广州港南沙四期自动化集装箱码头新型装卸工艺系统设计

梁 浩 吴邵强

中交第四航务工程勘察设计院有限公司

1 引言

国际集装箱物流业的飞速发展使得集装箱港口对集装箱集散能力和装卸效率的追求越来越高，近年来自动化集装箱码头技术因其装卸效率高、工人的人力成本和劳动强度低、生产作业安全环保等优点而备受关注，世界范围内自动化集装箱码头的建设数量也与日俱增[1]。依托广州港规划新建的南沙四期自动化码头工程，充分分析其工程特点，结合典型自动化装卸工艺系统对于本工程的适用性，提出了一套完整的新型集装箱自动化装卸工艺系统，在实现本工程自动化的同时也可为具有类似特点的集装箱码头自动化建设和改造工程提供参考。

2 工程概况

广州港南沙港区四期工程地处珠江口，港区规划总面积约120万m2，拟建设4个5～10万t级海轮泊位及12个驳船泊位，码头设计年通过能力约490万TEU。

从港区功能定位和总体规划的角度上看，本工程有2大主要特点：定位为内贸集装箱中转港，水转水集装箱比例高；海轮码头岸线与驳船码头岸线相对独立，整体岸线形态特殊，4个5～10万t级海轮泊位连续布置在约1.5 km的海轮码头岸线上，驳船码头岸线整体呈现不规格“折线”形态，布置在海轮码头岸线一侧，12个驳船泊位分散地布置在“折线”驳船码头岸线上(见图1)。

图1 广州港南沙四期工程码头岸线分布图

3 南沙四期新型自动化集装箱装卸系统论证

3.1 现有自动化集装箱装卸系统适应性分析

自动化集装箱码头技术在历经20多年的发展后，已逐步形成了多种成熟的装卸系统方案，主要有“单小车岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)+集装箱牵引半挂车+自动化轨道式龙门起重机(以下简称轨道吊)”、“双小车岸桥+AGV+自动化轨道吊”和“单小车桥+集装箱跨运车+自动化轨道吊”3种方案[2]。目前，以自动化集装箱装卸设备技术发展的成熟度及系统整体应用情况来看，“双小车岸桥+AGV+自动化轨道吊”自动化程度最高、技术最为成熟、应用最为广泛，该系统已逐步成为目前最先进的第4代自动化集装箱码头工程装卸工艺系统的典型代表[3]。在国内，已投产运营的全自动化码头工程如青岛前湾自动化集装箱码头、上海洋山四期自动化集装箱码头工程等采用的均是该系统[4]。

与该装卸系统相匹配的最典型的总体布局形态是“T”型布置形态，即自动化集装箱泊位沿直线型岸线连续布置。集装箱堆场采用垂直于码头岸线的布置形态，满堂式布置，两端分别设置海侧交互区及陆侧交互区，除陆侧交互区以外的集装箱堆场与岸桥陆侧轨后方的码头前沿作业地带形成封闭的自动化作业区。自动化作业区域的水平转运作业主要依靠AGV完成，集装箱堆场内部水平转运作业主要依靠集装箱自动化高速轨道吊来完成，陆侧交互区与其他集疏运端口(如闸口或其他非自动化作业区)间的水平转运作业主要依靠普通集卡完成[4]。

从集装箱在港内转运的主流向来看，直线型岸线已决定了无论是水转水集装箱或是陆水直航集装箱，其在港内的主要流向都是垂直于码头岸线的。若从港内集装箱水平运输作业能耗及车流周转的效率上看，该布局形态在集装箱主要转运流向为垂直于码头岸线的自动化码头工程，适应性较好。

本工程在岸线整体布置形态特殊及集装箱水转水比例高两大客观条件的限制下，集装箱在港内的水平转运流向必定是以平行于海轮码头岸线为主。若采用与第4代自动化集装箱码头工程装卸系统相匹配的“T型”总体布局，水转水集装箱就必须全部从自动化堆场陆侧交互端绕行至驳船码头各岸线，单箱平均运距较大，作业能耗高。若将该装卸系统调整为平行于海轮码头岸线的总体布局，那么自动化堆场的箱条长度将远远超过自动化轨道吊的经济运距，堆场内集装箱的运输能耗将大幅提高，转运效率也大受影响。

