自动化集装箱码头软硬件技术现状及布局设计

耿卫宁 宋海涛

自动化集装箱码头已经成为现代化大型集装箱码头的发展趋势。自动化集装箱码头建设投资动辄达几十亿元甚至上百亿元，能否如期上线运营，达到设计预期目标，并如期收回成本，是每个自动化码头运营商面临的难题。自动化集装箱码头建设是一个系统工程，涉及码头设计、水工土建、设备选型、软件选配、系统测试等环节，尤其是自动化集装箱码头规划设计的科学性、合理性是决定码头建设成功与否的首要条件。

1 制定自动化集装箱码头建设的预期目标

合理的预期目标是一切规划设计的基础。自动化集装箱码头的规划设计应当根据本港实际情况，确定合理的预期目标。

1.1 确定码头预期上线运营时间

一般情况下，自动化集装箱码头从立项和规划设计到投入运营需要5年建设周期。迄今为止，所有自动化集装箱码头的投入运营时间都或多或少比预期上线运营时间有所延误，甚至有的自动化集装箱码头的实际投入运营时间比预期晚了数年，由此可见自动化集装箱码头建设的复杂性。抢工期、抢进度会给自动化集装箱码头将来的运营带来很大隐患，科学地确定码头预期上线运营时间对按部就班、扎实稳妥地推进自动化集装箱码头建设至关重要。

1.2 确定码头预期生产指标

码头的运营状况通过诸多生产指标来体现。自动化集装箱码头因应用电控技术和信息化技术可以精确计算很多人工码头无法计算的指标。自动化集装箱码头的生产作业主要由计算机系统主导，人工只负责制定规则和策略，其最大的优点是生产作业持续稳定并具有一定经济性，其缺点是人工很难干预码头生产节奏，短时间内想提高某几个生产指标非常困难，而人工码头却可以靠人工突击操作改善生产节奏。

1.3 确定投资收益率和投资回收期

自动化集装箱码头因其巨大的投资，短时间内的收益不会高于人工码头；但随着自动化集装箱码头持续稳定运营，其总体收益回报会高于人工码头。自动化集装箱码头的投资者应具有长远的发展眼光，合理地确定投资收益率和投资回收期。

2 确定自动化集装箱码头操作工艺和平面布局

一方面，自动化集装箱码头的预期生产指标决定了码头的操作工艺；另一方面，自动化集装箱码头的平面布局设计（见图1）必须符合操作工艺。自动化集装箱码头平面布局设计的关键点包括闸口、堆场布局、堆场堆码方式等。

2.1 自动化集装箱码头的操作工艺

（1）“半自动桥吊+自动导引小车+自动轨道吊”配置类型 海侧使用半自动桥吊，水平运输使用自动导引小车，堆场使用自动轨道吊，代表码头有荷兰鹿特丹港的Euromax码头、日本名古屋港的TCB码头等。此类自动化码头的优点是自动化程度高，缺点是自动导引小车与桥吊需要耦合。

（2）“半自动桥吊+人工跨运车+自动轨道吊”配置类型 海侧使用半自动桥吊，水平运输使用人工跨运车，堆场使用自动轨道吊，代表码头有西班牙巴塞罗那港的巴塞南欧码头、英国的伦敦门户码头等。此类自动化码头的优点是跨运车与桥吊和轨道吊都不需要耦合，缺点是自动化程度较低。

2.2 自动化集装箱码头平面布局关键点

（1）闸口 闸口是自动化集装箱码头的“咽喉”，所有进出港区的集装箱都在闸口交接。闸口设计要考虑码头集装箱吞吐量、集疏港峰值、口岸监管模式、与市政道路的对接等诸多要素，闸口的数量、位置、功能设计等直接影响闸口的通过能力。全球主要自动化集装箱码头多采用二道闸口模式，第一道闸口为光学字符识别信息采集闸口，第二道闸口为码头业务处理闸口。青岛前湾智能集装箱码头为提高码头安防等级，增加码头安防控制闸口，独创三道闸口模式，成为行业内的新亮点。

