自動化集裝箱碼頭軟硬件技術(shù)現(xiàn)狀及布局設(shè)計(jì)

耿衛(wèi)寧 宋海濤

自動化集裝箱碼頭已經(jīng)成為現(xiàn)代化大型集裝箱碼頭的發(fā)展趨勢。自動化集裝箱碼頭建設(shè)投資動輒達(dá)幾十億元甚至上百億元，能否如期上線運(yùn)營，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，并如期收回成本，是每個(gè)自動化碼頭運(yùn)營商面臨的難題。自動化集裝箱碼頭建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及碼頭設(shè)計(jì)、水工土建、設(shè)備選型、軟件選配、系統(tǒng)測試等環(huán)節(jié)，尤其是自動化集裝箱碼頭規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性是決定碼頭建設(shè)成功與否的首要條件。

1 制定自動化集裝箱碼頭建設(shè)的預(yù)期目標(biāo)

合理的預(yù)期目標(biāo)是一切規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。自動化集裝箱碼頭的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)本港實(shí)際情況，確定合理的預(yù)期目標(biāo)。

1.1 確定碼頭預(yù)期上線運(yùn)營時(shí)間

一般情況下，自動化集裝箱碼頭從立項(xiàng)和規(guī)劃設(shè)計(jì)到投入運(yùn)營需要5年建設(shè)周期。迄今為止，所有自動化集裝箱碼頭的投入運(yùn)營時(shí)間都或多或少比預(yù)期上線運(yùn)營時(shí)間有所延誤，甚至有的自動化集裝箱碼頭的實(shí)際投入運(yùn)營時(shí)間比預(yù)期晚了數(shù)年，由此可見自動化集裝箱碼頭建設(shè)的復(fù)雜性。搶工期、搶進(jìn)度會給自動化集裝箱碼頭將來的運(yùn)營帶來很大隱患，科學(xué)地確定碼頭預(yù)期上線運(yùn)營時(shí)間對按部就班、扎實(shí)穩(wěn)妥地推進(jìn)自動化集裝箱碼頭建設(shè)至關(guān)重要。

1.2 確定碼頭預(yù)期生產(chǎn)指標(biāo)

碼頭的運(yùn)營狀況通過諸多生產(chǎn)指標(biāo)來體現(xiàn)。自動化集裝箱碼頭因應(yīng)用電控技術(shù)和信息化技術(shù)可以精確計(jì)算很多人工碼頭無法計(jì)算的指標(biāo)。自動化集裝箱碼頭的生產(chǎn)作業(yè)主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主導(dǎo)，人工只負(fù)責(zé)制定規(guī)則和策略，其最大的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)作業(yè)持續(xù)穩(wěn)定并具有一定經(jīng)濟(jì)性，其缺點(diǎn)是人工很難干預(yù)碼頭生產(chǎn)節(jié)奏，短時(shí)間內(nèi)想提高某幾個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)非常困難，而人工碼頭卻可以靠人工突擊操作改善生產(chǎn)節(jié)奏。

1.3 確定投資收益率和投資回收期

自動化集裝箱碼頭因其巨大的投資，短時(shí)間內(nèi)的收益不會高于人工碼頭；但隨著自動化集裝箱碼頭持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)營，其總體收益回報(bào)會高于人工碼頭。自動化集裝箱碼頭的投資者應(yīng)具有長遠(yuǎn)的發(fā)展眼光，合理地確定投資收益率和投資回收期。

2 確定自動化集裝箱碼頭操作工藝和平面布局

一方面，自動化集裝箱碼頭的預(yù)期生產(chǎn)指標(biāo)決定了碼頭的操作工藝；另一方面，自動化集裝箱碼頭的平面布局設(shè)計(jì)（見圖1）必須符合操作工藝。自動化集裝箱碼頭平面布局設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)包括閘口、堆場布局、堆場堆碼方式等。

2.1 自動化集裝箱碼頭的操作工藝

（1）“半自動橋吊+自動導(dǎo)引小車+自動軌道吊”配置類型 海側(cè)使用半自動橋吊，水平運(yùn)輸使用自動導(dǎo)引小車，堆場使用自動軌道吊，代表碼頭有荷蘭鹿特丹港的Euromax碼頭、日本名古屋港的TCB碼頭等。此類自動化碼頭的優(yōu)點(diǎn)是自動化程度高，缺點(diǎn)是自動導(dǎo)引小車與橋吊需要耦合。

