全自動化集裝箱碼頭關(guān)鍵裝備技術(shù)與發(fā)展

上海國際港務(wù)(集團)股份有限公司

1 引言

自1993年世界首座自動化集裝箱碼頭(荷蘭鹿特丹ECT Delta)誕生以來，歷經(jīng)20余年的發(fā)展，全球已投產(chǎn)自動化集裝箱碼頭已近50座，還有將近60座正在建設(shè)或規(guī)劃之中[1]。中國自動化碼頭發(fā)展起步較晚，但成效顯著。自廈門港遠海碼頭由一個泊位的傳統(tǒng)RTG改造而成為半自動化集裝箱碼頭，并于2014年投產(chǎn)以來，青島港前灣港四期和上海洋山深水港四期2個全自動化碼頭成功運營，標志著我國在全自動化碼頭發(fā)展上，實現(xiàn)了“從觀望，到試驗，到參與，再到引領(lǐng)”的跳躍式發(fā)展[2]。唐山港、日照港、廣州港、重慶港、大連港、天津港、南京港、武漢港、寧波港、廈門港、珠海港也致力于自動化集裝箱碼頭建設(shè)。但目前針對全自動化集裝箱碼頭裝備方面的成套關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)和提煉，還在不斷深化之中。本文在總結(jié)全球自動化碼頭技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，以上海洋山深水港四期和青島前灣四期全自動化集裝箱碼頭項目為樣本，對其裝備成套關(guān)鍵技術(shù)進行初步梳理和歸納。

2 國內(nèi)外典型自動化集裝箱碼頭概況

2.1 自動化集裝箱碼頭總平面布局模式

自動化集裝箱碼頭的總體布局主要由所采用的自動化裝卸工藝系統(tǒng)所決定，陸域條件、交通條件、投資控制、作業(yè)成本等也是重要的影響因素。通過對世界現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭進行梳理，可總結(jié)出大致10種典型的總體布局模式[3](見表1)。

以上10種典型的自動化集裝箱碼頭布局模式，基本包含了世界已建或在建自動化集裝箱碼頭的所有類型，其中又以模式三、模式八、模式九最為普遍。

2.2 國外典型全自動化集裝箱碼頭概況

按自動化程度劃分，自動化集裝箱碼頭主要分為半自動化和全自動化。就全自動化集裝箱碼頭而言也有2種類型，主要差異在水平運輸自動化系統(tǒng)設(shè)備選型上，即AGV(Automatic Guided Vehicle, 自動導引運輸車)和A-SHC(Automatic Shuttle Carrier, 自動跨運車)。

表1 自動化集裝箱碼頭布局模式匯總分析表

2.2.1 荷蘭鹿特丹港馬士基APMT MV2

荷蘭鹿特丹港馬士基APMT MV2一期集裝箱碼頭岸線總長1 500 m，3個泊位(500 m支線和1 000 m干線)。堆場共布置28個箱區(qū)，分成3個功能區(qū)：支線泊位對應的自動化箱區(qū)3個，海側(cè)與陸側(cè)均采用AGV；干線泊位對應自動化箱區(qū)18個，海側(cè)采用AGV作業(yè)，陸側(cè)為集卡作業(yè)；陸側(cè)鐵路中轉(zhuǎn)作業(yè)對接的自動化箱區(qū)7個，海側(cè)與陸側(cè)均采用AGV作業(yè)。該項目設(shè)計能力270萬TEU，2011年動工建設(shè)，2015年4月投產(chǎn)。

該碼頭是一座典型的“QC + AGV+ ARMG”工藝系統(tǒng)的全自動化碼頭。在設(shè)備配置上，支線泊位布置2臺QC(Quay Crane, 支線橋吊),干線泊位布置8臺大型雙小車自動化遠程超控QC；28個箱區(qū)布置56臺ARMG(Automatic Rail-Mounted Gantry Crane, 自動軌道吊)，起重能力40 t，跨距內(nèi)可堆放10排箱，“堆五過六”。水平運輸采用帶起升功能自動換電池的BL-AGV，共62臺。

