自動化集裝箱碼頭平面與工藝總體布局現狀與發展趨勢

麥宇雄，劉 洋，梁 浩

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

自動化集裝箱碼頭的發展已經歷了近30年[1]，在降低碼頭人力成本、實現環保低碳、提升港口品牌形象等方面發揮重要作用，是未來港口發展的必然趨勢，但在加快新建、改造自動化集裝箱碼頭的進程方面仍存在困難，主要存在3方面突出矛盾：1)目前自動化碼頭的數量占所有碼頭的比例只有5%，初期建設投資高阻擋了部分小型企業發展自動化的進程；2)港區自然條件、集疏運形式、運營業務模式等應用場景的不同，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”，單一技術路線無法滿足自動化集裝箱碼頭個性化的“私人訂制”服務需求；3)現存在營的傳統集裝箱碼頭自動化改造技術仍有待突破。

隨著新一輪科技革命和產業變革加速演進，自動控制、人工智能、視覺計算、智能化分配、無線通訊、自動導航定位、自動識別、新能源供電等新科技的發展推動國內智能制造業、裝備業，將新型裝卸與運輸設備應用于港口碼頭，再結合一系列技術多樣性、普適性、突破性的平面總體布局，以適應國內外港口的不同應用場景需求，在多樣性平面總體布局、新型裝卸設備升級等方面探討自動化集裝箱碼頭的發展現狀與趨勢，進一步推動港口逐步向工業化、智能化、綠色化和產業化轉型升級。

1 自動化碼頭平面總體布局的發展現狀與趨勢

自動化集裝箱碼頭平面總體布局是平面布置與工藝系統技術高度融合的綜合性體現，即基于碼頭的吞吐量、船型、集疏運及陸域等條件，通過碼頭總平面布置與工藝裝卸系統相互協調、相互兼容，形成平面工藝技術一體化。為了直觀理解自動化集裝箱碼頭技術方案，簡化描述平面總體布局中包含3個方面，分別為港區內自動化水平運輸設備與外集卡避免同時混行的隔離方式、堆場布置形式、堆場海側交互與陸側交互的形式。自動化碼頭發展進程如圖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90年代產生于人力資源短缺的歐洲地區，后在亞洲、美洲等地區廣泛應用并提升；近5年來，“側邊裝卸”平面布局技術逐步落地推廣使用；隨著智能技術的不斷發展，如“立體式”布局等一批新技術將逐步登上歷史舞臺。

圖1 世界自動化集裝箱碼頭發展歷程

1.1 厚植優勢的發展階段

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。

碼頭港區中的前沿作業地帶與堆場均為相互獨立的封閉自動化裝卸區域，并且與外集卡完全物理隔離；堆場的箱區布置采用垂直于碼頭前沿線的形式；港內外交互方式采用兩端交互，其中海側交互區完成港內水平運輸設備與堆場軌道吊交互，陸側交互區負責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，岸邊裝卸設備可選用自動化雙小車岸橋、自動化單小車岸橋，水平運輸設備可以選用智能導引車(IGV)、自動導引車(AGV)、跨運車(SC)，堆場軌道吊采用對稱接力型高速軌道吊。

此總體布局多應用于公路集疏運占比高、岸線平順無附屬港池、港區陸域縱深適中(箱區長度一般不超過350 m)的場景。優點包括堆場利用率高、港區自動化路徑優化算法較為簡單，有利于保障自動化作業流程的流暢性與高效性。由于采用對稱接力型高速軌道吊，設備投資較高且高速軌道吊充當堆場水平運輸的角色，運營期間的能耗較高。

1.2 突飛猛進的發展階段

近年來，以建設、生產階段均可降本增效為目的，不斷引入人工智能、衛星導航、精準定位、5G通信等前沿科學技術在港區內應用，促使港口基礎設施與裝卸設備領域的不斷升級，涌現出“側邊裝卸”空間布局新趨勢，特別是針對智能駕駛L5級社會化應用的不期而至，“側邊裝卸”技術為港內外車輛混行預留了發展空間，如“時間隔離+堆場平行+側邊交互”“空間隔離+堆場平行+側邊交互”“平面空間隔離+堆場垂直+側邊交互”等布局，另外“側邊裝卸”技術更貼近于傳統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+側邊交互”總體布局?！皶r間隔離”是指港內自動化水平運輸設備與外集卡共用車道時，采用信號燈管控通行，在時間上進行隔離避免混行的情況；堆場的箱區布置采用平行于碼頭前沿線的形式；港內外交互方式采用側邊交互，其中港內交互是水平運輸設備通過專用車道進入堆場內與軌道吊點對點側邊交互，港外交互是外集卡通過專用通道進入堆場內與軌道吊點對點側邊交互?！皶r間隔離”布局如圖3所示。