（2）“半自動橋吊+人工跨運(yùn)車+自動軌道吊”配置類型 海側(cè)使用半自動橋吊，水平運(yùn)輸使用人工跨運(yùn)車，堆場使用自動軌道吊，代表碼頭有西班牙巴塞羅那港的巴塞南歐碼頭、英國的倫敦門戶碼頭等。此類自動化碼頭的優(yōu)點(diǎn)是跨運(yùn)車與橋吊和軌道吊都不需要耦合，缺點(diǎn)是自動化程度較低。

2.2 自動化集裝箱碼頭平面布局關(guān)鍵點(diǎn)

（1）閘口 閘口是自動化集裝箱碼頭的“咽喉”，所有進(jìn)出港區(qū)的集裝箱都在閘口交接。閘口設(shè)計(jì)要考慮碼頭集裝箱吞吐量、集疏港峰值、口岸監(jiān)管模式、與市政道路的對接等諸多要素，閘口的數(shù)量、位置、功能設(shè)計(jì)等直接影響閘口的通過能力。全球主要自動化集裝箱碼頭多采用二道閘口模式，第一道閘口為光學(xué)字符識別信息采集閘口，第二道閘口為碼頭業(yè)務(wù)處理閘口。青島前灣智能集裝箱碼頭為提高碼頭安防等級，增加碼頭安防控制閘口，獨(dú)創(chuàng)三道閘口模式，成為行業(yè)內(nèi)的新亮點(diǎn)。

（2）堆場布局 堆場設(shè)計(jì)要考慮碼頭集裝箱吞吐量、進(jìn)出口集裝箱比例、堆存周期、裝卸船效率與收發(fā)箱效率的均衡等諸多要素。自動化集裝箱碼頭堆場布局分為平行岸壁式和垂直岸壁式：由人工碼頭改造而成的自動化集裝箱碼頭多采用平行岸壁式；新建的自動化集裝箱碼頭多采用垂直岸壁式，其優(yōu)點(diǎn)是在空間上將岸邊裝卸船作業(yè)與堆場收發(fā)箱作業(yè)分離，避免作業(yè)沖突。

（3）堆場堆碼方式 自動化集裝箱碼頭堆場堆碼方式分為聯(lián)鎖塊式和箱位梁式。聯(lián)鎖塊式堆碼方式的優(yōu)點(diǎn)是施工方便，堆碼靈活，便于維修；箱位梁式堆碼方式的優(yōu)點(diǎn)是防沉降性較好。

3 確定自動化集裝箱碼頭機(jī)械電控設(shè)備和生產(chǎn)控制軟件

3.1 自動化集裝箱碼頭的機(jī)械電控設(shè)備現(xiàn)狀

當(dāng)前全球排名靠前的港口設(shè)備供應(yīng)商有中國的上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司、瑞士的卡爾瑪公司、美國的特雷克斯公司等。上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的橋吊占全球70%以上的份額，其首創(chuàng)的橋吊整機(jī)發(fā)運(yùn)技術(shù)使橋吊在發(fā)運(yùn)前就可以完成單機(jī)測試，大大縮短用戶組裝、測試設(shè)備的時(shí)間，在行業(yè)內(nèi)占據(jù)很大優(yōu)勢。當(dāng)前全球排名靠前的港機(jī)電控設(shè)備供應(yīng)商有瑞士的ABB集團(tuán)、法國的施耐德公司、日本的西門子公司和安川公司等。全球主要自動化集裝箱碼頭橋吊配置見表1。

3.1.1 船邊裝卸機(jī)械（橋吊）

（1）方案1（單小車橋吊方案） 陸側(cè)橋吊腿處設(shè)置雙集裝箱平臺；單小車類型為“單卷揚(yáng)機(jī)+雙起升吊具上架”；在陸側(cè)橋吊腿處的平臺上（可放2個(gè)45英尺集裝箱）進(jìn)行解鎖處理。

（2）方案2（單小車橋吊方案） 單小車類型為“單卷揚(yáng)機(jī)+雙起升吊具上架”；在橋吊軌距內(nèi)的地上進(jìn)行解鎖處理。

（3）方案3（雙小車橋吊方案） 陸側(cè)橋吊腿處設(shè)置平臺，配備單起升門架橋吊；海側(cè)小車類型為“單卷揚(yáng)機(jī)+雙起升吊具上架”；門架小車類型為單卷揚(yáng)機(jī)，其可與單個(gè)自動導(dǎo)引小車交互；在陸側(cè)橋吊腿處的平臺上（可放2個(gè)45英尺集裝箱）進(jìn)行解鎖處理。

