我國(guó)沿海主要自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案比較

王夏宇 劉璐 李歆婳 章強(qiáng)

20世紀(jì)90年代，荷蘭鹿特丹港建成全球首個(gè)自動(dòng)化集裝箱碼頭;隨后，英國(guó)倫敦港、日本川崎港和德國(guó)漢堡港等相繼建成全自動(dòng)化或半自動(dòng)化集裝箱碼頭。[1]迄今為止，自動(dòng)化集裝箱碼頭已發(fā)展至第四代，其中：第一代以1993年投入運(yùn)營(yíng)的荷蘭鹿特丹港ECT碼頭為代表;第二代以2002年投入運(yùn)營(yíng)的德國(guó)漢堡港CTA碼頭為代表;第三代以2008年投入運(yùn)營(yíng)的荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭為代表;2016年投入運(yùn)營(yíng)的我國(guó)首個(gè)自動(dòng)化集裝箱碼頭廈門港遠(yuǎn)海自動(dòng)化集裝箱碼頭（以下簡(jiǎn)稱“廈門港遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭”）屬于第四代自動(dòng)化集裝箱碼頭，可見我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)起步較晚但起點(diǎn)很高。在我國(guó)港口轉(zhuǎn)型升級(jí)的背景下，越來越多的傳統(tǒng)集裝箱碼頭也開始實(shí)施自動(dòng)化升級(jí)改造。國(guó)內(nèi)關(guān)于自動(dòng)化集裝箱碼頭的研究大多側(cè)重于碼頭總體布局和配套設(shè)備，而對(duì)碼頭節(jié)能 環(huán)保的關(guān)注較少，其中：在碼頭總體布局方面，現(xiàn)有研究主要聚焦于作業(yè)系統(tǒng)的布置形式[2]及相互協(xié)作[3-4];在碼頭配套設(shè)備方面，現(xiàn)有研究主要聚焦于作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)備選型[5]及設(shè)備之間的相互配合[6-8];在碼頭節(jié)能環(huán)保方面，方懷瑾等[9]提出通過管理節(jié)能、結(jié)構(gòu)節(jié)能和技術(shù)節(jié)能等三大舉措實(shí)現(xiàn)港口可持續(xù)發(fā)展。本文比較我國(guó)沿海主要自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案，分析我國(guó)沿海主要自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)特點(diǎn)，并提出自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)建議。

1 自動(dòng)化集裝箱碼頭主要作業(yè)設(shè)備

（1）岸邊裝卸設(shè)備 自動(dòng)化岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“自動(dòng)化岸橋”）是自動(dòng)化集裝箱碼頭的主要岸邊裝卸設(shè)備。按照小車數(shù)量劃分，自動(dòng)化岸橋可分為單小車自動(dòng)化岸橋和雙小車自動(dòng)化岸橋;按照吊具尺寸劃分，自動(dòng)化岸橋可分為20英尺自動(dòng)化岸橋和40英尺自動(dòng)化岸橋。目前自動(dòng)化集裝箱碼頭大多應(yīng)用雙小車20英尺自動(dòng)化岸橋，也有部分自動(dòng)化集裝箱碼頭出于成本考慮而使用單小車自動(dòng)化岸橋。

（2）堆場(chǎng)作業(yè)設(shè)備 自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“自動(dòng)化軌道吊”）是自動(dòng)化集裝箱碼頭的主要堆場(chǎng)作業(yè)設(shè)備，主要執(zhí)行堆場(chǎng)與水平運(yùn)輸設(shè)備之間的集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。按照箱量結(jié)構(gòu)和裝卸特點(diǎn)劃分，自動(dòng)化軌道吊可分為無懸臂自動(dòng)化軌道吊、單懸臂自動(dòng)化軌道吊和雙懸臂自動(dòng)化軌道吊。

（3）水平運(yùn)輸設(shè)備 自動(dòng)化集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸設(shè)備包括自動(dòng)導(dǎo)引車、智能導(dǎo)引車和無人駕駛集卡等，主要執(zhí)行碼頭前沿與后方堆場(chǎng)之間的集裝箱水平運(yùn)輸作業(yè)，其中：自動(dòng)導(dǎo)引車通過預(yù)埋在地下的磁釘實(shí)現(xiàn)精確定位和導(dǎo)航;智能導(dǎo)引車采用第五代移動(dòng)通信（以下簡(jiǎn)稱“5G”）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)，能夠擺脫場(chǎng)區(qū)磁釘限制，實(shí)現(xiàn)更加靈活的運(yùn)行路線;無人駕駛集卡由傳統(tǒng)集卡經(jīng)智能化升級(jí)改造而成，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的無人駕駛作業(yè)。

