獻：

[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）：73-78.

[2] 劉曄.談自動化集裝箱碼頭[J].港工技術(shù)，2014（2）：8-25.

[3] 楊瑞，謝文寧.自動化集裝箱碼頭的裝卸工藝及設(shè)備[J].集裝箱化，2010，21（3）：2-4.

[4] 趙彥虎.新型自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)研究[J].港口裝卸，2009（3）：22-24.

[5] 王偉，姚振強，包起帆.自動化堆場集裝箱先進裝卸工藝的探討[J].機械設(shè)計與研究，2007，23（2）：84-87.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-11-26）

圖4 帶地面隨動平臺新型岸橋作業(yè)

2.4 堆場設(shè)計

2.4.1 配置轉(zhuǎn)承平臺

在堆場海側(cè)和陸側(cè)端部設(shè)置轉(zhuǎn)承平臺。通過轉(zhuǎn)承平臺，梭車與跨運車間實現(xiàn)解耦控制，交接時無須相互等待（見圖5），有效提升作業(yè)效率。梭車配置頂升裝置，可以在不借助其他起重機的情況下，將集裝箱頂起并進行水平運輸（見圖6）。

圖5 跨運車堆場轉(zhuǎn)承平臺作業(yè)

圖6 梭車頂升作業(yè)

2.4.2 自動化軌道吊與梭車協(xié)同作業(yè)

在堆場設(shè)置梭車道，采用自動化軌道吊與梭車協(xié)同作業(yè)：梭車負(fù)責(zé)集裝箱水平運輸，自動化軌道吊負(fù)責(zé)集裝箱起重作業(yè)。自動化軌道吊從梭車上取箱作業(yè)如圖7所示。當(dāng)堆場作業(yè)繁忙時，自動化軌道吊可以從堆場端部轉(zhuǎn)承平臺吊箱，并帶箱行走至指定作業(yè)位置（見圖8）。

圖7 自動化軌道吊從梭車上取箱作業(yè)

圖8 自動化軌道吊從堆場轉(zhuǎn)承平臺吊箱作業(yè)

3 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)改進方案

（1）上述新型自動化集裝箱工藝系統(tǒng)以單梭車道方案為主，根據(jù)碼頭實際情況，可以擴展為雙梭車道方案。

（2）雖然本系統(tǒng)選擇跨運車作為堆場集裝箱水平運輸設(shè)備，但實際上，帶自升降功能的自動導(dǎo)引車與頂升梭車也可以較好地配合作業(yè)。

（3）如果配合較好的調(diào)度算法，可以考慮不帶頂升裝置的梭車方案，同時撤去轉(zhuǎn)承平臺，以進一步簡化方案。

4 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)優(yōu)點

4.1 效率和安全性方面

（1）岸橋下設(shè)置的地面隨動平臺和堆場端部設(shè)置的轉(zhuǎn)承平臺實現(xiàn)整個工藝系統(tǒng)的解耦控制，使設(shè)備間的交接無須互相等待，大大提升系統(tǒng)作業(yè)效率。

（2）堆場海陸側(cè)均可建立1條以上作業(yè)線，有利于提高堆場作業(yè)效率。

（3）陸側(cè)自動化軌道吊可以參與海側(cè)作業(yè)，海側(cè)自動化軌道吊也可以參與陸側(cè)作業(yè)，使前后自動化軌道吊的有效作業(yè)量較為均衡。

（4）在1臺自動化軌道吊出現(xiàn)故障的情況下，仍能保持海陸側(cè)作業(yè)，大大提升作業(yè)系統(tǒng)的可靠性。

4.2 經(jīng)濟性方面

（1）梭車工藝系統(tǒng)有利于降低堆場翻箱率。在傳統(tǒng)自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)下，自動化軌道吊通常優(yōu)先進行堆場端部集裝箱吞吐作業(yè)，然后再進行翻箱作業(yè)；而基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)能大大提升堆場集裝箱一次到位率。經(jīng)仿真測算，單梭車道工藝方案下的堆場集裝箱一次到位率為40%，雙梭車道工藝方案下的堆場集裝箱一次到位率達(dá)80%以上。

（2）雖然梭車工藝系統(tǒng)使堆場投資增加，但由于堆場作業(yè)效率大大提升，可以通過減少堆場數(shù)量來減少碼頭投資成本（見圖9）。經(jīng)測算，基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)的設(shè)備投資與傳統(tǒng)自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)的設(shè)備投資基本持平。

圖9 傳統(tǒng)工藝系統(tǒng)方案與梭車工藝系統(tǒng)方案的堆場數(shù)量比較

（3）與采用自動化軌道吊進行集裝箱水平運輸相比，采用梭車進行集裝箱水平運輸可降低能耗75%以上（見表1），經(jīng)測算，每年至少可以節(jié)約成本600萬元人民幣。

表1 梭車與自動化軌道吊能耗比較

參考文獻：

[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）：73-78.

