我国沿海主要自动化集装箱码头建设方案比较

王夏宇 刘璐 李歆婳 章强

20世纪90年代，荷兰鹿特丹港建成全球首个自动化集装箱码头;随后，英国伦敦港、日本川崎港和德国汉堡港等相繼建成全自动化或半自动化集装箱码头。[1]迄今为止，自动化集装箱码头已发展至第四代，其中：第一代以1993年投入运营的荷兰鹿特丹港ECT码头为代表;第二代以2002年投入运营的德国汉堡港CTA码头为代表;第三代以2008年投入运营的荷兰鹿特丹港Euromax码头为代表;2016年投入运营的我国首个自动化集装箱码头厦门港远海自动化集装箱码头（以下简称“厦门港远海自动化码头”）属于第四代自动化集装箱码头，可见我国自动化集装箱码头建设起步较晚但起点很高。在我国港口转型升级的背景下，越来越多的传统集装箱码头也开始实施自动化升级改造。国内关于自动化集装箱码头的研究大多侧重于码头总体布局和配套设备，而对码头节能 环保的关注较少，其中：在码头总体布局方面，现有研究主要聚焦于作业系统的布置形式[2]及相互协作[3-4];在码头配套设备方面，现有研究主要聚焦于作业系统的设备选型[5]及设备之间的相互配合[6-8];在码头节能环保方面，方怀瑾等[9]提出通过管理节能、结构节能和技术节能等三大举措实现港口可持续发展。本文比较我国沿海主要自动化集装箱码头建设方案，分析我国沿海主要自动化集装箱码头建设特点，并提出自动化集装箱码头建设建议。

1 自动化集装箱码头主要作业设备

（1）岸边装卸设备 自动化岸边集装箱起重机（以下简称“自动化岸桥”）是自动化集装箱码头的主要岸边装卸设备。按照小车数量划分，自动化岸桥可分为单小车自动化岸桥和双小车自动化岸桥;按照吊具尺寸划分，自动化岸桥可分为20英尺自动化岸桥和40英尺自动化岸桥。目前自动化集装箱码头大多应用双小车20英尺自动化岸桥，也有部分自动化集装箱码头出于成本考虑而使用单小车自动化岸桥。

（2）堆场作业设备 自动化轨道式龙门起重机（以下简称“自动化轨道吊”）是自动化集装箱码头的主要堆场作业设备，主要执行堆场与水平运输设备之间的集装箱转运作业。按照箱量结构和装卸特点划分，自动化轨道吊可分为无悬臂自动化轨道吊、单悬臂自动化轨道吊和双悬臂自动化轨道吊。

（3）水平运输设备 自动化集装箱码头的水平运输设备包括自动导引车、智能导引车和无人驾驶集卡等，主要执行码头前沿与后方堆场之间的集装箱水平运输作业，其中：自动导引车通过预埋在地下的磁钉实现精确定位和导航;智能导引车采用第五代移动通信（以下简称“5G”）和北斗卫星导航等技术，能够摆脱场区磁钉限制，实现更加灵活的运行路线;无人驾驶集卡由传统集卡经智能化升级改造而成，可实现低成本、高效率的无人驾驶作业。

2 我国沿海主要自动化集装箱码头建设

方案比较

2.1 上海港洋山深水港区四期自动化集装箱码头

上海港洋山深水港区四期自动化集装箱码头（以下简称“上海港洋山四期自动化码头”）岸线长，面积为223万m2，共有7个泊位，采用“双小车自动化岸桥+自动导引车+自动化轨道吊”装卸工艺，配备26台自动化岸桥、135台自动导引车和119台自动化轨道吊，设计年集装箱吞吐能力为630万TEU，是我国单体规模最大的自动化集装箱码头。上海港洋山四期自动化码头的岸边作业区配备带中转平台的双小车自动化岸桥：主小车在抓取集装箱的同时扫描作业区域，并建立船舶三维模型，使远程操作人员能够准确定位作业区域内的每个集装箱，从而提高远程作业精度;副小车实时监测自动化岸桥运行状况，从而降低作业安全风险。以卸船作业为例：在传统单小车岸桥作业流程下，小车需要完成从船上抓取集装箱、带箱沿轨道运行至水平运输设备上方、将集装箱放置于水平运输设备上的全过程;而在双小车自动化岸桥作业流程下，主小车与副小车相互衔接，各自只要完成原作业路径的一半即可，从而提高岸桥作业效率和码头泊位利用率。

