自動化集裝箱碼頭技術(shù)特性分析

李 剛 褚廣強

中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司

1 引言

自動化集裝箱碼頭相對于傳統(tǒng)碼頭，具有安全性高、作業(yè)穩(wěn)定可靠、環(huán)境友好、人力成本低、可提升港口品牌形象等優(yōu)點，已在世界很多港口得到應(yīng)用。

自動化集裝箱碼頭包括多種形式，不同類型的自動化集裝箱碼頭，投入不同，自動化實現(xiàn)程度不同，產(chǎn)出效果也各異，在具體的工程設(shè)計中，找到符合工程實際、滿足用戶需求的方案，是碼頭咨詢設(shè)計人員和項目業(yè)主的共同目標(biāo)。

在歸納總結(jié)現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭技術(shù)的基礎(chǔ)上，對自動化集裝箱碼頭進行歸類，分析各類碼頭的技術(shù)特性和優(yōu)劣勢，為方案選擇和決策提供參考。

2 自動化集裝箱碼頭分類

目前對自動化集裝箱碼頭仍沒有一個統(tǒng)一的定義，一些稱之為全自動化的集裝箱碼頭，其岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)裝卸船作業(yè)仍需人工遠程干預(yù)操作，堆場陸側(cè)軌道式龍門起重機(RMG，以下簡稱場橋)與港外集卡的交換也需部分人工干預(yù)，危險品貨物、大件箱裝卸水平運輸仍然需要人工操作，從這個角度來看，理論上的全自動化集裝箱碼頭目前還沒有出現(xiàn)[1]。

在自動化碼頭裝卸船作業(yè)環(huán)節(jié)，岸橋均采用了遠程操控方式，除對船作業(yè)尚未全面實現(xiàn)自動化外，陸側(cè)對地面流機作業(yè)，無論是自動導(dǎo)引車(AGV)、穿梭車或自動穿梭車(Shuttle/Auto Shuttle，以下簡稱SH/ASH)還是集卡，均已具備了自動化作業(yè)的技術(shù)條件。自動化碼頭作業(yè)模式和技術(shù)方案的差異主要體現(xiàn)在水平運輸和堆場作業(yè)環(huán)節(jié)。

依據(jù)集裝箱碼頭自動化水平的高低水平，可以將當(dāng)前條件下的自動化碼頭區(qū)分為典型自動化集裝箱碼頭和半自動化集裝箱碼頭兩大類(見表1)。

上述典型自動化集裝箱碼頭，又可以細分為堆場采用ARMG、水平運輸采用AGV的碼頭，以及堆場采用ARMG、水平運輸采用SH/ASH的碼頭。該兩類碼頭雖然水平運輸設(shè)備不同，但總體布局、作業(yè)流程基本相似。采用SH作業(yè)的碼頭，由于水平運輸環(huán)節(jié)人工作業(yè)的介入，降低了碼頭的自動化作業(yè)水平，但從發(fā)展看，SH最終將被ASH所替代。該類碼頭自動化作業(yè)流程長、自動化水平高，工程實例多、應(yīng)用范圍廣泛，是目前最為典型的自動化集裝箱碼頭模式。另一類采用自動跨運車(AutoStraddle)的自動化碼頭，主要應(yīng)用于大洋洲、美洲，水平運輸設(shè)備AutoStraddle兼顧堆場堆取箱作業(yè)，由于堆場堆箱容量較小，并不適用于人多地少、追求高通過能力的亞洲地區(qū)。

按照自動化水平進行劃分，半自動化集裝箱碼頭可分為設(shè)備遠控和堆場智能調(diào)度兩類。如果按照堆場裝卸工藝設(shè)備的不同，也可以劃分為電動輪胎場橋(ERTG)半自動化碼頭和軌道場橋(RMG)半自動化碼頭兩類，這兩類碼頭又都可以按照設(shè)備遠控和堆場智能調(diào)度兩種自動化水平來建設(shè)。

表1 自動化集裝箱碼頭分類

3 自動化集裝箱碼頭分布

全球現(xiàn)已建成的自動化集裝箱碼頭21個(歐洲8個、亞洲5個、北美洲4個、大洋洲4個)，其中水平運輸采用AGV的9個，采用SH/ASH的9個，采用AutoStraddle的3個(見表2)。

表2 自動化集裝箱碼頭統(tǒng)計表

在全球的半自動化碼頭中，水平運輸采用集卡的有13個，其中新加坡的巴西班讓碼頭采用高架吊的堆場設(shè)備形式，名古屋TCB碼頭采用AGV與集卡混行的水平運輸方式(見表3)。

