自动化集装箱码头建设策略研究

2019-03-28

福建质量管理 2019年6期

(中国石油大学(华东)经济管理学院山东青岛 266580)

随着经济全球化进程的加快和世界贸易的高速发展，全球集装箱运输能力逐步提升，集装箱船舶日趋大型化，码头的作业量逐渐增加,使得集装箱码头面临吞吐量不断增长的巨大压力，传统集装箱码头已经不能满足生产发展需要。集装箱装卸的稳定高效、节能环保和低成本成为港口经营者关注的重点。自动化集装箱码头具有高效率、低成本、高可靠性、节能环保等优势，是未来港口发展的方向。自动化集装箱码头建设投资巨大，如何通过合理规划堆场布局、优化装卸运输设备配置等实现资源的高效协同运作是每个自动化码头运营商面临的难题[1]。

一、自动化码头发展历程

自1993年世界第一个自动化集装箱码头投入商业运营以来，自动化集装箱码头发展了四代。第一代以鹿特丹港ECT码头为代表，其特点是岸桥为单小车结构，水平运输采用的自动导引小车沿固定圆形路线运行，堆场每条堆区有1台轨道吊，AGV采用内燃机液压驱动。如果场桥发生故障，堆场同一箱垛的装卸作业会受到严重影响。第二代以汉堡港CTA码头为代表，特点是岸桥是双小车结构，水平运输采用的AGV为灵活路线运行，堆场每一个堆区内的两台轨道吊为穿越式布置，码头的路径规划设计和设备调度采用了计算机模拟技术。AGV利用异频雷达导航，相对于固定路线运行其效率更高。两台轨道吊冗余配置，某台故障时对作业的影响较小，但是投资成本加大[2]。第三代以鹿特丹港Euromax码头为代表，与第二代相比堆场每一个堆区内的轨道吊为接力式对称布置，AGV采用柴油发电机电力驱动。第四代以厦门远海码头为代表，与第三代相比堆场内2台自动化轨道吊为前后布置，分别负责堆场海侧和陆侧的集装箱作业，水平运输设备AGV采用电池驱动代替柴油机驱动，岸桥在轨道上由电力驱动运行。

自动化集装箱码头按照水平运输是否实现自动化分为半自动化集装箱码头和全自动化集装箱码头。半自动化集装箱码头堆场实现自动化，水平运输和岸桥装卸仍保留人工操作；全自动化集装箱码头除在岸桥跟集装箱船之间着箱作业保留人工远程操控外，整个码头作业实现自动化。

二、自动化集装箱码头建设面临的决策问题

(一)堆场布局选择

自动化集装箱码头堆场为封闭式堆场，实行自动化集装箱作业，禁止车辆和人员进入。集装箱码头堆场根据堆场布置方向，即堆场主要作业设备的轨道方向或行走轨迹方向，可分为平行岸线式和垂直岸线式。由人工码头改造而成的自动化集装箱码头多采用平行岸线式；新建的自动化集装箱码头多采用垂直岸线式，码头与堆场间采用自动化水平运输设备不进入箱区，在空间上可以将海侧的自动化车流与陆侧人工驾驶的集卡车辆自然分离，避免作业冲突[3]，使码头与堆场间的水平运输距离最短，堆场的海侧装卸区比较靠近岸桥装卸区，有利于缩短岸桥与堆场之间集装箱的转运距离和转运时间，从而提高整个系统的装卸效率。

(二)装卸工艺选择

目前已投入运营的自动化集装箱码头的装卸工艺主要分为五种：

1.岸桥+自动导引车+自动化轨道吊

该工艺系统码头装卸作业采用单小车岸桥或双小车岸桥，水平运输采用无人驾驶的自动导引车(AGV)，堆场作业采用自动化轨道吊(ARMG)，厦门远海码头等采用该装卸工艺。厦门远海码头基本延续了原码头的道路和堆场的布局，装卸采用双小车岸桥，堆场平行码头布置，ARMG轨道基础利用了原有RTG跑道，有利于降低工程造价和加快工程进度，相对于堆场垂直码头布置的方式水平运输车辆行驶路径较长，交换区配备的AGV伴侣有效释放AGV的能力的同时也解决了AGV的电池充电问题。

2.岸桥+自动跨运车+自动化轨道吊

该工艺码头装卸作业采用单小车岸桥，水平运输采用自动跨运车(A-SHC)，堆场作业采用自动化轨道吊。堆场均为垂直码头岸线布置，跨运车和外集卡分别在堆场集装箱区的两端与轨道吊进行作业交接。由于跨运车的导航及定位精度相对AGV较低，因此目前采用该工艺系统的自动化码头，大多采用了分步实现自动化的策略，即近期水平运输采用人工驾驶，以保证作业安全和效率，工艺系统3个环节中仅实现堆场作业的自动化，待相关技术进一步成熟后跨运车再升级为无人驾驶，实现水平运输和堆场作业的自动化。其代表性码头有伦敦Gateway码头。

3.岸桥+自动导引车+自动化轮胎吊

该工艺码头装卸作业采用单小车岸桥或双小车岸桥，水平运输设备为自动导引车，堆场作业设备为自动轮胎吊(ARTG)。目前，只有日本名古屋港Tobishima TCB码头为节省工程投资和减小地震危害，堆场采用自动化轮胎吊，港内水平运输采用AGV，堆场平行码头岸线布置。

