在建傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造裝卸工藝設(shè)計

沈園

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福建 福州 350004）

0 引言

隨著集裝箱運輸船舶日趨大型化，人工智能、新能源等新技術(shù)快速發(fā)展，以及現(xiàn)代港口對人力成本、安全、環(huán)保、節(jié)能和作業(yè)效率等要求不斷提高，自動化集裝箱碼頭進入快速發(fā)展階段。

縱觀我國新建的自動化集裝箱碼頭，主要是區(qū)位優(yōu)越、干線密集，具有重要地位的樞紐港和干線港，其航運中心地位、強大的腹地經(jīng)濟以及相當規(guī)模的集裝箱吞吐量和水轉(zhuǎn)水的優(yōu)勢，支持著高投入自動化港口建設(shè)。

對于傳統(tǒng)集裝箱碼頭，由于其規(guī)模、地位、集疏運方式以及各港的現(xiàn)狀條件不同，自動化轉(zhuǎn)型升級的路徑、方式和規(guī)模控制有其獨特性和差別性。在智能、綠色、安全、高效、節(jié)能建港理念下，傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造已成為未來發(fā)展趨勢。

目前對新建自動化集裝箱碼頭[1-3]和傳統(tǒng)已建集裝箱碼頭自動化升級改造[4]研究較多，而正在建設(shè)中的傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造研究還較少。在建傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造既區(qū)別于已投產(chǎn)的傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造，也不同于新建全自動化集裝箱碼頭，是根據(jù)施工狀況，對在建傳統(tǒng)集裝箱碼頭及時賦予人工智能理念，結(jié)合港區(qū)現(xiàn)狀條件，應(yīng)用先進技術(shù)和智能系統(tǒng)進行自動化升級改造。

1 改造工程總體思路

1.1 工程概況

某港區(qū)主要服務(wù)于產(chǎn)業(yè)腹地，其水-陸轉(zhuǎn)運比例高達70%以上，順岸布置7個5萬噸級集裝箱泊位，其中1～5號泊位已建成投產(chǎn)，6～7號泊位正在建設(shè)施工。裝卸工藝模式[5]：單小車岸橋+集卡+ERTG。港區(qū)因良好的深水岸線開通了歐、美遠洋航線，具有喂給港和樞紐港雙重功能。面對持續(xù)增長的吞吐量和日趨大型化的集裝箱船（充分利用深水岸線兼靠20萬噸級集裝箱船），以及人工智能技術(shù)向港口領(lǐng)域發(fā)展，在6～7號泊位碼頭結(jié)構(gòu)已施工，后方堆場尚未形成的情況下及時自動化升級改造。

1.2 總體思路

在集裝箱船舶大型化對海側(cè)裝卸效率有更高要求，以及運營方對港區(qū)相鄰泊位統(tǒng)籌管理需求下，針對本工程水-陸轉(zhuǎn)運比例高，陸側(cè)裝卸環(huán)節(jié)外集卡作業(yè)量大的特點，采用自動化碼頭平面布局模式：堆場與碼頭平行布置或堆場與碼頭垂直布置[6]。

根據(jù)運量、投資、相關(guān)技術(shù)發(fā)展等因素，近遠期分期實施，降低初期投資，先期軌道吊和岸橋?qū)崿F(xiàn)遠程智能操控，實現(xiàn)半自動化，隨著無人智能駕駛技術(shù)的成熟，再實現(xiàn)水平運輸系統(tǒng)自動化。并相應(yīng)配置生產(chǎn)自動化（智能）作業(yè)控制軟件系統(tǒng)及硬件設(shè)備，實現(xiàn)傳統(tǒng)碼頭為主的集裝箱港區(qū)，傳統(tǒng)裝卸作業(yè)和自動化裝卸作業(yè)銜接過渡，最終過渡全自動化碼頭。

2 自動化改造關(guān)鍵性技術(shù)

