自动化集装箱码头装卸技术分析

自动化集装箱码头装卸技术分析

伞军民

  身份证号：2301191981****2310

摘要：随着经济全球化和区域经济一体化进程的发展，全球集装箱运输能力也逐步提升，集装箱码头面临吞吐量不断增长的巨大压力。现代集装箱船舶的大型化也使港口间的竞争愈加激烈。因此，港口企业正努力提高集装箱码头装卸作业效率，提高服务质量和管理水平，降低运营成本。鉴于此，集装箱码头需要更加先进的装备工艺以及更加完善的装卸系统来不断适应船舶大型化带来的挑战，研发具有高效性、高可靠性、高先进性的自动化集装箱码头装卸技术已迫在眉睫。自动化集装箱码头能实现集装箱装卸智能化实时控制与动态调度，减少车船在港停留时间，有效地提高装卸作业效率。采用自动化、信息化、智能化技术的集装箱码头凭借其高效率节能环保等优势将越来越受到市场的认可。

关键词：集装箱；自动化码头；装卸技术  

自 1993 年世界上第一座自动化集装箱码头投入运营以来，特别是随着集装箱运输船舶的日益大型化和人力成本的上升，全球自动化集装箱码头建设进入快速发展阶段。集装箱运输是现代货运的主要形式。集装箱码头作为集装箱运输的关键节点，其作业效率对整个运输系统效率有重要影响。随着经济全球化和贸易一体化深人发展，全球集装箱运量持续增长，从而对集装箱码头作业效率提出更高要求。传统集装箱码头以人工操作为主，效率低下；而自动化码头（包括全自动化码头、半自动化码头和引入自动化设备的码头)应用自动化技术和设备，能够极大地提升码头作业效率，减少操作失误，降低作业成本。自动化码头技术创新与应用已成为当今海运业的重要发展趋势。

一、研究背景

自动化集装箱码头已经成为智慧港口当下和未来发展的重点,越来越多的传统集装箱码头逐步实施自动化改造升级。 一般而言,半自动化集装箱码头是指在码头前沿、堆场装卸作业采用自动化设备的码头,多以传统码头岸边集装箱起重机、堆场门式起重机分批逐步进行远控改造为主。全自动化集装箱码头是指岸桥、场桥、水平运输设备均实现自动化,且码头生产操作管理采用信息化管理系统进行自动化作业的集装箱码头,多以新建码头为主。经过近年发展,全球已建和在建的全自动化码头近20 座,但目前自动化码头的数量占所有码头的比例只有 5%。 并且,能够真正实现自动化水平运输车与外集卡完全混行、成规模运营的全自动化码头还尚未出现。国内关于自动化集装箱码头的研究大多关注于总体布局和配套设备,从堆场布置形态来看,可分为垂直于码头岸线和平行于码头岸线 2 种形式。装卸方式则分为“端装卸”和“边装卸”2 种方式,其中“端装卸”是指码头的水平运输设备不进入堆场箱区,仅在端部进行交互作业，“边装卸”模式可允许水平运输设备进入堆场内,在任意垛区的侧边进行装卸。 从水平运输自动化和非自动化区域的隔离方式进行区分,空间隔离是通过物理围网实现自动化区与非自动化区之间的隔离;时空隔离则利用智能交通灯进行临时管控,从而在时间和空间上将自动化区和非自动化区隔离开。 从工艺设备选型上区分,码头前沿配有双小车岸桥和单小车岸桥;堆场设备有自动化轨道式龙门起重机(以下简称 ARMG)和自动化轮胎式龙门起重机(以下简称 ARTG),ARMG 又分为双悬臂、单悬臂以及无悬臂 3 种机型;水平运输设备则为智能导引车(以下简称 IGV)、自动导引车(以下简称 AGV)、智能运输机器人(以下简称 ART)或无人集卡等。

二、自动化集装箱码头装卸关键技术

该工程采用“自动化单小车岸桥+无人驾驶智能集卡+自动化轨道吊”的新型自动化装卸工艺系统，采用堆场平行于海轮码头岸线的总体布局形态，实现全港区集装箱装卸运输自动化。

