新型集装箱自动化码头装卸工艺方案探讨

新型集装箱自动化码头装卸工艺方案探讨
林浩;唐勤华
【摘要】分析国外集装箱自动化码头的发展情况及其主要技术特点,针对当今自动化码头存在的作业效率和稳定性不够理想的状况,就大幅提高自动化码头作业系统的效率、工作可靠性和营运经济性的技术路线,介绍国内自主研发的全轨道式新型集装箱自动化码头的装卸工艺方案.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2008(000)010
【总页数】6页(P30-34,45)
【关键词】集装箱;自动化;高架式轨道穿梭系统;双40岸桥
【作者】林浩;唐勤华
【作者单位】中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海,200032;中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海,200032
【正文语种】中文
【中图分类】U656.1
随着世界集装箱海运量的大幅增长和集装箱船舶的大型化趋势，如何有效地提高码头装卸船效率、降低营运成本已成为业内港口规划、建设和设计人员关注的重点。

欧洲由于其高昂的人力成本和良好的技术创新环境，一些大型集装箱港口的建设选择了自动化方案，先后建成了荷兰鹿特丹的ECT集装箱码头、德国汉堡的HHLA 码头和最新的鹿特丹EUROMAX集装箱码头等一些较典型的集装箱自动化码头，
它们代表了世界集装箱自动化作业系统的发展历史和最新技术水平。

这些码头在集装箱装卸系统、平面布置等方面开发了一些值得称道的创新工艺方案：汉堡HHLA码头采用了自动化程度较高的双小车岸桥，将码头上自动导行车(AGV)的作业车道布置在岸桥的后轨后面，避免了早期鹿特丹ECT集装箱码头将AGV作业车道布置在岸桥轨内，AGV需从泊位的两端进出容易造成交通拥挤的问题；堆场采
用垂直布置的大小跨套叠的轨道场桥方案解决了大型、高密度集装箱堆场需要2
台堆场设备在同一箱区内作业的互相穿越问题。

最新的鹿特丹EUROMAX集装箱码头采用了AGV直接深入垂直布置的轨道场桥堆场，在解决同一箱区内作业堆场设备互相穿越问题的基础上，更进一步地避免了HHLA码头方案需轨道场桥带箱
高速运行带来的对能耗和作业效率的影响。

从这些自动化码头的运行情况看，后期的自动化码头确实比早期的作业效率高得多，且越是后建的效果越好。

但这些自动化码头都采用了轮胎式内燃驱动的AGV作为码头与堆场间的集装箱水平运输设备，由于AGV作业中存在大量随机的平面交叉的交通问题，车队运行对自动控制的要求很高，需要庞大的计算机系统和复杂的车队管理软件处理大量的路径实时通信数据，导致控制、安全系统庞大，结构复杂而且影响实际作业效率，并存在一定的故障隐患。

当车辆交会或接近时，在安全系统扫描测知后，控制系统为安全起见对两车都会采取紧急制动，然后由负责车队运行管理的中央控制系统确定其中的行驶优先者，这些随AGV平面交通方式所固有的随机干扰因素造成其实际运行效率比人工操作的集装箱拖挂车还要低，集装箱的水平运输已经成为整个自动化作业系统的瓶颈环节。

针对国外集装箱自动化码头在营运中暴露出的水平运输作业效率、工作稳定性不够理想和系统复杂、难以维护等问题，上海振华港机集团在中交三航设计院的配合下以高架式空间集装箱轨道穿梭系统为核心创立了具有自主知识产权的轨道式全自动集装箱码头装卸工艺系统，该系统由每泊位多达4台具有高度自动化辅助作业能
力的双40 ft集装箱岸桥形成码头装卸船环节、一套全自动的“高架式轨道穿梭系统”构成码头与堆场间集装箱运输的流畅连接环节、垂直布置的自动化轨道场桥（RMG）构成集装箱堆场环节和后方接卸环节（指港外集卡在堆场后方的取送箱
作业）组成。

1.1 码头装卸船作业
随着11 000 TEU载箱量的艾玛·马士基集装箱巨轮投入营运，世界集装箱海运干
线港开始进入了超10万吨级的船舶超大型化时代，高昂的船舶制造成本需要码头端相应地大幅提高装卸船效率。