（4）方案4（雙小車橋吊方案） 陸側(cè)橋吊腿處設(shè)置平臺，配備雙起升門架橋吊；海側(cè)小車類型為“單卷揚(yáng)機(jī)+雙起升吊具上架”；門架小車類型為雙起升小車，以便進(jìn)行雙起升操作；在陸側(cè)橋吊腿處的平臺上（可放2個(gè)45英尺集裝箱）進(jìn)行解鎖處理。

3.1.2 水平運(yùn)輸機(jī)械（自動導(dǎo)引小車或跨運(yùn)車）

從作業(yè)效率指標(biāo)來考量，跨運(yùn)車因不需要耦合，其作業(yè)效率高于自動導(dǎo)引小車；不過，迄今為止，自動化碼頭采用的跨運(yùn)車都是人工跨運(yùn)車，自動跨運(yùn)車雖已研發(fā)成功，但未投入使用。英國的倫敦門戶碼頭目前正在實(shí)施人工跨運(yùn)車升級為自動跨運(yùn)車的項(xiàng)目，但遇到的困難較多，進(jìn)展緩慢。具體來看，自動化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸機(jī)械的配備方案有：（1）自動導(dǎo)引小車；（2）帶舉升自動導(dǎo)引小車+支架；（3）人工跨運(yùn)車；（4）自動跨運(yùn)車。

3.1.3 堆場裝卸設(shè)備

自動化集裝箱碼頭堆場裝卸設(shè)備的配備方案有：（1）水平式電動輪胎吊；（2）水平式懸臂梁式軌道吊；（3）垂直式軌道吊；（4）垂直式懸臂梁式軌道吊；（5）垂直式軌道吊+穿梭小車。自動化集裝箱碼頭堆場裝卸設(shè)備與水平運(yùn)輸設(shè)備配置如圖2所示。

3.1.4 小結(jié)

集裝箱作業(yè)是流程化作業(yè)，是多場景、多環(huán)節(jié)的協(xié)同作業(yè)，木桶效應(yīng)決定作業(yè)過程中最薄弱環(huán)節(jié)的效率就是整體作業(yè)效率，因此，單純地提高某個(gè)環(huán)節(jié)的效率毫無意義。實(shí)踐證明，水平運(yùn)輸效率和堆場裝卸效率可以通過優(yōu)化機(jī)械配置得到有效提升，只有海側(cè)橋吊效率在橋吊技術(shù)沒有重大突破前不會有較大的提升。自動化集裝箱碼頭應(yīng)根據(jù)其目標(biāo)效率選擇橋吊類型，并根據(jù)橋吊類型配置相應(yīng)類型和數(shù)量的水平運(yùn)輸設(shè)備和堆場裝卸設(shè)備。

3.2 自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)控制軟件現(xiàn)狀

當(dāng)前，自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)控制軟件的選擇范圍十分有限，已經(jīng)上線運(yùn)營的只有美國Navis公司的SPARCS3.5和N4系統(tǒng)。近年，韓國的CyberLogitec軟件公司開始進(jìn)軍自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)控制軟件市場，成功開發(fā)自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)控制軟件；但因自動化集裝箱碼頭項(xiàng)目的復(fù)雜性，還沒有碼頭敢于嘗試未經(jīng)過驗(yàn)證的生產(chǎn)控制軟件，如何邁出軟件應(yīng)用的第一步，對CyberLogitec軟件公司是巨大的考驗(yàn)。相信不久的將來，Navis公司壟斷自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)控制軟件市場的狀況會有所改變。

3.3 全球主要自動化集裝箱碼頭軟硬件配置

全球主要自動化集裝箱碼頭生產(chǎn)控制系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)和電控設(shè)備配置比較見表2。

自動化集裝箱碼頭軟硬件配置應(yīng)遵循以下原則：（1）選擇有與成功自動化集裝箱碼頭合作經(jīng)驗(yàn)的軟硬件供應(yīng)商；（2）選擇經(jīng)成功自動化集裝箱碼頭驗(yàn)證的軟硬件產(chǎn)品；（3）選擇經(jīng)成功自動化集裝箱碼頭驗(yàn)證的軟硬件配置。

4 自動化集裝箱碼頭規(guī)劃建設(shè)應(yīng)注意的 問題

4.1 組建專業(yè)的項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)

