全自動集裝箱碼頭方案分析及關(guān)鍵技術(shù)

饒智敏 唐可心 張 煜

1 廣州港股份有限公司 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院

1 引言

自動化集裝箱碼頭已經(jīng)成為智慧港口當(dāng)下和未來發(fā)展的重點[1],越來越多的傳統(tǒng)集裝箱碼頭逐步實施自動化改造升級。一般而言,半自動化集裝箱碼頭是指在碼頭前沿、堆場裝卸作業(yè)采用自動化設(shè)備的碼頭,多以傳統(tǒng)碼頭岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)、堆場門式起重機(jī)(以下簡稱場橋)分批逐步進(jìn)行遠(yuǎn)控改造為主。全自動化集裝箱碼頭是指岸橋、場橋、水平運(yùn)輸設(shè)備均實現(xiàn)自動化,且碼頭生產(chǎn)操作管理采用信息化管理系統(tǒng)進(jìn)行自動化作業(yè)的集裝箱碼頭,多以新建碼頭為主。經(jīng)過近30年發(fā)展,全球已建和在建的全自動化碼頭近20座,但目前自動化碼頭的數(shù)量占所有碼頭的比例只有5%[2]。并且,能夠真正實現(xiàn)自動化水平運(yùn)輸車與外集卡完全混行、成規(guī)模運(yùn)營的全自動化碼頭還尚未出現(xiàn)。

國內(nèi)關(guān)于自動化集裝箱碼頭的研究大多關(guān)注于總體布局和配套設(shè)備[3],從堆場布置形態(tài)來看,可分為垂直于碼頭岸線和平行于碼頭岸線2種形式。裝卸方式則分為“端裝卸”和“邊裝卸”2種方式,其中“端裝卸”是指碼頭的水平運(yùn)輸設(shè)備不進(jìn)入堆場箱區(qū),僅在端部進(jìn)行交互作業(yè); “邊裝卸”模式可允許水平運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)入堆場內(nèi),在任意垛區(qū)的側(cè)邊進(jìn)行裝卸。從水平運(yùn)輸自動化和非自動化區(qū)域的隔離方式進(jìn)行區(qū)分,可分為空間隔離和時空隔離2種方式[4],空間隔離是通過物理圍網(wǎng)實現(xiàn)自動化區(qū)與非自動化區(qū)之間的隔離;時空隔離則利用智能交通燈進(jìn)行臨時管控,從而在時間和空間上將自動化區(qū)和非自動化區(qū)隔離開。從工藝設(shè)備選型上區(qū)分,碼頭前沿配有雙小車岸橋和單小車岸橋;堆場設(shè)備有自動化軌道式龍門起重機(jī)(以下簡稱ARMG)和自動化輪胎式龍門起重機(jī)(以下簡稱ARTG),ARMG又分為雙懸臂、單懸臂以及無懸臂3種機(jī)型;水平運(yùn)輸設(shè)備則為智能導(dǎo)引車(以下簡稱IGV)、自動導(dǎo)引車(以下簡稱AGV)、智能運(yùn)輸機(jī)器人(以下簡稱ART)或無人集卡等。

2 自動化集裝箱碼頭總體技術(shù)方案分類

2.1 “堆場垂直布置+端裝卸+空間隔離”技術(shù)方案

“堆場垂直布置+端裝卸+空間隔離”技術(shù)方案是目前應(yīng)用最為廣泛且技術(shù)最成熟的全自動化集裝箱碼頭建設(shè)方案,以鹿特丹港的ECT碼頭、Euromax碼頭、德國漢堡港的CTA碼頭,以及國內(nèi)于2017年投產(chǎn)的青島港前灣、上海洋山四期碼頭為代表。

圖1為上海洋山四期集裝箱碼頭總體平面布局圖,集疏運(yùn)方式主要為公路,堆場垂直于碼頭岸線布置。自動化和非自動化區(qū)域采用空間隔離方式,在箱區(qū)兩端分別設(shè)置海側(cè)交互區(qū)與路側(cè)交互區(qū),通過圍網(wǎng)進(jìn)行物理隔離,水平運(yùn)輸設(shè)備不進(jìn)入堆場,集中在交互區(qū)作業(yè),交通組織較為簡單。裝卸工藝系統(tǒng)采用“雙小車岸橋+AGV+ARMG”全自動化模式,堆場主要作業(yè)方式為“端裝卸”。由于洋山四期水轉(zhuǎn)水比例高、干支線船舶混合作業(yè)、海陸兩側(cè)作業(yè)量不均衡,設(shè)計了堆場無懸臂ARMG+局部單懸臂ARMG的混合布局模式和AGV穿越模式,有效減低ARMG的操作系數(shù)。單懸臂的ARMG負(fù)責(zé)水轉(zhuǎn)水的作業(yè)需求;無懸臂的ARMG主要負(fù)責(zé)水陸轉(zhuǎn)運(yùn)的集裝箱裝卸作業(yè)。每條箱區(qū)配置2臺ARMG進(jìn)行接力作業(yè),分別負(fù)責(zé)海側(cè)裝卸船作業(yè)和外集卡提送箱作業(yè)。

