基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统设计

李伟+李勋+安国利

随着世界集装箱海运量不断增长及集装箱船舶日益大型化（特别是3E级船舶的投入使用），集装箱装卸作业的稳定高效、节能环保和成本压缩已成为港口经营者关注的重点。自动化集装箱码头在减少码头人力成本、提高码头通过能力、降低码头能耗、提升码头形象等方面具有显著优势，是未来集装箱码头发展的必然趋势。

天津港是世界上等级最高的人工深水港，处于京津城市带和环渤海经济圈的交汇点，是首都北京的海上门户。天津港现有水陆域面积2，是我国北方最大的综合性港口，是连接东北亚与中西亚的纽带。2013年天津港货物吞吐量达5亿t，世界排名第四位，集装箱吞吐量达万TEU，世界排名第十位。为适应集装箱码头的发展趋势，天津港计划在东疆港区建设自动化集装箱码头。该集装箱码头位于天津港东疆港区西侧岸线，码头岸线总长约，码头纵深约，规划建设4个泊位，年设计集装箱吞吐量300万TEU。根据上述自动化集装箱码头的基本规划，天津港开展自动化集装箱码头工艺系统分析和研究工作，设计出基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统。

1 世界自动化集装箱码头发展现状及特点

1993年，荷兰鹿特丹港ECT码头投入运行，标志着世界上第一个自动化集装箱码头的诞生。截至目前，世界自动化集装箱码头已历经20多年的发展，并呈现出快速发展趋势。据统计，截至2013年底，世界建成和在建的自动化集装箱码头遍及四大洲，共计32个项目。根据自动化集装箱码头所采用堆场设备和水平运输方式的不同，可将现有自动化集装箱码头分为以下3类。

（1）“自动化轨道吊+自动导引车”工艺码头 此类工艺码头采用自动导引车作为从岸桥到堆场的集装箱水平运输设备；堆场垂直于岸线布置，采用自动化轨道吊作为堆场起重设备，负责集装箱在堆场内的水平运输和垂直起重作业。[1]此类工艺码头的优点在于：自动化水平较高，有利于节省码头人工成本。此类工艺码头的缺点在于：自动导引车采用全自动调度和行驶模式，效率较低，码头平均单线效率为28自然箱/h左右；由于自动导引车与岸桥和自动化轨道吊间存在耦合问题，作业时必须互相等待，影响作业效率；码头前期成本较高。此类工艺码头一般建设在人工成本较高的欧美发达国家或地区，代表码头有鹿特丹港ECT码头和Euromax码头。[2]近年来，一些集装箱码头（如鹿特丹港RWG码头）采用带自升降功能的自动导引车，以提升码头作业效率；不过，目前这些码头尚未投产，带自升降功能自动导引车的投入到底能够带来多大效率提升空间仍有待观察。

（2）“自动化轨道吊+跨运车”工艺码头 此类工艺码头使用轻型跨运车作为水平运输设备，跨运车由人工驾驶；堆场垂直于岸线布置，采用自动化轨道吊作为堆场起重设备。此类工艺码头的优点在于：跨运车具有起重能力，能够实现其与岸桥和自动化轨道吊间的解耦控制，作业时无须互相等待，因此作业效率较高；人工驾驶模式使码头初期投资较少，并有利于提高作业效率。此类工艺码头的缺点在于：与使用自动导引车的码头相比，其自动化水平较低，且运营成本较高。此类工艺码头的代表有伦敦门户码头[3]和弗吉尼亚集装箱码头。

（3）“带外伸臂式轨道吊+集卡”工艺码头 此类工艺码头采用集卡作为水平运输设备；堆场平行于岸线布置，采用带外伸臂的轨道吊作为起重设备；轨道吊下是自动化集装箱堆场，两侧外伸臂下是集卡通道。此类工艺码头的优点是：建设成本较低，其生产方式与原有集卡生产方式的兼容性较好。[4]此类工艺码头的缺点在于：由于集卡在场地内运行距离较长，难以精确定位，导致设备间交接容易出现长时间互相等待的情况，影响作业效率；人工驾驶的集卡与轨道吊的交接点较多，存在一定安全隐患。[5]此类工艺码头多建于亚洲国家或地区，例如，建于香港港的香港国际货柜码头和建于釜山港的HJNC码头就属于此类工艺码头。

