全自動集裝箱碼頭方案分析及關鍵技術

饒智敏 唐可心 張 煜

1 廣州港股份有限公司 2 武漢理工大學交通與物流工程學院

1 引言

自動化集裝箱碼頭已經成為智慧港口當下和未來發展的重點[1],越來越多的傳統集裝箱碼頭逐步實施自動化改造升級。一般而言,半自動化集裝箱碼頭是指在碼頭前沿、堆場裝卸作業采用自動化設備的碼頭,多以傳統碼頭岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)、堆場門式起重機(以下簡稱場橋)分批逐步進行遠控改造為主。全自動化集裝箱碼頭是指岸橋、場橋、水平運輸設備均實現自動化,且碼頭生產操作管理采用信息化管理系統進行自動化作業的集裝箱碼頭,多以新建碼頭為主。經過近30年發展,全球已建和在建的全自動化碼頭近20座,但目前自動化碼頭的數量占所有碼頭的比例只有5%[2]。并且,能夠真正實現自動化水平運輸車與外集卡完全混行、成規模運營的全自動化碼頭還尚未出現。

國內關于自動化集裝箱碼頭的研究大多關注于總體布局和配套設備[3],從堆場布置形態來看,可分為垂直于碼頭岸線和平行于碼頭岸線2種形式。裝卸方式則分為“端裝卸”和“邊裝卸”2種方式,其中“端裝卸”是指碼頭的水平運輸設備不進入堆場箱區,僅在端部進行交互作業; “邊裝卸”模式可允許水平運輸設備進入堆場內,在任意垛區的側邊進行裝卸。從水平運輸自動化和非自動化區域的隔離方式進行區分,可分為空間隔離和時空隔離2種方式[4],空間隔離是通過物理圍網實現自動化區與非自動化區之間的隔離;時空隔離則利用智能交通燈進行臨時管控,從而在時間和空間上將自動化區和非自動化區隔離開。從工藝設備選型上區分,碼頭前沿配有雙小車岸橋和單小車岸橋;堆場設備有自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱ARMG)和自動化輪胎式龍門起重機(以下簡稱ARTG),ARMG又分為雙懸臂、單懸臂以及無懸臂3種機型;水平運輸設備則為智能導引車(以下簡稱IGV)、自動導引車(以下簡稱AGV)、智能運輸機器人(以下簡稱ART)或無人集卡等。

2 自動化集裝箱碼頭總體技術方案分類

2.1 “堆場垂直布置+端裝卸+空間隔離”技術方案

“堆場垂直布置+端裝卸+空間隔離”技術方案是目前應用最為廣泛且技術最成熟的全自動化集裝箱碼頭建設方案,以鹿特丹港的ECT碼頭、Euromax碼頭、德國漢堡港的CTA碼頭,以及國內于2017年投產的青島港前灣、上海洋山四期碼頭為代表。

圖1為上海洋山四期集裝箱碼頭總體平面布局圖,集疏運方式主要為公路,堆場垂直于碼頭岸線布置。自動化和非自動化區域采用空間隔離方式,在箱區兩端分別設置海側交互區與路側交互區,通過圍網進行物理隔離,水平運輸設備不進入堆場,集中在交互區作業,交通組織較為簡單。裝卸工藝系統采用“雙小車岸橋+AGV+ARMG”全自動化模式,堆場主要作業方式為“端裝卸”。由于洋山四期水轉水比例高、干支線船舶混合作業、海陸兩側作業量不均衡,設計了堆場無懸臂ARMG+局部單懸臂ARMG的混合布局模式和AGV穿越模式,有效減低ARMG的操作系數。單懸臂的ARMG負責水轉水的作業需求;無懸臂的ARMG主要負責水陸轉運的集裝箱裝卸作業。每條箱區配置2臺ARMG進行接力作業,分別負責海側裝卸船作業和外集卡提送箱作業。

