集裝箱自動化碼頭工藝與裝備技術(shù)現(xiàn)狀及展望

（海南港航國際港務(wù)有限公司，海南 海口 578101）

0 引言

從廈門港遠海碼頭的半自動化運營到上海洋山深水港四期工程以及青島港前灣港四期工程的全自動化運營，我國的自動化集裝箱碼頭建設(shè)正處于積極探索的階段。但是目前有關(guān)集裝箱自動化碼頭工藝與裝備技術(shù)總結(jié)還在不斷地深化中。以下就初步梳理概括了集裝箱自動化碼頭工藝與裝備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對未來建設(shè)打造全自動化集裝箱碼頭的技術(shù)難點與發(fā)展方向進行探索。

1 集裝箱自動化碼頭概況

該文以國內(nèi)典型集裝箱自動化碼頭上海洋山深水港四期工程以及青島港前灣港四期工程為例，對我國當前集裝箱自動化碼頭的發(fā)展情況進行簡要概述：上海洋山深水港四期工程位于小洋山島西側(cè)，岸線長度2 350.0 m，平均縱深4 060.0 m，碼頭一期工程設(shè)計能力為400 萬TEU，于2017年12 月正式投入運營。

該項目自投入運營以來所累積形成的關(guān)鍵技術(shù)包括：在全球范圍內(nèi)首創(chuàng)61 t 的雙20 ft 箱自動化軌道吊以及路側(cè)外集卡全自動化作業(yè)系統(tǒng)；設(shè)備參數(shù)基于仿真平臺建設(shè)并支持個性化設(shè)計；智能化口岸監(jiān)督管理實現(xiàn)大數(shù)據(jù)、5G 通信技術(shù)以及云平臺技術(shù)的全面融合。青島港前灣港四期工程規(guī)劃建設(shè)泊位共6 個，岸線長度2 088.0 m，平均縱深784.0 m，碼頭一期工程吞吐能力設(shè)計150 萬TEU，配備雙小車橋吊，純電動帶舉升自動導引車，高速軌道吊，于2017 年5 月正式投入使用，工程項目建設(shè)高度符合全智能化、零排放以及高效率的建設(shè)目標，自主設(shè)計研發(fā)并集成，自投入運營以來所累積形成的關(guān)鍵技術(shù)包括：在全球范圍內(nèi)首創(chuàng)基于L-AGV 的自動循環(huán)充電技術(shù)，具有重量輕、續(xù)航時間長的特點；創(chuàng)新實現(xiàn)軌道吊系統(tǒng)的一鍵錨定精準定位；對橋吊主梁后伸距進行優(yōu)化設(shè)計，于全球范圍內(nèi)首創(chuàng)非等長后伸距雙小車岸橋，在節(jié)約建設(shè)成本以及裝備制造成本方面有非常突出的貢獻；實現(xiàn)了基于機器人技術(shù)自動拆裝集裝箱鈕鎖工藝的自主研發(fā)與設(shè)計制造。

2 集裝箱自動化碼頭的優(yōu)點

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和技術(shù)上的突飛猛進，我國已然成為了當前第一運輸國和集裝箱生產(chǎn)國。但是需要注意的是，在目前我國集裝箱生產(chǎn)的經(jīng)營狀況仍然存在著許多問題。當前，我國的集裝箱碼頭在自動化方面仍然需要繼續(xù)深造，加強研究和創(chuàng)新，努力實現(xiàn)自動化，發(fā)揮出自動化管理模式的價值。并且，自動化管理與傳統(tǒng)的管理模式相比，集裝箱自動化碼頭明顯有巨大的優(yōu)勢。首先，采用自動化的管理模式對集裝箱碼頭進行生產(chǎn)和運營，能夠保證生產(chǎn)作業(yè)的安全。由于集裝箱自動化碼頭在運營的過程中會按照設(shè)定好的計算程序來進行運營，運用計算機技術(shù)能夠增強其穩(wěn)定性和可靠性。其次，自動化管理能夠在很大程度上解放勞動力，將降低勞動強度，以自動化起重機（圖1）為例，其能夠有效地提升勞動效率。再次，自動化的集裝箱碼頭在進行裝配和作業(yè)的過程中，能夠很大程度地改善交通情況，可以降低水平運輸?shù)木嚯x。最后，還可以提升港口區(qū)域的土地利用率，集裝箱自動化碼頭具備著高密度和堆積容量大的優(yōu)勢。

3 工藝裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 工藝技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)外集裝箱自動化碼頭的建設(shè)現(xiàn)狀來看，常見的自動化裝卸工藝模式主要可以概括為3 種類型。1）基于雙小車岸橋，自動引導車以及自動化軌道吊相結(jié)合的裝卸工藝模式，這種模式將雙小車岸橋應(yīng)用于前沿裝卸，依托于中轉(zhuǎn)平臺解決小車作業(yè)耦合問題，堆場采用自動導引車完成裝卸，水平運輸通過自動化軌道吊實現(xiàn)，涵蓋閘口操作、海側(cè)運輸以及堆場裝卸等在內(nèi)的工藝過程均已實現(xiàn)全面自動化。2）基于單小車岸橋，自動跨運車以及自動化軌道吊相結(jié)合的裝卸工藝模式，這種模式引入自動跨運車實現(xiàn)水平運輸，解決岸橋與水平運輸間的耦合問題，目前多見于半自動碼頭升級改造工程中，可以最大限度地利用既有裝備技術(shù)，有良好的發(fā)展前景。3）基于雙小車岸橋，自動導引車以及自動化輪胎吊相結(jié)合的裝卸工藝模式，在整體布局上堆場與碼頭岸線保持平行，對減少地震危害控制投資有積極意義，雖然應(yīng)用相對較少，但對于我國一些半自動化碼頭升級改造也有一定的借鑒意義。