2 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统设计

2.1 方案设计

参考现有自动化集装箱码头工艺系统，结合天津港自动化集装箱码头的建设规划，设计基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统（见图1）。在新系统下：码头岸边配置带地面平台的新型高效岸桥，利用跨运车完成岸边水平运输；堆场垂直于岸线布置，由梭车系统完成堆场集装箱水平运输，由自动化轨道吊进行堆场集装箱装卸；在集疏运方面，使用优化的集卡倒车解决方案。此外，为提高梭车作业效率，在堆场前后侧设置转承平台，梭车配置自动顶升装置；跨运车将集装箱运至转承平台后，由梭车自动顶升装置实现集装箱与转承平台分离，从而完成集装箱水平运输。

图1 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统

2.2 流程设计

基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头卸船工艺流程如图2所示。岸桥将集装箱卸至码头前沿，系统判定集装箱应进入的堆场位置。跨运车将集装箱运送至堆场海侧，并根据系统判定，选择以下路径：（1）将集装箱放到转承平台上后，通过轨道梭车将之运送到海侧或陆侧自动化轨道吊，由其将集装箱放至堆场；（2）将集装箱放到堆场海侧缓冲区内后，由海侧自动化轨道吊将集装箱吊至堆场指定位置。此工艺的装船流程与卸船流程相反。

图2 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头卸船工艺流程

2.3 岸桥设计

配备人工跨运车的自动化集装箱码头多采用双小车岸桥，在岸桥岸侧腿间设中间平台，以便进行转锁拆装和箱号扫描作业。不过，设置该平台的弊端在于：将集装箱作业过程分为两部分（见图3），使得岸桥单次作业需要进行2次加减速，导致岸桥作业效率大幅降低。为此，很多自动化集装箱码头废弃该平台，选择在地面进行转锁拆装作业；但地面转锁拆装作业存在人机混杂的问题，容易引发安全事故。

图3 带中间平台岸桥作业

为解决上述问题，设计带地面随动平台的新型岸桥。随动平台可布置于岸桥跨距内或后侧外伸臂下，通过电气控制与岸桥进行自动随动和定位。卸船作业时，岸桥将集装箱从船上取下后放置到随动平台上；工人取下转锁后，跨运车即可将集装箱自平台上提起运走（见图4）。

图4 带地面随动平台新型岸桥作业

2.4 堆场设计

2.4.1 配置转承平台

在堆场海侧和陆侧端部设置转承平台。通过转承平台，梭车与跨运车间实现解耦控制，交接时无须相互等待（见图5），有效提升作业效率。梭车配置顶升装置，可以在不借助其他起重机的情况下，将集装箱顶起并进行水平运输（见图6）。

图5 跨运车堆场转承平台作业

图6 梭车顶升作业

2.4.2 自动化轨道吊与梭车协同作业

在堆场设置梭车道，采用自动化轨道吊与梭车协同作业：梭车负责集装箱水平运输，自动化轨道吊负责集装箱起重作业。自动化轨道吊从梭车上取箱作业如图7所示。当堆场作业繁忙时，自动化轨道吊可以从堆场端部转承平台吊箱，并带箱行走至指定作业位置（见图8）。

图7 自动化轨道吊从梭车上取箱作业

图8 自动化轨道吊从堆场转承平台吊箱作业

3 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统改进方案

（1）上述新型自动化集装箱工艺系统以单梭车道方案为主，根据码头实际情况，可以扩展为双梭车道方案。

（2）虽然本系统选择跨运车作为堆场集装箱水平运输设备，但实际上，带自升降功能的自动导引车与顶升梭车也可以较好地配合作业。

（3）如果配合较好的调度算法，可以考虑不带顶升装置的梭车方案，同时撤去转承平台，以进一步简化方案。

4 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统优点

4.1 效率和安全性方面

（1）岸桥下设置的地面随动平台和堆场端部设置的转承平台实现整个工艺系统的解耦控制，使设备间的交接无须互相等待，大大提升系统作业效率。

（2）堆场海陆侧均可建立1条以上作业线，有利于提高堆场作业效率。

（3）陆侧自动化轨道吊可以参与海侧作业，海侧自动化轨道吊也可以参与陆侧作业，使前后自动化轨道吊的有效作业量较为均衡。

（4）在1台自动化轨道吊出现故障的情况下，仍能保持海陆侧作业，大大提升作业系统的可靠性。

4.2 经济性方面

（1）梭车工艺系统有利于降低堆场翻箱率。在传统自动化集装箱码头工艺系统下，自动化轨道吊通常优先进行堆场端部集装箱吞吐作业，然后再进行翻箱作业；而基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统能大大提升堆场集装箱一次到位率。经仿真测算，单梭车道工艺方案下的堆场集装箱一次到位率为40%，双梭车道工艺方案下的堆场集装箱一次到位率达80%以上。