2.2 青岛港一期全自动化集装箱码头

青岛港一期全自动化集装箱码头（以下简称“青岛港一期全自动化码头”）岸线长2 088 m，面积为285万m2，共有6个泊位，采用“双小车自动化岸桥+自动导引车+自动化轨道吊”装卸工艺，配备16台自动化岸桥、83台自动导引车和76台自动化轨道吊，设计年集装箱吞吐能力为520万TEU，是世界上装卸效率最高的自动化集装箱码头。在码头水平运输环节，青岛港一期全自动化码头首创自动导引车循环充电技术：当监测到自动导引车电量低于设定值时，设备监控系统安排自动导引车自行进入换电站更换电池，从而使电池使用寿命延长至10年，有效减少电池更换次数。自动导引车具有以下应用优势：第一，自动导引车为无人驾驶设备，无须人工干预作业，能够实现码头作业区域全封闭;第二，自动导引车能够通过算法优化作业路径;第三，自动导引车使用钛酸锂电池，能够有效减少温室气体排放量。

2.3 厦门港远海自动化码头

厦门港远海自动化码头岸线长447 m，面积为122万m2，共有1个泊位，采用“双小车自动化岸桥+自动导引车+自动化轨道吊”装卸工艺，配备3台自动化岸桥、18台自动导引车和16台自动化轨道吊，设计年集装箱吞吐能力为95万TEU，是我国首个具有完全自主知识产权的自动化集装箱码头。厦门港远海自动化码头在全球率先将5G网络应用于全场景作业，成功解决光纤网络存在的管道开挖和光缆铺设干扰码头生产的问题，从而在不停工、不停产的情况下完成传统集装箱码头的自动化升级改造，并且实现码头通信网络的可扩展、易维护和低成本。

2.4 天津港五洲国际集装箱码头

天津港五洲国际集装箱码头岸线长1 202 m，面积为35万m2，共有4个泊位，采用“单小车自动化岸桥+智能集卡+双悬臂自动化轨道吊”装卸工艺，配备12台自动化岸桥和31台自动化轨道吊，设计年集装箱吞吐能力为150万TEU，是我国首个由传统集装箱码头升级改造而成的全流程自动化集装箱码头。天津港五洲国际集装箱码头建设分三步完成：首先，完成堆场自动化改造;然后，引入无人驾驶电动集卡，实现水平运输自动化;最后，完成码头作业全流程自动化改造。在水平运输环节，天津港五洲国际集装箱码头对传统集卡实施自动化改造，不仅节约自动化水平运输设备购置成本，而且延长集卡使用寿命，主要改造措施为：在传统集卡内部及前视镜和后视镜上安装高清摄像头，并通过5G网络将影像视频传输至联调联试操作中心，从而使工作人员能够根据集卡运行情况远程操控方向盘。

2.5 广州港南沙港区四期自动化集装箱码头

广州港南沙港区四期自动化集装箱码头（以下简称“广州港南沙四期自动化码头”）岸线长，面积为120万m2，共有4个泊位，采用“单小车自动化岸桥+智能导引车+自动化轨道吊”装卸工艺，配备49台单悬臂自动化轨道吊、3台双悬臂自动化轨道吊和158台智能导引车，设计年集装箱吞吐能力为490万TEU，建成后将成为全球首个在水平运输环节采用智能导引车的自动化集装箱码头。智能导引车具有以下应用优势：第一，智能导引车具有较高的灵活性和柔性，能够实现最优的运行路线;第二，当电量低于设定值时，智能导引车自动行驶至充电区充电;第三，智能导引车能够搭载不同的功能模块，从而满足一车多用的需求。

2.6 小结

据不完全统计，“十四五”时期我国沿海自动化集装箱码头投产规模将近20个。[10]通过比较我国沿海主要自动化集装箱码头建设方案，总结现有建设方案的突出特点和先进经验，有助于进一步提升我国沿海港口自动化水平。由表1可见，我国沿海自动化集装箱码头建设主要有以下特点。

表1 我国沿海主要自动化集装箱码头建设方案比较

（1）新建和改造两种建设类型并存。我国自动化集装箱碼头建设分为新建和改造两种类型，两者并存的主要原因是：第一，自动化集装箱码头投资规模较大且投资回报期较长[11]，港口企业需要根据自身的资金承受能力选择合适的建设方案;第二，自动化集装箱码头作业效率较高，就传统中小型集装箱码头而言，采取自动化升级改造的建设方案足以满足吞吐量需求。

（2）主要分布在沿海大型枢纽港。沿海大型枢纽港具有较强的货源吸引力，能够为自动化集装箱码头提供大量稳定的货源以维持其可持续发展：首先，沿海大型枢纽港地处我国进出口贸易最活跃的地区，拥有广阔的经济腹地;其次，沿海大型枢纽港是国际集装箱班轮的主要挂靠港，其周边有很多喂给港为其提供货物集散服务;最后，沿海大型枢纽港的基础设施更完备且管理模式更规范，是进出口贸易商优先考虑的合作对象。