船舶大型化过程中原来一直相当有效的提高船舶装卸效率的2个技术应对策略为：1）增加每个泊位投入作业的岸桥数量，多达7台岸桥同时作业是各大型集装箱码头特别是自动化码头引以自豪的技术服务水平；2）采用技术性能更高的现代化岸桥，双20 ft岸桥、双小车岸桥、双40 ft岸桥和双
小车双40 ft岸桥应运而生，很多大型集装箱码头同时采用高效的双40 ft岸桥和
高密度的岸桥布置。

虽然11 000 TEU超大型船舶在船舶各向主尺度上都比原10
万吨级船舶大，但一些大型集装箱码头的岸桥配置密度已经达到每80 m岸线一台的高限，所以仅通过增加设备布置数量来获得所需的效率增量已不太合适，而且目前广泛使用的双40 ft岸桥由于其较特殊的双联作业车道的空间需求，进一步提高岸桥的布置密度也比较困难。

虽然双40 ft岸桥理论上可以实现超过100 TEU/h
的单机效率，但实际作业中由于集疏运环节的交通问题和堆场双40 ft箱的“组关”问题，导致各港双40 ft岸桥的单机效率与原双20 ft的岸桥效率相比仅增加
3%～4%，所以增加装卸船效率的关键不在于进一步增加岸桥的布置密度，而在于如何充分发挥双40 ft岸桥的作业效率。

新型集装箱自动化码头装卸工艺码头装卸船环节虽然每泊位仅配置4台双40 ft集装箱岸桥，但由于其后方特有的全自动“高架式轨道穿梭系统”和双40 ft集装箱的组关技术保障了码头与堆场间集装箱运输的流畅连接，完全避免了作业线间的干
扰，各环节的效率互相匹配，且后方环节具有一定的能力冗余，水平运输不再成为整个系统的瓶颈，而是能使前方岸桥的能力得到充分发挥，完全可以达到300 TEU/h以上的经济船时效率的要求。

码头上与岸桥配合作业的是沿岸桥后轨全程布置的全自动“高架式轨道穿梭系统”，虽然岸桥的起升高度达46 m，但高架轨道上的穿梭小车位置比较高，且装卸穿梭小车时的作业位置相对于岸桥固定，有利于岸桥采用自动化的装卸车作业方式，减轻岸桥司机的劳动强度，提高作业效率。

1.2 集装箱水平运输
新型集装箱自动化工艺方案的集装箱水平运输环节采用“高架式轨道穿梭系统”，它由“高架式支承结构系统”、“轨道穿梭车”、“自行轨道式转运起重机”以及“地面进场轨道小车”组成（图1）。

每个泊位布置5条高架作业线，海侧4条作业线与4台岸桥一一对应，陆侧的1条作为共用线可兼作跨泊位的水-水中转箱或其它作业线故障时的辅助，由于一般国内港口水—水中转箱量占总装卸箱量的比例小于20%，所以仅安排1条共用跨泊位作业线不会对整体作业作业效率产生较大的影响。

每条线布置2台“轨道穿梭车”和2台“自行轨道式转运起重机”，“轨道穿梭车”、“自行轨道式转运起重机”沿岸桥陆侧轨后顺岸布置的“高架支承结构系统”的桁架梁侧面上下2层轨道可以实现沿码头长度方向全泊位长度的水平移动，并且可以互不干扰地“穿越”。

“轨道穿梭车”的功能主要是承接各作业线所对应的岸桥装卸船的集疏箱，并按堆场箱管系统的要求在各垂直箱区的前端部与岸桥间穿梭“配送”，由“自行轨道式转运起重机”负责“轨道穿梭车”与堆场的“地面进场轨道小车”上集装箱的上下立体的转运。

“地面进场轨道小车”借助于地面轨道可以实现垂直于码头前沿线方向深入堆场的集装箱水平移动。

在每跨轨道场桥堆场内布置2条“地面进场轨道小车”的进场线，其中1条贯穿堆场，另1条进入半个箱区深度，通过堆场轨道吊的协助可以
在堆场纵深实现集装箱的高效码放和取箱作业。

