自动化集装箱码头装卸工艺设计

何继红，林浩，姜桥

自动化集装箱码头装卸工艺设计

何继红，林浩，姜桥

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

围绕装卸工艺设计的主要内容，对装卸系统主要环节的设备选型和工艺平面布置进行分析，提出自动化集装箱码头装卸工艺设计的关键点和需进一步研究的技术。

集装箱码头；自动化；装卸工艺

随着集装箱船舶的大型化趋势和码头装备技术的发展，自动化集装箱码头在经历了一段技术发展期后重新被关注，国内也兴起了自动化码头的建设浪潮。装卸工艺是自动化集装箱码头设计的重要部分，我国自动化集装箱码头发展起步较晚，相关设计经验也少，本文结合工程实例对自动化集装箱码头的装卸工艺设计进行总结和探讨。

1　自动化集装箱码头装卸系统设计重点

自动化集装箱装卸系统主要由三个作业环节组成：由集装箱装卸桥（简称：岸桥）组成的码头装卸船环节、由轨道式集装箱龙门起重机（简称：轨道吊）为主要代表的集装箱堆场装卸环节和由自动导引运输车或跨运车组成的码头与堆场间的水平运输环节。其中：轨道吊相对容易实现自动化作业，因此自动化集装箱码头的最低标准就是堆场作业的自动化；水平运输的自动化由于涉及许多随机的路由决策和交通规划等智能化问题，需要高度可靠的自动定位、大容量信息处理和无线通信技术支撑，与堆场自动化相比技术难度较大，是影响码头装卸效率的主要瓶颈；三个作业环节中实现自动化难度最大的是装卸船作业，主要由于船舶在波浪和风载情况下的运动具有不可预测性以及船舶布局和结构的差异。

装卸工艺设计的主要内容是装卸系统的设备选型和工艺平面布置。在整个装卸系统中，码头装卸环节的技术发展方向是实现自动化操作和提高装卸效率，这也是码头设备选型的重要考虑因素；堆场装卸设备现已逐步统一到自动化轨道吊方案，技术相对成熟，设计重点是进一步优化堆场布置，提高海、陆侧的作业效率；水平运输环节对整个装卸系统能力的发挥起着关键作用，其设计重点是：如何更好地连接码头、堆场装卸环节，提高整个系统的效率；水平运输区域的布置如何在硬件上保证运输车辆能以最短距离和最少冲突路径行驶。另外，如何在有人的交接面保证作业安全也是工艺设计中需特别注意的问题。

2　装卸工艺设计

2.1水平运输设备选型

目前能实现水平运输自动化的设备主要有自动导引运输车（AGV）和跨运车[1]。

1）AGV

AGV是由计算机控制能够沿指定的导引路径自动行驶的运输车辆，具有无人驾驶、自动导航、定位精确、路径优化以及安全避障等智能化功能。AGV载重量为60 t，运行速度可达到21.6 km/h，其动力已由柴油发电机组向全电力（可充式电池）方向发展，具有自重轻、能耗低、噪声小、零排放的优点。在AGV运行区域地面上需埋设呈矩阵排列的Transponder（俗称“磁钉”），AGV车身底部前后各安装有磁钉感应天线，通过读取地面上磁钉的位置来确定AGV的位置。AGV与中控室管理系统间采用无线信号传输方式，根据实时位置、车流信息选择最优运行路径。AGV系统是包括AGV车辆、控制系统、导航系统、通讯系统和充电系统等的一整套系统。

AGV按功能分为普通AGV和提升式AGV两种。与普通AGV相比，提升式AGV通过在堆场交接区设置固定的集装箱支架可以实现AGV与轨道吊间的装卸作业解耦，AGV进入交接区后，由AGV自带的升降平台对集装箱支架取、放箱，AGV无需被动等待堆场设备作业，使AGV单车的作业效率得到大幅提升，由此可减少AGV配置数量。提升式AGV与堆场交接区示意图见图1。

图1　提升式AGV与堆场交接区的示意图Fig.1 Sketch map for Lift-AGV and yard exchange area

为解决普通AGV与轨道吊的作业解耦问题，上海振华重工提出了在堆场海侧交接区布置AGV“伴侣”的方案，AGV进入交接区后，由“伴侣”对AGV装、卸箱，使AGV可及时进入下一个工作循环，提高普通AGV的作业效率。在AGV“伴侣”上还可增配充电装置解决AGV快速充电问题。

2）跨运车

跨箱搬运车（以下按习惯称跨运车）是在跨运车基础上开发的、仅用于码头和堆场间集装箱水平穿梭搬运的设备，这种跨运车只运不堆，提升高度仅为堆一过一，起重量可达50 t，最高运行速度可达空载30 km/h、满载18 km/h。由跨运车与自动化轨道吊配合作业，既能解决高密度堆场容量问题又能实现水平运输与码头、堆场装卸环节间的双边解耦作业，使岸桥和轨道吊的工作循环不受水平运输机械是否及时到位的影响，装卸效率可以得到充分发挥。跨运车与堆场交接区的示意图见图2。