3.2 裝備技術(shù)

圖1 集裝箱自動化起重機

目前集裝箱自動化碼頭裝備根據(jù)使用情境可以分為前沿裝卸、堆場裝卸以及水平運輸裝備這3 大類型[1]。其中，前沿裝卸設(shè)備以雙小車岸橋為主，目前已經(jīng)從人工操作過渡至遠程控制，相關(guān)技術(shù)發(fā)展比較成熟。堆場裝卸設(shè)備可以分為ARMG 以及ARTG 這兩大類型，其中以自動化軌道式集裝箱門式起重機的應(yīng)用比較廣泛，軌道式集裝箱門式起重機可以根據(jù)堆場的實際要求，按照堆三過四或者堆四過五的方式確定起重機自身起升高度，由于起升高度不高，因而起升速度相應(yīng)較低，大車運行速度高。但是需要注意的是，當跨度達到40.0 m 以上時，高速運行狀態(tài)下容易因門腿運行阻力不同產(chǎn)生一定程度的偏移，因此需要設(shè)置電氣控制化的同步裝置，確保兩側(cè)門腿運行機構(gòu)速度的一致性。水平運輸設(shè)備則以跨運車以及自動導引車為主，目前全自動碼頭中對自動導引車的應(yīng)用相對較多。我國自動導引車發(fā)展歷程較短，但是一直以來不斷加大在這一領(lǐng)域的投入，以改變我國AGV 長期依賴進口的局面。經(jīng)過不懈地努力，終于取得了一定的成效，北京起重運輸機械研究所、清華大學、中國郵政科學院郵政科學研究規(guī)劃院、中國科學院沈陽自動化所、大連組合機床研究所、國防科技大學和華東工學院都在進行不同類型的自動導引車的研制并小批投入生產(chǎn)，并在工程實踐中取得了滿意的效果。

4 技術(shù)研究方向展望

4.1 集裝箱自動解鎖技術(shù)

國內(nèi)外均處于有關(guān)自動化碼頭智能化解鎖裝置的研發(fā)應(yīng)用探索階段中，并取得了一定的研究成果，但同時有關(guān)集裝箱鎖墊的標準尚不統(tǒng)一，種類較多，給全自動化拆裝作業(yè)的實現(xiàn)帶來了一定的挑戰(zhàn)。因此，必須嘗試以機器人技術(shù)為依托，對自動拆裝所電設(shè)備進行自動化研究，一方面有助于鎖墊拆裝作業(yè)效率的提升，另一方面達到實現(xiàn)全自動化碼頭作業(yè)的目的，實現(xiàn)行業(yè)統(tǒng)一鎖墊配置標準。

4.2 海鐵聯(lián)運技術(shù)

鐵路與集裝箱自動化碼頭聯(lián)合運輸對于大物流體系實現(xiàn)，構(gòu)建智慧化港口以及實現(xiàn)多式聯(lián)運具有非常重要的意義。目前，還較少有圍繞自動化海鐵聯(lián)運布置方式，裝卸工藝以及裝卸設(shè)備問題展開研究的文獻，并且兩者如何實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的全面共享也是難點所在。

4.3 自動化碼頭智能化運行平臺

發(fā)展集裝箱自動化碼頭需要依托于大量港口系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用工作，碼頭內(nèi)部各個系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò)連接，碼頭與港口網(wǎng)絡(luò)連接以及大數(shù)據(jù)信息傳輸都需要依賴良好的技術(shù)平臺來實現(xiàn)。同時，還應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺搭建的基礎(chǔ)上建立涵蓋船舶作業(yè)數(shù)據(jù)在內(nèi)的大數(shù)據(jù)解決方案，達到港航級標準，以面向“互聯(lián)網(wǎng)＋”背景下的港口物流系統(tǒng)提供智能化技術(shù)支持，為智慧港口建設(shè)提供服務(wù)與參考。

5 結(jié)語

在工業(yè)4.0 的全新時代背景下，智慧港口已經(jīng)發(fā)展成為港口建設(shè)的必然方向，構(gòu)建具有高度有效性以及可靠性特點的自動化集裝箱碼頭對于智慧港口建設(shè)而言意義重大。該文即對當前集裝箱自動化碼頭在工藝以及裝備技術(shù)方面的發(fā)展情況進行概括，并簡要展望了未來工藝技術(shù)的發(fā)展方向，希望能夠有助于我國智慧港口建設(shè)與發(fā)展目標的實現(xiàn)。