青岛港集装箱自动化码头关键技术综述

元 征，于青双

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.青岛港（集团）港务工程有限公司，山东 青岛 266432）

引 言

青岛港前湾港区迪拜环球码头工程是全自动化集装箱码头，工程位于青岛港前湾港区南岸，建设规模为10万t级和3万t级集装箱泊位各2个。岸线总长度1 320 m，陆域纵深784 m，可最大停靠20万t级集装箱船，设计年通过能力300万TEU。2019年11月，其二期工程也正式投入使用，标志着该项目整体正式投入运营。

1 主要技术创新点

本项目潜心研究了适合青岛港实际情况的全自动化集装箱码头的关键技术，在项目前期研究、设计以及施工过程中，取得了一系列创新性成果。主要科技创新内容如下。

1.1 通过仿真模拟优化的总体布置设计

1）采用多目标优化算法优化码头总体布置

自动化集装箱码头的总体设计与码头的投资、吞吐能力、堆场能力、疏运能力、自动化程度、作业效率、运营安全等密切相关，其平面布置是一个多目标优化问题，将各子目标达到平衡，使总目标最优。通过对自动化码头全局性目标和局部性目标的分析，基于多目标遗传算法，进行自动化码头总体布置优化仿真。

2）基于仿真模拟结果优化总平面布置

运用多目标优化算法建立总体布置优化模型，对总体平面布置进行模拟，根据模型结果分析调整设计后，再经过仿真模拟评价验证，最终确定了最优的方案，用以指导总平面设计工作。

通过对仿真结果的分析，确定了装卸工艺设备的配比数量和堆场模数，并确定将冷藏箱区布置在堆场中间的最优方案。最终形成全自动化集装箱码头总体优化布置。

3）国内首创的垂直码头堆场布置型式

根据集装箱自动化装卸工艺的要求，节省AGV行走路径，堆场布置国内首创采用垂直码头布置型式，使常规的集卡与堆场的作业限制在堆场的陆侧交互区，堆场至码头前沿实现全程无人化管理。

4）进出分开的闸口布置型式

工程辅助建筑均布置在场区后方，按不同功能分区布置，通过多方案比选，设计采用进出闸口分开的布置方案，使场区内形成单向车流，逆时针行驶进行装卸作业，车流组织提高了码头的装卸效率。

1.2 采用世界领先的集装箱自动化装卸工艺

码头装卸船作业采用世界首创无人化双小车岸边装卸桥，主小车后半程和门架小车全程可实现无人操作，为目前世界上自动化、智能化程度最高的岸边集装箱装卸起重机。

集装箱水平运输采用最先进的自带起升功能的自动化引导车（L-AGV），由自动导航系统实现自动运输，海侧交互区设置 AGV支架，减少了L-AGV等待时间，提高了L-AGV水平运输效率。

堆场内集装箱运输采用世界先进的全自动集装箱轨道式龙门起重机（ARMG），实现了整个堆场及海侧交互区的集装箱全自动作业，每个箱区配备两台ARMG，相互冗余，增强了堆场工作效率，提高可靠性。

1.3 智能化自动化的控制系统

全自动化集装箱码头作业系统根据布局分为岸边装卸系统、水平运输系统、堆场装卸系统与集疏运系统四大部分，作业系统总体布局及各系统间的连接如图1所示。

在计算机管理与控制方面，工程采用先进的计算机管理系统（TOS）和先进的设备控制系统（ECS）。通过ECS与TOS之间的数据交换实现任务指令传输和处理，实现装卸设备和集装箱运输的自动化控制管理。控制系统又可分为如下子系统。