1.自動化雙小車岸橋 2.無懸臂ARMG圖1 上海洋山四期集裝箱碼頭總體平面示意圖

2.2 “堆場U形垂直布置+邊裝卸+空間隔離”技術(shù)方案

“堆場U形垂直布置+邊裝卸+空間隔離”技術(shù)方案是在“堆場垂直布置+端裝卸+空間隔離”技術(shù)方案基礎(chǔ)上結(jié)合港區(qū)運(yùn)營特點優(yōu)化的一種全新自動化集裝箱碼頭建設(shè)方案,并在我國廣西欽州港大欖坪南作業(yè)區(qū)首次應(yīng)用[5],碼頭總體平面布局圖見圖2。集疏運(yùn)方式以公路為主,部分采用鐵路運(yùn)輸和水水中轉(zhuǎn)。堆場垂直于碼頭岸線,港外集卡在堆場內(nèi)的裝卸運(yùn)輸車道呈U形布置,U形車道與箱區(qū)、自動化水平運(yùn)輸設(shè)備完全隔離。港區(qū)采用“自動化雙小車岸橋+IGV+雙懸臂ARMG”工藝模式,堆場采用“邊裝卸”方式。外集卡和IGV均能直接進(jìn)入堆場,裝卸作業(yè)分別在ARMG兩側(cè)懸臂下進(jìn)行,外集卡在ARMG一側(cè)懸臂完成裝卸后繞至ARMG軌內(nèi)的車道掉頭出堆場;IGV的裝卸運(yùn)輸通道布置在雙懸臂ARMG的另一側(cè)外懸臂下。U形設(shè)計改變垂直布局端頭交互模式,可避免ARMG長距離跑動問題,對設(shè)備使用壽命、能源消耗均有改善,可分散IGV與外集卡車流,保證交通組織實現(xiàn)物理分離、互不干涉。但這種新型布局占地面積較大,對于堆場縱深較大的碼頭更具適用性。

1.自動化雙小車岸橋 2.雙懸臂ARMG 3.外集卡U型車道圖2 廣西欽州港集裝箱碼頭總體平面示意圖

2.3 “堆場平行布置+端裝卸+空間隔離”技術(shù)方案

采用“堆場平行布置+端裝卸+空間隔離”技術(shù)方案的有廈門港遠(yuǎn)海自動化碼頭,它是國內(nèi)第一個全自動化碼頭,也是全球首個應(yīng)用第四代全自動化技術(shù)的集裝箱碼頭。廈門港遠(yuǎn)海自動化碼頭采用“雙小車岸橋+AGV +無懸臂ARMG”的全自動化工藝系統(tǒng),堆場平行于岸線布局,采用“端裝卸”作業(yè)模式(見圖3)。ARMG采用“自動運(yùn)行+船側(cè)抓放箱”遠(yuǎn)程操作模式。該碼頭是在原有RTG跑道的基礎(chǔ)上改造ARMG軌道,箱區(qū)西端為集卡交接區(qū),包括人工集卡和智能集卡;箱區(qū)東端為AGV交接區(qū),配置無懸臂ARMG。堆場內(nèi)的2臺ARMG為接力式布置,箱區(qū)交互區(qū)車道引入AGV伴侶(架橋結(jié)合電動小車)來解決ARMG和AGV的耦合問題,節(jié)能環(huán)保,可實現(xiàn)全自動化。

