麥宇雄，劉 洋，梁 浩

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510290)

自動化集裝箱碼頭的發(fā)展已經(jīng)歷了近30年[1]，在降低碼頭人力成本、實(shí)現(xiàn)環(huán)保低碳、提升港口品牌形象等方面發(fā)揮重要作用，是未來港口發(fā)展的必然趨勢，但在加快新建、改造自動化集裝箱碼頭的進(jìn)程方面仍存在困難，主要存在3方面突出矛盾：1)目前自動化碼頭的數(shù)量占所有碼頭的比例只有5%，初期建設(shè)投資高阻擋了部分小型企業(yè)發(fā)展自動化的進(jìn)程；2)港區(qū)自然條件、集疏運(yùn)形式、運(yùn)營業(yè)務(wù)模式等應(yīng)用場景的不同，鑄就了每一個自動化集裝箱碼頭都值得擁有自己的“個性化”，單一技術(shù)路線無法滿足自動化集裝箱碼頭個性化的“私人訂制”服務(wù)需求；3)現(xiàn)存在營的傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化改造技術(shù)仍有待突破。

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，自動控制、人工智能、視覺計算、智能化分配、無線通訊、自動導(dǎo)航定位、自動識別、新能源供電等新科技的發(fā)展推動國內(nèi)智能制造業(yè)、裝備業(yè)，將新型裝卸與運(yùn)輸設(shè)備應(yīng)用于港口碼頭，再結(jié)合一系列技術(shù)多樣性、普適性、突破性的平面總體布局，以適應(yīng)國內(nèi)外港口的不同應(yīng)用場景需求，在多樣性平面總體布局、新型裝卸設(shè)備升級等方面探討自動化集裝箱碼頭的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，進(jìn)一步推動港口逐步向工業(yè)化、智能化、綠色化和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型升級。

1 自動化碼頭平面總體布局的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

自動化集裝箱碼頭平面總體布局是平面布置與工藝系統(tǒng)技術(shù)高度融合的綜合性體現(xiàn)，即基于碼頭的吞吐量、船型、集疏運(yùn)及陸域等條件，通過碼頭總平面布置與工藝裝卸系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、相互兼容，形成平面工藝技術(shù)一體化。為了直觀理解自動化集裝箱碼頭技術(shù)方案，簡化描述平面總體布局中包含3個方面，分別為港區(qū)內(nèi)自動化水平運(yùn)輸設(shè)備與外集卡避免同時混行的隔離方式、堆場布置形式、堆場海側(cè)交互與陸側(cè)交互的形式。自動化碼頭發(fā)展進(jìn)程如圖1所示，“平面空間隔離+堆場垂直+兩端交互”總體布局在20世紀(jì)90年代產(chǎn)生于人力資源短缺的歐洲地區(qū)，后在亞洲、美洲等地區(qū)廣泛應(yīng)用并提升；近5年來，“側(cè)邊裝卸”平面布局技術(shù)逐步落地推廣使用；隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，如“立體式”布局等一批新技術(shù)將逐步登上歷史舞臺。

圖1 世界自動化集裝箱碼頭發(fā)展歷程

1.1 厚植優(yōu)勢的發(fā)展階段

目前，全球已建和在建的近20座全自動化碼頭[2]80%以上采用“平面空間隔離+堆場垂直+兩端交互”總體布局，例如荷蘭鹿特丹港ECT、Euromax、德國HHLA-CTA、美國長灘中港、中國青島前灣、上海洋山四期等碼頭。

碼頭港區(qū)中的前沿作業(yè)地帶與堆場均為相互獨(dú)立的封閉自動化裝卸區(qū)域，并且與外集卡完全物理隔離；堆場的箱區(qū)布置采用垂直于碼頭前沿線的形式；港內(nèi)外交互方式采用兩端交互，其中海側(cè)交互區(qū)完成港內(nèi)水平運(yùn)輸設(shè)備與堆場軌道吊交互，陸側(cè)交互區(qū)負(fù)責(zé)堆場軌道吊與外集卡交互。工藝流程如圖2[3]所示。

圖2 “平面空間隔離+堆場垂直+兩端交互”工藝流程

在這樣的總體布局中，岸邊裝卸設(shè)備可選用自動化雙小車岸橋、自動化單小車岸橋，水平運(yùn)輸設(shè)備可以選用智能導(dǎo)引車(IGV)、自動導(dǎo)引車(AGV)、跨運(yùn)車(SC)，堆場軌道吊采用對稱接力型高速軌道吊。