这种深入堆场的进场线布置方案的主要优点在于：1)可充分利用“地面进场轨道小车”轻便灵活的特性，利用其高达300 m/min的水平运行速度，解决大跨度轨道场桥载箱高速行走的困难和能耗较
高的问题；2)可解决一跨内前后两台同轨场桥的相互“穿越“问题，节约堆场面积，减少场桥的运行距离从而提高场桥的作业效率；3)可充分发挥“地面进场轨道小车”的高速运行特点和大跨度场桥的堆箱密度高、小车横向运行速度高的技术特点。

1.3 垂直布置的集装箱堆场
新型自动化集装箱码头装卸工艺的堆场采用垂直布置的轨道场桥（RMG）方案，1个泊位长度的堆场布置5～6条，轨距40～50 m的垂直箱区，每个箱区前后共布置2台同轨场桥。

箱区可根据堆场箱量的要求布置约400 m的纵深，堆高5～6
层箱。

每条箱区的后端布置一定数量的冷藏箱箱位，并留有2～3个港外集卡的装卸车位。

港外集卡可通过每条箱区装卸车位旁的读卡器输入有关操作信息，由轨道场桥在“地面进场轨道小车”的配合下，自动进行集装箱装卸车作业。

冷藏箱位布置在箱区的后端，拔插冷藏箱插座时可避免人员进入自动化场桥作业区域，保障人员的安全。

集装箱由码头前沿配置的双40 ft岸桥从船上卸下，根据“中控室”的指令：可容纳2个40 ft集装箱的“轨道穿梭车”首先运行至岸桥后伸距下的“卸箱点”进行“接箱”，“接箱”后的“轨道穿梭车”根据堆场“箱管”系统的要求沿高架轨道运行至与堆码箱区对应的“转箱点”，由提前在此等候跨于其上的“自行轨道式转运起重机”将集装箱从“轨道穿梭车”转至“地面进场轨道小车”。

(“转箱作业”的主要步骤为：“自行轨道式转运起重机”将位于“轨道穿梭车”上的集装箱抓起、在“轨道穿梭车”移出该位留出下部空间后，将集装箱下降的同时作90°旋转以适应堆场内集装箱的堆放准则 (集装箱的长度方向与RMG轨道方向平行)，最后卸至地面正下方已经就位的“地面进场轨道小车”上)。

随后载着集装箱的“地面进场
轨道小车”将沿着地面轨道向所在箱区的纵深运行。

“地面进场轨道小车”根据“箱管”系统的指令制动于箱区相应的“货位”，由同样根据指令等候的轨道场桥自动将“地面进场轨道小车”上的一个40 ft集装箱吊起，场桥上小车横向运行并码放至相应的“排”位。

然后视第2个40 ft集装箱在这条箱区的堆放箱位情况，“地面进场轨道小车”再移动车位或保持车位由轨道场桥进行第2个40 ft集装箱的卸车堆箱作业，至此“高架式轨道穿梭系统”完成了一次集装箱进场流程。

上述各动作逆行可完成集装箱从堆场至船的装船流程。

港外集卡的交接箱作业在箱区后方，届时港外集卡需倒车进堆场端部的相应的各跨“交接箱区”的停车位上，箱区进出箱的水平运输主要由“地面进场轨道小车”负责，但该箱区同时有装卸船作业时，箱区后区的场桥除堆取和装卸车外，也可直接自载箱慢速运行。

与目前国外的自动化工艺方案相比，该:新型集装箱自动化码头装卸工艺方案基于轨道式小车自动运输系统的构想，综合吸收了一些国外最新的垂直布置堆场的集装箱自动化码头的优点，创造了具有自主技术特色的作业高效、运行经济的集装箱自动化码头作业系统，其主要特点：
3.1 稳定高效的全轨道运行系统
岸桥至堆场之间的水平运输没有采用国外常用的轮胎式内燃机驱动自动导行车(AGV)，避免了AGV系统所带来的集装箱水平运输平面交通随机干扰因素多、运行效率较低、控制系统复杂和故障率较高的弊端，岸桥与场桥之间的水平运输由一套全自动的“高架式轨道穿梭系统”完成，系统内所有设备的运动均按各自的作业线沿轨道定线完成，流程前后环节设备运行的预知性和可控性强，可大幅降低作业线间和作业环节间的随机干扰的问题。