图2　跨运车与堆场交接区的示意图Fig.2 Sketch map for shuttle carrier and yard exchange area

跨运车设备本身可实现无人驾驶。受车体本身构造和作业方式的限制，跨运车的导航和定位系统通常需利用差分全球定位系统（DGPS）及现场定位雷达（LPR）。该系统的动态定位精度不高，影响了跨运车的快速作业能力，而且该系统易受气候的影响。因此除布里斯班Patrick码头和洛杉矶Trapac码头外，目前其它自动化码头的跨运车在实际应用中仍由人工驾驶，将来随着相关技术的发展逐步向无人驾驶过渡。

跨运车自重较大，且必须具有集装箱提升功能，配置的电机功率较大，故目前仍以采用柴油发电机驱动为主，有向油电混合及其它清洁能源为动力的发展趋势。

3）水平运输设备的选择

AGV和跨运车是目前自动化集装箱码头的主要水平运输设备。在自动化集装箱码头中水平运输设备决定了码头的装卸系统形式，它的选择可根据设备特点，综合考虑项目所要实现的自动化目标、投资、营运成本以及设备采购及日常维护的便利性等因素。

2.2岸桥选型

自动化集装箱码头中的岸桥选型主要与工艺系统中所采用的水平运输方式和系统要达到的效率目标有关。

采用AGV作为水平运输设备的自动化码头适合采用双小车岸桥。双小车岸桥通过在岸桥海侧或陆侧门框上设置中转平台形成海侧主小车和陆侧副小车的交接缓冲区。这样的布局使得双小车岸桥相比单小车岸桥在作业效率和自动化操作方面具有较大优势：双小车岸桥用2台高度不同的小车巧妙地处理高（装卸船）与矮（装卸AGV）两种需要；双小车接力，作业循环时间缩短，岸桥的整机作业效率得到提升；甲板箱锁销的拆装和箱号扫描可在平台上进行；陆侧副小车仅负责中转平台和AGV间的装卸，其作业的两端位置和状态均可以自动确定，使主小车采用自动化+人工确认的远程操控、副小车采用全自动化的作业模式成为可能。集装箱船舶的大型化趋势对码头装卸能力提出了更高的要求。综合考虑与后续水平运输系统的衔接难度及岸桥整机效率的上升空间，AGV系统的码头可采用主小车配置双吊具、副小车配置双箱吊具的双小车岸桥。

对于采用跨运车的自动化集装箱码头工艺系统，因跨运车能实现水平运输与码头装卸环节的解耦作业，能充分发挥岸桥的装卸效率，且对于人工驾驶的跨运车，若采用双小车岸桥，全自动化的陆侧副小车与岸桥后伸距下方的跨运车同时作业存在安全风险，故该类码头大多采用单小车岸桥。从节省工程投资、同时又为未来码头效率的提升留有空间的角度，可采用配置双吊具的单小车岸桥。

2.3码头前方作业区布置

为避免水平运输设备与岸桥间的相互干涉，自动化集装箱码头的水平运输区宜布置在岸桥陆侧轨后，岸桥轨内设舱盖板堆放区和特殊箱的集卡运输通道。水平运输区的布置应该以减少水平路由的冲突、缩短运输距离、提高作业效率为原则。

AGV的水平运输区分为装卸区、缓冲区和行驶区3个功能区。装卸区车道采用单向布置，具体方向随作业时的船头方向而定，行驶区车道采用双向布置，装卸区与行驶区之间为缓冲区。这种布置的优点是：装卸区车辆组织简单，AGV通过中间的缓冲区，水平运输的路由变化选择多、冲突少、运输距离短，可适应多泊位、高密度、高强度的作业。

跨运车的水平运输区布置与AGV系统类似。根据跨运车的设备特点，水平运输区由装卸区和行驶区组成，两个区域间可不设缓冲区。

水平运输区的车道数需综合考虑项目的设计船型、泊位数、设备配置等因素。

2.4自动化轨道吊选型

自动化轨道吊的选型主要根据项目的集疏运方式和不同形式轨道吊的作业特点确定。

不同的集疏运方式有其不同的装卸特点。因此，对于以水-陆联运为主的码头，采用整机重量较轻、堆场面积利用率更高的无悬臂轨道吊是合理的，而对于水-水中转比例高的码头，则应考虑利用悬臂轨道吊的优势。洋山四期工程中针对集装箱吞吐量中水-水中转比例高的特点，在自动化堆场采用无悬臂轨道吊的基础上加入单侧悬臂轨道吊，通过外伸悬臂，使同一箱区的两台轨道吊可同时对AGV作业，直接为海侧装卸系统服务[2]。这种悬臂轨道吊和无悬臂轨道吊的组合方案，既满足了堆场容量的需求，又增加了为岸桥服务的轨道吊数量，满足船舶大型化对装卸效率和作业持续强度的要求。