此總體布局多應(yīng)用于公路集疏運(yùn)占比高、岸線平順無附屬港池、港區(qū)陸域縱深適中(箱區(qū)長度一般不超過350 m)的場景。優(yōu)點(diǎn)包括堆場利用率高、港區(qū)自動化路徑優(yōu)化算法較為簡單，有利于保障自動化作業(yè)流程的流暢性與高效性。由于采用對稱接力型高速軌道吊，設(shè)備投資較高且高速軌道吊充當(dāng)堆場水平運(yùn)輸?shù)慕巧?，運(yùn)營期間的能耗較高。

1.2 突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段

近年來，以建設(shè)、生產(chǎn)階段均可降本增效為目的，不斷引入人工智能、衛(wèi)星導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、5G通信等前沿科學(xué)技術(shù)在港區(qū)內(nèi)應(yīng)用，促使港口基礎(chǔ)設(shè)施與裝卸設(shè)備領(lǐng)域的不斷升級，涌現(xiàn)出“側(cè)邊裝卸”空間布局新趨勢，特別是針對智能駕駛L5級社會化應(yīng)用的不期而至，“側(cè)邊裝卸”技術(shù)為港內(nèi)外車輛混行預(yù)留了發(fā)展空間，如“時間隔離+堆場平行+側(cè)邊交互”“空間隔離+堆場平行+側(cè)邊交互”“平面空間隔離+堆場垂直+側(cè)邊交互”等布局，另外“側(cè)邊裝卸”技術(shù)更貼近于傳統(tǒng)集裝箱碼頭的裝卸工藝流程，便于自動化改造升級。

1.2.1“時間隔離+堆場平行+側(cè)邊交互”總體布局

日本名古屋[4]、天津五洲等碼頭采用的是“時間隔離+堆場平行+側(cè)邊交互”總體布局?！皶r間隔離”是指港內(nèi)自動化水平運(yùn)輸設(shè)備與外集卡共用車道時，采用信號燈管控通行，在時間上進(jìn)行隔離避免混行的情況；堆場的箱區(qū)布置采用平行于碼頭前沿線的形式；港內(nèi)外交互方式采用側(cè)邊交互，其中港內(nèi)交互是水平運(yùn)輸設(shè)備通過專用車道進(jìn)入堆場內(nèi)與軌道吊點(diǎn)對點(diǎn)側(cè)邊交互，港外交互是外集卡通過專用通道進(jìn)入堆場內(nèi)與軌道吊點(diǎn)對點(diǎn)側(cè)邊交互?！皶r間隔離”布局如圖3所示。

圖3 “時間隔離”布局

岸邊裝卸設(shè)備可選用雙小車岸橋、單小車岸橋，水平運(yùn)輸設(shè)備可以選用IGV、AGV、SC，堆場軌道吊采用普通的低速自動化雙懸臂軌道吊。

此總體布局適應(yīng)于各種集疏運(yùn)方式且陸域縱深不受限。由于自動化水平運(yùn)輸設(shè)備與外集卡均可進(jìn)入港區(qū)且相互隔離互不干擾，實(shí)現(xiàn)堆場內(nèi)“多點(diǎn)”形式的點(diǎn)對點(diǎn)作業(yè)，保證裝卸效率的同時，運(yùn)營期間的能耗較低，同時自動化設(shè)備投資也較低，但港區(qū)自動化路徑優(yōu)化算法較為復(fù)雜，不利于保障自動化作業(yè)流程的流暢性。外集卡專用通道的布置導(dǎo)致堆場利用率較低，適用于陸域充裕的港區(qū)。該總體布局比較適宜于傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動化改造。

1.2.2“空間隔離+堆場平行+側(cè)邊交互”總體布局

廣州港南沙港區(qū)四期碼頭[5]采用的是“空間隔離+堆場平行+側(cè)邊交互”總體布局。碼頭港區(qū)中的前沿作業(yè)地帶與堆場形成一個獨(dú)立的封閉自動化裝卸區(qū)域，與外集卡完全物理隔離；堆場的箱區(qū)布置采用平行于碼頭前沿線的形式；關(guān)于港內(nèi)外交互方式采用側(cè)邊交互，其中港內(nèi)交互由水平運(yùn)輸設(shè)備與堆場軌道吊“多點(diǎn)”式的點(diǎn)對點(diǎn)作業(yè)完成，港外交互由后方設(shè)置的交互專區(qū)軌道吊與外集卡作業(yè)完成。隔離區(qū)域如圖4所示。