2.1 單小車岸橋改造

傳統(tǒng)碼頭前沿裝卸設(shè)備以單小車岸橋為主，自動化升級改造通過增設(shè)光纖傳輸，進行遠程智能操控系統(tǒng)改造，實現(xiàn)一人多機遠程操作，降低人工成本，改善人工工作環(huán)境。單小車岸橋前沿作業(yè)區(qū)在岸橋跨下，適應(yīng)的水平運輸設(shè)備為集卡和跨運車。本工程受已施工的碼頭結(jié)構(gòu)限制，岸橋仍維持原設(shè)計選型，選擇載重量65 t、前伸距70 m單小車岸橋，搭載遠程智能操控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程操作。

2.2 堆場多種形式軌道吊應(yīng)用選型

由于本工程堆場尚未施工，易于實現(xiàn)自動化的堆場先期自動化升級，成為此類工程升級改造的首選。而易于實現(xiàn)自動化、堆場利用率高，搭載遠程智能操控系統(tǒng)的自動化軌道吊（ARMG），成為堆場自動化升級的首選設(shè)備。

ARMG有無懸臂、單懸臂、雙懸臂3種形式。無懸臂ARMG適用于堆場端部設(shè)置交換區(qū)，水平運輸設(shè)備不進入堆場，水-水中轉(zhuǎn)比例高的自動化碼頭；單懸臂ARMG懸臂下需滿足內(nèi)外水平運輸設(shè)備裝卸作業(yè)，遠期存在人工集卡和無人集卡同時作業(yè)現(xiàn)象，交通組織復(fù)雜；雙懸臂ARMG符合本工程外集卡裝卸作業(yè)量大，作業(yè)?？课欢嗟男枨?，兩懸臂下一側(cè)為外集卡作業(yè)車道，一側(cè)為內(nèi)集卡作業(yè)車道，內(nèi)外集卡運行互不干擾。綜合年通過能力、堆場作業(yè)能力、碼頭管理及能耗成本，雙懸臂ARMG工藝也優(yōu)于單懸臂ARMG工藝[7]。

2.3 水平運輸設(shè)備的適用性

自動化水平運輸系統(tǒng)主要受制于大量的隨機路由決策和交通規(guī)劃等智能問題[8]，以及高性能電池的高成本，因此水平運輸系統(tǒng)成為目前傳統(tǒng)碼頭自動化升級的瓶頸。目前自動化水平運輸設(shè)備主要有AGV、堆一過一的智能跨運車和無人駕駛智能集卡，AGV已成熟應(yīng)用于自動化碼頭，但其地面磁釘定位系統(tǒng)和高成本并不適用于傳統(tǒng)碼頭升級改造。

新一代智能跨運車實現(xiàn)了可自由切換的人工駕駛和無人駕駛雙重操作，采用柴油機和電池混合動力，全分離系統(tǒng)，其自主駕駛、抓箱、放箱、運行等各種作業(yè)能力，與岸橋、軌道吊之間無需耦合的優(yōu)勢，在堆場中可實現(xiàn)機動、靈活、精準、高效作業(yè)。針對有陸側(cè)外集卡交換區(qū)的垂直布置堆場，利用智能跨運車與ARMG、岸橋無需銜接的特點，可大大提高陸側(cè)ARMG對外集卡的裝卸效率，同時也提高裝卸系統(tǒng)整體效率。但相比無人駕駛智能集卡，投資和維護成本較高。

對于傳統(tǒng)碼頭自動化升級改造，集卡仍是較理想的水平運輸設(shè)備，相對于未來無人駕駛智能集卡的廣泛應(yīng)用，起到承上啟下的作用。針對平行布置堆場，外集卡可?？肯鋮^(qū)任何作業(yè)點，滿足大量水-陸轉(zhuǎn)運箱作業(yè)需求，并且無人駕駛智能集卡相對AGV和智能跨運車，具有投資和維護成本低、作業(yè)范圍廣等優(yōu)勢。

3 裝卸工藝平面布置方案

3.1 碼頭前沿作業(yè)區(qū)

碼頭裝卸設(shè)備維持原設(shè)計選型，采用單小車岸橋，因此前沿作業(yè)區(qū)在岸橋跨下，設(shè)置6條單向車道，水平運輸設(shè)備選擇集卡或跨運車。