類似碼頭還有鹿特丹RWG碼頭、美國長灘LBCT碼頭、德國漢堡港HHLA CTA碼頭、廈門遠海、青島前灣港四期和上海洋山深水港四期等。

2.2.2 澳大利亞布里斯班港Patrick

該碼頭岸線長930 m，水深14.0 m，占地面積39.27萬m2，設(shè)計年通過能力120萬TEU，是一座采用“單小車岸橋+自動化跨運車”工藝系統(tǒng)的全自動化集裝箱碼頭。

該碼頭布置采用滿堂式，堆場垂直于岸線布置。空、重箱和冷藏箱均進自動化堆場，碼頭前沿配置單小車岸橋4臺，堆場和堆場海側(cè)水平運輸采用自動化跨運車進行作業(yè)，跨運車采用“堆二過三”，共配置27臺。跨運車在岸橋的后伸臂范圍內(nèi)作業(yè)，自動化軌道吊在封閉區(qū)域內(nèi)進行裝卸作業(yè)。

類似碼頭還有美國洛杉磯Trapac 碼頭和澳大利亞VICT碼頭等。

2.3 中國典型自動化集裝箱碼頭概況

2.3.1 青島前灣四期全自動化集裝箱碼頭

青島前灣四期自動化碼頭規(guī)劃6個泊位，岸線總長2 088 m，縱深784 m，碼頭前沿水深-20 m，年通過能力520萬TEU。碼頭一期660 m的2個泊位，設(shè)計吞吐能力150萬TEU，配備7臺單起升雙小車橋吊、38臺純電動帶舉升自動導引車(BL-AGV)、38臺全自動高速軌道吊(ARMG)，2015年1月開工建設(shè)，2017年5月投產(chǎn)。

該項目建設(shè)具有低成本、短周期、高起點的特點，在技術(shù)方案方面具有全智能、高效率和零排放的特點，在規(guī)劃設(shè)計方面具有自主設(shè)計、自主研發(fā)、自主集成的特點。

該項目關(guān)鍵技術(shù)主要有：①自主構(gòu)建自動化碼頭生產(chǎn)管理與控制的智能化系統(tǒng)整體方案和新一代全自動化碼頭設(shè)備控制系統(tǒng)；②首創(chuàng)新型L-AGV自動循環(huán)充電技術(shù)，重量最輕、續(xù)航時間無限制；③首次創(chuàng)新應用了基于精準定位技術(shù)的軌道吊“一鍵錨定”系統(tǒng)；④優(yōu)化橋吊主梁后伸距設(shè)計，首創(chuàng)非等長后伸距雙小車岸橋，有效降低碼頭建設(shè)成本及設(shè)備制造成本；⑤首次研制成功了機器人自動拆裝集裝箱扭鎖；⑥應用了基于自動化碼頭工藝流程的智能監(jiān)管新模式。

2.3.2 上海洋山四期全自動化集裝箱碼頭

上海洋山深水港四期自動化碼頭位于小洋山島最西側(cè)，東海大橋以南，共建設(shè)7個泊位，岸線總長2 350m，縱深平均460 m，碼頭前沿水深-17.1 m，年通過能力630萬TEU。碼頭一期設(shè)計能力400萬TEU， 配備16臺單起升雙小車橋吊、88臺純電動自動換電帶舉升AGV、88臺ARMG，2014年12月開工建設(shè)，2017年12月投產(chǎn)。遠期將配置橋吊26臺，自動軌道吊120臺，AGV130臺。

該項目建設(shè)目標為“高可靠，高效率，綠色環(huán)保，世界最先進、世界最大規(guī)模”的全自動化集裝箱碼頭，致力于成為全球港口行業(yè)科技進步引領(lǐng)者；在技術(shù)方案方面具有智慧港口、綠色港口、科技港口、效率港口的特點；在規(guī)劃設(shè)計方面具有世界規(guī)模最大，一次全自主規(guī)劃，一次全自主設(shè)計，一次完成土建施工，完全軟硬件自主研發(fā)，完全軟硬件自主集成調(diào)試，一次規(guī)模化投產(chǎn)成功的特點。