2 我國(guó)沿海主要自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)

方案比較

2.1 上海港洋山深水港區(qū)四期自動(dòng)化集裝箱碼頭

上海港洋山深水港區(qū)四期自動(dòng)化集裝箱碼頭（以下簡(jiǎn)稱“上海港洋山四期自動(dòng)化碼頭”）岸線長(zhǎng)，面積為223萬m2，共有7個(gè)泊位，采用“雙小車自動(dòng)化岸橋+自動(dòng)導(dǎo)引車+自動(dòng)化軌道吊”裝卸工藝，配備26臺(tái)自動(dòng)化岸橋、135臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)引車和119臺(tái)自動(dòng)化軌道吊，設(shè)計(jì)年集裝箱吞吐能力為630萬TEU，是我國(guó)單體規(guī)模最大的自動(dòng)化集裝箱碼頭。上海港洋山四期自動(dòng)化碼頭的岸邊作業(yè)區(qū)配備帶中轉(zhuǎn)平臺(tái)的雙小車自動(dòng)化岸橋：主小車在抓取集裝箱的同時(shí)掃描作業(yè)區(qū)域，并建立船舶三維模型，使遠(yuǎn)程操作人員能夠準(zhǔn)確定位作業(yè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)集裝箱，從而提高遠(yuǎn)程作業(yè)精度;副小車實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化岸橋運(yùn)行狀況，從而降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。以卸船作業(yè)為例：在傳統(tǒng)單小車岸橋作業(yè)流程下，小車需要完成從船上抓取集裝箱、帶箱沿軌道運(yùn)行至水平運(yùn)輸設(shè)備上方、將集裝箱放置于水平運(yùn)輸設(shè)備上的全過程;而在雙小車自動(dòng)化岸橋作業(yè)流程下，主小車與副小車相互銜接，各自只要完成原作業(yè)路徑的一半即可，從而提高岸橋作業(yè)效率和碼頭泊位利用率。

2.2 青島港一期全自動(dòng)化集裝箱碼頭

青島港一期全自動(dòng)化集裝箱碼頭（以下簡(jiǎn)稱“青島港一期全自動(dòng)化碼頭”）岸線長(zhǎng)2 088 m，面積為285萬m2，共有6個(gè)泊位，采用“雙小車自動(dòng)化岸橋+自動(dòng)導(dǎo)引車+自動(dòng)化軌道吊”裝卸工藝，配備16臺(tái)自動(dòng)化岸橋、83臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)引車和76臺(tái)自動(dòng)化軌道吊，設(shè)計(jì)年集裝箱吞吐能力為520萬TEU，是世界上裝卸效率最高的自動(dòng)化集裝箱碼頭。在碼頭水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)，青島港一期全自動(dòng)化碼頭首創(chuàng)自動(dòng)導(dǎo)引車循環(huán)充電技術(shù)：當(dāng)監(jiān)測(cè)到自動(dòng)導(dǎo)引車電量低于設(shè)定值時(shí)，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)安排自動(dòng)導(dǎo)引車自行進(jìn)入換電站更換電池，從而使電池使用壽命延長(zhǎng)至10年，有效減少電池更換次數(shù)。自動(dòng)導(dǎo)引車具有以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：第一，自動(dòng)導(dǎo)引車為無人駕駛設(shè)備，無須人工干預(yù)作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)碼頭作業(yè)區(qū)域全封閉;第二，自動(dòng)導(dǎo)引車能夠通過算法優(yōu)化作業(yè)路徑;第三，自動(dòng)導(dǎo)引車使用鈦酸鋰電池，能夠有效減少溫室氣體排放量。

2.3 廈門港遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭

廈門港遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭岸線長(zhǎng)447 m，面積為122萬m2，共有1個(gè)泊位，采用“雙小車自動(dòng)化岸橋+自動(dòng)導(dǎo)引車+自動(dòng)化軌道吊”裝卸工藝，配備3臺(tái)自動(dòng)化岸橋、18臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)引車和16臺(tái)自動(dòng)化軌道吊，設(shè)計(jì)年集裝箱吞吐能力為95萬TEU，是我國(guó)首個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化集裝箱碼頭。廈門港遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭在全球率先將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于全場(chǎng)景作業(yè)，成功解決光纖網(wǎng)絡(luò)存在的管道開挖和光纜鋪設(shè)干擾碼頭生產(chǎn)的問題，從而在不停工、不停產(chǎn)的情況下完成傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動(dòng)化升級(jí)改造，并且實(shí)現(xiàn)碼頭通信網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展、易維護(hù)和低成本。

