自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝設(shè)計(jì)

何繼紅，林浩，姜橋

自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝設(shè)計(jì)

何繼紅，林浩，姜橋

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

圍繞裝卸工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，對裝卸系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的設(shè)備選型和工藝平面布置進(jìn)行分析，提出自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和需進(jìn)一步研究的技術(shù)。

集裝箱碼頭；自動(dòng)化；裝卸工藝

隨著集裝箱船舶的大型化趨勢和碼頭裝備技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化集裝箱碼頭在經(jīng)歷了一段技術(shù)發(fā)展期后重新被關(guān)注，國內(nèi)也興起了自動(dòng)化碼頭的建設(shè)浪潮。裝卸工藝是自動(dòng)化集裝箱碼頭設(shè)計(jì)的重要部分，我國自動(dòng)化集裝箱碼頭發(fā)展起步較晚，相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也少，本文結(jié)合工程實(shí)例對自動(dòng)化集裝箱碼頭的裝卸工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和探討。

1　自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)

自動(dòng)化集裝箱裝卸系統(tǒng)主要由三個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)組成：由集裝箱裝卸橋（簡稱：岸橋）組成的碼頭裝卸船環(huán)節(jié)、由軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（簡稱：軌道吊）為主要代表的集裝箱堆場裝卸環(huán)節(jié)和由自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車或跨運(yùn)車組成的碼頭與堆場間的水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)。其中：軌道吊相對容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，因此自動(dòng)化集裝箱碼頭的最低標(biāo)準(zhǔn)就是堆場作業(yè)的自動(dòng)化；水平運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化由于涉及許多隨機(jī)的路由決策和交通規(guī)劃等智能化問題，需要高度可靠的自動(dòng)定位、大容量信息處理和無線通信技術(shù)支撐，與堆場自動(dòng)化相比技術(shù)難度較大，是影響碼頭裝卸效率的主要瓶頸；三個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化難度最大的是裝卸船作業(yè)，主要由于船舶在波浪和風(fēng)載情況下的運(yùn)動(dòng)具有不可預(yù)測性以及船舶布局和結(jié)構(gòu)的差異。

裝卸工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是裝卸系統(tǒng)的設(shè)備選型和工藝平面布置。在整個(gè)裝卸系統(tǒng)中，碼頭裝卸環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作和提高裝卸效率，這也是碼頭設(shè)備選型的重要考慮因素；堆場裝卸設(shè)備現(xiàn)已逐步統(tǒng)一到自動(dòng)化軌道吊方案，技術(shù)相對成熟，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是進(jìn)一步優(yōu)化堆場布置，提高海、陸側(cè)的作業(yè)效率；水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)對整個(gè)裝卸系統(tǒng)能力的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是：如何更好地連接碼頭、堆場裝卸環(huán)節(jié)，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率；水平運(yùn)輸區(qū)域的布置如何在硬件上保證運(yùn)輸車輛能以最短距離和最少?zèng)_突路徑行駛。另外，如何在有人的交接面保證作業(yè)安全也是工藝設(shè)計(jì)中需特別注意的問題。

2　裝卸工藝設(shè)計(jì)

2.1水平運(yùn)輸設(shè)備選型

目前能實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸自動(dòng)化的設(shè)備主要有自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）和跨運(yùn)車[1]。

1）AGV

AGV是由計(jì)算機(jī)控制能夠沿指定的導(dǎo)引路徑自動(dòng)行駛的運(yùn)輸車輛，具有無人駕駛、自動(dòng)導(dǎo)航、定位精確、路徑優(yōu)化以及安全避障等智能化功能。AGV載重量為60 t，運(yùn)行速度可達(dá)到21.6 km/h，其動(dòng)力已由柴油發(fā)電機(jī)組向全電力（可充式電池）方向發(fā)展，具有自重輕、能耗低、噪聲小、零排放的優(yōu)點(diǎn)。在AGV運(yùn)行區(qū)域地面上需埋設(shè)呈矩陣排列的Transponder（俗稱“磁釘”），AGV車身底部前后各安裝有磁釘感應(yīng)天線，通過讀取地面上磁釘?shù)奈恢脕泶_定AGV的位置。AGV與中控室管理系統(tǒng)間采用無線信號(hào)傳輸方式，根據(jù)實(shí)時(shí)位置、車流信息選擇最優(yōu)運(yùn)行路徑。AGV系統(tǒng)是包括AGV車輛、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和充電系統(tǒng)等的一整套系統(tǒng)。