圖3 “時間隔離”布局

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

此總體布局適應于各種集疏運方式且陸域縱深不受限。由于自動化水平運輸設備與外集卡均可進入港區且相互隔離互不干擾，實現堆場內“多點”形式的點對點作業，保證裝卸效率的同時，運營期間的能耗較低，同時自動化設備投資也較低，但港區自動化路徑優化算法較為復雜，不利于保障自動化作業流程的流暢性。外集卡專用通道的布置導致堆場利用率較低，適用于陸域充裕的港區。該總體布局比較適宜于傳統集裝箱碼頭的自動化改造。

1.2.2“空間隔離+堆場平行+側邊交互”總體布局

廣州港南沙港區四期碼頭[5]采用的是“空間隔離+堆場平行+側邊交互”總體布局。碼頭港區中的前沿作業地帶與堆場形成一個獨立的封閉自動化裝卸區域，與外集卡完全物理隔離；堆場的箱區布置采用平行于碼頭前沿線的形式；關于港內外交互方式采用側邊交互，其中港內交互由水平運輸設備與堆場軌道吊“多點”式的點對點作業完成，港外交互由后方設置的交互專區軌道吊與外集卡作業完成。隔離區域如圖4所示。

圖4 “空間隔離+堆場平行+側邊交互”隔離區域

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

此總體布局適應于水水中轉占比高、岸線不規則的港區。由于自動化水平運輸設備可進入堆場，實現“多點”式的點對點作業，保證裝卸效率的同時，運營期間的能耗較低，由于堆場無外集卡專用通道，其堆場利用率高，自動化設備投資也較低，但港區自動化路徑優化算法較為復雜，不利于保障自動化作業流程的流暢性。

1.2.3“平面空間隔離+堆場垂直+側邊交互”總體布局

目前欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區自動化碼頭工程采用了“平面空間隔離+堆場垂直+側邊交互”總體布局，也稱作“U形”堆場垂直布置總體布局?！癠形”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、自動化水平運輸設備車道完全隔離；堆場的箱區采用垂直于碼頭前沿線的布置形式；港內外采用側邊交互方式，其中港內交互是水平運輸設備通過專用車道進入堆場內與軌道吊點對點側邊交互，港外交互是外集卡通過U形通道進入堆場內與軌道吊點對點側邊交互。平面布局如圖5所示。

圖5 “平面空間隔離+堆場垂直+側邊交互”平面布局

岸邊裝卸設備可選用雙小車岸橋、單小車岸橋，水平運輸設備可以選用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方式多、陸路集疏運比例高、陸域縱深大、集中到港突出的場景。由于自動化水平運輸設備與外集卡均可進入港區且相互隔離互不干擾，實現堆場內“多點”式的點對點作業，保證裝卸效率的同時，運營期間的能耗較低，同時自動化設備投資較低，另外港區自動化路徑優化算法較為簡單，有利于保障自動化作業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。

1.3 未來可期的發展布局

國內外均提出了港口發展戰略構想，共通點是從“土地資源集約化、集疏運多級化、港產城融合化、探索智慧化”等方面進行技術提升與高質量發展，孵化出“立體式”空間布局的研究與應用，如“立體倉儲式”“立體軌道式”等總體布局可緩解港區用地緊張的問題，并引入社會商業增值服務。

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，國際港口運營公司 DP World在阿聯酋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，其優勢為配備的機器人起重機可以隨時提取任何一個集裝箱，無需重新堆放，這種創新和顛覆性的技術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發展邁出了更遠的一步，但是目前系統仍處于單級貨架的初級測試階段，仍需要大量的持續性測試。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]包含兩大運輸系統，包括碼頭前沿立體軌道水平運輸系統、立體集裝箱堆場裝卸系統。碼頭前沿立體軌道水平運輸系統由緊靠岸橋陸側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站組成。立體集裝箱堆場裝卸系統間隔設置于各箱區之間的基礎及軌道梁上，由平行于碼頭岸線布置的高架天車、穿梭轉載平臺、低架天車組成。