所采用的技术是国内成熟可靠的现有技术，无需引进AGV和复杂的车队管理软件。

轨道式运行设备比轮胎式具有工作稳定可靠、维护工作量少、设备投资和能耗低的优点（图2）。

3.2 高效的双40 ft集装箱组关设计
“高架式轨道穿梭系统”及“地面进场轨道小车”均按双40 ft集装箱载运设计，可与前方双40 ft集装箱岸桥实现高效的衔接，使原严重影响双40 ft岸桥作业效率的码头双40 ft集装箱的组关环节延伸至作业线相对较多的堆场作业环节（场桥与岸桥的配比一般为3∶1），配合相应的堆场箱管系统，能有效疏解流程的效率瓶颈。

与目前国外的设计方案相比，本方案更能发挥双40 ft集装箱岸桥高效的装卸船效率，特别是装船作业的效率，改变目前大型集装箱码头一味高密度配置岸桥的倾向，以适当的配机数量达到同样的船时作业效率。

3.3 解决轨道场桥载箱高速行走的能耗高、效率低的问题
可充分利用“地面进场轨道小车”轻便灵活的特性，利用其高达300 m/min的水平运行速度，解决大跨度轨道场桥载箱高速行走的困难和能耗较高的问题；提高了场桥的作业效率，解决了集装箱轨道场桥堆场拆堆跺的效率瓶颈问题。

3.4 有利于双40 ft岸桥的自动化辅助作业的实现
船舶靠泊码头其位置和箱位随船舶构造和水位、波浪而变化，作业中箱位的定位比较复杂，一般很难实现自动化船上集装箱装卸作业。

大型集装箱码头双40 ft岸桥的起升高度达46 m以上，由于作业过程无法避免的大悬距晃动，岸桥码头作业时对地面AGV进行自动化装卸车的定位操作的难度很大，而新型集装箱自动化码头工艺方案码头上与岸桥配合作业的是沿岸桥后轨全程布置的全自动“高架式轨道穿梭系统”，高架轨道上的穿梭小车位置比较高，装卸穿梭小车时钢丝绳悬距较短、晃动量比较小、且作业位置相对与岸桥固定，有利于岸桥采用自动化的装卸车作业方式，减轻岸桥司机的劳动强度，提高作业效率。

3.5 堆场垂直于码头岸线布置
垂直布置的堆场配以“高架式轨道穿梭系统”的集装箱水平运输系统，不需要像一般横向布置的自动化码头（如日本名古屋港Tobishima自动化集装箱码头）车辆
都需从泊位的两端走环形，可使集装箱的总体水平运输距离最短捷。

3.6 集卡不进箱区
集装箱在堆场内外之间的交流，不再需要港内外集卡驶入堆场内部，而是通过堆场2个端部的交接点完成。

这种布局有利于在堆场实现全自动化操作，有利于减少一般水平运输车辆进箱区造成前后方车流交会的交通拥挤。

集卡不进箱区使轨道场桥和“地面进场轨道小车”的轨道基础可采用高出地面便于维护调整、造价低廉的轨枕道渣基础。

为验证新型自动化集装箱码头装卸工艺方案的整体工作效率，对流程各作业环节的能力匹配条件、作业效率、排队长度等工作质量指标作出评估，我们曾以一个集装箱港区为例，布置了3个连续大型集装箱泊位的自动化码头，采用automod计算机仿真软件进行仿真模拟，模型主要内容：
船舶到港服从泊松分布，平均每天到港船舶1.92艘。

平均每次装卸船的集装箱量
为3 000 TEU，服从正态分布。

港外集卡到达时间间隔平均值135 s，服从负指数分布。

每个泊位配4台双40 ft岸桥进行装卸船作业，原则上与各泊位装卸船有关联的堆场仅是泊位正后方对应的各条堆场及其相邻的半个泊位的后方堆场，少量的水水中转箱可通过第5条平行于码头长度方向的“轨道穿梭车”作业线，即最靠
近堆场的作业线作为“穿越作业线”，出入不同泊位之间集装箱堆场的“交流”。