AGV按功能分為普通AGV和提升式AGV兩種。與普通AGV相比，提升式AGV通過在堆場交接區(qū)設(shè)置固定的集裝箱支架可以實(shí)現(xiàn)AGV與軌道吊間的裝卸作業(yè)解耦，AGV進(jìn)入交接區(qū)后，由AGV自帶的升降平臺(tái)對集裝箱支架取、放箱，AGV無需被動(dòng)等待堆場設(shè)備作業(yè)，使AGV單車的作業(yè)效率得到大幅提升，由此可減少AGV配置數(shù)量。提升式AGV與堆場交接區(qū)示意圖見圖1。

圖1　提升式AGV與堆場交接區(qū)的示意圖Fig.1 Sketch map for Lift-AGV and yard exchange area

為解決普通AGV與軌道吊的作業(yè)解耦問題，上海振華重工提出了在堆場海側(cè)交接區(qū)布置AGV“伴侶”的方案，AGV進(jìn)入交接區(qū)后，由“伴侶”對AGV裝、卸箱，使AGV可及時(shí)進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)，提高普通AGV的作業(yè)效率。在AGV“伴侶”上還可增配充電裝置解決AGV快速充電問題。

2）跨運(yùn)車

跨箱搬運(yùn)車（以下按習(xí)慣稱跨運(yùn)車）是在跨運(yùn)車基礎(chǔ)上開發(fā)的、僅用于碼頭和堆場間集裝箱水平穿梭搬運(yùn)的設(shè)備，這種跨運(yùn)車只運(yùn)不堆，提升高度僅為堆一過一，起重量可達(dá)50 t，最高運(yùn)行速度可達(dá)空載30 km/h、滿載18 km/h。由跨運(yùn)車與自動(dòng)化軌道吊配合作業(yè)，既能解決高密度堆場容量問題又能實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸與碼頭、堆場裝卸環(huán)節(jié)間的雙邊解耦作業(yè)，使岸橋和軌道吊的工作循環(huán)不受水平運(yùn)輸機(jī)械是否及時(shí)到位的影響，裝卸效率可以得到充分發(fā)揮?？邕\(yùn)車與堆場交接區(qū)的示意圖見圖2。

圖2　跨運(yùn)車與堆場交接區(qū)的示意圖Fig.2 Sketch map for shuttle carrier and yard exchange area

跨運(yùn)車設(shè)備本身可實(shí)現(xiàn)無人駕駛。受車體本身構(gòu)造和作業(yè)方式的限制，跨運(yùn)車的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)通常需利用差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）及現(xiàn)場定位雷達(dá)（LPR）。該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)定位精度不高，影響了跨運(yùn)車的快速作業(yè)能力，而且該系統(tǒng)易受氣候的影響。因此除布里斯班Patrick碼頭和洛杉磯Trapac碼頭外，目前其它自動(dòng)化碼頭的跨運(yùn)車在實(shí)際應(yīng)用中仍由人工駕駛，將來隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展逐步向無人駕駛過渡。

跨運(yùn)車自重較大，且必須具有集裝箱提升功能，配置的電機(jī)功率較大，故目前仍以采用柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，有向油電混合及其它清潔能源為動(dòng)力的發(fā)展趨勢。

3）水平運(yùn)輸設(shè)備的選擇

AGV和跨運(yùn)車是目前自動(dòng)化集裝箱碼頭的主要水平運(yùn)輸設(shè)備。在自動(dòng)化集裝箱碼頭中水平運(yùn)輸設(shè)備決定了碼頭的裝卸系統(tǒng)形式，它的選擇可根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)，綜合考慮項(xiàng)目所要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化目標(biāo)、投資、營運(yùn)成本以及設(shè)備采購及日常維護(hù)的便利性等因素。