图1 全自动化码头作业系统

全自动AGV控制系统，通过设备监测、信息传递及智能化的控制管理系统可实现 AGV的自动规划运行、自动导航、精确定位、自动识别及自动避让。

ARMG控制系统，通过设备监测、信息传递及智能化的控制管理系统，实现了 ARMG的自动运行、自动定位、自动识别及自动起装箱等操作。

陆侧交互区安全控制系统，集卡司机将卡车停到指定位置后，在指定位置通过刷卡、按钮或压力传感器等技术手段，通知 ARMG作业，保证人员和集卡在装卸过程中的安全。

网络系统，用于生产管理、设备控制系统的服务器具备大容量、计算速度快、高可靠性等特点。

辅助控制系统，包括围网、堆场门禁系统，保证自动化堆场的生产操作安全。

桥吊箱号自动识别系统，通过对接作业管理系统及对应岸桥和场桥的PLC，获取作业工况、起箱高度、作业箱号等信号，箱号自动识别系统触发启动集装箱号监控相机，截取相应的箱号图像，对画面中包含集装箱号的图像进行分析，实现集装箱号的自动化识别。

智能化的集装箱闸口控制系统，通过进出各三道闸的控制，实现了车牌号、箱号自动识别，信息自动采集，信息自动验证，容错自动处理等多种智能化功能。

1.4 创新设计与施工的高速重载轨道结构

1）创新设计的高速重载轨道结构

针对堆场 ARMG设备高速重载运行的特点，对基础设施的承载力提出了较高的要求，轨道基础采用PHC管桩+钢筋混凝土轨道梁结构，轨道梁桩基支撑，保证使用期无沉降，最大限度满足了ARMG对地基不均匀沉降及承载力的严苛要求。截止目前，一期工程已正式运营近三年，未发生任何因轨道梁沉降造成的维修事故，实施效果超过了预期，节约了工程后期运营成本。

轨道压板扣件采用大压板形式，具有锯齿状锁紧装置及挡肩设计，大大增加了锁紧效果，同时又保证了钢轨的合理伸缩变形，保证了设备高速度运行的安全可靠。

2）高速重载起重机轨道安装施工工法

龙门式起重机轨道安装是设备安装和土建施工之间的关键环节。全自动集装箱轨道式龙门起重机满载时速可达到270 m/min，由静止加速至最大速度只需12.86 s，运行加速度超过常规集装箱龙门起重机的2倍，因此对自动化码头高速重载轨道的安装施工提出了更高的要求。

工程施工单位通过研究了新型轨道安装工艺，以及新型钢轨的铝热焊工艺，保证轨道一次铺设无缝衔接，同时对轨道安装施工过程中的工具和工法进行了创新，成功应用于本工程的轨道安装施工。采用新型轨道安装工法实施后，轨道施工成果顺利通过了检验，在同一截面两轨高差、轨道截面表面公差、直线段等各项验收数据均达到了严苛的设备安装标准，各项误差控制在±3 mm以内。

1.5 改进的AGV充电与动力系统

1）采用钛酸锂电池AGV动力系统

国外AGV普遍采用铅酸电池，需要换电站及备用电池。换电站投资大且风险高，AGV自重大且能耗高，电池满充满放寿命短。本工程将钛酸锂电池技术应用于AGV电池动力系统，根据码头作业工况，配套研发了电池管理系统（BMS）和液体循环温度管理系统，充分发挥钛酸锂电池的性能。与铅酸电池比，电池重量减少 10 t，AGV自重降低25 %，工程建设成本及AGV系统运行成本均大幅降低。

2）AGV车载集电器与改进的滑触线供电技术

AGV取电系统主要包括AGV车载可伸缩集电器和交互支架处的地面供电滑触线等。集电器整体设计采用四连杆机构和上下可自动调整装置，充分适应AGV轮胎磨损、气压不足等异常工况。为保证滑触线平稳的接触，适应AGV运行速度的要求，在滑触线上配以橡胶保护套和温控加热带装置，满足自动化码头全天候作业的使用要求。

3）AGV浅充浅放循环充电模式

根据 AGV作业工况，将集装箱交互作业与AGV充电合二为一，规划AGV充电、运行的调度策略，开发出适应堆场海侧交互作业的循环充电流程，AGV充电不占用额外时间，平均每个作业流程的充电量大于耗电量，实现了 AGV的无限续航。作业过程中生产管理系统、设备控制系统与单机电池管理系统实时通信，始终对 AGV车组的充电进行管理与控制，确保AGV电池电量维持在80 %～85 %的最合理区间，浅充浅放的电池使用方式，使电池的使用寿命至少延长了1倍。节约了更换电池影响的码头作业时间5 %，电池循环使用次数是国外同类码头的20倍，电池使用寿命达到12年，是国外同类码头的6倍。