圖4 “空間隔離+堆場平行+側(cè)邊交互”隔離區(qū)域

岸邊裝卸設(shè)備可選用雙小車岸橋、單小車岸橋，水平運(yùn)輸設(shè)備可以選用IGV、AGV、SC，堆場軌道吊采用普通的低速自動化單懸臂軌道吊。

此總體布局適應(yīng)于水水中轉(zhuǎn)占比高、岸線不規(guī)則的港區(qū)。由于自動化水平運(yùn)輸設(shè)備可進(jìn)入堆場，實(shí)現(xiàn)“多點(diǎn)”式的點(diǎn)對點(diǎn)作業(yè)，保證裝卸效率的同時，運(yùn)營期間的能耗較低，由于堆場無外集卡專用通道，其堆場利用率高，自動化設(shè)備投資也較低，但港區(qū)自動化路徑優(yōu)化算法較為復(fù)雜，不利于保障自動化作業(yè)流程的流暢性。

1.2.3“平面空間隔離+堆場垂直+側(cè)邊交互”總體布局

目前欽州港大欖坪港區(qū)大欖坪南作業(yè)區(qū)自動化碼頭工程采用了“平面空間隔離+堆場垂直+側(cè)邊交互”總體布局，也稱作“U形”堆場垂直布置總體布局。“U形”是指外集卡車輛在堆場中的裝卸行駛車道呈U形，U形車道與堆場箱區(qū)、自動化水平運(yùn)輸設(shè)備車道完全隔離；堆場的箱區(qū)采用垂直于碼頭前沿線的布置形式；港內(nèi)外采用側(cè)邊交互方式，其中港內(nèi)交互是水平運(yùn)輸設(shè)備通過專用車道進(jìn)入堆場內(nèi)與軌道吊點(diǎn)對點(diǎn)側(cè)邊交互，港外交互是外集卡通過U形通道進(jìn)入堆場內(nèi)與軌道吊點(diǎn)對點(diǎn)側(cè)邊交互。平面布局如圖5所示。

圖5 “平面空間隔離+堆場垂直+側(cè)邊交互”平面布局

岸邊裝卸設(shè)備可選用雙小車岸橋、單小車岸橋，水平運(yùn)輸設(shè)備可以選用IGV、AGV、SC，堆場軌道吊采用普通的低速自動化雙懸臂軌道吊。

此總體布局適用于集疏運(yùn)方式多、陸路集疏運(yùn)比例高、陸域縱深大、集中到港突出的場景。由于自動化水平運(yùn)輸設(shè)備與外集卡均可進(jìn)入港區(qū)且相互隔離互不干擾，實(shí)現(xiàn)堆場內(nèi)“多點(diǎn)”式的點(diǎn)對點(diǎn)作業(yè)，保證裝卸效率的同時，運(yùn)營期間的能耗較低，同時自動化設(shè)備投資較低，另外港區(qū)自動化路徑優(yōu)化算法較為簡單，有利于保障自動化作業(yè)流程的流暢性與高效性。U形通道布置的堆場利用率較低，適用于陸域充裕的港區(qū)。

1.3 未來可期的發(fā)展布局

國內(nèi)外均提出了港口發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想，共通點(diǎn)是從“土地資源集約化、集疏運(yùn)多級化、港產(chǎn)城融合化、探索智慧化”等方面進(jìn)行技術(shù)提升與高質(zhì)量發(fā)展，孵化出“立體式”空間布局的研究與應(yīng)用，如“立體倉儲式”“立體軌道式”等總體布局可緩解港區(qū)用地緊張的問題，并引入社會商業(yè)增值服務(wù)。

1.3.1“立體倉儲式”總體布局

這是一種用于存儲集裝箱的新型全自動集裝箱智能堆場(貨架)系統(tǒng)，國際港口運(yùn)營公司 DP World在阿聯(lián)酋Jebel Ali碼頭安裝了首個能容納800個集裝箱的“Boxbay”垂直存儲系統(tǒng)，其優(yōu)勢為配備的機(jī)器人起重機(jī)可以隨時提取任何一個集裝箱，無需重新堆放，這種創(chuàng)新和顛覆性的技術(shù)不僅增加了碼頭的裝卸量和集裝箱存儲容量，也使碼頭朝著可持續(xù)發(fā)展邁出了更遠(yuǎn)的一步，但是目前系統(tǒng)仍處于單級貨架的初級測試階段，仍需要大量的持續(xù)性測試。模型如圖6所示。

