自動化集裝箱碼頭建設策略研究

(中國石油大學(華東)經濟管理學院 山東 青島 266580)

隨著經濟全球化進程的加快和世界貿易的高速發(fā)展，全球集裝箱運輸能力逐步提升，集裝箱船舶日趨大型化，碼頭的作業(yè)量逐漸增加,使得集裝箱碼頭面臨吞吐量不斷增長的巨大壓力，傳統(tǒng)集裝箱碼頭已經不能滿足生產發(fā)展需要。集裝箱裝卸的穩(wěn)定高效、節(jié)能環(huán)保和低成本成為港口經營者關注的重點。自動化集裝箱碼頭具有高效率、低成本、高可靠性、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，是未來港口發(fā)展的方向。自動化集裝箱碼頭建設投資巨大，如何通過合理規(guī)劃堆場布局、優(yōu)化裝卸運輸設備配置等實現(xiàn)資源的高效協(xié)同運作是每個自動化碼頭運營商面臨的難題[1]。

一、自動化碼頭發(fā)展歷程

自1993年世界第一個自動化集裝箱碼頭投入商業(yè)運營以來，自動化集裝箱碼頭發(fā)展了四代。第一代以鹿特丹港ECT碼頭為代表，其特點是岸橋為單小車結構，水平運輸采用的自動導引小車沿固定圓形路線運行，堆場每條堆區(qū)有1臺軌道吊，AGV采用內燃機液壓驅動。如果場橋發(fā)生故障，堆場同一箱垛的裝卸作業(yè)會受到嚴重影響。第二代以漢堡港CTA碼頭為代表，特點是岸橋是雙小車結構，水平運輸采用的AGV為靈活路線運行，堆場每一個堆區(qū)內的兩臺軌道吊為穿越式布置，碼頭的路徑規(guī)劃設計和設備調度采用了計算機模擬技術。AGV利用異頻雷達導航，相對于固定路線運行其效率更高。兩臺軌道吊冗余配置，某臺故障時對作業(yè)的影響較小，但是投資成本加大[2]。第三代以鹿特丹港Euromax碼頭為代表，與第二代相比堆場每一個堆區(qū)內的軌道吊為接力式對稱布置，AGV采用柴油發(fā)電機電力驅動。第四代以廈門遠海碼頭為代表，與第三代相比堆場內2臺自動化軌道吊為前后布置，分別負責堆場海側和陸側的集裝箱作業(yè)，水平運輸設備AGV采用電池驅動代替柴油機驅動，岸橋在軌道上由電力驅動運行。

自動化集裝箱碼頭按照水平運輸是否實現(xiàn)自動化分為半自動化集裝箱碼頭和全自動化集裝箱碼頭。半自動化集裝箱碼頭堆場實現(xiàn)自動化，水平運輸和岸橋裝卸仍保留人工操作；全自動化集裝箱碼頭除在岸橋跟集裝箱船之間著箱作業(yè)保留人工遠程操控外，整個碼頭作業(yè)實現(xiàn)自動化。

二、自動化集裝箱碼頭建設面臨的決策問題

(一)堆場布局選擇

自動化集裝箱碼頭堆場為封閉式堆場，實行自動化集裝箱作業(yè)，禁止車輛和人員進入。集裝箱碼頭堆場根據(jù)堆場布置方向，即堆場主要作業(yè)設備的軌道方向或行走軌跡方向，可分為平行岸線式和垂直岸線式。由人工碼頭改造而成的自動化集裝箱碼頭多采用平行岸線式；新建的自動化集裝箱碼頭多采用垂直岸線式，碼頭與堆場間采用自動化水平運輸設備不進入箱區(qū)，在空間上可以將海側的自動化車流與陸側人工駕駛的集卡車輛自然分離，避免作業(yè)沖突[3]，使碼頭與堆場間的水平運輸距離最短，堆場的海側裝卸區(qū)比較靠近岸橋裝卸區(qū)，有利于縮短岸橋與堆場之間集裝箱的轉運距離和轉運時間，從而提高整個系統(tǒng)的裝卸效率。

(二)裝卸工藝選擇

目前已投入運營的自動化集裝箱碼頭的裝卸工藝主要分為五種：

1.岸橋+自動導引車+自動化軌道吊

該工藝系統(tǒng)碼頭裝卸作業(yè)采用單小車岸橋或雙小車岸橋，水平運輸采用無人駕駛的自動導引車(AGV)，堆場作業(yè)采用自動化軌道吊(ARMG)，廈門遠海碼頭等采用該裝卸工藝。廈門遠海碼頭基本延續(xù)了原碼頭的道路和堆場的布局，裝卸采用雙小車岸橋，堆場平行碼頭布置，ARMG軌道基礎利用了原有RTG跑道，有利于降低工程造價和加快工程進度，相對于堆場垂直碼頭布置的方式水平運輸車輛行駛路徑較長，交換區(qū)配備的AGV伴侶有效釋放AGV的能力的同時也解決了AGV的電池充電問題。