2.4 天津港五洲國(guó)際集裝箱碼頭

天津港五洲國(guó)際集裝箱碼頭岸線長(zhǎng)1 202 m，面積為35萬m2，共有4個(gè)泊位，采用“單小車自動(dòng)化岸橋+智能集卡+雙懸臂自動(dòng)化軌道吊”裝卸工藝，配備12臺(tái)自動(dòng)化岸橋和31臺(tái)自動(dòng)化軌道吊，設(shè)計(jì)年集裝箱吞吐能力為150萬TEU，是我國(guó)首個(gè)由傳統(tǒng)集裝箱碼頭升級(jí)改造而成的全流程自動(dòng)化集裝箱碼頭。天津港五洲國(guó)際集裝箱碼頭建設(shè)分三步完成：首先，完成堆場(chǎng)自動(dòng)化改造;然后，引入無人駕駛電動(dòng)集卡，實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸自動(dòng)化;最后，完成碼頭作業(yè)全流程自動(dòng)化改造。在水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)，天津港五洲國(guó)際集裝箱碼頭對(duì)傳統(tǒng)集卡實(shí)施自動(dòng)化改造，不僅節(jié)約自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備購(gòu)置成本，而且延長(zhǎng)集卡使用壽命，主要改造措施為：在傳統(tǒng)集卡內(nèi)部及前視鏡和后視鏡上安裝高清攝像頭，并通過5G網(wǎng)絡(luò)將影像視頻傳輸至聯(lián)調(diào)聯(lián)試操作中心，從而使工作人員能夠根據(jù)集卡運(yùn)行情況遠(yuǎn)程操控方向盤。

2.5 廣州港南沙港區(qū)四期自動(dòng)化集裝箱碼頭

廣州港南沙港區(qū)四期自動(dòng)化集裝箱碼頭（以下簡(jiǎn)稱“廣州港南沙四期自動(dòng)化碼頭”）岸線長(zhǎng)，面積為120萬m2，共有4個(gè)泊位，采用“單小車自動(dòng)化岸橋+智能導(dǎo)引車+自動(dòng)化軌道吊”裝卸工藝，配備49臺(tái)單懸臂自動(dòng)化軌道吊、3臺(tái)雙懸臂自動(dòng)化軌道吊和158臺(tái)智能導(dǎo)引車，設(shè)計(jì)年集裝箱吞吐能力為490萬TEU，建成后將成為全球首個(gè)在水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)采用智能導(dǎo)引車的自動(dòng)化集裝箱碼頭。智能導(dǎo)引車具有以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：第一，智能導(dǎo)引車具有較高的靈活性和柔性，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的運(yùn)行路線;第二，當(dāng)電量低于設(shè)定值時(shí)，智能導(dǎo)引車自動(dòng)行駛至充電區(qū)充電;第三，智能導(dǎo)引車能夠搭載不同的功能模塊，從而滿足一車多用的需求。

2.6 小結(jié)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，“十四五”時(shí)期我國(guó)沿海自動(dòng)化集裝箱碼頭投產(chǎn)規(guī)模將近20個(gè)。[10]通過比較我國(guó)沿海主要自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案，總結(jié)現(xiàn)有建設(shè)方案的突出特點(diǎn)和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，有助于進(jìn)一步提升我國(guó)沿海港口自動(dòng)化水平。由表1可見，我國(guó)沿海自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)主要有以下特點(diǎn)。

表1 我國(guó)沿海主要自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案比較

（1）新建和改造兩種建設(shè)類型并存。我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)分為新建和改造兩種類型，兩者并存的主要原因是：第一，自動(dòng)化集裝箱碼頭投資規(guī)模較大且投資回報(bào)期較長(zhǎng)[11]，港口企業(yè)需要根據(jù)自身的資金承受能力選擇合適的建設(shè)方案;第二，自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)效率較高，就傳統(tǒng)中小型集裝箱碼頭而言，采取自動(dòng)化升級(jí)改造的建設(shè)方案足以滿足吞吐量需求。

（2）主要分布在沿海大型樞紐港。沿海大型樞紐港具有較強(qiáng)的貨源吸引力，能夠?yàn)樽詣?dòng)化集裝箱碼頭提供大量穩(wěn)定的貨源以維持其可持續(xù)發(fā)展：首先，沿海大型樞紐港地處我國(guó)進(jìn)出口貿(mào)易最活躍的地區(qū)，擁有廣闊的經(jīng)濟(jì)腹地;其次，沿海大型樞紐港是國(guó)際集裝箱班輪的主要掛靠港，其周邊有很多喂給港為其提供貨物集散服務(wù);最后，沿海大型樞紐港的基礎(chǔ)設(shè)施更完備且管理模式更規(guī)范，是進(jìn)出口貿(mào)易商優(yōu)先考慮的合作對(duì)象。

