自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝的系統(tǒng)化思考

李金龍

（義烏市交通運(yùn)輸局　浙江 義烏　322000）

自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝的系統(tǒng)化思考

李金龍

（義烏市交通運(yùn)輸局浙江 義烏322000）

本文梳理全球自動(dòng)化集裝箱碼頭發(fā)展情況，對(duì)碼頭裝卸工藝進(jìn)行了模塊化分析和系統(tǒng)化思考，為未來(lái)我國(guó)港口自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)和發(fā)展提供借鑒。

自動(dòng)化集裝箱碼頭；裝卸工藝；模塊化；系統(tǒng)化

一、自動(dòng)化集裝箱碼頭發(fā)展現(xiàn)狀

隨著船舶大型化發(fā)展，現(xiàn)有傳統(tǒng)的集裝箱碼頭面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的巨大壓力。由于勞動(dòng)力成本增加，自動(dòng)化和信息技術(shù)進(jìn)步，以及環(huán)保理念的深入實(shí)施，高效節(jié)能的自動(dòng)化碼頭已成為全球集裝箱碼頭的發(fā)展趨勢(shì)。早在20世紀(jì)80年代中期，在人口遞減、熟練勞動(dòng)力資源匱乏的西歐地區(qū)，自動(dòng)化集裝箱碼頭最先受到關(guān)注。1993年，荷蘭鹿特丹港的ECT碼頭建成世界上第一個(gè)自動(dòng)化集裝箱碼頭并投入運(yùn)行。隨后，英國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等紛紛投入巨資改造和新建自動(dòng)化集裝箱碼頭。截至2016年3月，全球建成和在建的自動(dòng)化集裝箱碼頭共計(jì)32個(gè)，其中半自動(dòng)化碼頭20個(gè)，全自動(dòng)化碼頭12個(gè)（見(jiàn)表1）。中國(guó)第一個(gè)全自動(dòng)化集裝箱碼頭是廈門(mén)遠(yuǎn)海碼頭，2014年建成投入運(yùn)行。

如表1所示，早期自動(dòng)化集裝箱碼頭集中分布在人力成本較高的西歐地區(qū)，當(dāng)前則出現(xiàn)在世界范圍內(nèi)推廣建設(shè)的趨勢(shì)。尤其自2008年全球金融危機(jī)以來(lái)，全球各大碼頭經(jīng)營(yíng)商為提振經(jīng)營(yíng)績(jī)效、保持不被時(shí)代發(fā)展淘汰，紛紛發(fā)展和加強(qiáng)集裝箱碼頭自動(dòng)化水平，形成新一輪的自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)發(fā)展的高潮。實(shí)際上，在經(jīng)歷半自動(dòng)化碼頭快速發(fā)展的過(guò)渡期后，全自動(dòng)化碼頭已成為自動(dòng)化集裝箱碼頭發(fā)展新趨勢(shì)，其技術(shù)先進(jìn)性的優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)。我國(guó)作為港口大國(guó)，必須順應(yīng)全球自動(dòng)化碼頭發(fā)展潮流，并引起高度重視。

表1　全球已建成自動(dòng)化集裝箱碼頭明細(xì)

表1　全球已建成自動(dòng)化集裝箱碼頭明細(xì)?。ɡm(xù)表）

二、裝卸工藝的模塊化分析

借鑒國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，只有采用系統(tǒng)化方法才能有效構(gòu)建自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝體系。即在裝卸工藝的選擇中，不能沿用傳統(tǒng)的以作業(yè)線為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念，而是首先將裝卸工藝系統(tǒng)劃分為多個(gè)相互聯(lián)系的模塊，然后運(yùn)用系統(tǒng)化的思路，通過(guò)模塊間的相互匹配來(lái)完成碼頭工藝的有效配置。按照上述方法，首先對(duì)碼頭裝卸工藝進(jìn)行模塊化分析。將碼頭工藝系統(tǒng)劃分為岸邊裝卸、水平運(yùn)輸、堆場(chǎng)集疏運(yùn)和閘口進(jìn)出等四大模塊，對(duì)傳統(tǒng)集裝箱碼頭和自動(dòng)化集裝箱碼頭各項(xiàng)指標(biāo)開(kāi)展對(duì)比分析。

