沈園

（福建省交通規(guī)劃設計院有限公司，福建 福州 350004）

0 引言

隨著集裝箱運輸船舶日趨大型化，人工智能、新能源等新技術快速發(fā)展，以及現代港口對人力成本、安全、環(huán)保、節(jié)能和作業(yè)效率等要求不斷提高，自動化集裝箱碼頭進入快速發(fā)展階段。

縱觀我國新建的自動化集裝箱碼頭，主要是區(qū)位優(yōu)越、干線密集，具有重要地位的樞紐港和干線港，其航運中心地位、強大的腹地經濟以及相當規(guī)模的集裝箱吞吐量和水轉水的優(yōu)勢，支持著高投入自動化港口建設。

對于傳統(tǒng)集裝箱碼頭，由于其規(guī)模、地位、集疏運方式以及各港的現狀條件不同，自動化轉型升級的路徑、方式和規(guī)?？刂朴衅洫毺匦院筒顒e性。在智能、綠色、安全、高效、節(jié)能建港理念下，傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造已成為未來發(fā)展趨勢。

目前對新建自動化集裝箱碼頭[1-3]和傳統(tǒng)已建集裝箱碼頭自動化升級改造[4]研究較多，而正在建設中的傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造研究還較少。在建傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造既區(qū)別于已投產的傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造，也不同于新建全自動化集裝箱碼頭，是根據施工狀況，對在建傳統(tǒng)集裝箱碼頭及時賦予人工智能理念，結合港區(qū)現狀條件，應用先進技術和智能系統(tǒng)進行自動化升級改造。

1 改造工程總體思路

1.1 工程概況

某港區(qū)主要服務于產業(yè)腹地，其水-陸轉運比例高達70%以上，順岸布置7個5萬噸級集裝箱泊位，其中1～5號泊位已建成投產，6～7號泊位正在建設施工。裝卸工藝模式[5]：單小車岸橋+集卡+ERTG。港區(qū)因良好的深水岸線開通了歐、美遠洋航線，具有喂給港和樞紐港雙重功能。面對持續(xù)增長的吞吐量和日趨大型化的集裝箱船（充分利用深水岸線兼靠20萬噸級集裝箱船），以及人工智能技術向港口領域發(fā)展，在6～7號泊位碼頭結構已施工，后方堆場尚未形成的情況下及時自動化升級改造。

1.2 總體思路

在集裝箱船舶大型化對海側裝卸效率有更高要求，以及運營方對港區(qū)相鄰泊位統(tǒng)籌管理需求下，針對本工程水-陸轉運比例高，陸側裝卸環(huán)節(jié)外集卡作業(yè)量大的特點，采用自動化碼頭平面布局模式：堆場與碼頭平行布置或堆場與碼頭垂直布置[6]。

根據運量、投資、相關技術發(fā)展等因素，近遠期分期實施，降低初期投資，先期軌道吊和岸橋實現遠程智能操控，實現半自動化，隨著無人智能駕駛技術的成熟，再實現水平運輸系統(tǒng)自動化。并相應配置生產自動化（智能）作業(yè)控制軟件系統(tǒng)及硬件設備，實現傳統(tǒng)碼頭為主的集裝箱港區(qū)，傳統(tǒng)裝卸作業(yè)和自動化裝卸作業(yè)銜接過渡，最終過渡全自動化碼頭。

2 自動化改造關鍵性技術

2.1 單小車岸橋改造

傳統(tǒng)碼頭前沿裝卸設備以單小車岸橋為主，自動化升級改造通過增設光纖傳輸，進行遠程智能操控系統(tǒng)改造，實現一人多機遠程操作，降低人工成本，改善人工工作環(huán)境。單小車岸橋前沿作業(yè)區(qū)在岸橋跨下，適應的水平運輸設備為集卡和跨運車。本工程受已施工的碼頭結構限制，岸橋仍維持原設計選型，選擇載重量65 t、前伸距70 m單小車岸橋，搭載遠程智能操控系統(tǒng)，實現遠程操作。

2.2 堆場多種形式軌道吊應用選型

由于本工程堆場尚未施工，易于實現自動化的堆場先期自動化升級，成為此類工程升級改造的首選。而易于實現自動化、堆場利用率高，搭載遠程智能操控系統(tǒng)的自動化軌道吊（ARMG），成為堆場自動化升級的首選設備。

ARMG有無懸臂、單懸臂、雙懸臂3種形式。無懸臂ARMG適用于堆場端部設置交換區(qū)，水平運輸設備不進入堆場，水-水中轉比例高的自動化碼頭；單懸臂ARMG懸臂下需滿足內外水平運輸設備裝卸作業(yè)，遠期存在人工集卡和無人集卡同時作業(yè)現象，交通組織復雜；雙懸臂ARMG符合本工程外集卡裝卸作業(yè)量大，作業(yè)?？课欢嗟男枨?，兩懸臂下一側為外集卡作業(yè)車道，一側為內集卡作業(yè)車道，內外集卡運行互不干擾。綜合年通過能力、堆場作業(yè)能力、碼頭管理及能耗成本，雙懸臂ARMG工藝也優(yōu)于單懸臂ARMG工藝[7]。