2.岸橋+自動跨運車+自動化軌道吊

該工藝碼頭裝卸作業(yè)采用單小車岸橋，水平運輸采用自動跨運車(A-SHC)，堆場作業(yè)采用自動化軌道吊。堆場均為垂直碼頭岸線布置，跨運車和外集卡分別在堆場集裝箱區(qū)的兩端與軌道吊進行作業(yè)交接。由于跨運車的導航及定位精度相對AGV較低，因此目前采用該工藝系統(tǒng)的自動化碼頭，大多采用了分步實現(xiàn)自動化的策略，即近期水平運輸采用人工駕駛，以保證作業(yè)安全和效率，工藝系統(tǒng)3個環(huán)節(jié)中僅實現(xiàn)堆場作業(yè)的自動化，待相關技術進一步成熟后跨運車再升級為無人駕駛，實現(xiàn)水平運輸和堆場作業(yè)的自動化。其代表性碼頭有倫敦Gateway碼頭。

3.岸橋+自動導引車+自動化輪胎吊

該工藝碼頭裝卸作業(yè)采用單小車岸橋或雙小車岸橋，水平運輸設備為自動導引車，堆場作業(yè)設備為自動輪胎吊(ARTG)。目前，只有日本名古屋港Tobishima TCB碼頭為節(jié)省工程投資和減小地震危害，堆場采用自動化輪胎吊，港內水平運輸采用AGV，堆場平行碼頭岸線布置。

4.岸橋+自動跨運車

該工藝碼頭裝卸作業(yè)采用單小車岸橋，水平運輸設備和堆場作業(yè)設備由堆垛型自動化跨運車統(tǒng)一完成。澳大利亞布里斯班Patrick碼頭采用了與傳統(tǒng)跨運車碼頭類似的裝卸系統(tǒng)和平面布局，水平運輸和堆場裝卸均采用自動化跨運車，堆場的堆箱高度為2層，堆場面積利用率較低，外集卡在自動化堆場陸側端的封閉區(qū)域進行提、送箱。這種方案具有作業(yè)轉換環(huán)節(jié)少、流程簡單、工程投資低等特點，但堆場容量最小，只適用于規(guī)模較小、對堆場容量要求不高的自動化碼頭。

(三)設備選型

1.岸橋

自動化集裝箱碼頭岸橋分為單小車岸橋和雙小車岸橋。雙小車岸橋將傳統(tǒng)單小車的裝卸動作進行分解，配置兩個小車機構，并通過中轉平臺接力完成集裝箱的裝卸。雙小車岸橋的優(yōu)勢在于雙小車設計理論上可以壓縮岸橋的整體作業(yè)時間，提高裝卸效率20%左右，但是雙小車岸橋由于結構復雜價格高昂，且對地面、軌道等基礎設施的要求高，整體投資較大。

2.水平運輸設備

自動化碼頭的水平運輸設備主要有自動導引車(AGV)和自動跨運車(A-SHC)兩種。AGV采用在運行路線上設置導向磁釘作為導引方式，是自動化集裝箱碼頭應用最普遍的水平運輸工具，按照功能可分為L-AGV和AGV+伴侶兩種。L-AGV工作時，由AGV升降平臺對設置在堆場海側交接區(qū)的固定集裝箱支架進行起、落箱，能夠達到AGV無需被動等待堆場設備作業(yè)的目的，減少AGV及軌道吊等待時間，從而減少AGV的配置數(shù)量，提高堆場的整體裝卸效率。AGV與伴侶工作時，將舉升裝置安置在交接區(qū)的支架上，實現(xiàn)AGV與自動軌道吊的快速交接，可降低AGV自身質量減小能源消耗。自動跨運車在取箱端和落箱端可以使得岸橋和場橋可以直接向地上取落箱，將碼頭的水平運輸、堆場的堆箱作業(yè)以及岸橋的裝卸船作業(yè)分離開來，構成了裝卸船和堆場堆存的有效緩沖，既提高了作業(yè)效率，同時又沒有降低堆場利用率。

目前AGV技術成熟度高普及范圍廣，但是無裝卸能力，需要與雙小車岸橋配合使用，A-SHC缺乏大范圍使用經驗，可以與單小車岸橋配合使用，節(jié)省碼頭空間；AGV使用電池驅動，結構比A-SHC簡單，在續(xù)航能力、維護能力和環(huán)保性能上優(yōu)于A-SHC。