（2）堆场布局 堆场设计要考虑码头集装箱吞吐量、进出口集装箱比例、堆存周期、装卸船效率与收发箱效率的均衡等诸多要素。自动化集装箱码头堆场布局分为平行岸壁式和垂直岸壁式：由人工码头改造而成的自动化集装箱码头多采用平行岸壁式；新建的自动化集装箱码头多采用垂直岸壁式，其优点是在空间上将岸边装卸船作业与堆场收发箱作业分离，避免作业冲突。

（3）堆场堆码方式 自动化集装箱码头堆场堆码方式分为联锁块式和箱位梁式。联锁块式堆码方式的优点是施工方便，堆码灵活，便于维修；箱位梁式堆码方式的优点是防沉降性较好。

3 确定自动化集装箱码头机械电控设备和生产控制软件

3.1 自动化集装箱码头的机械电控设备现状

当前全球排名靠前的港口设备供应商有中国的上海振华重工（集团）股份有限公司、瑞士的卡尔玛公司、美国的特雷克斯公司等。上海振华重工（集团）股份有限公司生产的桥吊占全球70%以上的份额，其首创的桥吊整机发运技术使桥吊在发运前就可以完成单机测试，大大缩短用户组装、测试设备的时间，在行业内占据很大优势。当前全球排名靠前的港机电控设备供应商有瑞士的ABB集团、法国的施耐德公司、日本的西门子公司和安川公司等。全球主要自动化集装箱码头桥吊配置见表1。

3.1.1 船边装卸机械（桥吊）

（1）方案1（单小车桥吊方案） 陆侧桥吊腿处设置双集装箱平台；单小车类型为“单卷扬机+双起升吊具上架”；在陆侧桥吊腿处的平台上（可放2个45英尺集装箱）进行解锁处理。

（2）方案2（单小车桥吊方案） 单小车类型为“单卷扬机+双起升吊具上架”；在桥吊轨距内的地上进行解锁处理。

（3）方案3（双小车桥吊方案） 陆侧桥吊腿处设置平台，配备单起升门架桥吊；海侧小车类型为“单卷扬机+双起升吊具上架”；门架小车类型为单卷扬机，其可与单个自动导引小车交互；在陆侧桥吊腿处的平台上（可放2个45英尺集装箱）进行解锁处理。

（4）方案4（双小车桥吊方案） 陆侧桥吊腿处设置平台，配备双起升门架桥吊；海侧小车类型为“单卷扬机+双起升吊具上架”；门架小车类型为双起升小车，以便进行双起升操作；在陆侧桥吊腿处的平台上（可放2个45英尺集装箱）进行解锁处理。

3.1.2 水平运输机械（自动导引小车或跨运车）

从作业效率指标来考量，跨运车因不需要耦合，其作业效率高于自动导引小车；不过，迄今为止，自动化码头采用的跨运车都是人工跨运车，自动跨运车虽已研发成功，但未投入使用。英国的伦敦门户码头目前正在实施人工跨运车升级为自动跨运车的项目，但遇到的困难较多，进展缓慢。具体来看，自动化集装箱码头水平运输机械的配备方案有：（1）自动导引小车；（2）带举升自动导引小车+支架；（3）人工跨运车；（4）自动跨运车。

3.1.3 堆场装卸设备

自动化集装箱码头堆场装卸设备的配备方案有：（1）水平式电动轮胎吊；（2）水平式悬臂梁式轨道吊；（3）垂直式轨道吊；（4）垂直式悬臂梁式轨道吊；（5）垂直式轨道吊+穿梭小车。自动化集装箱码头堆场装卸设备与水平运输设备配置如图2所示。

3.1.4 小结

集装箱作业是流程化作业，是多场景、多环节的协同作业，木桶效应决定作业过程中最薄弱环节的效率就是整体作业效率，因此，单纯地提高某个环节的效率毫无意义。实践证明，水平运输效率和堆场装卸效率可以通过优化机械配置得到有效提升，只有海侧桥吊效率在桥吊技术没有重大突破前不会有较大的提升。自动化集装箱码头应根据其目标效率选择桥吊类型，并根据桥吊类型配置相应类型和数量的水平运输设备和堆场装卸设备。