1.岸邊裝卸模塊。該模塊主要是集裝箱岸橋（QC）工藝，自動(dòng)化碼頭和傳統(tǒng)碼頭在該環(huán)節(jié)沒(méi)有本質(zhì)的差別。最近十多年間，在船舶大型化以及高效率裝卸的推動(dòng)下，在經(jīng)歷了單小車--雙小車--多種改進(jìn)型的發(fā)展過(guò)程后，QC的技術(shù)性能有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。例如，在荷蘭鹿特丹港的Euromax自動(dòng)化集裝箱碼頭、我國(guó)青島港QQCT四期碼頭（傳統(tǒng)集裝箱碼頭），新式雙小車QC有前小車、中轉(zhuǎn)平臺(tái)和后小車。卸船時(shí)，前小車負(fù)責(zé)將船上的集裝箱吊至中轉(zhuǎn)平臺(tái)，后小車將中轉(zhuǎn)平臺(tái)上的集裝箱吊放到水平運(yùn)輸工具上，裝船時(shí)則按相反過(guò)程進(jìn)行。由于雙小車QC的2臺(tái)小車各自的運(yùn)行路程僅為單小車岸橋小車運(yùn)行路程的一半，故工作效率較高。加之在中轉(zhuǎn)平臺(tái)上提取貨物裝上集裝箱轉(zhuǎn)銷，取轉(zhuǎn)銷不占用生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間，可以達(dá)到單機(jī)每小時(shí)80-100TEU的裝卸效率，提升效率2-3倍。此外，上海振華港機(jī)還最新研發(fā)出雙40英尺箱雙小車QC，它與雙小車岸橋區(qū)別在于前后小車可以同時(shí)一次裝卸2個(gè)并排40英尺箱，中轉(zhuǎn)平臺(tái)可以保證并排的2個(gè)集裝箱快速定位，效率更高。

2.水平運(yùn)輸模塊。自動(dòng)化和傳統(tǒng)集裝箱碼頭在船邊至堆場(chǎng)間的水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)存在差別。自動(dòng)化碼頭多采用自動(dòng)導(dǎo)向小車（AGV）工藝，傳統(tǒng)碼頭多采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的集裝箱卡車（集卡）、跨運(yùn)車（SC）工藝。在國(guó)外特別是歐美國(guó)家，船邊至堆場(chǎng)間的水平運(yùn)輸多采用AGV或SC作業(yè)，AGV可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，跨運(yùn)車SC目前還是由人工操作的。例如，1993年投入運(yùn)營(yíng)的荷蘭鹿特丹港ECT碼頭采用的AGV沿固定圓形路線運(yùn)行，AGV裝卸點(diǎn)位于QC門(mén)框內(nèi)，同時(shí)AGV不進(jìn)入堆場(chǎng)。德國(guó)漢堡港CTA碼頭的AGV利用異頻雷達(dá)導(dǎo)航，按不固定路線運(yùn)行，相對(duì)于固定路線運(yùn)行，其效率更高，但是調(diào)度更復(fù)雜。同時(shí)，它的裝卸點(diǎn)在岸橋的后伸區(qū)域，不在QC門(mén)框之內(nèi)，同時(shí)也不進(jìn)入堆場(chǎng)。荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭在堆場(chǎng)內(nèi)留有1條AGV通道，AGV可進(jìn)入堆場(chǎng)，并且在相互交叉的情況下，可以直行、轉(zhuǎn)彎、環(huán)行，功能更為強(qiáng)大。最近，上海振華港機(jī)研發(fā)的可以自行升降的AGV已經(jīng)面世，化解了AGV 與QC和ARMG間的耦合困境，把AGV提升到一個(gè)新的技術(shù)層面。

國(guó)內(nèi)目前主要以集卡為主。通常國(guó)內(nèi)港口碼頭公司自有集卡很少，水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)由社會(huì)力量承包，碼頭公司只負(fù)責(zé)合同契約式管理。最近幾年，各大港口為提升效率，在新式QC的推廣應(yīng)用過(guò)程中，QC的高效率和集卡水平運(yùn)輸之間矛盾逐步激化。與QC每小時(shí)80-100TEU的作業(yè)效率相比，常規(guī)的集卡水平運(yùn)輸作業(yè)效率明顯偏低，裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)的銜接成為瓶頸，嚴(yán)重影響整體作業(yè)效率，并且?guī)?lái)一系列管理問(wèn)題和安全隱患。

