自动化集装箱码头技术特性分析

李 刚 褚广强

中交水运规划设计院有限公司

1 引言

自动化集装箱码头相对于传统码头，具有安全性高、作业稳定可靠、环境友好、人力成本低、可提升港口品牌形象等优点，已在世界很多港口得到应用。

自动化集装箱码头包括多种形式，不同类型的自动化集装箱码头，投入不同，自动化实现程度不同，产出效果也各异，在具体的工程设计中，找到符合工程实际、满足用户需求的方案，是码头咨询设计人员和项目业主的共同目标。

在归纳总结现有自动化集装箱码头技术的基础上，对自动化集装箱码头进行归类，分析各类码头的技术特性和优劣势，为方案选择和决策提供参考。

2 自动化集装箱码头分类

目前对自动化集装箱码头仍没有一个统一的定义，一些称之为全自动化的集装箱码头，其岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)装卸船作业仍需人工远程干预操作，堆场陆侧轨道式龙门起重机(RMG，以下简称场桥)与港外集卡的交换也需部分人工干预，危险品货物、大件箱装卸水平运输仍然需要人工操作，从这个角度来看，理论上的全自动化集装箱码头目前还没有出现[1]。

在自动化码头装卸船作业环节，岸桥均采用了远程操控方式，除对船作业尚未全面实现自动化外，陆侧对地面流机作业，无论是自动导引车(AGV)、穿梭车或自动穿梭车(Shuttle/Auto Shuttle，以下简称SH/ASH)还是集卡，均已具备了自动化作业的技术条件。自动化码头作业模式和技术方案的差异主要体现在水平运输和堆场作业环节。

依据集装箱码头自动化水平的高低水平，可以将当前条件下的自动化码头区分为典型自动化集装箱码头和半自动化集装箱码头两大类(见表1)。

上述典型自动化集装箱码头，又可以细分为堆场采用ARMG、水平运输采用AGV的码头，以及堆场采用ARMG、水平运输采用SH/ASH的码头。该两类码头虽然水平运输设备不同，但总体布局、作业流程基本相似。采用SH作业的码头，由于水平运输环节人工作业的介入，降低了码头的自动化作业水平，但从发展看，SH最终将被ASH所替代。该类码头自动化作业流程长、自动化水平高，工程实例多、应用范围广泛，是目前最为典型的自动化集装箱码头模式。另一类采用自动跨运车(AutoStraddle)的自动化码头，主要应用于大洋洲、美洲，水平运输设备AutoStraddle兼顾堆场堆取箱作业，由于堆场堆箱容量较小，并不适用于人多地少、追求高通过能力的亚洲地区。

按照自动化水平进行划分，半自动化集装箱码头可分为设备远控和堆场智能调度两类。如果按照堆场装卸工艺设备的不同，也可以划分为电动轮胎场桥(ERTG)半自动化码头和轨道场桥(RMG)半自动化码头两类，这两类码头又都可以按照设备远控和堆场智能调度两种自动化水平来建设。

表1 自动化集装箱码头分类

3 自动化集装箱码头分布

全球现已建成的自动化集装箱码头21个(欧洲8个、亚洲5个、北美洲4个、大洋洲4个)，其中水平运输采用AGV的9个，采用SH/ASH的9个，采用AutoStraddle的3个(见表2)。

表2 自动化集装箱码头统计表

在全球的半自动化码头中，水平运输采用集卡的有13个，其中新加坡的巴西班让码头采用高架吊的堆场设备形式，名古屋TCB码头采用AGV与集卡混行的水平运输方式(见表3)。

表3 半自动化集装箱码头统计表

4 各类自动化集装箱码头技术特性

下面主要按照堆场及水平运输装卸设备的不同，分4类归纳小结自动化集装箱码头主要技术特性。

4.1 典型自动化集装箱码头技术特性

典型自动化集装箱码头采用ARMG+AGV/SH/ASH设备组合，无论是AGV还是SH/ASH模式，在工艺布置、设备配备、作业方式上，均具有下列共同的技术特性：

(1)堆场一般垂直码头岸线布置，岸侧堆取箱作业与海侧装卸船作业彼此隔离，两侧水平运输作业设备运行距离短、互不干扰。

(2)集装箱在堆场纵深范围内的堆取箱作业和水平移动均通过堆场ARMG完成，通常1个堆箱区(Block)配置2台共轨的ARMG，分别完成海侧和陆侧与水平运输设备间的交接作业以及堆场内的送取箱作业，两者的服务对象和服务范围相对独立。

(3)岸侧AGV和ASH水平运输均能实现自动化，如果考虑目前人工驾驶的SH在未来将被自动运行的ASH所替代，从岸桥-水平运输-堆场可以形成较长的、完整的自动化作业链。

(4)AGV与SH/ASH均可以采用电动或者混合动力的驱动形式，连同堆场ARMG的电力驱动，可以最大限度减少码头范围内内燃设备的作业量，改善码头区大气环境质量。

(5)堆场宽度方向，由于Block数量受限于码头岸线长度，同时堆场配合装卸船作业局限于海侧ARMG，堆场装卸船作业强度和能力受到一定限制。

(6)受作业效率及经济性限制，堆场ARMG运行距离不能过长，自动化堆场纵深长度一般在45～60 TEU之间，再结合堆场宽度的限制，堆场堆箱容量也受到一定的限制。

(7)空箱通常进入自动化箱区，与重箱混合堆存，需要占用自动化箱区资源。

(8)典型自动化集装箱码头生产作业完全依赖于先进的自动化生产管理控制系统调度和指挥，作业程序固定、作业流程标准、作业可控性强，但作业的灵活性相对较弱。

总体来说，典型的自动化集装箱码头装卸系统配置规范，自动化界面清晰、流程长，自动化程度高，作业过程全程掌控，自动化封闭作业、安全性强。但典型的自动化码头同时也有其缺陷和不足，例如建设和运营灵活度较弱、初期投入高、建设周期长、技术难度较大等等，一般较适合于新建工程，对于改造工程实现难度较大。