3.2 自动化集装箱码头生产控制软件现状

当前，自动化集装箱码头生产控制软件的选择范围十分有限，已经上线运营的只有美国Navis公司的SPARCS3.5和N4系统。近年，韩国的CyberLogitec软件公司开始进军自动化集装箱码头生产控制软件市场，成功开发自动化集装箱码头生产控制软件；但因自动化集装箱码头项目的复杂性，还没有码头敢于尝试未经过验证的生产控制软件，如何迈出软件应用的第一步，对CyberLogitec软件公司是巨大的考验。相信不久的将来，Navis公司垄断自动化集装箱码头生产控制软件市场的状况会有所改变。

3.3 全球主要自动化集装箱码头软硬件配置

全球主要自动化集装箱码头生产控制系统、设备控制系统和电控设备配置比较见表2。

自动化集装箱码头软硬件配置应遵循以下原则：（1）选择有与成功自动化集装箱码头合作经验的软硬件供应商；（2）选择经成功自动化集装箱码头验证的软硬件产品；（3）选择经成功自动化集装箱码头验证的软硬件配置。

4 自动化集装箱码头规划建设应注意的 问题

4.1 组建专业的项目管理团队

国外自动化集装箱码头建设有专业的项目管理团队，提供从最初的构思、测算、模拟、规划、设计到后续施工、测试、试运营等全方位服务。专业团队因其自身的经验和素质，在项目进度的控制、风险的规避等方面具有很大优势。我国没有专门的自动化集装箱码头建设团队，一般由码头运营商从其内部挑选优秀的码头从业者组建项目团队。码头运营与码头建设是二个截然不同的领域，无形中给码头建设增加很多不确定因素和风险，这种现状短期内无法改变；因此，专业的项目管理团队除应纳入优秀的码头从业者之外，还应增加优秀的项目管理人员。

4.2 自动化操作的配置及人工解决客户化服务 需求

各个口岸都有自己的口岸特色，每个自动化集装箱码头运营商都致力于采用最适合自己的自动化配置，给客户提供最优质的服务。自动化的前提是标准化，不能寄希望于用自动化的系统处理所有客户化服务的问题，一些作业量较小的客户化服务应尽量采取人工处理的方式，以降低自动化系统复杂程度和码头运营风险。

4.3 选择合适的供应商

自动化集装箱码头建设是一个系统项目，涉及各供应商及各种软硬件的整合等。在选择供应商方面，应选择熟悉的供应商，以便有效沟通，且应选择在相关技术、项目方法和测试方法等方面经验丰富的供应商。总之，选择有丰富合作经验的供应商以及经过验证的软硬件组合会有效降低项目风险。

4.4 充分考虑软硬件测试的重要性和困难性

自动化集装箱码头上线运营前必须通过测试，测试类型分为实验室测试、实船测试、单机种单机测试、单机种多机测试、多机种联合测试、压力测试、跑量耐久测试、全场联合测试等。自动化码头的每一台单机、每一个系统和每一个工况流程都必须经过大量的测试取得如期的结果后才能上线运营。测试应当遵循由易及难、由点及面、由模拟及现实的原则：最初可以先进行实验室测试，从单系统、双系统到多系统、全系统，逐步增加系统的稳定性；设备方面可以由单机、单环节测试至多机、全流程测试，逐步接入多机种、多设备。

4.5 设计初期需要考虑政府职能部门监管问题

自动化集装箱码头建设需要较长的周期，在规划设计之初就需要考虑港口监管模式可能发生的改变，准备备选方案，不能因只考虑生产操作的便利性而忽略监管问题。为此，可以在筹备初期就与港口监管部门沟通，就自动化码头建设的大体思路和方向达成一致，力求事半功倍。

5 结束语

目前，我国自动化集装箱码头建设蓬勃发展，虽然起步略晚于国外自动化集装箱码头，但因为拥有可供借鉴的经验和自动化控制技术新发展的优势，在设计初期就提出了相对于国外自动化集装箱码头自动化程度更高、作业效率更高、绿色环保程度更高的要求和目标。相信我国自动化集装箱码头一定会引领未来自动化集装箱码头发展的新潮流。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2016-09-21）