圖6 “立體倉儲式”模型

1.3.2“立體軌道式”總體布局

“立體軌道式”總體布局[6]包含兩大運(yùn)輸系統(tǒng)，包括碼頭前沿立體軌道水平運(yùn)輸系統(tǒng)、立體集裝箱堆場裝卸系統(tǒng)。碼頭前沿立體軌道水平運(yùn)輸系統(tǒng)由緊靠岸橋陸側(cè)軌道并與之平行布置的兩層縱向軌道、與兩層縱向軌道垂直并分別無縫平接兩層橫移軌道以及字母軌道車和集裝箱中轉(zhuǎn)站組成。立體集裝箱堆場裝卸系統(tǒng)間隔設(shè)置于各箱區(qū)之間的基礎(chǔ)及軌道梁上，由平行于碼頭岸線布置的高架天車、穿梭轉(zhuǎn)載平臺、低架天車組成。

隨著自動化集裝箱碼頭技術(shù)的不斷發(fā)展，仍會有更多樣性的總體路線不斷涌現(xiàn)。

2 主要裝卸工藝設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1 碼頭前沿作業(yè)設(shè)備的發(fā)展

自動化集裝箱碼頭前沿作業(yè)一般采用岸橋，其自動化技術(shù)目前已發(fā)展到了相對成熟的階段，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和工作原理的不同，自動化岸橋可分為自動化單小車岸橋和自動化雙小車岸橋兩種機(jī)型，如圖7所示。世界第一個自動化集裝箱碼頭荷蘭鹿特丹ECT碼頭采用單小車岸橋作業(yè)，其具有質(zhì)量輕、對碼頭結(jié)構(gòu)承載力要求低、設(shè)備單價低、作業(yè)能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但該設(shè)備對碼頭前沿自動化和非自動化作業(yè)區(qū)的區(qū)分、部分特殊操作流程的設(shè)計及安全性保障措施都有更高的要求。21世紀(jì)初，隨著船舶大型化和自動控制技術(shù)的發(fā)展，自動化雙小車岸橋應(yīng)運(yùn)而生，從德國HHLA-CTA碼頭開始，到鹿特丹Euromax碼頭、RWG碼頭、國內(nèi)的青島前灣、洋山四期等典型自動化碼頭，均采用自動化雙小車岸橋作業(yè)，該設(shè)備通過機(jī)身集裝箱中轉(zhuǎn)平臺和雙小車機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了主副小車的接力作業(yè)，有效縮短了主小車循環(huán)作業(yè)時間，提高了集裝箱在船岸間的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，但該設(shè)備質(zhì)量大、對碼頭結(jié)構(gòu)承載能力要求高、設(shè)備單價較高。

圖7 自動化單小車和雙小車岸橋操作模式

自動化雙小車岸橋在已建自動化集裝箱碼頭中已得到廣泛應(yīng)用，隨著智能水平運(yùn)輸設(shè)備的更新迭代以及自動化拆裝扭鎖技術(shù)的發(fā)展，使人機(jī)隔離等安全問題得到有效解決。自動化單小車岸橋在成本、能耗方面的優(yōu)勢突出，在廣州南沙四期、天津北疆C段等自動化碼頭中已得到成功應(yīng)用。特別是在傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動化改造升級過程中，由于受碼頭結(jié)構(gòu)、空間布局等因素的制約，自動化單小車岸橋?qū)⒌玫竭M(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

2.2 堆場作業(yè)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

自動化集裝箱堆場作業(yè)設(shè)備主要有自動化輪胎龍門吊(ARTG)和自動化軌道龍門吊(ARMG)兩種形式。其中ARTG采用橡膠輪胎，容易產(chǎn)生形變，運(yùn)行過程中容易跑偏，其大車定位、自動通信等技術(shù)相對復(fù)雜，只有日本名古屋Tobishima碼頭等少數(shù)自動化碼頭采用該類型設(shè)備。ARMG大車沿固定軌道行駛，大車定位精確且較容易實(shí)現(xiàn)自動化控制，已廣泛應(yīng)用于已建自動化集裝箱碼頭。ARMG根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同可分為無懸臂ARMG和帶懸臂ARMG，ARMG的選型與堆場的布局方式密切相關(guān)，早期大多數(shù)自動化碼頭采用端裝卸、無懸臂高速ARMG接力作業(yè)的堆場垂直布局方式，便于自動化堆場的封閉管理和交通組織，但存在出箱點(diǎn)集中、能耗較高、易造成海陸側(cè)設(shè)備利用率不均衡等問題。而懸臂式ARMG無需帶箱行走，由水平運(yùn)輸設(shè)備帶箱進(jìn)入ARMG懸臂下進(jìn)行邊裝卸作業(yè)，在降低能耗的同時可增加堆場的出箱點(diǎn)，適用于堆場垂直布局和平行布局等多種方式。