综合以上分析，若要提高集装箱在港内水平转运效率、降低集装箱单箱平均运距(平均运输能耗)，现有的第4代集装箱自动装卸系统在南沙四期工程中的应用存在一定的局限性。

3.2 新型自动化装卸系统选择

集装箱码头装卸系统主要包括码头前沿装卸船作业、集装箱堆场堆码垛作业、集装箱港内水平运输作业三大环节。

集装箱港内水平运输作业中，应用最为成熟的是自动导引小车(AGV)。在第4代集装箱码头装卸系统中，AGV主要依赖于在特定区域内路面结构中预铺设的导航磁钉来实现其定位和自动行驶，对路面结构的承载能力要求较高。该技术在集装箱自动化水平转运设备运行区域相对限制的第4代集装箱码头装卸系统中应用较好，但当装卸系统的总体布局形态发生变化，需要集装箱水平运输覆盖范围扩大时，应用该技术的经济性较差。

近年来无人驾驶技术发展迅速，集装箱港区具有相对独立和封闭的运行区域、车行速度不高、车行路线相对比较规律等特点，与开放性生活场景相比，集装箱港区是无人驾驶技术更为理想的应用场景。若无人驾驶技术能应用在集卡上，便可大幅度降低集卡司机劳动强度和码头人力成本，减少因疲劳驾驶或注意力不集中等人为因素引起的交通事故。

南沙四期工程在综合考虑岸线特殊形态及集装箱港内主要流向等客观因素的基础上，以集装箱港内水平转运作业采用无人驾驶技术的智能集卡为中心，配合集装箱装卸船作业采用自动化岸桥及堆场堆码垛作业采用自动化轨道吊，提出了一套可实现全港区集装箱装卸运输自动化的装卸系统及总体平面布局(见图2)。

图2 广州港南沙四期工程新型装卸系统及工艺平面布置图

4 新型装卸工艺系统设计

4.1 装卸工艺方案及布置

(1)码头前沿装卸船作业。根据本工程各岸线上泊位的基本分布情况及各岸线设计代表船型要求，海轮泊位岸线采用自动化单小车岸桥作业。海轮码头岸线前沿作业地带从海测往陆侧依次布置岸桥海测轨、岸桥陆侧轨、前沿辅助设施放置区、特殊箱作业通道、前沿设备检修通道、前沿人行通道、舱盖板区及港区横一路等(见图3)。其他岸线泊位均采用新型自动化轻型岸桥作业，南侧岸线泊位采用门座起重机(配现场司机操控)作业。本工程驳船泊位岸线数量分段数量较多、泊位吨级普遍较小，设计时已根据实际运营情况，最大限度地利用现有的设备自动化技术实现了大部分泊位的自动化装卸船作业。对于各驳船泊位岸线码头前沿作业地带布置情况，本文不作过多赘述。

图3 新型装卸系统海轮泊位前沿功能区划分断面图

(2)自动化集装箱堆场作业。为了适应本工程集装箱在港区内主要流向平行于海轮码头岸线的特点，最大程度地降低水转水集装箱在港区内的平均运距、提高车流周转效率，集装箱堆场采用平行于海轮码头岸线的整体布局形式，堆场内箱条采用“背靠背”模式布置。堆场作业均采用自动化单悬臂轨道吊，其中重箱及冷藏箱堆场采用自动化单悬臂重箱轨道吊作业，空箱堆场采用自动化单悬臂空箱轨道吊作业。