1.自動化雙小車岸橋 2.無懸臂ARMG圖3 廈門港遠(yuǎn)海自動化碼頭總體平面示意圖

2.4 “堆場平行布置+邊裝卸+空間隔離”技術(shù)方案

廣州港南沙港區(qū)四期碼頭采用的是“堆場平行布置+邊裝卸+空間隔離”的技術(shù)方案,碼頭總體平面布局見圖4。由于大灣區(qū)港口集疏運(yùn)呈現(xiàn)海運(yùn)轉(zhuǎn)駁船水運(yùn)比例高的特性,尤其內(nèi)貿(mào)水轉(zhuǎn)水占比超過85%,南沙四期的定位為集裝箱中轉(zhuǎn)港。海輪泊位側(cè)面建有配套挖入式駁船泊位,堆場平行于碼頭岸線布置,采用“邊裝卸”作業(yè)模式,方便車輛進(jìn)入堆場邊側(cè)進(jìn)行裝卸作業(yè),降低運(yùn)輸成本。針對水水中轉(zhuǎn)比例高的特點,在集裝箱堆場后方設(shè)置陸路集疏運(yùn)交互區(qū)。碼頭前沿與堆場形成獨立的封閉性自動化區(qū)域,與非自動化區(qū)域通過內(nèi)外交互區(qū)進(jìn)行物理隔離。港區(qū)采用“自動化單小車岸橋+IGV+ ARMG”的裝卸工藝系統(tǒng),自動化堆場采用單懸臂ARMG,內(nèi)外交互堆場采用雙懸臂ARMG,懸臂兩側(cè)分別對應(yīng)IGV作業(yè)車道和外集卡作業(yè)車道。由于自動化水平運(yùn)輸設(shè)備可以進(jìn)入堆場內(nèi)部實現(xiàn)點對點作業(yè),在保證裝卸效率的同時降低了運(yùn)營能耗。

1.自動化單小車岸橋 2.單懸臂ARMG 3.雙懸臂ARMG 4.自動化單小車岸橋圖4 廣州港南沙港區(qū)四期碼頭總體平面示意圖

深圳鹽田港東作業(yè)區(qū)采用堆場平行于碼頭岸線的布置方式,碼頭總體布局見圖5。該碼頭的裝卸工藝系統(tǒng)為“自動化雙小車岸橋+自動集卡+雙懸臂ARMG”,堆場采用“邊裝卸”作業(yè)模式。堆場內(nèi)、外集卡通道擬呈“P”形,采取“箱區(qū)端部調(diào)頭”的空間隔離方式。內(nèi)外集卡中間采用圍網(wǎng)隔離,堆場內(nèi)也間隔布置外集卡專用作業(yè)通道和內(nèi)集卡專用作業(yè)通道。外集卡和內(nèi)集卡分別從箱區(qū)的左側(cè)和右側(cè)進(jìn)入作業(yè)通道,然后經(jīng)箱區(qū)端部調(diào)頭后回到其縱向?qū)Ｓ玫缆?從而實現(xiàn)空間上的分離。為避免ARMG懸臂下集卡通道內(nèi)車輛的平面交叉和同一箱區(qū)的作業(yè)通道方向一致,縱向相鄰箱區(qū)的集裝箱堆箱門方向相反,不影響港區(qū)生產(chǎn)作業(yè)。待遠(yuǎn)期混行技術(shù)成熟后,將取消P形集卡掉頭區(qū),自動化水平運(yùn)輸采用“全混行”方案,堆場內(nèi)的端部調(diào)頭區(qū)改為堆箱區(qū),橫向道路端部全部與縱向道路打通。

1.自動化雙小車岸橋 3.雙懸臂ARMG圖5 深圳鹽田港東作業(yè)區(qū)碼頭總體平面示意圖

2.5 “堆場平行布置+邊裝卸+時空隔離”技術(shù)方案

國內(nèi)外自動化集裝箱碼頭中采用“堆場平行布置+邊裝卸+時空隔離”技術(shù)方案的有日本名古屋港Tobishima TCB碼頭、天津港北疆C段碼頭和深圳海星碼頭。天津港水水中轉(zhuǎn)箱量少,堆場海陸側(cè)交換箱量巨大,北疆港區(qū)C段自動化集裝箱碼頭采用“單小車QC+ART+雙懸臂ARMG”的工藝模式和堆場平行碼頭前沿的布局模式,帶有“邊裝卸”特點,并采用地面集中解鎖,自動化區(qū)域與非自動化區(qū)域通過物理圍欄進(jìn)行隔離(見圖6)。在堆場內(nèi)部,ART沿逆時針方向行駛,外集卡沿順時針方向行駛,不共用車道,實現(xiàn)內(nèi)外交通分流,極大地提高了各自通行效率。此外,在堆場兩側(cè)端部進(jìn)箱區(qū)的交叉路口處設(shè)置智能閘口,利用車路協(xié)同技術(shù),保證 ART 的絕對優(yōu)先通行。由于ART可根據(jù)任務(wù)進(jìn)入堆場指定垛位,ARMG不跑大車作業(yè),避免傳統(tǒng)自動化碼頭水平運(yùn)輸換裝主要集中在堆場海、陸兩側(cè)的問題,有利于充分釋放ARMG的作業(yè)效能,降低能耗,具有普適性和推廣性。