表3 半自動化集裝箱碼頭統(tǒng)計表

4 各類自動化集裝箱碼頭技術(shù)特性

下面主要按照堆場及水平運輸裝卸設(shè)備的不同，分4類歸納小結(jié)自動化集裝箱碼頭主要技術(shù)特性。

4.1 典型自動化集裝箱碼頭技術(shù)特性

典型自動化集裝箱碼頭采用ARMG+AGV/SH/ASH設(shè)備組合，無論是AGV還是SH/ASH模式，在工藝布置、設(shè)備配備、作業(yè)方式上，均具有下列共同的技術(shù)特性：

(1)堆場一般垂直碼頭岸線布置，岸側(cè)堆取箱作業(yè)與海側(cè)裝卸船作業(yè)彼此隔離，兩側(cè)水平運輸作業(yè)設(shè)備運行距離短、互不干擾。

(2)集裝箱在堆場縱深范圍內(nèi)的堆取箱作業(yè)和水平移動均通過堆場ARMG完成，通常1個堆箱區(qū)(Block)配置2臺共軌的ARMG，分別完成海側(cè)和陸側(cè)與水平運輸設(shè)備間的交接作業(yè)以及堆場內(nèi)的送取箱作業(yè)，兩者的服務(wù)對象和服務(wù)范圍相對獨立。

(3)岸側(cè)AGV和ASH水平運輸均能實現(xiàn)自動化，如果考慮目前人工駕駛的SH在未來將被自動運行的ASH所替代，從岸橋-水平運輸-堆場可以形成較長的、完整的自動化作業(yè)鏈。

(4)AGV與SH/ASH均可以采用電動或者混合動力的驅(qū)動形式，連同堆場ARMG的電力驅(qū)動，可以最大限度減少碼頭范圍內(nèi)內(nèi)燃設(shè)備的作業(yè)量，改善碼頭區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量。

(5)堆場寬度方向，由于Block數(shù)量受限于碼頭岸線長度，同時堆場配合裝卸船作業(yè)局限于海側(cè)ARMG，堆場裝卸船作業(yè)強度和能力受到一定限制。

(6)受作業(yè)效率及經(jīng)濟性限制，堆場ARMG運行距離不能過長，自動化堆場縱深長度一般在45～60 TEU之間，再結(jié)合堆場寬度的限制，堆場堆箱容量也受到一定的限制。

(7)空箱通常進入自動化箱區(qū)，與重箱混合堆存，需要占用自動化箱區(qū)資源。

(8)典型自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)完全依賴于先進的自動化生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)調(diào)度和指揮，作業(yè)程序固定、作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)可控性強，但作業(yè)的靈活性相對較弱。

總體來說，典型的自動化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)配置規(guī)范，自動化界面清晰、流程長，自動化程度高，作業(yè)過程全程掌控，自動化封閉作業(yè)、安全性強。但典型的自動化碼頭同時也有其缺陷和不足，例如建設(shè)和運營靈活度較弱、初期投入高、建設(shè)周期長、技術(shù)難度較大等等，一般較適合于新建工程，對于改造工程實現(xiàn)難度較大。

典型自動化集裝箱碼頭AGV與SH/ASH兩種作業(yè)模式，除具有上述共同的技術(shù)特性外，還存在各自的特點，兩者比較見表4。

4.2 采用遠控技術(shù)的ARMG集裝箱碼頭技術(shù)特性

分析不同的采用遠控技術(shù)的ARMG集裝箱碼頭，雖然各個碼頭工藝系統(tǒng)設(shè)備的具體配置不同，采用的自動化技術(shù)細節(jié)措施也有差異，但它們均具有相同或相似的的技術(shù)特性，小結(jié)如下。

(1)堆場ARMG設(shè)備在軌道上運行，相對于ARTG輪胎運行設(shè)備，實現(xiàn)大機遠程控制和自動化作業(yè)技術(shù)條件好、實施難度低，ARMG遠控技術(shù)成熟、可靠。

(2)ARMG遠控集裝箱碼頭在實現(xiàn)最基本的場橋和岸橋遠控的基礎(chǔ)上，再配以集卡跟蹤定位和實時調(diào)度系統(tǒng)，以及堆場智能調(diào)度和自動理箱功能等，形成一整套的解決方案，可以更大程度地發(fā)掘自動化碼頭的效能。

(3)由于集卡需要進入堆場送取箱作業(yè)，自動化作業(yè)鏈條相對較短、自動化程度低、不能實現(xiàn)真正意義上的流程智能化作業(yè)；堆場不能實現(xiàn)封閉作業(yè)、作業(yè)安全性沒有得到本質(zhì)改善；集卡運行距離長，港區(qū)環(huán)保減排提升效果不如自動化碼頭明顯。

(4)ARMG遠控集裝箱碼頭相對典型的自動化集裝箱碼頭，投入低、實施難度小，與國內(nèi)常規(guī)集裝箱碼頭作業(yè)模式接近，不僅適合于新建工程，而且適合于已有工程的自動化提升改造。