3.堆場設備

自動化堆場使用較為普遍的裝卸設備為ARMG和ARTG。ARMG采用鋼制車輪壽命長無需更換，安置于堆場軌道上與集裝箱的位置相對固定，不會跑偏碰箱，且運行速度高，作業(yè)時節(jié)省對箱的時間；ARMG裝卸效率高，能夠適應大船快速裝卸船要求，對于大型港區(qū)深水泊位適應性更強；單位面積堆場利用率高、技術較為成熟可靠。但是，堆場間ARMG不能根據(jù)生產情況自由調配；ARMG前期投入高，投資回報相對較慢。ARTG在車道上行走時，相對于堆場集裝箱的位置無法固定，經常出現(xiàn)大車跑偏，影響工作效率，且輪胎吊的機構運行速度較低；輪胎吊大車由橡膠輪胎驅動和承載，存在較高的故障率，需定期保養(yǎng)及大修費用高，在全球自動化碼頭中應用較少。但是，ARTG對土建要求低，初期投資小，項目實施對既有堆場生產影響小，改造周期短，與既有設施及系統(tǒng)契合程度高，堆場設備和碼頭設備可根據(jù)轉場靈活性、自動化程度進行合理優(yōu)化。

三、自動化集裝箱碼頭建設策略

(一)自動化集裝箱碼頭建設考慮因素

綜合自動化集裝箱碼頭的特點以及建設和運營的需求，自動化集裝箱碼頭建設重點考慮的因素可歸分三類：一是成本因素，即投入多少錢才合適，考慮近期成本和遠期成本等問題；二是效率因素，采用什么樣的技術裝備，選擇什么樣的工藝模式能夠使碼頭效率最大化；三是發(fā)展因素，包括技術設備的更新、工藝的改進和擴建等。

(二)自動化集裝箱碼頭整體建設方案

1.新建半自動化集裝箱碼頭/傳統(tǒng)集裝箱碼頭改造方案

這類碼頭建設時，建議堆場布局采用平行岸線式布置方式的封閉式堆場，裝卸工藝采用傳統(tǒng)單小車岸橋+集卡+自動化軌道吊ARMG。此方案適合中小型港口，優(yōu)點是最大程度利用現(xiàn)有基建設施和作業(yè)設備，投資小，技術成熟，建設周期短，見效快。

2.新建全自動化集裝箱碼頭方案

一次性建設方案：堆場布局采用垂直岸線式布置方式的封閉式堆場，裝卸工藝為雙小車岸橋+自動導引車AGV+自動化軌道吊ARMG。此方案能夠一次性實現(xiàn)碼頭全自動化作業(yè)，適合后方陸地縱深有限、對堆場容量和堆場面積利用率要求高，且追求短時間內實現(xiàn)的大型港口。優(yōu)點是利用先進技術最大程度降低人工成本，極大提升碼頭作業(yè)效率和吞吐量，提升碼頭作業(yè)的安全性和規(guī)范化程度；缺點是一次性投資巨大、技術要求高、建設難度大且短時間內無法達到設計裝卸效率。

分步建設方案：堆場布局采用垂直岸線式布置方式的封閉式堆場，裝卸工藝為雙小車岸橋和自動化軌道吊ARMG，前期水平運輸保留人工操作。此方案適合不追求短時間內整體實現(xiàn)自動化的大型港口，前期建設完成基礎設施建設，實現(xiàn)岸邊裝卸和堆場作業(yè)自動化，后期隨著技術成熟逐漸實現(xiàn)全自動化。優(yōu)點是可以節(jié)省一次性投資，與傳統(tǒng)集裝箱碼頭相比能夠明顯提升整體效率，后期在水平運輸設備上可以使用技術成熟更加先進的無人集卡或者無人跨運車代替AGV。

(三)自動化集裝箱碼頭機械設備規(guī)劃方案

在追求碼頭整體效率的建設方案中，常以機械設備為切入點進行規(guī)劃，其中優(yōu)先考慮的對象是岸橋。以自動化岸橋作為起點，在能夠滿足橋吊的最大裝卸效率的前提下考慮AGV的速度和數(shù)量等參數(shù)；當集裝箱到達自動化堆場時，再考慮不造成集裝箱海側交換區(qū)擁堵的前提下，ARMG所需要達到的裝卸效率。

四、結語

自動化集裝箱碼頭將是未來發(fā)展方向，在建設過程中應結合碼頭實際情況統(tǒng)籌考慮確定堆場布局、裝卸工藝、機械設備等。應結合碼頭需要的通過能力和成本等因素，整體協(xié)調機械設備的數(shù)量、速度等參數(shù)，以期達到吞吐量、作業(yè)效率和成本三者的綜合最優(yōu)化。