該項目關(guān)鍵技術(shù)主要有[4]：①自主研發(fā)的智能化碼頭操作系統(tǒng)和設(shè)備管控系統(tǒng)技術(shù)；②大規(guī)模成套自動化設(shè)備資源管控、任務(wù)分配、路徑優(yōu)化等智能決策模型和仿真測試調(diào)試平臺技術(shù)；③全電驅(qū)動的設(shè)備及基于仿真平臺個性化設(shè)計的設(shè)備參數(shù)與結(jié)構(gòu)；④世界首創(chuàng)的61 t雙20 ft箱自動化軌道吊及陸側(cè)外集卡全自動化作業(yè)系統(tǒng)；⑤超大規(guī)模全自動化AGV換電機器人系統(tǒng)及集成化BMS管控技術(shù)；⑥自動化堆場多種形式軌道吊混合使用及調(diào)試集成技術(shù)；⑦基于機器人技術(shù)的橋吊中轉(zhuǎn)平臺自動裝拆鎖鈕技術(shù)；⑧超大規(guī)模多機種集成化設(shè)備維保車間布局模式；⑨基于大數(shù)據(jù)、云平臺、5G通訊技術(shù)的智能口岸監(jiān)管系統(tǒng)。

3 全自動化集裝箱碼頭關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

3.1 裝卸作業(yè)系統(tǒng)自動化技術(shù)發(fā)展特征

3.1.1 堆場作業(yè)系統(tǒng)自動化

自動化碼頭發(fā)展初期，基本上是通過堆場作業(yè)ASC(Automatic Stock Crane, 自動化堆場吊)來實現(xiàn)碼頭的半自動化作業(yè)，即堆場箱區(qū)內(nèi)部的取箱、翻倒、放箱及箱區(qū)內(nèi)大小車行走，由設(shè)備自動完成，但水平運輸設(shè)備的集裝箱交接作業(yè)，還需通過人工進行遠程操作。

目前，自動化集裝箱碼頭的ASC主要有2種類型：ARMG和A-RTG(Automatic Rubber-Tyred Gantry Crane, 自動輪胎吊)。自動化跨運車和自動化堆場倉庫系統(tǒng)目前還在實驗或試用之中。堆場的ASC技術(shù)、設(shè)備、工藝及其控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，對水平運輸設(shè)備直接自動化作業(yè)的全自動化ASC也開始出現(xiàn)并得到實際應用。

3.1.2 船舶作業(yè)系統(tǒng)自動化

RC-QC(Remote Control Quay Crane，遠程操控自動化橋吊)主要有遠程控制單小車自動橋吊和遠程控制雙小車自動橋吊2種類型[5]。

目前，除吊具吊箱進出艙口、大車行走及特種箱作業(yè)需人工遠程操作外，自動化橋吊其他運行動作與過程都全部實現(xiàn)自動化，其中的關(guān)鍵技術(shù)包括：自動箱號識別、自動艙口及車道定位、門架和主小車自動定位、自動吊具防搖和糾偏、集裝箱裝卸AGV自動對位、小車自動經(jīng)濟軌跡運行、吊具自動安全運行高度判定及設(shè)置、船型掃描技術(shù)，電控技術(shù)及QC-MS系統(tǒng)技術(shù)等。雙小車帶有轉(zhuǎn)運平臺的自動化橋吊、副小車(門架小車)可以實現(xiàn)全自動化操作，包括在平臺上取放箱作業(yè)和對AGV取放箱作業(yè)。中轉(zhuǎn)平臺自動摘取和安裝鎖鈕技術(shù)，目前也取得階段性進展。

3.1.3 水平運輸系統(tǒng)自動化

由于涉及隨機的路由決策和交通規(guī)劃等智能化問題，水平運輸系統(tǒng)自動化需要高度可靠的自動定位、大容量信息處理和無線通信技術(shù)支撐，與堆場自動化相比技術(shù)難度較大，是自動化碼頭作業(yè)效率、總投資、營運成本、環(huán)境安全及吞吐能力的關(guān)鍵影響因素之一，也是全自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)比選的重點和難點。