典型自动化集装箱码头AGV与SH/ASH两种作业模式，除具有上述共同的技术特性外，还存在各自的特点，两者比较见表4。

4.2 采用远控技术的ARMG集装箱码头技术特性

分析不同的采用远控技术的ARMG集装箱码头，虽然各个码头工艺系统设备的具体配置不同，采用的自动化技术细节措施也有差异，但它们均具有相同或相似的的技术特性，小结如下。

(1)堆场ARMG设备在轨道上运行，相对于ARTG轮胎运行设备，实现大机远程控制和自动化作业技术条件好、实施难度低，ARMG远控技术成熟、可靠。

(2)ARMG远控集装箱码头在实现最基本的场桥和岸桥远控的基础上，再配以集卡跟踪定位和实时调度系统，以及堆场智能调度和自动理箱功能等，形成一整套的解决方案，可以更大程度地发掘自动化码头的效能。

(3)由于集卡需要进入堆场送取箱作业，自动化作业链条相对较短、自动化程度低、不能实现真正意义上的流程智能化作业；堆场不能实现封闭作业、作业安全性没有得到本质改善；集卡运行距离长，港区环保减排提升效果不如自动化码头明显。

(4)ARMG远控集装箱码头相对典型的自动化集装箱码头，投入低、实施难度小，与国内常规集装箱码头作业模式接近，不仅适合于新建工程，而且适合于已有工程的自动化提升改造。

表4 AGV与SH/ASH作业模式比较

先进的ARMG远控集装箱码头，ARMG数量与操控工人数量的比例可以达到1∶4～1∶6，减员增效效果显著；同时，考虑岸桥远控对岸桥司机工作环境的改善，以及生产调度智能化所带来的生产效能和服务能力的提升，ARMG远控集装箱码头是一种投入产出比较为优秀的自动化集装箱码头选择方案。

ARMG远控集装箱码头下一步的发展方向，将是引入集卡自动驾驶等先进技术，解决堆场全封闭、无人作业的问题，以达到延长堆场自动化作业链、提高码头自动化水平的目的。

4.3 采用远控技术的ARTG集装箱码头技术特性

采用远控技术的ARTG集装箱码头成规模应用的案列不多，分析ARTG远控技术特性，可以归纳下列几点：

(1)ARTG设备控制难度大，技术不成熟，未能形成成套的解决方案，目前尚处于摸索、开发阶段。

(2)ARTG远控方案的作业模式与ARMG基本类似，码头作业的自动化水平、安全性能、环保效果等，相对于典型的自动化集装箱码头均存在一定的差距。

(3)ARTG目前实现远控的不多的工程案例显示，ARTG远控项目的作业效果要落后于ARMG。在作业效率方面，先进的ARMG远控可以达到22～28 move/h，而ARTG远控仅可以达到15～18 move/h；在人机比方面，ARMG远控可以达到1∶4～1∶6，但ARTG仅可以达到1∶2～1∶4。

ARTG远控在实现大机远控的基础上，也可以增加集卡跟踪预报、堆场自动调度和自动理箱等功能，发掘自动化作业的进一步功效。但在当前技术条件下，提升ARTG的远控效果是当务之急。ARTG远控虽然技术难度大，但国内已有集装箱码头大多采用RTG，提升改造需求巨大，突破ARTG远控技术难关意义重大。

4.4 其他创新性自动化集装箱码头

开发其他创新性自动化集装箱码头，主要目的是改善现有自动化集装箱码头存在的不足，寻求更为经济、适用的解决方案。主要创新方向包括：

(1)系统创新、开发作业新模式。典型的自动化集装箱码头初始投入高于普通集装箱码头约40%，力求在充分享受自动化所带来的安全、稳定、环保、智能好处的同时，减轻港口企业的成本负担，寻求最佳的投入产出比。作业新模式的探索包括立体轨道式自动化集装箱码头技术、平行岸线的自动化集装箱码头布局等。

(2)解决工程特有需要。例如部分码头有高转水率运量需求、高吞吐量需求、强台风区域港口空箱堆场的解决方案，离岸式码头自动化解决方案等。

(3)设备及其基础技术的开发。例如自动化跨运车的开发应用、经济型AGV的开发、大机设备轨道梁及堆场堆箱基础优化等。

(4)主要作业环节的优化。例如堆场送取箱作业方式的优化、装卸船作业中蘑菇头(转锁)摘装方式的优化等。

5 结语

上述对自动化集装箱码头的分类并非绝对、一成不变，仅反映了当前技术条件下不同自动化集装箱码头的一些共性特点，随着技术的发展，可能产生新的形式、达到新的技术高度。在自动化码头的新建或传统码头的自动化改造过程中，依据自身作业需求和实际条件，选取最合适的自动化作业方案，获得理想的投入产出比，对提升集装箱码头的作业效率和港口的效益有着重要的意义。