2.3 水平運輸設備的適用性

自動化水平運輸系統(tǒng)主要受制于大量的隨機路由決策和交通規(guī)劃等智能問題[8]，以及高性能電池的高成本，因此水平運輸系統(tǒng)成為目前傳統(tǒng)碼頭自動化升級的瓶頸。目前自動化水平運輸設備主要有AGV、堆一過一的智能跨運車和無人駕駛智能集卡，AGV已成熟應用于自動化碼頭，但其地面磁釘定位系統(tǒng)和高成本并不適用于傳統(tǒng)碼頭升級改造。

新一代智能跨運車實現了可自由切換的人工駕駛和無人駕駛雙重操作，采用柴油機和電池混合動力，全分離系統(tǒng)，其自主駕駛、抓箱、放箱、運行等各種作業(yè)能力，與岸橋、軌道吊之間無需耦合的優(yōu)勢，在堆場中可實現機動、靈活、精準、高效作業(yè)。針對有陸側外集卡交換區(qū)的垂直布置堆場，利用智能跨運車與ARMG、岸橋無需銜接的特點，可大大提高陸側ARMG對外集卡的裝卸效率，同時也提高裝卸系統(tǒng)整體效率。但相比無人駕駛智能集卡，投資和維護成本較高。

對于傳統(tǒng)碼頭自動化升級改造，集卡仍是較理想的水平運輸設備，相對于未來無人駕駛智能集卡的廣泛應用，起到承上啟下的作用。針對平行布置堆場，外集卡可?？肯鋮^(qū)任何作業(yè)點，滿足大量水-陸轉運箱作業(yè)需求，并且無人駕駛智能集卡相對AGV和智能跨運車，具有投資和維護成本低、作業(yè)范圍廣等優(yōu)勢。

3 裝卸工藝平面布置方案

3.1 碼頭前沿作業(yè)區(qū)

碼頭裝卸設備維持原設計選型，采用單小車岸橋，因此前沿作業(yè)區(qū)在岸橋跨下，設置6條單向車道，水平運輸設備選擇集卡或跨運車。

3.2 堆場與碼頭平行布置方案

根據運營方對相鄰泊位路網、岸橋軌道銜接和資源共享的需求，以及外集卡裝卸量大，需要更高外集卡裝卸能力和更多外集卡?？课?，堆場采用與碼頭平行布置形式，海側和陸側主干道與相鄰泊位銜接，不設置堆場端部交換區(qū)，內、外集卡均進入堆場作業(yè)，增加集卡裝卸作業(yè)?？课弧＜ǜ鶕到y(tǒng)指令?？咳魏沃付ㄏ湮粎^(qū)域，由就近ARMG進行作業(yè)，ARMG不需要承擔集裝箱水平運輸，并根據系統(tǒng)指令靈活對內、外集卡作業(yè)，保持作業(yè)量的均衡分配。

堆場共布置14個箱區(qū)，箱區(qū)長約600 m。每個箱區(qū)配置3臺雙懸臂ARMG，提高堆場作業(yè)能力。箱區(qū)兩端和中間設置ARMG檢修區(qū)，在2個泊位分期實施階段，中間檢修區(qū)可作為近期水平運輸道路。相鄰2臺ARMG軌道中心間距17 m，懸臂下布置2條作業(yè)車道，中間1條行駛車道，內、外集卡分道集中布置，使懸臂下3條車道行駛方向一致，交通組織安全、順暢。

岸橋與直接為海側裝卸系統(tǒng)服務的ARMG配置數量比大于1∶3，滿足裝卸大型船舶對裝卸效率的要求[9]，同時仍有ARMG可對陸側外集卡進行作業(yè)。堆場容量滿足碼頭100萬TEU/a吞吐量的堆存需求。

近期裝卸工藝模式：單小車岸橋+人工集卡+雙懸臂ARMG。遠期裝卸工藝模式：單小車岸橋+無人駕駛智能集卡+雙懸臂ARMG。堆場與碼頭平行布置見圖1。

圖1 堆場與碼頭平行布置（m）Fig.1 Parallel arrangement of storage yard and terminal(m)

3.3 堆場與碼頭垂直布置方案

根據自動化集裝箱堆場高效、封閉管理的理念，采用堆場與碼頭垂直布置形式，陸側和海側主干道、岸橋軌道與相鄰泊位銜接。近期人工集卡進入堆場作業(yè)，遠期堆場陸側設置外集卡交換區(qū)，外集卡不進入堆場，為滿足外集卡裝卸量大的需求，水平運輸選擇可雙向行駛的智能跨運車，外集卡集裝箱由陸側ARMG放置懸臂下地面，智能跨運車取箱運輸至指定箱位區(qū)域，再由另一臺ARMG堆存，沒有設備之間耦合時間，減少了系統(tǒng)間相互制約，充分發(fā)揮智能跨運車和ARMG銜接上的優(yōu)勢。由于智能跨運車在堆場內走垂直路線，通過智能導向和定位系統(tǒng)，實現最佳運行路由和精準箱位定位，合理降低水平運輸距離，減少跨運車配置數量。