全自動化集裝箱碼頭水平運輸自動化系統(tǒng)主要有2種方式[6]：AGV和A-SHC。自動駕駛集卡仍在研發(fā)之中，成熟應用案例不多。

水平運輸系統(tǒng)自動化關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在動力能源技術(shù)、電池電芯技術(shù)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、導航技術(shù)、定位技術(shù)、路徑算法技術(shù)、資源調(diào)度算法技術(shù)、集成調(diào)試技術(shù)、安全控制技術(shù)、識別技術(shù)等方面。

3.1.4 裝卸工藝系統(tǒng)集成化

從目前已投產(chǎn)或在建全自動化集裝箱碼頭的裝卸工藝系統(tǒng)來看，主要有3種集成方案：

(1) QC + AGV + ARMG。

(2) QC + L-AGV (帶舉升的AGV)+ ARMG。

(3) QC + A-SHC + ARMG。

總體而言，堆場自動化設(shè)備較多采用ARMG方案，該方案技術(shù)成熟、安全可靠、環(huán)保低碳、效率較高。岸橋有單小車和雙小車之分，目前水平運輸采用AGV的碼頭大多采用雙小車岸橋，而跨運車碼頭采用單小車岸橋較多，并且岸橋的操作模式也決定了雙小車的合理性和適用性，其最大的不同仍然在于水平運輸方式的選擇。

3.2 中國自動化集裝箱碼頭裝備成套關(guān)鍵技術(shù)

隨著國內(nèi)外自動化集裝箱碼頭建設(shè)的加速，加之中國“交通強國”戰(zhàn)略實施，越來越多的港口在港口規(guī)劃、碼頭設(shè)計、設(shè)備選型、港口操作和安全風險管控等各個環(huán)節(jié)采取有效措施促進“效率、智能、智慧、綠色”發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級。中國全自動化碼頭設(shè)施設(shè)備成套關(guān)鍵技術(shù)主要包括4個方面[7]。

3.2.1 全自動化智能裝備

(1) 遠程操控雙起升雙小車岸橋成套技術(shù)

碼頭裝卸設(shè)備采用全自動雙起升雙小車集裝箱岸橋，主小車配置雙40 ft吊具，副小車配置雙20 ft吊具，將常規(guī)單小車岸橋作業(yè)循環(huán)分配給海測主小車和陸側(cè)副小車分別完成，主副小車通過2個40 ft箱位臺座的中轉(zhuǎn)平臺進行緩沖。

岸橋上不設(shè)置駕駛室，配備多角度、全覆蓋的船型掃描、箱號識別和電子監(jiān)控設(shè)備，主小車作業(yè)可實現(xiàn)遠程操控，副小車可實現(xiàn)全自動化作業(yè)。相比傳統(tǒng)碼頭，遠程操控雙起升雙小車岸橋可有效減少設(shè)備等待時間，降低設(shè)備能源消耗。

(2) 遠程操控自動化軌道吊成套技術(shù)

自動化堆場垂直于碼頭前沿線布置，裝卸設(shè)備具有遠程操控功能的自動化軌道吊，每個箱區(qū)海陸側(cè)各布置一臺軌道吊，采用全電驅(qū)動，不設(shè)置駕駛室。

大車、小車和起升位置的檢測裝置，以及控制管理系統(tǒng)可實現(xiàn)軌道吊自動運行、自動定位、自動著箱功能，陸側(cè)軌道吊可實現(xiàn)人工遠程操控，海側(cè)可實現(xiàn)完全自動作業(yè)模式。相對傳統(tǒng)柴油機驅(qū)動、人工操作的RTG，可大大降低設(shè)備能源消耗，減少對環(huán)境污染，二氧化碳排放為0，無主要污染物排放，自動化軌道吊可有效提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約勞力、保障安全等。

(3) 全鋰電換電提升式AGV成套技術(shù)