1、码头平面布局。堆场的布局模式是自动化码头平面布局的重点,相比于堆场垂直于岸线的布局,平行布局且侧边装卸的工艺方案具有机械调度灵活的特点,能够快速提高局部箱区收发箱作业能力,降低堆场计划决策难度;平行码头前沿线的布置方式与传统码头布局、生产组织模式一致性高,具备新技术大规模复制应用的经济性和实操性,可以为传统码头自动化升级改造以及新建小型自动化集装箱码头提供参考。但需要充分考虑水平运输设备运行距离过长、运行路径规划难度大等问题。目前,对于水平运输的隔离方式,大多通过物理隔离划分自动化区域和非自动化区域的界限。 近年来,业界也开始探索无人设备和有人驾驶集卡有条件混行的方案,在车流交叉路口采取“红绿灯+道闸杆”控制,已取得不错的实施效果。随着无人驾驶技术逐步发展成熟,车路协同技术突破瓶颈,以及相关法律法规的配套出台,新建全自动化集装箱码头采用堆场全混行方案将是未来发展的方向,但混行存在有人和无人水平车辆有序调控及其行驶效率较低的问题,有待进一步解决。

2、装卸环节设备选型

(1) 集装箱自动化堆场装卸设备。在第 4 代集装箱码头装卸系统中，由于 AGV 的作业范围基本都限定在堆场海测交互与岸桥陆侧轨后方，并不能行驶到集装箱堆场内部交接箱，因此自动化轨道吊除了具备集装箱堆码垛功能之外，还需承担集装箱在堆场内部的水平转运功能。为了不影响集装箱在堆场中的转运效率，需采用大车运行速度较高的高速轨道吊，并相匹配特殊的轨道供其高速运行。但在本工程装卸系统中，集装箱在整个自动化作业区( 包括码头前沿和所有自动化堆场区) 中的水平转运作业可依靠无人驾驶集卡完成。因此，堆场轨道吊不再需要承担集装箱在堆场中的水平运输作业，其大车运行机构采用常规速度即可，且运行轨道也可用常规的起重机大车轨道。

(2) 集装箱自动化水平运输设备。本工程装卸系统中集装箱水平运输作业均采用无人驾驶集卡，该设备采用北斗导航、本地差分基站及惯性导航技术实现智能化导航、避障、定位和行驶。该设备与传统自动化水平运输设备 AGV 相比，导航模式不同，无须像 AGV 一样依托地面预设的定位磁钉导航，且对地面结构的承载能力要求低。无人驾驶集卡为全电驱动设备，为解决其在自动化区内可适时地补充电能的问题，本装卸系统在自动堆场区及内部停车场区分散地设置了多处无人驾驶集卡集中自动充电区域，使用大电流快速充电系统，当无人驾驶集卡电量低至某个系统预设值时，将自动行驶至充电区进行充电。

3、自动化操作系统。自动化码头操作系统(以下简称 TOS) 集成了众多岸桥、场桥、自动化水平运输设备等不同类型的自动化作业设备,与码头生产计划系统、设备控制系统、信息处理系统、调度系统、车队交通规划系统等诸多软件系统进行连接、融合,架构更加复杂,功能也更加全面,是一个技术叠加的大平台。目前,全球主要自动化集装箱码头操作系统供应商众多,为掌握核心技术与数字化转型主动权,越来越多的国内码头公司开始自行研发或合作研发TOS 系统。 TOS 系统的自主研发能够有效提升数据的安全性、稳定性,并随着港口的发展而更好地进行升级迭代,适用性较强。

通过应用自动化设备和技术，我国主要港口集装箱吞吐量和作业效率显著提升，码头能级得以充分发挥，部分港口绩效指标达到或接近世界先进水平。我国应当抓住新一轮科技革命机遇，进一步加大自动化码头建设力度，使我国港口码头自动化和智能化水平达到或超过世界先进水平，从而提升我国港口在国际贸易物流领域的核心竞争力。

参考文献：

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