3.堆場(chǎng)集疏運(yùn)模塊。自動(dòng)化和半自動(dòng)化集裝箱碼頭都在堆場(chǎng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè)，與傳統(tǒng)集裝箱碼頭有著本質(zhì)區(qū)別。

通常，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)起重機(jī)主要是輪胎吊（RTG）或軌道吊（RMG）。RTG采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行靈活性強(qiáng)，RMG則按照固定軌道行駛，使用電動(dòng)車輪驅(qū)動(dòng)，環(huán)境污染小。在迄今集裝箱碼頭中，RMG占據(jù)多數(shù)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保的目標(biāo)，上海、青島等港口近年對(duì)原有的RTG進(jìn)行了“油改電”升級(jí)改造，采用電力驅(qū)動(dòng)。

而在自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)與此大有不同。例如，德國(guó)漢堡港CTA自動(dòng)化集裝箱碼頭在堆垛時(shí)采用一高一低2臺(tái)全自動(dòng)軌道吊（ARMG），2臺(tái)ARMG軌距不同并運(yùn)行在不同軌道上，可以互相穿越運(yùn)行，各自均可獨(dú)立裝卸箱垛任何一部分，裝卸效率和靈活性較高。而在荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭、國(guó)內(nèi)廈門(mén)港遠(yuǎn)海碼頭堆場(chǎng)內(nèi)ARMG為接力式對(duì)稱布置。目前，有些碼頭開(kāi)始使用可同時(shí)吊2個(gè)40英尺或4個(gè)20英尺集裝箱的ARMG，效率提高30%以上。

4.閘口進(jìn)出模塊。自動(dòng)化碼頭和傳統(tǒng)碼頭在該環(huán)節(jié)差別不大，都是采用自動(dòng)化智能閘口。閘口一般設(shè)置兩道，第一道的作用是信息的辨識(shí)和確認(rèn)，第二道是接受具體的指令。

綜上所述，水平運(yùn)輸和堆場(chǎng)集疏運(yùn)兩大模塊是自動(dòng)化集裝箱碼頭與傳統(tǒng)碼頭區(qū)別的核心所在。因此，如何處理好這兩大模塊就是成功規(guī)劃建設(shè)自動(dòng)化碼頭的關(guān)鍵。

三、裝卸工藝的系統(tǒng)化思考

1.各模塊的技術(shù)可靠性。在自動(dòng)化集裝箱碼頭，由于人員進(jìn)入碼頭作業(yè)區(qū)域和設(shè)備的人為操作受到嚴(yán)格限制，這就要求上述模塊必須具備良好的自我運(yùn)轉(zhuǎn)能力，任何環(huán)節(jié)的技術(shù)缺陷都會(huì)影響整體裝卸過(guò)程。這表明各個(gè)模塊必須應(yīng)用成熟的技術(shù)。隨著雙小車及三小車QC的出現(xiàn)，AGV從只能運(yùn)載1個(gè)集裝箱向運(yùn)載2個(gè)或多個(gè)集裝箱發(fā)展。然而目前AGV工藝在技術(shù)方面可靠性不高。日本、韓國(guó)等港口的自動(dòng)化集裝箱碼頭多在水平運(yùn)輸模塊多保留人工操作，并為全自動(dòng)化升級(jí)預(yù)留空間。

另外，考慮到碼頭裝卸操作的現(xiàn)實(shí)情況及部分工作性質(zhì)要求，通常需要一定數(shù)量的碼頭工人，比如對(duì)甲板上的集裝箱的捆綁和松綁，以及對(duì)每個(gè)集裝箱上的四個(gè)鎖緊錐的解綁，這些工作都無(wú)法由機(jī)器完成。因此，建議分期、分階段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化碼頭的建設(shè)目標(biāo)。即初期在水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)保留人工操作，在堆場(chǎng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，后期隨著技術(shù)的進(jìn)步，再逐步將碼頭向自動(dòng)化升級(jí)，同時(shí)注意自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問(wèn)題。