AGV設(shè)備軟硬件技術(shù)具有無人駕駛、自動導航、定位精確、路徑優(yōu)化以及安全避障等智能化特征，可有效減少營運成本、提高作業(yè)效率、降低能源消耗。

綠色環(huán)保全鋰電池技術(shù)，為設(shè)備提供全綠色動力，相比傳統(tǒng)柴油發(fā)動機驅(qū)動，具有自重輕，能耗較小，能源效率系數(shù)高等優(yōu)勢，二氧化碳排放為0，無主要污染物排放，綠色環(huán)保，且維護成本低，可獲得良好節(jié)能減排效果。

提升式AGV技術(shù)能實現(xiàn)直接對設(shè)置在堆場交接區(qū)固定集裝箱支架起、落箱，可有效解決水平運輸與堆場作業(yè)間的“解耦”問題，同時AGV無需被動等待堆場設(shè)備趕來裝卸，直接放置在支架上，可大大降低因相互等待而造成的能源消耗。

3.2.2 高效節(jié)能輔助裝備能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

(1) 可分離式上架和吊具自動更換平臺技術(shù)

根據(jù)港區(qū)船舶雙吊具作業(yè)實際情況，岸橋主小車吊具系統(tǒng)可采用靈活的可分離式上架，并在岸橋聯(lián)系梁位置設(shè)立吊具自動更換平臺，用于放置可分離式上架和備用吊具，可隨時根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)需求合理使用雙吊具，在平臺上實現(xiàn)吊具更換全自動操作。平時主小車以單吊具進行作業(yè)，備用吊具放置在平臺上，可大大降低整體裝機容量，降低設(shè)備載荷，減少設(shè)備能源消耗。相比傳統(tǒng)碼頭，吊具自動更換平臺可縮短吊具更換時間，提高作業(yè)效率，有效降低吊具拖運安裝過程中相關(guān)設(shè)備能源消耗。

(2)海側(cè)軌道吊雙20 ft吊具技術(shù)

為配合TOS智能化發(fā)展，結(jié)合海側(cè)交接區(qū)支架可放置雙20 ft集裝箱的實際特點，堆場海側(cè)交接裝卸設(shè)備采用雙20 ft自動化軌道式龍門起重機作業(yè)模式。該作業(yè)模式可提高集裝箱堆場裝卸效率，提高整個自動化碼頭系統(tǒng)運行效率，進一步降低整體作業(yè)能耗，降低運營成本。

(3) 遠程操作電動輪胎式集裝箱龍門起重機技術(shù)

在危險品堆場、特種箱作業(yè)區(qū)等區(qū)域采用電纜卷盤式全電動輪胎式龍門起重機，進一步減少傳統(tǒng)柴油RTG對環(huán)境的污染。全電驅(qū)動輪胎式集裝箱龍門起重機二氧化碳排放為0，無主要污染物排放，綠色環(huán)保[5]。

(4) 節(jié)能新光源技術(shù)

結(jié)合碼頭照明實際和自動化控制特點，將綠色、節(jié)能的新光源充分利用到碼頭堆場、房建、道路、停車場等部位的照明，改變傳統(tǒng)鈉燈照明能源消耗大的問題。岸橋投光燈采用陶瓷金鹵投光燈，其他照明采用LED照明燈；軌道吊投光燈采用LED照明；自動化堆場不設(shè)置照明；高桿燈采用陶瓷金鹵投光燈等。節(jié)能新光源的使用可大大降低照明能源消耗，相比普通的高壓鈉燈在同樣照度下功耗下降近70%[6]。

3.2.3 智慧生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)成套關(guān)鍵技術(shù)

自動化碼頭生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)主要包括計算機管理系統(tǒng)、橋吊上箱號識別及驗殘系統(tǒng)、堆場輔助控制系統(tǒng)、智能閘口系統(tǒng)、冷藏集裝箱監(jiān)控系統(tǒng)、中央控制室系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、碼頭堆場沉降監(jiān)測系統(tǒng)、危險品堆場噴水監(jiān)控系統(tǒng)等。系統(tǒng)運營結(jié)合RFID、OCR、CCTV、LED、EDI及實時控制等技術(shù)，降低貨損貨差及安全隱患，實現(xiàn)全天候24 h作業(yè)，提高碼頭資源利用率。相比傳統(tǒng)系統(tǒng)方案，碼頭裝卸效率可提高20%以上。