表4 AGV與SH/ASH作業(yè)模式比較

先進的ARMG遠控集裝箱碼頭，ARMG數(shù)量與操控工人數(shù)量的比例可以達到1∶4～1∶6，減員增效效果顯著；同時，考慮岸橋遠控對岸橋司機工作環(huán)境的改善，以及生產(chǎn)調(diào)度智能化所帶來的生產(chǎn)效能和服務(wù)能力的提升，ARMG遠控集裝箱碼頭是一種投入產(chǎn)出比較為優(yōu)秀的自動化集裝箱碼頭選擇方案。

ARMG遠控集裝箱碼頭下一步的發(fā)展方向，將是引入集卡自動駕駛等先進技術(shù)，解決堆場全封閉、無人作業(yè)的問題，以達到延長堆場自動化作業(yè)鏈、提高碼頭自動化水平的目的。

4.3 采用遠控技術(shù)的ARTG集裝箱碼頭技術(shù)特性

采用遠控技術(shù)的ARTG集裝箱碼頭成規(guī)模應(yīng)用的案列不多，分析ARTG遠控技術(shù)特性，可以歸納下列幾點：

(1)ARTG設(shè)備控制難度大，技術(shù)不成熟，未能形成成套的解決方案，目前尚處于摸索、開發(fā)階段。

(2)ARTG遠控方案的作業(yè)模式與ARMG基本類似，碼頭作業(yè)的自動化水平、安全性能、環(huán)保效果等，相對于典型的自動化集裝箱碼頭均存在一定的差距。

(3)ARTG目前實現(xiàn)遠控的不多的工程案例顯示，ARTG遠控項目的作業(yè)效果要落后于ARMG。在作業(yè)效率方面，先進的ARMG遠控可以達到22～28 move/h，而ARTG遠控僅可以達到15～18 move/h；在人機比方面，ARMG遠控可以達到1∶4～1∶6，但ARTG僅可以達到1∶2～1∶4。

ARTG遠控在實現(xiàn)大機遠控的基礎(chǔ)上，也可以增加集卡跟蹤預(yù)報、堆場自動調(diào)度和自動理箱等功能，發(fā)掘自動化作業(yè)的進一步功效。但在當(dāng)前技術(shù)條件下，提升ARTG的遠控效果是當(dāng)務(wù)之急。ARTG遠控雖然技術(shù)難度大，但國內(nèi)已有集裝箱碼頭大多采用RTG，提升改造需求巨大，突破ARTG遠控技術(shù)難關(guān)意義重大。

4.4 其他創(chuàng)新性自動化集裝箱碼頭

開發(fā)其他創(chuàng)新性自動化集裝箱碼頭，主要目的是改善現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭存在的不足，尋求更為經(jīng)濟、適用的解決方案。主要創(chuàng)新方向包括：

(1)系統(tǒng)創(chuàng)新、開發(fā)作業(yè)新模式。典型的自動化集裝箱碼頭初始投入高于普通集裝箱碼頭約40%，力求在充分享受自動化所帶來的安全、穩(wěn)定、環(huán)保、智能好處的同時，減輕港口企業(yè)的成本負擔(dān)，尋求最佳的投入產(chǎn)出比。作業(yè)新模式的探索包括立體軌道式自動化集裝箱碼頭技術(shù)、平行岸線的自動化集裝箱碼頭布局等。

(2)解決工程特有需要。例如部分碼頭有高轉(zhuǎn)水率運量需求、高吞吐量需求、強臺風(fēng)區(qū)域港口空箱堆場的解決方案，離岸式碼頭自動化解決方案等。

(3)設(shè)備及其基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)。例如自動化跨運車的開發(fā)應(yīng)用、經(jīng)濟型AGV的開發(fā)、大機設(shè)備軌道梁及堆場堆箱基礎(chǔ)優(yōu)化等。

(4)主要作業(yè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化。例如堆場送取箱作業(yè)方式的優(yōu)化、裝卸船作業(yè)中蘑菇頭(轉(zhuǎn)鎖)摘裝方式的優(yōu)化等。

5 結(jié)語

上述對自動化集裝箱碼頭的分類并非絕對、一成不變，僅反映了當(dāng)前技術(shù)條件下不同自動化集裝箱碼頭的一些共性特點，隨著技術(shù)的發(fā)展，可能產(chǎn)生新的形式、達到新的技術(shù)高度。在自動化碼頭的新建或傳統(tǒng)碼頭的自動化改造過程中，依據(jù)自身作業(yè)需求和實際條件，選取最合適的自動化作業(yè)方案，獲得理想的投入產(chǎn)出比，對提升集裝箱碼頭的作業(yè)效率和港口的效益有著重要的意義。