1.自動化雙小車岸橋 2.無懸臂ARMG圖1 上海洋山四期集裝箱碼頭總體平面示意圖

2.2 “堆場U形垂直布置+邊裝卸+空間隔離”技術方案

“堆場U形垂直布置+邊裝卸+空間隔離”技術方案是在“堆場垂直布置+端裝卸+空間隔離”技術方案基礎上結合港區運營特點優化的一種全新自動化集裝箱碼頭建設方案,并在我國廣西欽州港大欖坪南作業區首次應用[5],碼頭總體平面布局圖見圖2。集疏運方式以公路為主,部分采用鐵路運輸和水水中轉。堆場垂直于碼頭岸線,港外集卡在堆場內的裝卸運輸車道呈U形布置,U形車道與箱區、自動化水平運輸設備完全隔離。港區采用“自動化雙小車岸橋+IGV+雙懸臂ARMG”工藝模式,堆場采用“邊裝卸”方式。外集卡和IGV均能直接進入堆場,裝卸作業分別在ARMG兩側懸臂下進行,外集卡在ARMG一側懸臂完成裝卸后繞至ARMG軌內的車道掉頭出堆場;IGV的裝卸運輸通道布置在雙懸臂ARMG的另一側外懸臂下。U形設計改變垂直布局端頭交互模式,可避免ARMG長距離跑動問題,對設備使用壽命、能源消耗均有改善,可分散IGV與外集卡車流,保證交通組織實現物理分離、互不干涉。但這種新型布局占地面積較大,對于堆場縱深較大的碼頭更具適用性。

1.自動化雙小車岸橋 2.雙懸臂ARMG 3.外集卡U型車道圖2 廣西欽州港集裝箱碼頭總體平面示意圖

2.3 “堆場平行布置+端裝卸+空間隔離”技術方案

采用“堆場平行布置+端裝卸+空間隔離”技術方案的有廈門港遠海自動化碼頭,它是國內第一個全自動化碼頭,也是全球首個應用第四代全自動化技術的集裝箱碼頭。廈門港遠海自動化碼頭采用“雙小車岸橋+AGV +無懸臂ARMG”的全自動化工藝系統,堆場平行于岸線布局,采用“端裝卸”作業模式(見圖3)。ARMG采用“自動運行+船側抓放箱”遠程操作模式。該碼頭是在原有RTG跑道的基礎上改造ARMG軌道,箱區西端為集卡交接區,包括人工集卡和智能集卡;箱區東端為AGV交接區,配置無懸臂ARMG。堆場內的2臺ARMG為接力式布置,箱區交互區車道引入AGV伴侶(架橋結合電動小車)來解決ARMG和AGV的耦合問題,節能環保,可實現全自動化。

1.自動化雙小車岸橋 2.無懸臂ARMG圖3 廈門港遠海自動化碼頭總體平面示意圖

2.4 “堆場平行布置+邊裝卸+空間隔離”技術方案

廣州港南沙港區四期碼頭采用的是“堆場平行布置+邊裝卸+空間隔離”的技術方案,碼頭總體平面布局見圖4。由于大灣區港口集疏運呈現海運轉駁船水運比例高的特性,尤其內貿水轉水占比超過85%,南沙四期的定位為集裝箱中轉港。海輪泊位側面建有配套挖入式駁船泊位,堆場平行于碼頭岸線布置,采用“邊裝卸”作業模式,方便車輛進入堆場邊側進行裝卸作業,降低運輸成本。針對水水中轉比例高的特點,在集裝箱堆場后方設置陸路集疏運交互區。碼頭前沿與堆場形成獨立的封閉性自動化區域,與非自動化區域通過內外交互區進行物理隔離。港區采用“自動化單小車岸橋+IGV+ ARMG”的裝卸工藝系統,自動化堆場采用單懸臂ARMG,內外交互堆場采用雙懸臂ARMG,懸臂兩側分別對應IGV作業車道和外集卡作業車道。由于自動化水平運輸設備可以進入堆場內部實現點對點作業,在保證裝卸效率的同時降低了運營能耗。

1.自動化單小車岸橋 2.單懸臂ARMG 3.雙懸臂ARMG 4.自動化單小車岸橋圖4 廣州港南沙港區四期碼頭總體平面示意圖

深圳鹽田港東作業區采用堆場平行于碼頭岸線的布置方式,碼頭總體布局見圖5。該碼頭的裝卸工藝系統為“自動化雙小車岸橋+自動集卡+雙懸臂ARMG”,堆場采用“邊裝卸”作業模式。堆場內、外集卡通道擬呈“P”形,采取“箱區端部調頭”的空間隔離方式。內外集卡中間采用圍網隔離,堆場內也間隔布置外集卡專用作業通道和內集卡專用作業通道。外集卡和內集卡分別從箱區的左側和右側進入作業通道,然后經箱區端部調頭后回到其縱向專用道路,從而實現空間上的分離。為避免ARMG懸臂下集卡通道內車輛的平面交叉和同一箱區的作業通道方向一致,縱向相鄰箱區的集裝箱堆箱門方向相反,不影響港區生產作業。待遠期混行技術成熟后,將取消P形集卡掉頭區,自動化水平運輸采用“全混行”方案,堆場內的端部調頭區改為堆箱區,橫向道路端部全部與縱向道路打通。