（2）虽然梭车工艺系统使堆场投资增加，但由于堆场作业效率大大提升，可以通过减少堆场数量来减少码头投资成本（见图9）。经测算，基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统的设备投资与传统自动化集装箱码头工艺系统的设备投资基本持平。

图9 传统工艺系统方案与梭车工艺系统方案的堆场数量比较

（3）与采用自动化轨道吊进行集装箱水平运输相比，采用梭车进行集装箱水平运输可降低能耗75%以上（见表1），经测算，每年至少可以节约成本600万元人民币。

表1 梭车与自动化轨道吊能耗比较

参考文献：

[1] 刘广红，程泽坤，林浩.自动化集装箱码头总体布置[J].水运工程，2013（10）：73-78.

[2] 刘晔.谈自动化集装箱码头[J].港工技术，2014（2）：8-25.

[3] 杨瑞，谢文宁.自动化集装箱码头的装卸工艺及设备[J].集装箱化，2010，21（3）：2-4.

[4] 赵彦虎.新型自动化集装箱码头装卸工艺系统研究[J].港口装卸，2009（3）：22-24.

[5] 王伟，姚振强，包起帆.自动化堆场集装箱先进装卸工艺的探讨[J].机械设计与研究，2007，23（2）：84-87.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-11-26）

图4 带地面随动平台新型岸桥作业

2.4 堆场设计

2.4.1 配置转承平台

在堆场海侧和陆侧端部设置转承平台。通过转承平台，梭车与跨运车间实现解耦控制，交接时无须相互等待（见图5），有效提升作业效率。梭车配置顶升装置，可以在不借助其他起重机的情况下，将集装箱顶起并进行水平运输（见图6）。

图5 跨运车堆场转承平台作业

图6 梭车顶升作业

2.4.2 自动化轨道吊与梭车协同作业

在堆场设置梭车道，采用自动化轨道吊与梭车协同作业：梭车负责集装箱水平运输，自动化轨道吊负责集装箱起重作业。自动化轨道吊从梭车上取箱作业如图7所示。当堆场作业繁忙时，自动化轨道吊可以从堆场端部转承平台吊箱，并带箱行走至指定作业位置（见图8）。

图7 自动化轨道吊从梭车上取箱作业

图8 自动化轨道吊从堆场转承平台吊箱作业

3 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统改进方案

（1）上述新型自动化集装箱工艺系统以单梭车道方案为主，根据码头实际情况，可以扩展为双梭车道方案。

（2）虽然本系统选择跨运车作为堆场集装箱水平运输设备，但实际上，带自升降功能的自动导引车与顶升梭车也可以较好地配合作业。

（3）如果配合较好的调度算法，可以考虑不带顶升装置的梭车方案，同时撤去转承平台，以进一步简化方案。

4 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统优点

4.1 效率和安全性方面

（1）岸桥下设置的地面随动平台和堆场端部设置的转承平台实现整个工艺系统的解耦控制，使设备间的交接无须互相等待，大大提升系统作业效率。

（2）堆场海陆侧均可建立1条以上作业线，有利于提高堆场作业效率。

（3）陆侧自动化轨道吊可以参与海侧作业，海侧自动化轨道吊也可以参与陆侧作业，使前后自动化轨道吊的有效作业量较为均衡。

（4）在1台自动化轨道吊出现故障的情况下，仍能保持海陆侧作业，大大提升作业系统的可靠性。

4.2 经济性方面

（1）梭车工艺系统有利于降低堆场翻箱率。在传统自动化集装箱码头工艺系统下，自动化轨道吊通常优先进行堆场端部集装箱吞吐作业，然后再进行翻箱作业；而基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统能大大提升堆场集装箱一次到位率。经仿真测算，单梭车道工艺方案下的堆场集装箱一次到位率为40%，双梭车道工艺方案下的堆场集装箱一次到位率达80%以上。

（2）虽然梭车工艺系统使堆场投资增加，但由于堆场作业效率大大提升，可以通过减少堆场数量来减少码头投资成本（见图9）。经测算，基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统的设备投资与传统自动化集装箱码头工艺系统的设备投资基本持平。

图9 传统工艺系统方案与梭车工艺系统方案的堆场数量比较

（3）与采用自动化轨道吊进行集装箱水平运输相比，采用梭车进行集装箱水平运输可降低能耗75%以上（见表1），经测算，每年至少可以节约成本600万元人民币。

表1 梭车与自动化轨道吊能耗比较

参考文献：

[1] 刘广红，程泽坤，林浩.自动化集装箱码头总体布置[J].水运工程，2013（10）：73-78.