隨著自動化集裝箱碼頭技術的不斷發展，仍會有更多樣性的總體路線不斷涌現。

2 主要裝卸工藝設備發展現狀與趨勢

2.1 碼頭前沿作業設備的發展

自動化集裝箱碼頭前沿作業一般采用岸橋，其自動化技術目前已發展到了相對成熟的階段，根據結構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，其具有質量輕、對碼頭結構承載力要求低、設備單價低、作業能耗低等優點，但該設備對碼頭前沿自動化和非自動化作業區的區分、部分特殊操作流程的設計及安全性保障措施都有更高的要求。21世紀初，隨著船舶大型化和自動控制技術的發展，自動化雙小車岸橋應運而生，從德國HHLA-CTA碼頭開始，到鹿特丹Euromax碼頭、RWG碼頭、國內的青島前灣、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，該設備通過機身集裝箱中轉平臺和雙小車機構，實現了主副小車的接力作業，有效縮短了主小車循環作業時間，提高了集裝箱在船岸間的轉運效率，但該設備質量大、對碼頭結構承載能力要求高、設備單價較高。

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用，隨著智能水平運輸設備的更新迭代以及自動化拆裝扭鎖技術的發展，使人機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用。特別是在傳統集裝箱碼頭的自動化改造升級過程中，由于受碼頭結構、空間布局等因素的制約，自動化單小車岸橋將得到進一步的推廣應用。

2.2 堆場作業設備的發展現狀與趨勢

自動化集裝箱堆場作業設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，容易產生形變，運行過程中容易跑偏，其大車定位、自動通信等技術相對復雜，只有日本名古屋Tobishima碼頭等少數自動化碼頭采用該類型設備。ARMG大車沿固定軌道行駛，大車定位精確且較容易實現自動化控制，已廣泛應用于已建自動化集裝箱碼頭。ARMG根據結構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，早期大多數自動化碼頭采用端裝卸、無懸臂高速ARMG接力作業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，但存在出箱點集中、能耗較高、易造成海陸側設備利用率不均衡等問題。而懸臂式ARMG無需帶箱行走，由水平運輸設備帶箱進入ARMG懸臂下進行邊裝卸作業，在降低能耗的同時可增加堆場的出箱點，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用，以及自動化碼頭總體布局技術路線多樣性的發展，更多的自動化碼頭可根據陸域條件、集疏運特點選擇合適的ARMG機型。對于絕大多數采用輪胎龍門吊(RTG)作業的傳統集裝箱碼頭，隨著智能駕駛和ARTG自動化技術的發展成熟，其自動化改造也是必然趨勢。

2.3 水平運輸設備的發展現狀與趨勢

目前集裝箱自動化水平運輸設備主要有：自動導引車(AGV)、智能導引車(IGV)、無人駕駛集卡、自動跨運車(ASHC)等，前三者的應用較多。在其他新型自動化水平運輸設備應用前，AGV一直是自動化水平運輸設備的首選。IGV是近年來隨著無人駕駛技術發展而誕生的，車身結構更加輕量化，搭載了多傳感器融合導航定位系統，在降低單機成本和碼頭配套基礎設施建設成本的同時，提升了環境感知能力和規劃決策能力，對不同形態的自動化堆場具備更好的適應性，如圖8所示。無人駕駛集卡是在傳統集卡上加裝視覺相機、激光雷達、毫米波雷達和其他傳感器，并搭載自動駕駛計算平臺和車隊管理系統，從而實現集卡的無人駕駛，目前已在部分自動化集裝箱碼頭改造項目中應用，具有設備成本低、應用場景廣等優點，是國內外科技公司和港口研究的重點方向，如圖9所示。

圖8 IGV

圖9 無人駕駛集卡

現階段受制于無人駕駛技術和相關法律法規的制約，通常使用時空隔離和交通管制的方式將有人和無人設備分開作業，隨著相關技術的發展成熟和法律法規的完善，混行作業的可靠性和安全性得到實質性提升，將進一步推動多種自動化水平運輸設備的應用和傳統自動化碼頭的升級改造。

3 結語

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

2)隨著新一輪科技革命和產業變革加速演進，以建設、生產階段均可降本增效為目的，不斷引入人工智能、衛星導航、精準定位、5G通信等前沿科學技術在港區內應用，涌現出“側邊裝卸”空間布局新趨勢，特別是針對智能駕駛L5級社會化應用的不期而至，“側邊裝卸”技術為港內外車輛混行預留了發展空間。

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

4)結合機械自動化、人工智能、視覺感知計算、新能源等前沿科技技術引入與應用，港口裝卸設備趨于“高效率、高安全、高穩定、低成本、智能化、綠色化”方向發展。