(3)自动化区集装箱水平运输。港区自动化区域内各装卸功能区间的集装箱水平运输均采用无人驾驶集卡。

(4)港内外集卡交互作业区。为实现港外普通集卡与港内自动化作业区无人驾驶集卡隔离分流，避免交叉行驶带来的安全和法律问题，本系统在自动化堆场后方(进出港闸口与自动化堆场之间)布置了专用的港内外集卡交互作业区，作业区设置1个跨集装箱临时堆存箱区，用于交互箱临时堆存。该区域配置自动化双悬臂重箱轨道吊，并设置物理隔离围网，将港内无人驾驶集卡与港外车辆隔离，利用双悬臂轨道吊的双外伸悬臂，完成集装箱港在内外集卡间的交互作业。

4.2 关键技术点分析

4.2.1 主要装卸环节设备选型

(1)码头前沿装卸船设备。在第4代集装箱码头装卸系统中，码头前沿装卸船自动化作业设备，应用最为广泛的是双小车岸桥，但双小车岸桥本身具有自重大、对水工结构承载能力要求高、设备造价昂贵等缺点。本着节省工程建设成本的原则，本工程在确保码头前沿装卸作业效率的前提下，选择了造价相对较低、自重较轻、对基础结构承载能力要求较低的单小车岸桥作为海轮码头装卸船作业设备。为有效解决采用单小车岸桥而引起的集装箱拆装锁销作业场地缺失的问题，设计考虑在码头前沿作业地带舱盖板区域设置集装箱集中拆装锁销区，作业人员和相关设备设施可利用码头TOS系统的实时电子锁闭功能，沿锁闭的人行通道进入集中拆装锁销区安全岛就位，等待作业。

(2)集装箱自动化堆场装卸设备。在第4代集装箱码头装卸系统中，由于AGV的作业范围基本都限定在堆场海测交互与岸桥陆侧轨后方，并不能行驶到集装箱堆场内部交接箱，因此自动化轨道吊除了具备集装箱堆码垛功能之外，还需承担集装箱在堆场内部的水平转运功能。为了不影响集装箱在堆场中的转运效率，需采用大车运行速度较高的高速轨道吊，并相匹配特殊的轨道供其高速运行。但在本工程装卸系统中，集装箱在整个自动化作业区(包括码头前沿和所有自动化堆场区)中的水平转运作业可依靠无人驾驶集卡完成。因此，堆场轨道吊不再需要承担集装箱在堆场中的水平运输作业，其大车运行机构采用常规速度即可，且运行轨道也可用常规的起重机大车轨道。

(3)集装箱自动化水平运输设备。本工程装卸系统中集装箱水平运输作业均采用无人驾驶集卡，该设备采用北斗导航、本地差分基站及惯性导航技术实现智能化导航、避障、定位和行驶。该设备与传统自动化水平运输设备AGV相比，导航模式不同，无须像AGV一样依托地面预设的定位磁钉导航，且对地面结构的承载能力要求低。无人驾驶集卡为全电驱动设备，为解决其在自动化区内可适时地补充电能的问题，本装卸系统在自动堆场区及内部停车场区分散地设置了多处无人驾驶集卡集中自动充电区域，使用大电流快速充电系统，当无人驾驶集卡电量低至某个系统预设值时，将自动行驶至充电区进行充电。

4.2.2 港内外集卡隔离分流

为避免自动化集装箱码头工程中无人操作设备与有人驾驶设备出现交叉运行而引起的安全和法律问题，本系统在自动化堆场后方与闸口之间设置了专用的港内外集卡交互作业区。在该交互区布置设计时，预留布置纵向道路，与自动化堆场区纵向道路连接。近期港内外集卡隔离分流时，预留纵向道路可堆放集装箱；待自动驾驶技术发展到允许有人驾驶集卡与无人驾驶混行阶段时，可以将纵向道路打开，港外有人驾驶集卡可直接进入自动化区域交接集装箱。

5 结语

南沙四期工程采用“自动化单小车岸桥+无人驾驶智能集卡+自动化轨道吊”的新型自动化装卸工艺系统，采用堆场平行于海轮码头岸线的总体布局形态，实现全港区集装箱装卸运输自动化，可为类似自动化集装箱码头工程的设计和建设提供一定的参考。