堆場共布置12個箱區(qū)，箱區(qū)長約600 m，每個箱區(qū)配置3臺雙懸臂ARMG，岸橋與直接為海側裝卸系統(tǒng)服務的ARMG配置數量比大于1∶3，滿足裝卸大型船舶對裝卸效率的要求[13]，同時滿足ARMG對陸側外集卡進行作業(yè)。堆場容量滿足碼頭100萬TEU/a吞吐量的堆存需求。箱區(qū)兩端和中間設置ARMG檢修區(qū)。相鄰2臺ARMG懸臂下布置2條作業(yè)車道，1條行駛車道，內、外集裝箱運輸分道集中布置。

近期裝卸工藝模式：單小車岸橋+人工集卡+雙懸臂ARMG。遠期裝卸工藝模式：單小車岸橋+智能跨運車+雙懸臂ARMG。堆場與碼頭垂直布置見圖2。

圖2 堆場與碼頭垂直布置（m）Fig.2 Vertical layout of storage yard and terminal(m)

3.4 方案特點分析成果

方案特點見表1。

表1 方案特點一覽表Table 1 List of scheme characteristics

1）平行布置方案特點

土建設施對人工集卡和無人駕駛智能集卡均可適用；外集卡裝卸量大的適應性強；相鄰泊位路網和堆場銜接，滿足運營方對港區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃的需求；合理利用資源，節(jié)省初期投資，可多階段分期實施；先期實現ARMG和岸橋遠程操控。

無人駕駛內集卡相對于路況簡單的港區(qū)道路容易實現，對于受外部復雜路況影響的外集卡，無人駕駛外集卡難于一蹴而就，相當時期內堆場存在集卡自動化和非自動化共存現象，因此適用于在建傳統(tǒng)碼頭先期實現半自動化。隨著5G時代的到來，人工智能、大數據技術實現跨越式發(fā)展，未來北斗導航定位系統(tǒng)的高精度定位服務于自動駕駛，智能化程度和定位精度更高，成本更低，水平運輸更加安全可靠，再擇機實現全自動化碼頭。

2）垂直布置方案特點

堆場布置相對獨立，堆場陸側可設置外集卡交換區(qū)；外集卡不進入堆場，更適應堆場自動化封閉管理；只需增加箱區(qū)，相鄰泊位可連續(xù)發(fā)展，適應多泊位延續(xù)建設。

智能跨運車與岸橋、ARMG無需銜接的優(yōu)勢，顯著提高裝卸系統(tǒng)整體效率，解決外集卡裝卸量大的問題，但近期半自動化階段，采用人工集卡作業(yè)，水平運輸距離較長，影響整體裝卸效率。垂直布置堆場封閉管理，裝卸工藝系統(tǒng)易于實現自動化，更適用于此類傳統(tǒng)碼頭直接改建全自動化碼頭，但也存在初期投資高的問題。

3）分析比選成果

本港區(qū)1～5號泊位均為傳統(tǒng)集裝箱碼頭，根據運營方對港區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃的需求，6～7號泊位堆場布置需充分考慮相鄰泊位的銜接，資源共享，分期實施，節(jié)省初期投資等因素，堆場平行布置方案滿足了上述需求，并可相應帶動已建泊位的自動化升級，從投資的角度，該方案也更易于分期實施，從半自動化碼頭過渡全自動化碼頭。

4 結語

1）建設中的傳統(tǒng)碼頭比已建成的傳統(tǒng)碼頭，更有利于自動化升級，但與新建全自動化碼頭相比，又需要用智能化理念去解決傳統(tǒng)碼頭存在的問題。對于以傳統(tǒng)碼頭為主的集裝箱港區(qū)，自動化升級改造無法繞開現存的平面布置尺寸、設備選型等許多工藝問題。堆場與碼頭平行布置工藝方案，便于傳統(tǒng)裝卸工藝和自動化裝卸工藝銜接過渡，更適合需要與相鄰碼頭資源共享、初期投資省、可分期實施的在建傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造。

2）對于未來需連續(xù)建設多個自動化集裝箱泊位的港區(qū)，堆場與碼頭垂直布置工藝方案充分體現了自動化泊位延續(xù)建設的合理性和低成本。水平運輸智能跨運車具有的自主抓箱、放箱、運行等各種作業(yè)能力，以及與岸橋、軌道吊之間無需耦合的優(yōu)勢，相比無人駕駛智能集卡，作業(yè)更加靈活，系統(tǒng)效率更高。隨著未來智能跨運車技術發(fā)展和成熟，堆場與碼頭垂直布置，水平運輸采用智能跨運車，將是全自動化碼頭未來可發(fā)展的方向。