[2] 刘晔.谈自动化集装箱码头[J].港工技术，2014（2）：8-25.

[3] 杨瑞，谢文宁.自动化集装箱码头的装卸工艺及设备[J].集装箱化，2010，21（3）：2-4.

[4] 赵彦虎.新型自动化集装箱码头装卸工艺系统研究[J].港口装卸，2009（3）：22-24.

[5] 王伟，姚振强，包起帆.自动化堆场集装箱先进装卸工艺的探讨[J].机械设计与研究，2007，23（2）：84-87.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-11-26）

图4 带地面随动平台新型岸桥作业

2.4 堆场设计

2.4.1 配置转承平台

在堆场海侧和陆侧端部设置转承平台。通过转承平台，梭车与跨运车间实现解耦控制，交接时无须相互等待（见图5），有效提升作业效率。梭车配置顶升装置，可以在不借助其他起重机的情况下，将集装箱顶起并进行水平运输（见图6）。

图5 跨运车堆场转承平台作业

图6 梭车顶升作业

2.4.2 自动化轨道吊与梭车协同作业

在堆场设置梭车道，采用自动化轨道吊与梭车协同作业：梭车负责集装箱水平运输，自动化轨道吊负责集装箱起重作业。自动化轨道吊从梭车上取箱作业如图7所示。当堆场作业繁忙时，自动化轨道吊可以从堆场端部转承平台吊箱，并带箱行走至指定作业位置（见图8）。

图7 自动化轨道吊从梭车上取箱作业

图8 自动化轨道吊从堆场转承平台吊箱作业

3 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统改进方案

（1）上述新型自动化集装箱工艺系统以单梭车道方案为主，根据码头实际情况，可以扩展为双梭车道方案。

（2）虽然本系统选择跨运车作为堆场集装箱水平运输设备，但实际上，带自升降功能的自动导引车与顶升梭车也可以较好地配合作业。

（3）如果配合较好的调度算法，可以考虑不带顶升装置的梭车方案，同时撤去转承平台，以进一步简化方案。

4 基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统优点

4.1 效率和安全性方面

（1）岸桥下设置的地面随动平台和堆场端部设置的转承平台实现整个工艺系统的解耦控制，使设备间的交接无须互相等待，大大提升系统作业效率。

（2）堆场海陆侧均可建立1条以上作业线，有利于提高堆场作业效率。

（3）陆侧自动化轨道吊可以参与海侧作业，海侧自动化轨道吊也可以参与陆侧作业，使前后自动化轨道吊的有效作业量较为均衡。

（4）在1台自动化轨道吊出现故障的情况下，仍能保持海陆侧作业，大大提升作业系统的可靠性。

4.2 经济性方面

（1）梭车工艺系统有利于降低堆场翻箱率。在传统自动化集装箱码头工艺系统下，自动化轨道吊通常优先进行堆场端部集装箱吞吐作业，然后再进行翻箱作业；而基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统能大大提升堆场集装箱一次到位率。经仿真测算，单梭车道工艺方案下的堆场集装箱一次到位率为40%，双梭车道工艺方案下的堆场集装箱一次到位率达80%以上。

（2）虽然梭车工艺系统使堆场投资增加，但由于堆场作业效率大大提升，可以通过减少堆场数量来减少码头投资成本（见图9）。经测算，基于梭车自动顶升的自动化集装箱码头工艺系统的设备投资与传统自动化集装箱码头工艺系统的设备投资基本持平。

图9 传统工艺系统方案与梭车工艺系统方案的堆场数量比较

（3）与采用自动化轨道吊进行集装箱水平运输相比，采用梭车进行集装箱水平运输可降低能耗75%以上（见表1），经测算，每年至少可以节约成本600万元人民币。

表1 梭车与自动化轨道吊能耗比较

参考文献：

[1] 刘广红，程泽坤，林浩.自动化集装箱码头总体布置[J].水运工程，2013（10）：73-78.

[2] 刘晔.谈自动化集装箱码头[J].港工技术，2014（2）：8-25.

[3] 杨瑞，谢文宁.自动化集装箱码头的装卸工艺及设备[J].集装箱化，2010，21（3）：2-4.

[4] 赵彦虎.新型自动化集装箱码头装卸工艺系统研究[J].港口装卸，2009（3）：22-24.

[5] 王伟，姚振强，包起帆.自动化堆场集装箱先进装卸工艺的探讨[J].机械设计与研究，2007，23（2）：84-87.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2014-11-26）