1.6 智能一体化的综合应用

除上述主要技术特点外，工程还自主研发了多项科技创新，包括“一键锚定”、机器人解锁、闸口自动控制等，申请发明专利2项，实用新型专利30余项，是多种创新技术综合应用的集中体现。

1）发明了大型设备自动防风锚定系统

图2 “一键锚定”自动防风系统流程

目前，国内外大型港机设备的防风锚定，需依靠现场人员介入才能完成，遇突发情况不能快速响应，存在重大的安全隐患。结合高速设备运行的特点，结合工程无人化的设计要求，工程建设单位设计研发了全新的设备锚定装置，集成精准定位技术和设备控制系统，首创了“一键锚定”的自动防风系统，调度控制系统发出锚定指令后，设备可在2分钟内自动完成防风锚定，设备定位精度在5 mm以内。系统操作简单、定位精准、安全可靠，有效解决了港口大型设备防风的难题，特别是对瞬时大风的应急响应取得显著效果。锚定系统流程如图2所示。

2）智能闸口作业系统

自动化集装箱码头需要进出分离、多级通关协同的智能闸口系统，集成激光扫描、OCR、RFID技术，智能识别车号、箱号、尺寸、箱门方向等信息，自动校验并异常报警，实现了集卡的高效、快速、流畅通行，构建了高效无人闸口管理系统。对比国内外相关工程的研究及应用现状，本工程智能闸口系统具有如下特点：

①将信息技术与集装箱业务集成，简化业务操作流程，实现集装箱间口自动管理；

②将 OCR或光栅等识别技术应用于车号和箱号识别，达到提升集卡车号和集箱箱号的识别率与识别速度的目标；

③闸口通道实现了无人值守、箱号与车号自动识别、箱体残损远程监控、实现空车不停车通过。

3）世界首创的岸桥机器人解锁系统

目前实际应用的集装箱固定锁垫有100多种，一直以来依靠人工进行摘装。通过对锁垫拆装动作的数据分析，利用人工机器人的学习能力不断完善适应各种拆装动作。集合自动控制、快速定位、锁垫旋转等技术，与生产作业控制系统信息集成，通过岸桥交互平台的作业机器人自动完成各类集装箱锁垫的自动拆装作业。彻底摆脱了传统必须依赖人工解锁的模式，是集装箱码头解锁模式上的重大突破。

图3 机器人自动解锁技术

2 运营效果

一期工程2个泊位稳定运行3年，岸桥、自动化轨道吊可靠率分别达到99.5 %以上，船舶准班率达100 %。岸桥单钩循环时间缩短5 s，AGV周转时间缩短2.9 min，堆场作业能力等多个指标大幅度提升。自动化集装箱码头的平均单机效率已达 35自然箱/h，全面超越人工码头。在“以星上海”轮作业中创造了43.8自然箱/h的平均单机效率纪录。

工程运营期间码头设施安全可靠，设备运转正常，达到设计要求，满足装卸生产需要，运营效果远超过了预期。

3 结 语

智能化的控制系统是集装箱自动化码头的核心技术，装卸设备的自动化是智能控制系统的体现，基础和土建工程的精准设计与施工是实现自动化的保证。基础算法和核心软件上的技术突破将是自动化码头发展的关键，依赖于通信技术的进步，设备轻量化和智能化是发展方向。智能、安全、环保、高效是未来不断追求的发展趋势。

本工程在实现未来港口智能化、无人化进程中起到了至关重要的一步，是一个真正意义上的集装箱自动化码头。赢得了国内外同行和社会各界的广泛关注和高度评价。随着物联网、云计算、大数据等计算机技术的成熟和应用，自动化装卸工艺会更加成熟完善。