（3）綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)突出。自動(dòng)化集裝箱碼頭的綠色環(huán)保優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下兩方面：一是通過采用太陽能和風(fēng)能等可再生清潔能源，從源頭控制污染物排放量;二是通過應(yīng)用能源管理系統(tǒng)，科學(xué)合理地分配和使用能源。數(shù)據(jù)顯示：與傳統(tǒng)集裝箱碼頭相比，大部分自動(dòng)化集裝箱碼頭單箱綜合能耗降低20%以上。[12]

（4）實(shí)現(xiàn)碼頭生產(chǎn)作業(yè)無人化。自動(dòng)化集裝箱碼頭大多采用遠(yuǎn)程控制作業(yè)方式，從而實(shí)現(xiàn)碼頭生產(chǎn)作業(yè)無人化，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾方面：第一，減少安全隱患和人為因素干擾，提高碼頭作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，特別是在當(dāng)前新冠肺炎疫情長(zhǎng)期存在的情況下，無接觸式作業(yè)能夠確保自動(dòng)化集裝箱碼頭正常運(yùn)轉(zhuǎn);第二，改善碼頭作業(yè)環(huán)境;第三，降低人力成本。

3 我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)建議

當(dāng)前我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)分為新建和改造兩種類型：新建方案是根據(jù)港口長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需要，通過合理規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)具備全自動(dòng)化裝卸運(yùn)輸作業(yè)能力的集裝箱碼頭;改造方案是在綜合考慮原有的傳統(tǒng)集裝箱碼頭裝卸工藝和平面布局的基礎(chǔ)上，對(duì)裝卸運(yùn)輸設(shè)備實(shí)施自動(dòng)化升級(jí)改造，從而使集裝箱碼頭具備全自動(dòng)化裝卸運(yùn)輸作業(yè)能力。[13]本文根據(jù)不同規(guī)模集裝箱碼頭的需求特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)提出建議。為了便于研究，按集裝箱吞吐能力將自動(dòng)化集裝箱碼頭劃分為三種類型：一是設(shè)計(jì)年集裝箱吞吐能力小于或等于100萬TEU的小型自動(dòng)化集裝箱碼頭;二是設(shè)計(jì)年集裝箱吞吐能力大于100萬TEU但小于或等于400萬TEU的中型自動(dòng)化集裝箱碼頭;三是設(shè)計(jì)年集裝箱吞吐能力大于400萬TEU的大型自動(dòng)化集裝箱碼頭。

對(duì)于大型集裝箱碼頭而言，新建自動(dòng)化集裝箱碼頭是首選方案。上海港、廣州港和青島港等港口作為我國(guó)傳統(tǒng)的海運(yùn)貿(mào)易大港，年集裝箱吞吐量排名均位于世界前列。上述港口的集裝箱碼頭生產(chǎn)繁忙，建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭是其提高碼頭作業(yè)效率和降低碼頭作業(yè)成本的重要手段。雖然大型自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)投資規(guī)模大且周期長(zhǎng)，但上海、廣州和青島作為重要的區(qū)域經(jīng)濟(jì)中心具備強(qiáng)大的財(cái)政實(shí)力，能夠?yàn)榇笮妥詣?dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)提供資金支持。此外，自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)過程中的技術(shù)積累和創(chuàng)新不僅能夠節(jié)約資金，而且有助于完善工藝。例如：青島港二期全自動(dòng)化碼頭創(chuàng)新應(yīng)用氫動(dòng)力自動(dòng)化軌道吊，打造零污染、零排放的智慧綠色碼頭，每年二氧化硫排放量減少近1 000 t，二氧化碳排放量減少近3萬t。

對(duì)于中小型集裝箱碼頭而言，傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化升級(jí)改造方案更加經(jīng)濟(jì)合理。傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化升級(jí)改造可以借鑒天津港五洲國(guó)際集裝箱碼頭“三步走”策略，即根據(jù)碼頭實(shí)際情況分步驟建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭三大作業(yè)系統(tǒng)。此外，中小型自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)投資規(guī)模較小且作業(yè)效率較高，建成后市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將顯著提高。

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（編輯：張敏 收稿日期：2021-05-20）