1.自動化單小車岸橋 2.雙懸臂ARMG 3.ART行駛路線 4.外集卡行駛路線圖6 天津港北疆C段碼頭總體平面示意圖

3 國內(nèi)典型全自動化集裝箱碼頭技術(shù)方案對比

國內(nèi)主要的典型全自動化集裝箱碼頭總體建設(shè)及技術(shù)方案見表1。

表1 國內(nèi)典型全自動化集裝箱碼頭總體建設(shè)及技術(shù)方案

4 自動化集裝箱碼頭關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與建議

4.1 碼頭平面布局

堆場的布局模式是自動化碼頭平面布局的重點,相比于堆場垂直于岸線的布局,平行布局且側(cè)邊裝卸的工藝方案具有機(jī)械調(diào)度靈活的特點,能夠快速提高局部箱區(qū)收發(fā)箱作業(yè)能力,降低堆場計劃決策難度;平行碼頭前沿線的布置方式與傳統(tǒng)碼頭布局、生產(chǎn)組織模式一致性高,具備新技術(shù)大規(guī)模復(fù)制應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和實操性,可以為傳統(tǒng)碼頭自動化升級改造以及新建小型自動化集裝箱碼頭提供參考。但需要充分考慮水平運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行距離過長、運(yùn)行路徑規(guī)劃難度大等問題。

目前,對于水平運(yùn)輸?shù)母綦x方式,大多通過物理隔離劃分自動化區(qū)域和非自動化區(qū)域的界限。近年來,業(yè)界也開始探索無人設(shè)備和有人駕駛集卡有條件混行的方案,在車流交叉路口采取“紅綠燈+道閘桿”控制,已取得不錯的實施效果。隨著無人駕駛技術(shù)逐步發(fā)展成熟,車路協(xié)同技術(shù)突破瓶頸,以及相關(guān)法律法規(guī)的配套出臺,新建全自動化集裝箱碼頭采用堆場全混行方案將是未來發(fā)展的方向,但混行存在有人和無人水平車輛有序調(diào)控及其行駛效率較低的問題,有待進(jìn)一步解決。

4.2 主要裝卸設(shè)備

4.2.1 碼頭前沿裝卸設(shè)備

自動化集裝箱碼頭前沿作業(yè)一般采用岸橋,根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及工作原理可分為自動化單小車岸橋和自動化雙小車岸橋兩種機(jī)型。對比自動化雙小車岸橋和自動化單小車岸橋,前者的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在裝卸效率高,通過中轉(zhuǎn)平臺和雙小車機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)接力作業(yè),有效縮短主小車的循環(huán)作業(yè)時間。但該設(shè)備自重大,對前沿碼頭水工要求高,造價遠(yuǎn)高于單小車岸橋。自動化單小車岸橋憑借成本、能耗、場地要求等方面的優(yōu)勢,已成功應(yīng)用于天津港北疆C段、廣州南沙四期等自動化碼頭。傳統(tǒng)集裝箱碼頭在改造升級過程中受到布局結(jié)構(gòu)限制,單小車岸橋也將進(jìn)一步得到推廣應(yīng)用。

4.2.2 堆場裝卸設(shè)備

自動化集裝箱堆場作業(yè)設(shè)備主要有ARTG和ARMG。ARTG行走精度難于控制,容易跑偏;ARMG大車沿固定軌道行駛,定位精確且較容易實現(xiàn)自動化控制,且ARMG配備八繩鋼絲繩吊具對于自動化作業(yè)而言穩(wěn)定性更高。

ARMG根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同可分為無懸臂AGMG與懸臂式ARMG。早期自動化碼頭采用“端裝卸”的作業(yè)模式,利用無懸臂高速ARMG接力作業(yè),便于自動化堆場封閉管理,但易造成海陸兩側(cè)設(shè)備利用率不均衡。懸臂式ARMG作業(yè)過程中無需帶箱行走,由水平運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)送集裝箱到目標(biāo)貝位,具有能耗低、出箱點多的優(yōu)勢;雙懸臂ARMG可實現(xiàn)港內(nèi)、港外集卡分別在兩側(cè)懸臂進(jìn)行作業(yè),更有利于對港內(nèi)外車輛的交通組織進(jìn)行有效分離。因此,ARMG的選型多與堆場布局相關(guān),需要據(jù)陸域條件和集疏運(yùn)特點選擇合適的機(jī)型。