1.自動化雙小車岸橋 3.雙懸臂ARMG圖5 深圳鹽田港東作業區碼頭總體平面示意圖

2.5 “堆場平行布置+邊裝卸+時空隔離”技術方案

國內外自動化集裝箱碼頭中采用“堆場平行布置+邊裝卸+時空隔離”技術方案的有日本名古屋港Tobishima TCB碼頭、天津港北疆C段碼頭和深圳海星碼頭。天津港水水中轉箱量少,堆場海陸側交換箱量巨大,北疆港區C段自動化集裝箱碼頭采用“單小車QC+ART+雙懸臂ARMG”的工藝模式和堆場平行碼頭前沿的布局模式,帶有“邊裝卸”特點,并采用地面集中解鎖,自動化區域與非自動化區域通過物理圍欄進行隔離(見圖6)。在堆場內部,ART沿逆時針方向行駛,外集卡沿順時針方向行駛,不共用車道,實現內外交通分流,極大地提高了各自通行效率。此外,在堆場兩側端部進箱區的交叉路口處設置智能閘口,利用車路協同技術,保證 ART 的絕對優先通行。由于ART可根據任務進入堆場指定垛位,ARMG不跑大車作業,避免傳統自動化碼頭水平運輸換裝主要集中在堆場海、陸兩側的問題,有利于充分釋放ARMG的作業效能,降低能耗,具有普適性和推廣性。

1.自動化單小車岸橋 2.雙懸臂ARMG 3.ART行駛路線 4.外集卡行駛路線圖6 天津港北疆C段碼頭總體平面示意圖

3 國內典型全自動化集裝箱碼頭技術方案對比

國內主要的典型全自動化集裝箱碼頭總體建設及技術方案見表1。

表1 國內典型全自動化集裝箱碼頭總體建設及技術方案

4 自動化集裝箱碼頭關鍵技術發展現狀與建議

4.1 碼頭平面布局

堆場的布局模式是自動化碼頭平面布局的重點,相比于堆場垂直于岸線的布局,平行布局且側邊裝卸的工藝方案具有機械調度靈活的特點,能夠快速提高局部箱區收發箱作業能力,降低堆場計劃決策難度;平行碼頭前沿線的布置方式與傳統碼頭布局、生產組織模式一致性高,具備新技術大規模復制應用的經濟性和實操性,可以為傳統碼頭自動化升級改造以及新建小型自動化集裝箱碼頭提供參考。但需要充分考慮水平運輸設備運行距離過長、運行路徑規劃難度大等問題。

目前,對于水平運輸的隔離方式,大多通過物理隔離劃分自動化區域和非自動化區域的界限。近年來,業界也開始探索無人設備和有人駕駛集卡有條件混行的方案,在車流交叉路口采取“紅綠燈+道閘桿”控制,已取得不錯的實施效果。隨著無人駕駛技術逐步發展成熟,車路協同技術突破瓶頸,以及相關法律法規的配套出臺,新建全自動化集裝箱碼頭采用堆場全混行方案將是未來發展的方向,但混行存在有人和無人水平車輛有序調控及其行駛效率較低的問題,有待進一步解決。

4.2 主要裝卸設備

4.2.1 碼頭前沿裝卸設備

自動化集裝箱碼頭前沿作業一般采用岸橋,根據結構形式及工作原理可分為自動化單小車岸橋和自動化雙小車岸橋兩種機型。對比自動化雙小車岸橋和自動化單小車岸橋,前者的優勢主要體現在裝卸效率高,通過中轉平臺和雙小車機構可以實現接力作業,有效縮短主小車的循環作業時間。但該設備自重大,對前沿碼頭水工要求高,造價遠高于單小車岸橋。自動化單小車岸橋憑借成本、能耗、場地要求等方面的優勢,已成功應用于天津港北疆C段、廣州南沙四期等自動化碼頭。傳統集裝箱碼頭在改造升級過程中受到布局結構限制,單小車岸橋也將進一步得到推廣應用。