2.5集装箱堆场布置

1）总体布置形式

要实现水平运输的自动化，码头须采用满堂式、堆场应采用垂直于码头前沿线的布置方式。堆场海侧端通过AGV或跨运车实现码头与堆场间的自动化作业交接，港外集卡则在堆场陆侧端的外侧与堆场轨道吊进行自动化+人工确认的作业交接。该布置方式的优点是使码头与堆场间的前方车流和陆路提送箱的后方集卡车流自然分离，便于自动化堆场的封闭管理和港区交通组织；也使码头与堆场间的水平运输距离最短[3]。自动化箱区通常采用双机配置，保证每个箱区可同时进行海、陆侧作业。

2）交接区布置

采用无悬臂轨道吊作业的箱区，其交接区设在箱区的两端。海侧交接区设计应根据水平运输设备的特点，关注水平运输设备与轨道吊之间能否实现解耦作业，减少作业过程中的相互等待。陆侧交接区是自动化装卸系统中有人的交接面，故应重点考虑装卸作业的安全性和安全管理措施：轨道吊采用自动化+人工确认的操作模式；设置完善的交通引导设施，使集卡司机快速找到指定箱区并倒车入位；操作站需设紧停按钮和与中控室的语音对话系统，以应对各种紧急情况；交接区还需设完善的监控设施及对集卡司机的安全管理措施。

采用悬臂轨道吊作业的箱区，其交接区设在箱区的侧面，即轨道吊悬臂下。交接位置不固定，采用水平运输设备与轨道吊直接交接的方式，作业时由水平运输设备将集装箱运输至指定的排位，因此悬臂轨道吊的作业效率较高，单箱能耗较低，对其大车速度的要求也较低。布置上采用相邻箱区轨道吊悬臂端相对的方式，两悬臂下各布置一条装卸通道，中间布置两条行驶车道。

3）堆场箱区长度

对于采用无悬臂轨道吊的箱区，轨道吊除完成集装箱的装卸、堆取外，还需承担集装箱在箱区内的水平运输，因此需关注箱区的长度，避免使轨道吊行走距离过长，影响堆场作业效率。根据仿真模拟结果，该类箱区的合理长度在300 m左右，最长不超过350m[4]。

3　结语

1）自动化集装箱装卸工艺设计中，水平运输设备的选型是关键，它决定了该码头的装卸系统形式、岸桥选型和码头前方区布置，设计中应结合项目的具体条件、建设目标、投资和营运成本等因素综合考虑；堆场是自动化码头设计的重点，堆场轨道吊的选型应结合项目的集疏运方式，使堆场海、陆侧轨道吊的作业达到均衡，保证海侧装卸系统的装卸效率，提高对海侧作业强度的适应性；堆场平面布置应关注交接区的布置和箱区的合理长度。

自动化是集装箱码头技术发展的必然趋势，随着国内劳动力成本的攀升和智慧港口、绿色港口建设的推进，其在我国集装箱码头建设中具有一定的应用前景。

2）自动化集装箱码头的技术目标是实现自动化作业、提高装卸效率和降低营运成本。综观世界自动化集装箱码头，其技术已由最初的自动化无人操作向高效、智能化方向发展，但仍可在下述方面作进一步探索，以使自动化集装箱码头装卸系统生产效率更为提升、节能环保优势更加突出：对岸桥的自动化操作、自动拆锁销技术作深入研究，更大程度地提高码头装卸效率和自动化水平；以现代信息技术为支撑，进一步提高自动化系统的智能化水平；对采用人工驾驶跨运车的自动化系统应加大研究力度，尽快向无人驾驶完善，跨运车设备动力应向清洁能源发展。

[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）：73-79. LIUGuang-hong，CHENG Ze-kun,LINHao.General layoutofautomated container terminal[J].Port&Waterway Engineering.2013 (10):73-79.

[2]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.上海国际航运中心洋山深水港区四期工程初步设计[R].2014. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of Yangshan deepwaterportphase IV projectin Shanghai international shipping center[R].2014.

[3]刘广红，何继红，丁飞虎.全自动化集装箱港区交通组织设计[J].中国港湾建设，2015，35（12）：71-76. LIU Guang-hong，HE Ji-hong，DING Fei-hu.Traffic organization design of fully-automated container ports[J].China Harbour Engineering,2015,35(12):71-76.

[4]宓为建，杨小明，舒帆.自动化集装箱码头箱区作业仿真分析[J].集装箱化，2014（12）：19-22. MIWei-jian,YANG Xiao-ming,SHU Fan.Simulation for block operation of automated container terminal[J].Containerization, 2014(12):19-22.

Design of handling technology for automated container terminal

HE Ji-hong,LINHao,JIANGQiao
（CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Based on themain contents of hand ling technology design,we analyzed the equipment selection and technological layout for the main parts of hand ling system,proposed the key points of automated container term inal designing and the technologieswhich require further research.

container terminal;automation;hand ling technology

U656.135

A

2095-7874（2016）04-0067-04

10.7640/zggw js201604017

2015-10-30

2016-01-05

何继红（1970—），女，上海市人，学士，高级工程师，从事港口装卸工艺设计。E-mail：hejihong@theidi.com