另外,對于單獨設(shè)置集裝箱空箱堆場或陸域條件不規(guī)整的集裝箱碼頭,考慮到空箱堆高機(jī)具有作業(yè)效率較高、調(diào)度靈活、節(jié)約投資的特點,如能解決堆高機(jī)與自動化水平運(yùn)輸設(shè)備的交互混行技術(shù)難點,則堆高機(jī)可在空箱堆場作業(yè)中發(fā)揮優(yōu)勢。

4.2.3 水平運(yùn)輸設(shè)備

目前集裝箱自動化水平運(yùn)輸設(shè)備中,AGV一般采用純電驅(qū)動,磁釘導(dǎo)航定位,是早期自動化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備的首選。IGV是在AGV的基礎(chǔ)上搭載攝像頭、毫米波雷達(dá)等多傳感器,再加入衛(wèi)星定位,具有環(huán)境感知與智能決策能力,總體上更加智能。ART 車身配備激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波雷達(dá)等多個傳感器,采用北斗定位系統(tǒng),能夠自主完成智能感知、智能規(guī)劃、智能決策等自動駕駛功能,與5G深度結(jié)合后可實現(xiàn)遠(yuǎn)控駕駛,真正實現(xiàn)在復(fù)雜場景中高精度、全無人、安全穩(wěn)定的運(yùn)輸作業(yè)。ART建設(shè)成本低,接替?zhèn)鹘y(tǒng)有人集卡完成水平運(yùn)輸作業(yè)較為容易,不需要對碼頭進(jìn)行大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

4.3 裝卸工藝系統(tǒng)仿真

自動化裝卸工藝是典型的離散復(fù)雜系統(tǒng),隨機(jī)性較強(qiáng)。新建碼頭選擇全自動化技術(shù)方案時,應(yīng)開展深入、細(xì)致的仿真研究。系統(tǒng)仿真需真實地模擬碼頭自動化作業(yè)全流程,在模擬運(yùn)行過程中及時發(fā)現(xiàn)問題,例如設(shè)備間協(xié)調(diào)性差、水平運(yùn)輸設(shè)備擁堵、優(yōu)先級順序混亂等,開展針對性調(diào)整優(yōu)化研究,完善自動化技術(shù)方案。仿真模擬過程中,可著重關(guān)注設(shè)備效率與狀態(tài)、設(shè)備數(shù)量配置、復(fù)雜路段交通組織、碼頭整體作業(yè)效率等指標(biāo),從多角度綜合評估總體建設(shè)方案效果。仿真研究還需要測試整個系統(tǒng)的韌性,例如考慮實際運(yùn)營中存在船上翻倒箱、大車換貝、堆場翻倒箱等不利因素影響,或者對于外集卡的作業(yè)數(shù)據(jù)可選取碼頭較為繁忙時,集卡的到港分布作為集疏運(yùn)的仿真對象。

4.4 自動化操作系統(tǒng)

自動化碼頭操作系統(tǒng)(以下簡稱TOS)集成了眾多岸橋、場橋、自動化水平運(yùn)輸設(shè)備等不同類型的自動化作業(yè)設(shè)備,與碼頭生產(chǎn)計劃系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、車隊交通規(guī)劃系統(tǒng)等諸多軟件系統(tǒng)進(jìn)行連接、融合,架構(gòu)更加復(fù)雜,功能也更加全面,是一個技術(shù)疊加的大平臺。

目前,全球主要自動化集裝箱碼頭操作系統(tǒng)供應(yīng)商眾多,為掌握核心技術(shù)與數(shù)字化轉(zhuǎn)型主動權(quán),越來越多的國內(nèi)碼頭公司開始自行研發(fā)或合作研發(fā)TOS系統(tǒng)。TOS系統(tǒng)的自主研發(fā)能夠有效提升數(shù)據(jù)的安全性、穩(wěn)定性,并隨著港口的發(fā)展而更好地進(jìn)行升級迭代,適用性較強(qiáng)。

5 結(jié)語

通過分析我國近年來相繼投產(chǎn)的6個全自動化集裝箱碼頭的建設(shè)特點,從布局形態(tài)、裝卸方式和隔離方式總結(jié)歸納出5種典型的自動化集裝箱碼頭總體技術(shù)方案,比較各自的技術(shù)特點和適用性。自動化碼頭的建設(shè)決策應(yīng)綜合考慮當(dāng)前技術(shù)水平和工程條件,選擇合適的技術(shù)路線,結(jié)合碼頭實際生產(chǎn)需求進(jìn)行仿真研究,形成最優(yōu)的全自動化建設(shè)方案。