4.2.2 堆場裝卸設備

自動化集裝箱堆場作業設備主要有ARTG和ARMG。ARTG行走精度難于控制,容易跑偏;ARMG大車沿固定軌道行駛,定位精確且較容易實現自動化控制,且ARMG配備八繩鋼絲繩吊具對于自動化作業而言穩定性更高。

ARMG根據結構形式不同可分為無懸臂AGMG與懸臂式ARMG。早期自動化碼頭采用“端裝卸”的作業模式,利用無懸臂高速ARMG接力作業,便于自動化堆場封閉管理,但易造成海陸兩側設備利用率不均衡。懸臂式ARMG作業過程中無需帶箱行走,由水平運輸設備運送集裝箱到目標貝位,具有能耗低、出箱點多的優勢;雙懸臂ARMG可實現港內、港外集卡分別在兩側懸臂進行作業,更有利于對港內外車輛的交通組織進行有效分離。因此,ARMG的選型多與堆場布局相關,需要據陸域條件和集疏運特點選擇合適的機型。

另外,對于單獨設置集裝箱空箱堆場或陸域條件不規整的集裝箱碼頭,考慮到空箱堆高機具有作業效率較高、調度靈活、節約投資的特點,如能解決堆高機與自動化水平運輸設備的交互混行技術難點,則堆高機可在空箱堆場作業中發揮優勢。

4.2.3 水平運輸設備

目前集裝箱自動化水平運輸設備中,AGV一般采用純電驅動,磁釘導航定位,是早期自動化集裝箱碼頭水平運輸設備的首選。IGV是在AGV的基礎上搭載攝像頭、毫米波雷達等多傳感器,再加入衛星定位,具有環境感知與智能決策能力,總體上更加智能。ART 車身配備激光雷達、攝像頭、超聲波雷達等多個傳感器,采用北斗定位系統,能夠自主完成智能感知、智能規劃、智能決策等自動駕駛功能,與5G深度結合后可實現遠控駕駛,真正實現在復雜場景中高精度、全無人、安全穩定的運輸作業。ART建設成本低,接替傳統有人集卡完成水平運輸作業較為容易,不需要對碼頭進行大量的基礎設施建設。

4.3 裝卸工藝系統仿真

自動化裝卸工藝是典型的離散復雜系統,隨機性較強。新建碼頭選擇全自動化技術方案時,應開展深入、細致的仿真研究。系統仿真需真實地模擬碼頭自動化作業全流程,在模擬運行過程中及時發現問題,例如設備間協調性差、水平運輸設備擁堵、優先級順序混亂等,開展針對性調整優化研究,完善自動化技術方案。仿真模擬過程中,可著重關注設備效率與狀態、設備數量配置、復雜路段交通組織、碼頭整體作業效率等指標,從多角度綜合評估總體建設方案效果。仿真研究還需要測試整個系統的韌性,例如考慮實際運營中存在船上翻倒箱、大車換貝、堆場翻倒箱等不利因素影響,或者對于外集卡的作業數據可選取碼頭較為繁忙時,集卡的到港分布作為集疏運的仿真對象。

4.4 自動化操作系統

自動化碼頭操作系統(以下簡稱TOS)集成了眾多岸橋、場橋、自動化水平運輸設備等不同類型的自動化作業設備,與碼頭生產計劃系統、設備控制系統、信息處理系統、調度系統、車隊交通規劃系統等諸多軟件系統進行連接、融合,架構更加復雜,功能也更加全面,是一個技術疊加的大平臺。

目前,全球主要自動化集裝箱碼頭操作系統供應商眾多,為掌握核心技術與數字化轉型主動權,越來越多的國內碼頭公司開始自行研發或合作研發TOS系統。TOS系統的自主研發能夠有效提升數據的安全性、穩定性,并隨著港口的發展而更好地進行升級迭代,適用性較強。

5 結語

通過分析我國近年來相繼投產的6個全自動化集裝箱碼頭的建設特點,從布局形態、裝卸方式和隔離方式總結歸納出5種典型的自動化集裝箱碼頭總體技術方案,比較各自的技術特點和適用性。自動化碼頭的建設決策應綜合考慮當前技術水平和工程條件,選擇合適的技術路線,結合碼頭實際生產需求進行仿真研究,形成最優的全自動化建設方案。