3.2 堆場與碼頭平行布置方案

根據(jù)運營方對相鄰泊位路網(wǎng)、岸橋軌道銜接和資源共享的需求，以及外集卡裝卸量大，需要更高外集卡裝卸能力和更多外集卡?？课?，堆場采用與碼頭平行布置形式，海側(cè)和陸側(cè)主干道與相鄰泊位銜接，不設(shè)置堆場端部交換區(qū)，內(nèi)、外集卡均進入堆場作業(yè)，增加集卡裝卸作業(yè)?？课?。集卡根據(jù)系統(tǒng)指令?？咳魏沃付ㄏ湮粎^(qū)域，由就近ARMG進行作業(yè)，ARMG不需要承擔集裝箱水平運輸，并根據(jù)系統(tǒng)指令靈活對內(nèi)、外集卡作業(yè)，保持作業(yè)量的均衡分配。

堆場共布置14個箱區(qū)，箱區(qū)長約600 m。每個箱區(qū)配置3臺雙懸臂ARMG，提高堆場作業(yè)能力。箱區(qū)兩端和中間設(shè)置ARMG檢修區(qū)，在2個泊位分期實施階段，中間檢修區(qū)可作為近期水平運輸?shù)缆贰Ｏ噜?臺ARMG軌道中心間距17 m，懸臂下布置2條作業(yè)車道，中間1條行駛車道，內(nèi)、外集卡分道集中布置，使懸臂下3條車道行駛方向一致，交通組織安全、順暢。

岸橋與直接為海側(cè)裝卸系統(tǒng)服務(wù)的ARMG配置數(shù)量比大于1∶3，滿足裝卸大型船舶對裝卸效率的要求[9]，同時仍有ARMG可對陸側(cè)外集卡進行作業(yè)。堆場容量滿足碼頭100萬TEU/a吞吐量的堆存需求。

近期裝卸工藝模式：單小車岸橋+人工集卡+雙懸臂ARMG。遠期裝卸工藝模式：單小車岸橋+無人駕駛智能集卡+雙懸臂ARMG。堆場與碼頭平行布置見圖1。

圖1 堆場與碼頭平行布置（m）Fig.1 Parallel arrangement of storage yard and terminal(m)

3.3 堆場與碼頭垂直布置方案

根據(jù)自動化集裝箱堆場高效、封閉管理的理念，采用堆場與碼頭垂直布置形式，陸側(cè)和海側(cè)主干道、岸橋軌道與相鄰泊位銜接。近期人工集卡進入堆場作業(yè)，遠期堆場陸側(cè)設(shè)置外集卡交換區(qū)，外集卡不進入堆場，為滿足外集卡裝卸量大的需求，水平運輸選擇可雙向行駛的智能跨運車，外集卡集裝箱由陸側(cè)ARMG放置懸臂下地面，智能跨運車取箱運輸至指定箱位區(qū)域，再由另一臺ARMG堆存，沒有設(shè)備之間耦合時間，減少了系統(tǒng)間相互制約，充分發(fā)揮智能跨運車和ARMG銜接上的優(yōu)勢。由于智能跨運車在堆場內(nèi)走垂直路線，通過智能導(dǎo)向和定位系統(tǒng)，實現(xiàn)最佳運行路由和精準箱位定位，合理降低水平運輸距離，減少跨運車配置數(shù)量。

堆場共布置12個箱區(qū)，箱區(qū)長約600 m，每個箱區(qū)配置3臺雙懸臂ARMG，岸橋與直接為海側(cè)裝卸系統(tǒng)服務(wù)的ARMG配置數(shù)量比大于1∶3，滿足裝卸大型船舶對裝卸效率的要求[13]，同時滿足ARMG對陸側(cè)外集卡進行作業(yè)。堆場容量滿足碼頭100萬TEU/a吞吐量的堆存需求。箱區(qū)兩端和中間設(shè)置ARMG檢修區(qū)。相鄰2臺ARMG懸臂下布置2條作業(yè)車道，1條行駛車道，內(nèi)、外集裝箱運輸分道集中布置。