4.岸桥+自动跨运车

该工艺码头装卸作业采用单小车岸桥，水平运输设备和堆场作业设备由堆垛型自动化跨运车统一完成。澳大利亚布里斯班Patrick码头采用了与传统跨运车码头类似的装卸系统和平面布局，水平运输和堆场装卸均采用自动化跨运车，堆场的堆箱高度为2层，堆场面积利用率较低，外集卡在自动化堆场陆侧端的封闭区域进行提、送箱。这种方案具有作业转换环节少、流程简单、工程投资低等特点，但堆场容量最小，只适用于规模较小、对堆场容量要求不高的自动化码头。

(三)设备选型

1.岸桥

自动化集装箱码头岸桥分为单小车岸桥和双小车岸桥。双小车岸桥将传统单小车的装卸动作进行分解，配置两个小车机构，并通过中转平台接力完成集装箱的装卸。双小车岸桥的优势在于双小车设计理论上可以压缩岸桥的整体作业时间，提高装卸效率20%左右，但是双小车岸桥由于结构复杂价格高昂，且对地面、轨道等基础设施的要求高，整体投资较大。

2.水平运输设备

自动化码头的水平运输设备主要有自动导引车(AGV)和自动跨运车(A-SHC)两种。AGV采用在运行路线上设置导向磁钉作为导引方式，是自动化集装箱码头应用最普遍的水平运输工具，按照功能可分为L-AGV和AGV+伴侣两种。L-AGV工作时，由AGV升降平台对设置在堆场海侧交接区的固定集装箱支架进行起、落箱，能够达到AGV无需被动等待堆场设备作业的目的，减少AGV及轨道吊等待时间，从而减少AGV的配置数量，提高堆场的整体装卸效率。AGV与伴侣工作时，将举升装置安置在交接区的支架上，实现AGV与自动轨道吊的快速交接，可降低AGV自身质量减小能源消耗。自动跨运车在取箱端和落箱端可以使得岸桥和场桥可以直接向地上取落箱，将码头的水平运输、堆场的堆箱作业以及岸桥的装卸船作业分离开来，构成了装卸船和堆场堆存的有效缓冲，既提高了作业效率，同时又没有降低堆场利用率。

目前AGV技术成熟度高普及范围广，但是无装卸能力，需要与双小车岸桥配合使用，A-SHC缺乏大范围使用经验，可以与单小车岸桥配合使用，节省码头空间；AGV使用电池驱动，结构比A-SHC简单，在续航能力、维护能力和环保性能上优于A-SHC。

3.堆场设备

自动化堆场使用较为普遍的装卸设备为ARMG和ARTG。ARMG采用钢制车轮寿命长无需更换，安置于堆场轨道上与集装箱的位置相对固定，不会跑偏碰箱，且运行速度高，作业时节省对箱的时间；ARMG装卸效率高，能够适应大船快速装卸船要求，对于大型港区深水泊位适应性更强；单位面积堆场利用率高、技术较为成熟可靠。但是，堆场间ARMG不能根据生产情况自由调配；ARMG前期投入高，投资回报相对较慢。ARTG在车道上行走时，相对于堆场集装箱的位置无法固定，经常出现大车跑偏，影响工作效率，且轮胎吊的机构运行速度较低；轮胎吊大车由橡胶轮胎驱动和承载，存在较高的故障率，需定期保养及大修费用高，在全球自动化码头中应用较少。但是，ARTG对土建要求低，初期投资小，项目实施对既有堆场生产影响小，改造周期短，与既有设施及系统契合程度高，堆场设备和码头设备可根据转场灵活性、自动化程度进行合理优化。

三、自动化集装箱码头建设策略

(一)自动化集装箱码头建设考虑因素

综合自动化集装箱码头的特点以及建设和运营的需求，自动化集装箱码头建设重点考虑的因素可归分三类：一是成本因素，即投入多少钱才合适，考虑近期成本和远期成本等问题；二是效率因素，采用什么样的技术装备，选择什么样的工艺模式能够使码头效率最大化；三是发展因素，包括技术设备的更新、工艺的改进和扩建等。

(二)自动化集装箱码头整体建设方案

1.新建半自动化集装箱码头/传统集装箱码头改造方案

这类码头建设时，建议堆场布局采用平行岸线式布置方式的封闭式堆场，装卸工艺采用传统单小车岸桥+集卡+自动化轨道吊ARMG。此方案适合中小型港口，优点是最大程度利用现有基建设施和作业设备，投资小，技术成熟，建设周期短，见效快。

2.新建全自动化集装箱码头方案

一次性建设方案：堆场布局采用垂直岸线式布置方式的封闭式堆场，装卸工艺为双小车岸桥+自动导引车AGV+自动化轨道吊ARMG。此方案能够一次性实现码头全自动化作业，适合后方陆地纵深有限、对堆场容量和堆场面积利用率要求高，且追求短时间内实现的大型港口。优点是利用先进技术最大程度降低人工成本，极大提升码头作业效率和吞吐量，提升码头作业的安全性和规范化程度；缺点是一次性投资巨大、技术要求高、建设难度大且短时间内无法达到设计装卸效率。

分步建设方案：堆场布局采用垂直岸线式布置方式的封闭式堆场，装卸工艺为双小车岸桥和自动化轨道吊ARMG，前期水平运输保留人工操作。此方案适合不追求短时间内整体实现自动化的大型港口，前期建设完成基础设施建设，实现岸边装卸和堆场作业自动化，后期随着技术成熟逐渐实现全自动化。优点是可以节省一次性投资，与传统集装箱码头相比能够明显提升整体效率，后期在水平运输设备上可以使用技术成熟更加先进的无人集卡或者无人跨运车代替AGV。