國外自動化集裝箱碼頭建設(shè)有專業(yè)的項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)，提供從最初的構(gòu)思、測算、模擬、規(guī)劃、設(shè)計(jì)到后續(xù)施工、測試、試運(yùn)營等全方位服務(wù)。專業(yè)團(tuán)隊(duì)因其自身的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)，在項(xiàng)目進(jìn)度的控制、風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避等方面具有很大優(yōu)勢。我國沒有專門的自動化集裝箱碼頭建設(shè)團(tuán)隊(duì)，一般由碼頭運(yùn)營商從其內(nèi)部挑選優(yōu)秀的碼頭從業(yè)者組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。碼頭運(yùn)營與碼頭建設(shè)是二個(gè)截然不同的領(lǐng)域，無形中給碼頭建設(shè)增加很多不確定因素和風(fēng)險(xiǎn)，這種現(xiàn)狀短期內(nèi)無法改變；因此，專業(yè)的項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)除應(yīng)納入優(yōu)秀的碼頭從業(yè)者之外，還應(yīng)增加優(yōu)秀的項(xiàng)目管理人員。

4.2 自動化操作的配置及人工解決客戶化服務(wù) 需求

各個(gè)口岸都有自己的口岸特色，每個(gè)自動化集裝箱碼頭運(yùn)營商都致力于采用最適合自己的自動化配置，給客戶提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。自動化的前提是標(biāo)準(zhǔn)化，不能寄希望于用自動化的系統(tǒng)處理所有客戶化服務(wù)的問題，一些作業(yè)量較小的客戶化服務(wù)應(yīng)盡量采取人工處理的方式，以降低自動化系統(tǒng)復(fù)雜程度和碼頭運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 選擇合適的供應(yīng)商

自動化集裝箱碼頭建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目，涉及各供應(yīng)商及各種軟硬件的整合等。在選擇供應(yīng)商方面，應(yīng)選擇熟悉的供應(yīng)商，以便有效溝通，且應(yīng)選擇在相關(guān)技術(shù)、項(xiàng)目方法和測試方法等方面經(jīng)驗(yàn)豐富的供應(yīng)商。總之，選擇有豐富合作經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商以及經(jīng)過驗(yàn)證的軟硬件組合會有效降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 充分考慮軟硬件測試的重要性和困難性

自動化集裝箱碼頭上線運(yùn)營前必須通過測試，測試類型分為實(shí)驗(yàn)室測試、實(shí)船測試、單機(jī)種單機(jī)測試、單機(jī)種多機(jī)測試、多機(jī)種聯(lián)合測試、壓力測試、跑量耐久測試、全場聯(lián)合測試等。自動化碼頭的每一臺單機(jī)、每一個(gè)系統(tǒng)和每一個(gè)工況流程都必須經(jīng)過大量的測試取得如期的結(jié)果后才能上線運(yùn)營。測試應(yīng)當(dāng)遵循由易及難、由點(diǎn)及面、由模擬及現(xiàn)實(shí)的原則：最初可以先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，從單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)到多系統(tǒng)、全系統(tǒng)，逐步增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性；設(shè)備方面可以由單機(jī)、單環(huán)節(jié)測試至多機(jī)、全流程測試，逐步接入多機(jī)種、多設(shè)備。

4.5 設(shè)計(jì)初期需要考慮政府職能部門監(jiān)管問題

自動化集裝箱碼頭建設(shè)需要較長的周期，在規(guī)劃設(shè)計(jì)之初就需要考慮港口監(jiān)管模式可能發(fā)生的改變，準(zhǔn)備備選方案，不能因只考慮生產(chǎn)操作的便利性而忽略監(jiān)管問題。為此，可以在籌備初期就與港口監(jiān)管部門溝通，就自動化碼頭建設(shè)的大體思路和方向達(dá)成一致，力求事半功倍。

5 結(jié)束語

目前，我國自動化集裝箱碼頭建設(shè)蓬勃發(fā)展，雖然起步略晚于國外自動化集裝箱碼頭，但因?yàn)閾碛锌晒┙梃b的經(jīng)驗(yàn)和自動化控制技術(shù)新發(fā)展的優(yōu)勢，在設(shè)計(jì)初期就提出了相對于國外自動化集裝箱碼頭自動化程度更高、作業(yè)效率更高、綠色環(huán)保程度更高的要求和目標(biāo)。相信我國自動化集裝箱碼頭一定會引領(lǐng)未來自動化集裝箱碼頭發(fā)展的新潮流。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-09-21）