2.各模塊的整合協(xié)同。自動(dòng)化碼頭的主要資源是裝卸設(shè)備，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配和控制主要依靠作為“指揮中樞”的生產(chǎn)組織調(diào)度，由它向作為“現(xiàn)場(chǎng)操作者”的設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)送作業(yè)指令，后者安排作業(yè)機(jī)械設(shè)備完成操作，以此來(lái)保障各模塊有效協(xié)同的整體效率。然而，由于每個(gè)港口定位和貨物流向不同，各碼頭集疏運(yùn)的特點(diǎn)差異較大，如何有效協(xié)同的整體效率就成為一個(gè)難題。例如，鹿特丹港Euromax碼頭花了3年時(shí)間才完成自動(dòng)化生產(chǎn)管理系統(tǒng)和設(shè)備管理系統(tǒng)的整合協(xié)調(diào)。日韓發(fā)展自動(dòng)化集裝箱碼頭的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也證明，整合各模塊功能，實(shí)現(xiàn)各模塊的有效協(xié)同，可以全面提高整個(gè)碼頭的作業(yè)效率，提升港口競(jìng)爭(zhēng)力。

3.整個(gè)系統(tǒng)的模式選擇。自動(dòng)化集裝箱碼頭具備節(jié)省碼頭人力成本、提高港口通過(guò)能力、節(jié)能環(huán)保、提升港口形象等諸多優(yōu)勢(shì)，但其建設(shè)和發(fā)展需要經(jīng)歷長(zhǎng)期的過(guò)程。因此要立足港口實(shí)際情況，綜合考慮實(shí)際需求、碼頭條件、吞吐量、成本（投資、維護(hù)、運(yùn)行）等因素，科學(xué)選取全自動(dòng)化或半自動(dòng)化碼頭建設(shè)模式。例如，美國(guó)洛杉磯港的TraPac和長(zhǎng)灘中港碼頭（LBCT），由于分別屬于商船三井（MOL）和東方海外（OOCL）。由于每年有不少于200萬(wàn)TEU的運(yùn)量作支撐，投入巨資建設(shè)全自動(dòng)化碼頭是其最優(yōu)化戰(zhàn)略選擇。而對(duì)于弗吉尼亞碼頭而言，由于其不是班輪公司的子公司，無(wú)法依賴母公司的貨運(yùn)量來(lái)保持業(yè)務(wù)流量，顯然更適合建設(shè)半自動(dòng)化碼頭。因此，國(guó)內(nèi)沿海港口在模式選擇上，一定要綜合考慮投資回報(bào)率、自身集疏運(yùn)特點(diǎn)、平均作業(yè)效率、綜合作業(yè)單耗、泊位通過(guò)能力等因素。

近十年來(lái)，我國(guó)沿海港口行業(yè)勞動(dòng)力逐漸短缺，人力成本逐步飆升，同時(shí)港口自動(dòng)化技術(shù)日趨成熟，設(shè)施成本不斷下降。此消彼長(zhǎng)之下，由自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備引發(fā)的“機(jī)器換人”已成為全產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的時(shí)代潮流。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化集裝箱碼頭的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。我國(guó)港口企業(yè)在自動(dòng)化集裝箱碼頭的建設(shè)發(fā)展過(guò)程中，除了要采取先進(jìn)的工藝流程和技術(shù)設(shè)備，更要以提高資源利用率、減少勞動(dòng)力成本、提高碼頭運(yùn)作效率、改善服務(wù)水平質(zhì)量為最終目標(biāo)。同時(shí)，在涉及發(fā)展建設(shè)的制度、管理等“軟環(huán)境”上，將面臨一些困難和挑戰(zhàn)，需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，因此，要在科學(xué)制定發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)上，積極借鑒國(guó)外港口的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和管理理念，因地制宜地開(kāi)展自動(dòng)化碼頭建設(shè)工作。

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［2］王鵬慧，江南莼.獨(dú)樹(shù)一幟的美國(guó)半自動(dòng)化碼頭［J］.中國(guó)港口，2015（8）.

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［4］楊宇華等.集裝箱自動(dòng)化碼頭發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2015（6）.

［5］李金龍.中國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭的發(fā)展與挑戰(zhàn)［J］.港口經(jīng)濟(jì)，2016（1）.

責(zé)任編輯：張明