近期裝卸工藝模式：單小車岸橋+人工集卡+雙懸臂ARMG。遠期裝卸工藝模式：單小車岸橋+智能跨運車+雙懸臂ARMG。堆場與碼頭垂直布置見圖2。

圖2 堆場與碼頭垂直布置（m）Fig.2 Vertical layout of storage yard and terminal(m)

3.4 方案特點分析成果

方案特點見表1。

表1 方案特點一覽表Table 1 List of scheme characteristics

1）平行布置方案特點

土建設(shè)施對人工集卡和無人駕駛智能集卡均可適用；外集卡裝卸量大的適應(yīng)性強；相鄰泊位路網(wǎng)和堆場銜接，滿足運營方對港區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃的需求；合理利用資源，節(jié)省初期投資，可多階段分期實施；先期實現(xiàn)ARMG和岸橋遠程操控。

無人駕駛內(nèi)集卡相對于路況簡單的港區(qū)道路容易實現(xiàn)，對于受外部復(fù)雜路況影響的外集卡，無人駕駛外集卡難于一蹴而就，相當時期內(nèi)堆場存在集卡自動化和非自動化共存現(xiàn)象，因此適用于在建傳統(tǒng)碼頭先期實現(xiàn)半自動化。隨著5G時代的到來，人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展，未來北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的高精度定位服務(wù)于自動駕駛，智能化程度和定位精度更高，成本更低，水平運輸更加安全可靠，再擇機實現(xiàn)全自動化碼頭。

2）垂直布置方案特點

堆場布置相對獨立，堆場陸側(cè)可設(shè)置外集卡交換區(qū)；外集卡不進入堆場，更適應(yīng)堆場自動化封閉管理；只需增加箱區(qū)，相鄰泊位可連續(xù)發(fā)展，適應(yīng)多泊位延續(xù)建設(shè)。

智能跨運車與岸橋、ARMG無需銜接的優(yōu)勢，顯著提高裝卸系統(tǒng)整體效率，解決外集卡裝卸量大的問題，但近期半自動化階段，采用人工集卡作業(yè)，水平運輸距離較長，影響整體裝卸效率。垂直布置堆場封閉管理，裝卸工藝系統(tǒng)易于實現(xiàn)自動化，更適用于此類傳統(tǒng)碼頭直接改建全自動化碼頭，但也存在初期投資高的問題。

3）分析比選成果

本港區(qū)1～5號泊位均為傳統(tǒng)集裝箱碼頭，根據(jù)運營方對港區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃的需求，6～7號泊位堆場布置需充分考慮相鄰泊位的銜接，資源共享，分期實施，節(jié)省初期投資等因素，堆場平行布置方案滿足了上述需求，并可相應(yīng)帶動已建泊位的自動化升級，從投資的角度，該方案也更易于分期實施，從半自動化碼頭過渡全自動化碼頭。

4 結(jié)語

1）建設(shè)中的傳統(tǒng)碼頭比已建成的傳統(tǒng)碼頭，更有利于自動化升級，但與新建全自動化碼頭相比，又需要用智能化理念去解決傳統(tǒng)碼頭存在的問題。對于以傳統(tǒng)碼頭為主的集裝箱港區(qū)，自動化升級改造無法繞開現(xiàn)存的平面布置尺寸、設(shè)備選型等許多工藝問題。堆場與碼頭平行布置工藝方案，便于傳統(tǒng)裝卸工藝和自動化裝卸工藝銜接過渡，更適合需要與相鄰碼頭資源共享、初期投資省、可分期實施的在建傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造。

2）對于未來需連續(xù)建設(shè)多個自動化集裝箱泊位的港區(qū)，堆場與碼頭垂直布置工藝方案充分體現(xiàn)了自動化泊位延續(xù)建設(shè)的合理性和低成本。水平運輸智能跨運車具有的自主抓箱、放箱、運行等各種作業(yè)能力，以及與岸橋、軌道吊之間無需耦合的優(yōu)勢，相比無人駕駛智能集卡，作業(yè)更加靈活，系統(tǒng)效率更高。隨著未來智能跨運車技術(shù)發(fā)展和成熟，堆場與碼頭垂直布置，水平運輸采用智能跨運車，將是全自動化碼頭未來可發(fā)展的方向。