懸臂式ARMG在洋山四期、欽州大欖坪等自動化碼頭的成功應(yīng)用，以及自動化碼頭總體布局技術(shù)路線多樣性的發(fā)展，更多的自動化碼頭可根據(jù)陸域條件、集疏運(yùn)特點(diǎn)選擇合適的ARMG機(jī)型。對于絕大多數(shù)采用輪胎龍門吊(RTG)作業(yè)的傳統(tǒng)集裝箱碼頭，隨著智能駕駛和ARTG自動化技術(shù)的發(fā)展成熟，其自動化改造也是必然趨勢。

2.3 水平運(yùn)輸設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

目前集裝箱自動化水平運(yùn)輸設(shè)備主要有：自動導(dǎo)引車(AGV)、智能導(dǎo)引車(IGV)、無人駕駛集卡、自動跨運(yùn)車(ASHC)等，前三者的應(yīng)用較多。在其他新型自動化水平運(yùn)輸設(shè)備應(yīng)用前，AGV一直是自動化水平運(yùn)輸設(shè)備的首選。IGV是近年來隨著無人駕駛技術(shù)發(fā)展而誕生的，車身結(jié)構(gòu)更加輕量化，搭載了多傳感器融合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在降低單機(jī)成本和碼頭配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本的同時，提升了環(huán)境感知能力和規(guī)劃決策能力，對不同形態(tài)的自動化堆場具備更好的適應(yīng)性，如圖8所示。無人駕駛集卡是在傳統(tǒng)集卡上加裝視覺相機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和其他傳感器，并搭載自動駕駛計算平臺和車隊(duì)管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)集卡的無人駕駛，目前已在部分自動化集裝箱碼頭改造項(xiàng)目中應(yīng)用，具有設(shè)備成本低、應(yīng)用場景廣等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外科技公司和港口研究的重點(diǎn)方向，如圖9所示。

圖8 IGV

圖9 無人駕駛集卡

現(xiàn)階段受制于無人駕駛技術(shù)和相關(guān)法律法規(guī)的制約，通常使用時空隔離和交通管制的方式將有人和無人設(shè)備分開作業(yè)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成熟和法律法規(guī)的完善，混行作業(yè)的可靠性和安全性得到實(shí)質(zhì)性提升，將進(jìn)一步推動多種自動化水平運(yùn)輸設(shè)備的應(yīng)用和傳統(tǒng)自動化碼頭的升級改造。

3 結(jié)語

1)由于自動化集裝箱碼頭具有“個性化”特點(diǎn)，其實(shí)施路徑屬于“私人訂制”服務(wù)，決定了總體布局呈多樣性、普適性、突破性發(fā)展。

2)隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，以建設(shè)、生產(chǎn)階段均可降本增效為目的，不斷引入人工智能、衛(wèi)星導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、5G通信等前沿科學(xué)技術(shù)在港區(qū)內(nèi)應(yīng)用，涌現(xiàn)出“側(cè)邊裝卸”空間布局新趨勢，特別是針對智能駕駛L5級社會化應(yīng)用的不期而至，“側(cè)邊裝卸”技術(shù)為港內(nèi)外車輛混行預(yù)留了發(fā)展空間。

3)在“土地資源集約化、集疏運(yùn)多級化、港產(chǎn)城融合化”建設(shè)大背景下，孵化出“立體式”空間布局的研究與應(yīng)用，如“立體倉儲式”“立體軌道式”等總體布局可緩解港區(qū)用地緊張的問題，并引入社會商業(yè)增值服務(wù)。

4)結(jié)合機(jī)械自動化、人工智能、視覺感知計算、新能源等前沿科技技術(shù)引入與應(yīng)用，港口裝卸設(shè)備趨于“高效率、高安全、高穩(wěn)定、低成本、智能化、綠色化”方向發(fā)展。