2.2岸橋選型

自動(dòng)化集裝箱碼頭中的岸橋選型主要與工藝系統(tǒng)中所采用的水平運(yùn)輸方式和系統(tǒng)要達(dá)到的效率目標(biāo)有關(guān)。

采用AGV作為水平運(yùn)輸設(shè)備的自動(dòng)化碼頭適合采用雙小車岸橋。雙小車岸橋通過在岸橋海側(cè)或陸側(cè)門框上設(shè)置中轉(zhuǎn)平臺(tái)形成海側(cè)主小車和陸側(cè)副小車的交接緩沖區(qū)。這樣的布局使得雙小車岸橋相比單小車岸橋在作業(yè)效率和自動(dòng)化操作方面具有較大優(yōu)勢：雙小車岸橋用2臺(tái)高度不同的小車巧妙地處理高（裝卸船）與矮（裝卸AGV）兩種需要；雙小車接力，作業(yè)循環(huán)時(shí)間縮短，岸橋的整機(jī)作業(yè)效率得到提升；甲板箱鎖銷的拆裝和箱號(hào)掃描可在平臺(tái)上進(jìn)行；陸側(cè)副小車僅負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)平臺(tái)和AGV間的裝卸，其作業(yè)的兩端位置和狀態(tài)均可以自動(dòng)確定，使主小車采用自動(dòng)化+人工確認(rèn)的遠(yuǎn)程操控、副小車采用全自動(dòng)化的作業(yè)模式成為可能。集裝箱船舶的大型化趨勢對碼頭裝卸能力提出了更高的要求。綜合考慮與后續(xù)水平運(yùn)輸系統(tǒng)的銜接難度及岸橋整機(jī)效率的上升空間，AGV系統(tǒng)的碼頭可采用主小車配置雙吊具、副小車配置雙箱吊具的雙小車岸橋。

對于采用跨運(yùn)車的自動(dòng)化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)，因跨運(yùn)車能實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸與碼頭裝卸環(huán)節(jié)的解耦作業(yè)，能充分發(fā)揮岸橋的裝卸效率，且對于人工駕駛的跨運(yùn)車，若采用雙小車岸橋，全自動(dòng)化的陸側(cè)副小車與岸橋后伸距下方的跨運(yùn)車同時(shí)作業(yè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)，故該類碼頭大多采用單小車岸橋。從節(jié)省工程投資、同時(shí)又為未來碼頭效率的提升留有空間的角度，可采用配置雙吊具的單小車岸橋。

2.3碼頭前方作業(yè)區(qū)布置

為避免水平運(yùn)輸設(shè)備與岸橋間的相互干涉，自動(dòng)化集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸區(qū)宜布置在岸橋陸側(cè)軌后，岸橋軌內(nèi)設(shè)艙蓋板堆放區(qū)和特殊箱的集卡運(yùn)輸通道。水平運(yùn)輸區(qū)的布置應(yīng)該以減少水平路由的沖突、縮短運(yùn)輸距離、提高作業(yè)效率為原則。

AGV的水平運(yùn)輸區(qū)分為裝卸區(qū)、緩沖區(qū)和行駛區(qū)3個(gè)功能區(qū)。裝卸區(qū)車道采用單向布置，具體方向隨作業(yè)時(shí)的船頭方向而定，行駛區(qū)車道采用雙向布置，裝卸區(qū)與行駛區(qū)之間為緩沖區(qū)。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是：裝卸區(qū)車輛組織簡單，AGV通過中間的緩沖區(qū)，水平運(yùn)輸?shù)穆酚勺兓x擇多、沖突少、運(yùn)輸距離短，可適應(yīng)多泊位、高密度、高強(qiáng)度的作業(yè)。

跨運(yùn)車的水平運(yùn)輸區(qū)布置與AGV系統(tǒng)類似。根據(jù)跨運(yùn)車的設(shè)備特點(diǎn)，水平運(yùn)輸區(qū)由裝卸區(qū)和行駛區(qū)組成，兩個(gè)區(qū)域間可不設(shè)緩沖區(qū)。