（3）绿色环保优势突出。自动化集装箱码头的绿色环保优势主要表现在以下两方面：一是通过采用太阳能和风能等可再生清洁能源，从源头控制污染物排放量;二是通过应用能源管理系统，科学合理地分配和使用能源。数据显示：与传统集装箱码头相比，大部分自动化集装箱码头单箱综合能耗降低20%以上。[12]

（4）实现码头生产作业无人化。自动化集装箱码头大多采用远程控制作业方式，从而实现码头生产作业无人化，其优势主要表现在以下几方面：第一，减少安全隐患和人为因素干扰，提高码头作业的安全性和稳定性，特别是在当前新冠肺炎疫情长期存在的情况下，无接触式作业能够确保自动化集装箱码头正常运转;第二，改善码头作业环境;第三，降低人力成本。

3 我国自动化集装箱码头建设建议

当前我国自动化集装箱码头建设分为新建和改造两种类型：新建方案是根据港口长远发展需要，通过合理规划设计建设具备全自动化装卸运输作业能力的集装箱码头;改造方案是在综合考虑原有的传统集装箱码头装卸工艺和平面布局的基础上，对装卸运输设备实施自动化升级改造，从而使集装箱码头具备全自动化装卸运输作业能力。[13]本文根据不同规模集装箱码头的需求特点，对我国自动化集装箱码头建设提出建议。为了便于研究，按集装箱吞吐能力将自动化集装箱码头划分为三种类型：一是设计年集装箱吞吐能力小于或等于100万TEU的小型自动化集装箱码头;二是设计年集装箱吞吐能力大于100万TEU但小于或等于400万TEU的中型自动化集装箱码头;三是设计年集装箱吞吐能力大于400万TEU的大型自动化集装箱码头。

对于大型集装箱码头而言，新建自动化集装箱码头是首选方案。上海港、广州港和青岛港等港口作为我国传统的海运贸易大港，年集装箱吞吐量排名均位于世界前列。上述港口的集装箱码头生产繁忙，建设自动化集装箱码头是其提高码头作业效率和降低码头作业成本的重要手段。虽然大型自动化集装箱码头建设投资规模大且周期长，但上海、广州和青岛作为重要的区域经济中心具备强大的财政实力，能够为大型自动化集装箱码头建设提供资金支持。此外，自动化集装箱码头建设过程中的技术积累和创新不仅能够节约资金，而且有助于完善工艺。例如：青岛港二期全自动化码头创新应用氢动力自动化轨道吊，打造零污染、零排放的智慧绿色码头，每年二氧化硫排放量减少近1 000 t，二氧化碳排放量减少近3万t。

对于中小型集装箱码头而言，传统集装箱码头自动化升级改造方案更加经济合理。传统集装箱码头自动化升级改造可以借鉴天津港五洲国际集装箱码头“三步走”策略，即根据码头实际情况分步骤建设自动化集装箱码头三大作业系统。此外，中小型自动化集装箱码头建设投资规模较小且作业效率较高，建成后市场竞争力将显著提高。

参考文献：

[1] 李金龙. 中国自动化集装箱码头的发展与挑战[J]. 中国港口，2016（2）：17-20.

[2] 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.

[3] 王施恩，何继红，林浩，等. 自动化集装箱码头堆场布置新模式[J]. 水运工程，2016（9）：23-26.

[4] 元征，毛浩，邳青岭. 集装箱自动化码头闸口总体布置研究[J]. 港工技术，2019，56（5）：27-30.

[5] 彭传圣. 集装箱码头的自动化运转[J]. 港口装卸，2003（2）：1-6.

[6] 金祺，罗勋杰，韩保爽. 自动化集装箱码头水平运输设备选型[J]. 水运工程，2016（9）：87-90.

[7] 李永翠，刘耀徽，任荣升，等. 自动化集装箱码头设备控制系统实现[J]. 水运工程，2019（7）：28-32.

[8] 梁承姬，林洋. 自动化码头双小车岸桥与AGV协调调度问题研究[J]. 计算机工程与应用，2019，55（10）：256-263.

[9] 方怀瑾，罗勋杰，周维峰. 自动化集装箱码头环境保护分析与展望[J]. 水运工程，2016（9）：9-13.

[10] 柳长满，张传捷，陈微波，等. 国内沿海自动化集装箱码头关键技术发展趋势[J]. 中国港口，2021（1）：17-23.

[11] 吴金娜，李擘. 青岛港自动化集装箱码头经济效果分析[J]. 港工技术，2019，56（3）：89-91.

[12] 元征，于青双. 青岛港集装箱自动化码头关键技术综述[J]. 港工技术，2020，57（5）：16-19.

[13] 陈锦文，兰培真. 新建与改建自动化码头研究[J]. 港口装卸，2019（3）：68-70.

（编辑：张敏 收稿日期：2021-05-20）