生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)的發(fā)展主要有5個方面:港口作業(yè)過程智能自主控制系統(tǒng)、港口物流鏈全流程智能協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)、智能優(yōu)化決策系統(tǒng)、智能安全運行監(jiān)控與自優(yōu)化系統(tǒng)、工業(yè)過程虛擬管控系統(tǒng)。由這5個主要系統(tǒng)構(gòu)成兩層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代集成智能控制系統(tǒng), 即智能優(yōu)化決策系統(tǒng)和供應鏈流程智能化控制系統(tǒng), 取代由ERP、MES 和PCS(DCS) 組成的三層結(jié)構(gòu)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。

3.2.4 其他關(guān)鍵技術(shù)

(1) 船舶岸基供電技術(shù)

相比傳統(tǒng)碼頭而言，岸電系統(tǒng)能滿足船舶在港區(qū)航行及靠港期間的用電需求，減少大量重油或柴油的燃燒，最大限度降低向大氣中排放大量污染性氣體，凈化空氣，同時緩解船舶在港期間對當?shù)卮髿猸h(huán)境的影響，有效改善區(qū)域環(huán)境，生態(tài)效益十分明顯。

(2) 電網(wǎng)高壓動態(tài)無功補償技術(shù)

針對供電網(wǎng)絡(luò)常處于高負荷狀態(tài)實際情況，使用高壓動態(tài)無功補償裝置進行動態(tài)無功補償，可穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量，保證供電系統(tǒng)運行的安全性。高壓動態(tài)無功補償技術(shù)能提高供電質(zhì)量，減少送變電過程的線路損耗，節(jié)省能源消耗，同時充分考慮無功補償，減少發(fā)、供電設(shè)備的設(shè)計容量,節(jié)約投資,例如當功率因數(shù)0.8增加到0.95時，裝1 kvar電容器，可節(jié)省設(shè)備容量0.52 kW。

(3) 水網(wǎng)系統(tǒng)遠程讀數(shù)流量計

針對碼頭用水點分布廣、人工抄表不便、普通水表計量精度等因素造成的水損計量不準確情況，在給水管網(wǎng)中的進水管路總表和各用水點分表增設(shè)遠程讀數(shù)流量計，實現(xiàn)用水情況的實時全監(jiān)控。當總表與各用水點讀數(shù)之和不一致時，即可判斷管網(wǎng)存在漏損，從而減少能源消耗，有利于港區(qū)的節(jié)能。此外，實時記錄讀數(shù)可避免因人工抄表時差導致的結(jié)算差，減少統(tǒng)計上的誤差，有利于能耗的日常管理。

(4) 面向“綠色港口”的辦公建筑區(qū)域電能監(jiān)控系統(tǒng)

針對碼頭侯工樓、辦公樓和中控塔等生活、工作區(qū)域耗能較大的實際情況，引入綠色、智能化建筑理念，電能監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對建筑物內(nèi)的高低壓配電設(shè)備進行統(tǒng)一監(jiān)視和智能化管理，同時結(jié)合辦公建筑區(qū)域人員辦公實際和特點，實現(xiàn)對辦公系統(tǒng)管理的智能化，以智能化管理促進能源的節(jié)約，降低建筑能耗，節(jié)約能源。

4 結(jié)語

全自動化集裝箱碼頭在通過能力、裝卸效率、安全可靠性，尤其是節(jié)能減排、環(huán)境環(huán)保等方面相對于傳統(tǒng)碼頭具有較為突出優(yōu)勢。未來隨著新材料、新技術(shù)、新標準規(guī)范的發(fā)展，會不斷完善和優(yōu)化全自動化碼頭，進一步促進智慧港口技術(shù)不斷迭代升級。