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[4] 趙彥虎.新型自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)研究[J].港口裝卸，2009（3）：22-24.

[5] 王偉，姚振強，包起帆.自動化堆場集裝箱先進裝卸工藝的探討[J].機械設(shè)計與研究，2007，23（2）：84-87.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-11-26）

圖4 帶地面隨動平臺新型岸橋作業(yè)

2.4 堆場設(shè)計

2.4.1 配置轉(zhuǎn)承平臺

在堆場海側(cè)和陸側(cè)端部設(shè)置轉(zhuǎn)承平臺。通過轉(zhuǎn)承平臺，梭車與跨運車間實現(xiàn)解耦控制，交接時無須相互等待（見圖5），有效提升作業(yè)效率。梭車配置頂升裝置，可以在不借助其他起重機的情況下，將集裝箱頂起并進行水平運輸（見圖6）。

圖5 跨運車堆場轉(zhuǎn)承平臺作業(yè)

圖6 梭車頂升作業(yè)

2.4.2 自動化軌道吊與梭車協(xié)同作業(yè)

在堆場設(shè)置梭車道，采用自動化軌道吊與梭車協(xié)同作業(yè)：梭車負(fù)責(zé)集裝箱水平運輸，自動化軌道吊負(fù)責(zé)集裝箱起重作業(yè)。自動化軌道吊從梭車上取箱作業(yè)如圖7所示。當(dāng)堆場作業(yè)繁忙時，自動化軌道吊可以從堆場端部轉(zhuǎn)承平臺吊箱，并帶箱行走至指定作業(yè)位置（見圖8）。

圖7 自動化軌道吊從梭車上取箱作業(yè)

圖8 自動化軌道吊從堆場轉(zhuǎn)承平臺吊箱作業(yè)

3 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)改進方案

（1）上述新型自動化集裝箱工藝系統(tǒng)以單梭車道方案為主，根據(jù)碼頭實際情況，可以擴展為雙梭車道方案。

（2）雖然本系統(tǒng)選擇跨運車作為堆場集裝箱水平運輸設(shè)備，但實際上，帶自升降功能的自動導(dǎo)引車與頂升梭車也可以較好地配合作業(yè)。

（3）如果配合較好的調(diào)度算法，可以考慮不帶頂升裝置的梭車方案，同時撤去轉(zhuǎn)承平臺，以進一步簡化方案。

4 基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)優(yōu)點

4.1 效率和安全性方面

（1）岸橋下設(shè)置的地面隨動平臺和堆場端部設(shè)置的轉(zhuǎn)承平臺實現(xiàn)整個工藝系統(tǒng)的解耦控制，使設(shè)備間的交接無須互相等待，大大提升系統(tǒng)作業(yè)效率。

（2）堆場海陸側(cè)均可建立1條以上作業(yè)線，有利于提高堆場作業(yè)效率。

（3）陸側(cè)自動化軌道吊可以參與海側(cè)作業(yè)，海側(cè)自動化軌道吊也可以參與陸側(cè)作業(yè)，使前后自動化軌道吊的有效作業(yè)量較為均衡。

（4）在1臺自動化軌道吊出現(xiàn)故障的情況下，仍能保持海陸側(cè)作業(yè)，大大提升作業(yè)系統(tǒng)的可靠性。

4.2 經(jīng)濟性方面

（1）梭車工藝系統(tǒng)有利于降低堆場翻箱率。在傳統(tǒng)自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)下，自動化軌道吊通常優(yōu)先進行堆場端部集裝箱吞吐作業(yè)，然后再進行翻箱作業(yè)；而基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)能大大提升堆場集裝箱一次到位率。經(jīng)仿真測算，單梭車道工藝方案下的堆場集裝箱一次到位率為40%，雙梭車道工藝方案下的堆場集裝箱一次到位率達(dá)80%以上。

（2）雖然梭車工藝系統(tǒng)使堆場投資增加，但由于堆場作業(yè)效率大大提升，可以通過減少堆場數(shù)量來減少碼頭投資成本（見圖9）。經(jīng)測算，基于梭車自動頂升的自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)的設(shè)備投資與傳統(tǒng)自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)的設(shè)備投資基本持平。

圖9 傳統(tǒng)工藝系統(tǒng)方案與梭車工藝系統(tǒng)方案的堆場數(shù)量比較

（3）與采用自動化軌道吊進行集裝箱水平運輸相比，采用梭車進行集裝箱水平運輸可降低能耗75%以上（見表1），經(jīng)測算，每年至少可以節(jié)約成本600萬元人民幣。

表1 梭車與自動化軌道吊能耗比較

參考文獻：

[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）：73-78.

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[4] 趙彥虎.新型自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)研究[J].港口裝卸，2009（3）：22-24.

[5] 王偉，姚振強，包起帆.自動化堆場集裝箱先進裝卸工藝的探討[J].機械設(shè)計與研究，2007，23（2）：84-87.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-11-26）