水平運(yùn)輸區(qū)的車道數(shù)需綜合考慮項(xiàng)目的設(shè)計(jì)船型、泊位數(shù)、設(shè)備配置等因素。

2.4自動(dòng)化軌道吊選型

自動(dòng)化軌道吊的選型主要根據(jù)項(xiàng)目的集疏運(yùn)方式和不同形式軌道吊的作業(yè)特點(diǎn)確定。

不同的集疏運(yùn)方式有其不同的裝卸特點(diǎn)。因此，對于以水-陸聯(lián)運(yùn)為主的碼頭，采用整機(jī)重量較輕、堆場面積利用率更高的無懸臂軌道吊是合理的，而對于水-水中轉(zhuǎn)比例高的碼頭，則應(yīng)考慮利用懸臂軌道吊的優(yōu)勢。洋山四期工程中針對集裝箱吞吐量中水-水中轉(zhuǎn)比例高的特點(diǎn)，在自動(dòng)化堆場采用無懸臂軌道吊的基礎(chǔ)上加入單側(cè)懸臂軌道吊，通過外伸懸臂，使同一箱區(qū)的兩臺(tái)軌道吊可同時(shí)對AGV作業(yè)，直接為海側(cè)裝卸系統(tǒng)服務(wù)[2]。這種懸臂軌道吊和無懸臂軌道吊的組合方案，既滿足了堆場容量的需求，又增加了為岸橋服務(wù)的軌道吊數(shù)量，滿足船舶大型化對裝卸效率和作業(yè)持續(xù)強(qiáng)度的要求。

2.5集裝箱堆場布置

1）總體布置形式

要實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化，碼頭須采用滿堂式、堆場應(yīng)采用垂直于碼頭前沿線的布置方式。堆場海側(cè)端通過AGV或跨運(yùn)車實(shí)現(xiàn)碼頭與堆場間的自動(dòng)化作業(yè)交接，港外集卡則在堆場陸側(cè)端的外側(cè)與堆場軌道吊進(jìn)行自動(dòng)化+人工確認(rèn)的作業(yè)交接。該布置方式的優(yōu)點(diǎn)是使碼頭與堆場間的前方車流和陸路提送箱的后方集卡車流自然分離，便于自動(dòng)化堆場的封閉管理和港區(qū)交通組織；也使碼頭與堆場間的水平運(yùn)輸距離最短[3]。自動(dòng)化箱區(qū)通常采用雙機(jī)配置，保證每個(gè)箱區(qū)可同時(shí)進(jìn)行海、陸側(cè)作業(yè)。

2）交接區(qū)布置

采用無懸臂軌道吊作業(yè)的箱區(qū)，其交接區(qū)設(shè)在箱區(qū)的兩端。海側(cè)交接區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)水平運(yùn)輸設(shè)備的特點(diǎn)，關(guān)注水平運(yùn)輸設(shè)備與軌道吊之間能否實(shí)現(xiàn)解耦作業(yè)，減少作業(yè)過程中的相互等待。陸側(cè)交接區(qū)是自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)中有人的交接面，故應(yīng)重點(diǎn)考慮裝卸作業(yè)的安全性和安全管理措施：軌道吊采用自動(dòng)化+人工確認(rèn)的操作模式；設(shè)置完善的交通引導(dǎo)設(shè)施，使集卡司機(jī)快速找到指定箱區(qū)并倒車入位；操作站需設(shè)緊停按鈕和與中控室的語音對話系統(tǒng)，以應(yīng)對各種緊急情況；交接區(qū)還需設(shè)完善的監(jiān)控設(shè)施及對集卡司機(jī)的安全管理措施。

采用懸臂軌道吊作業(yè)的箱區(qū)，其交接區(qū)設(shè)在箱區(qū)的側(cè)面，即軌道吊懸臂下。交接位置不固定，采用水平運(yùn)輸設(shè)備與軌道吊直接交接的方式，作業(yè)時(shí)由水平運(yùn)輸設(shè)備將集裝箱運(yùn)輸至指定的排位，因此懸臂軌道吊的作業(yè)效率較高，單箱能耗較低，對其大車速度的要求也較低。布置上采用相鄰箱區(qū)軌道吊懸臂端相對的方式，兩懸臂下各布置一條裝卸通道，中間布置兩條行駛車道。