在邻近泊位无船靠泊时，可调配1台岸桥及其配套的“轨道穿梭车”和“自行轨
道式转运起重机”支援作业泊位的装卸船生产，但它利用的“高架式轨道穿梭系统”的生产线应与最远端岸桥共轨，使2条作业线间干扰的可能性最小。

垂直布置的集装箱堆场共设18条堆场区，每条堆场的占地大约为49.5 m×425 m，每条堆场间布置一定宽度的维修通道，设2条共轨的轨道场桥作业线，共配置36
台轨距为49.5 m的轨道场桥，起重能力61 t，可对大多数双40 ft集装箱和4个20 ft集装箱进行“组关”作业，也可对少量的较重“关”进行单40 ft箱或双20
ft集装箱作业，场桥堆高能力为6层。

按照码头每天工作24 h计算，岸边起重机每装、卸70 TEU移机1.5 min，仿真
60 d。

仿真结果显示：每个泊位装卸大型集装箱船时基本以4台双40 ft岸桥进行作业，少量时间投入5台，平均船时效率为343 TEU，完全能够满足10万吨级或以上集装箱船所要求的300 TEU/h以上的世界先进水平。

每台岸桥的平均作业效率达到29.2 moves/h，仅比理论值32 moves低8%左右，岸桥的平均等待服务时间仅
占平均服务时间的7%左右，说明“高架式轨道穿梭系统”基本不会对码头前方的岸桥的效率产生制约，所以能在每个泊位大部分时间内实际仅投入4台岸桥的前
提下实现了常规6～7台岸桥所能达到的平均船时效率，充分发挥了双40 ft岸桥
的“组关”作业能力。

“高架式轨道穿梭系统”的“轨道穿梭车”、“自行轨道式转运起重机”和进场小车在保障前方岸桥的先进平均船时效率的同时，其平均效率与理论效率相比约在90%以下，仍有一定的能力冗余。

计算机仿真模拟的结果分析表明：新型集装箱自动化码头装卸工艺采用“高架式轨道穿梭系统”，岸桥后方的集疏运环节比较舒畅，使双40 ft岸桥的高效能力能够基本实现，每个泊位平均装卸船作业能够达到343 TEU/h的国际共认大型集装箱
码头的先进船时效率；由于堆场作业线相对于码头岸桥数具有3∶1的数量优势，所以堆场的总体操作能力应对码头作业和堆场后方的港外集卡作业仍有足够的冗余，虽然可能在一个箱区的特定时刻，由于码头前方装卸船作业的优先，会对后方港外集卡的装卸车的即时性产生一定的干扰影响，但每条箱区的后端均有3个停车位
的缓冲，平均1.8 min的等待时间对港外集卡的服务质量和装卸效率不会产生任
何原则性的影响。

相对于当今国外的集装箱自动化码头，新型集装箱自动化码头工艺方案除了能够实现无人化的自动操作系统，更重要的是能够形成更大的码头通过能力和堆场堆存能
力，系统的运行稳定型更好、寿命更长，运行能耗和成本更低，且在与大规模的常规非自动化集装箱码头相比，其部分技术经济指标仍有一定的优势，从环保、节能、提升我国和世界港口现代化水平等方面来看该工艺方案具有良好的社会效益。

新型集装箱自动化码头工艺方案运行能力的实现除上述硬件设施条件外，与方案相适应的堆场箱管原则和计算机软件系统的匹配也很重要，需重新制定和设计专门针对性的堆场箱管系统，系统内各设备工艺参数和布置尺度的选择也应根据地形、码头规模等条件通过计算机仿真试验进一步优化确定。

【相关文献】
[1] 李延旭.A Study on the Systerm Design and Operations of the Automated Container Terminal[R].韩国海料水产开发院，2000.
[2]连云港庙三突堤集装箱码头工程初步设计[R].上海:中交第三航务工程勘察设计院,2006.
[3]彭传圣.汉堡港的自动化集装箱码头[R].集装箱化,2005(2): 21-23.。