3）堆場箱區(qū)長度

對于采用無懸臂軌道吊的箱區(qū)，軌道吊除完成集裝箱的裝卸、堆取外，還需承擔(dān)集裝箱在箱區(qū)內(nèi)的水平運(yùn)輸，因此需關(guān)注箱區(qū)的長度，避免使軌道吊行走距離過長，影響堆場作業(yè)效率。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，該類箱區(qū)的合理長度在300 m左右，最長不超過350m[4]。

3　結(jié)語

1）自動(dòng)化集裝箱裝卸工藝設(shè)計(jì)中，水平運(yùn)輸設(shè)備的選型是關(guān)鍵，它決定了該碼頭的裝卸系統(tǒng)形式、岸橋選型和碼頭前方區(qū)布置，設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的具體條件、建設(shè)目標(biāo)、投資和營運(yùn)成本等因素綜合考慮；堆場是自動(dòng)化碼頭設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，堆場軌道吊的選型應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的集疏運(yùn)方式，使堆場海、陸側(cè)軌道吊的作業(yè)達(dá)到均衡，保證海側(cè)裝卸系統(tǒng)的裝卸效率，提高對海側(cè)作業(yè)強(qiáng)度的適應(yīng)性；堆場平面布置應(yīng)關(guān)注交接區(qū)的布置和箱區(qū)的合理長度。

自動(dòng)化是集裝箱碼頭技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，隨著國內(nèi)勞動(dòng)力成本的攀升和智慧港口、綠色港口建設(shè)的推進(jìn)，其在我國集裝箱碼頭建設(shè)中具有一定的應(yīng)用前景。

2）自動(dòng)化集裝箱碼頭的技術(shù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)、提高裝卸效率和降低營運(yùn)成本。綜觀世界自動(dòng)化集裝箱碼頭，其技術(shù)已由最初的自動(dòng)化無人操作向高效、智能化方向發(fā)展，但仍可在下述方面作進(jìn)一步探索，以使自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)生產(chǎn)效率更為提升、節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢更加突出：對岸橋的自動(dòng)化操作、自動(dòng)拆鎖銷技術(shù)作深入研究，更大程度地提高碼頭裝卸效率和自動(dòng)化水平；以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，進(jìn)一步提高自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化水平；對采用人工駕駛跨運(yùn)車的自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)加大研究力度，盡快向無人駕駛完善，跨運(yùn)車設(shè)備動(dòng)力應(yīng)向清潔能源發(fā)展。

[1]劉廣紅，程澤坤，林浩.自動(dòng)化集裝箱碼頭總體布置[J].水運(yùn)工程，2013（10）：73-79. LIUGuang-hong，CHENG Ze-kun,LINHao.General layoutofautomated container terminal[J].Port&Waterway Engineering.2013 (10):73-79.

[2]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.上海國際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)四期工程初步設(shè)計(jì)[R].2014. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of Yangshan deepwaterportphase IV projectin Shanghai international shipping center[R].2014.

[3]劉廣紅，何繼紅，丁飛虎.全自動(dòng)化集裝箱港區(qū)交通組織設(shè)計(jì)[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（12）：71-76. LIU Guang-hong，HE Ji-hong，DING Fei-hu.Traffic organization design of fully-automated container ports[J].China Harbour Engineering,2015,35(12):71-76.

[4]宓為建，楊小明，舒帆.自動(dòng)化集裝箱碼頭箱區(qū)作業(yè)仿真分析[J].集裝箱化，2014（12）：19-22. MIWei-jian,YANG Xiao-ming,SHU Fan.Simulation for block operation of automated container terminal[J].Containerization, 2014(12):19-22.

Design of handling technology for automated container terminal

HE Ji-hong,LINHao,JIANGQiao
（CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Based on themain contents of hand ling technology design,we analyzed the equipment selection and technological layout for the main parts of hand ling system,proposed the key points of automated container term inal designing and the technologieswhich require further research.

container terminal;automation;hand ling technology

U656.135

A

2095-7874（2016）04-0067-04

10.7640/zggw js201604017

2015-10-30

2016-01-05

何繼紅（1970—），女，上海市人，學(xué)士，高級工程師，從事港口裝卸工藝設(shè)計(jì)。E-mail：hejihong@theidi.com