自動化集裝箱碼頭解決方案與布置特點

高 鵬，劉全興

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060)

自1993年全球第一座自動化集裝箱碼頭在荷蘭鹿特丹港運營以來，自動化集裝箱碼頭的發(fā)展從探索期逐步進入快速發(fā)展期，從經典的岸橋-自動導引車(AGV)/自動跨運車(ASC)-自動軌道吊(ARMG)方案逐步發(fā)展為多種多樣的解決方案。我國從2015年廈門遠海集裝箱碼頭完成自動化改造以來，已經建成10座自動化集裝箱碼頭，并有7座在建，同時也開展了大量的創(chuàng)新方案研究工作，振華重工研發(fā)了立體分配系統(tǒng)[1]，解決了RMG單側雙機協(xié)同作業(yè)的問題；周強等[2]提出高架軌道交通式集裝箱裝卸系統(tǒng)，將集裝箱水平運輸在高架軌道上完成，從而減少反復提升動作和大機行走距離，減少能耗。本文總結已建典型的自動化集裝箱碼頭案例和布置特點[3-5]，并提出兩種創(chuàng)新型解決方案[6-7]，為我國自動化集裝箱碼頭建設提供借鑒。

1 經典自動化集裝箱布置

1.1 雙小車岸橋-AGV-ARMG方案

在自動化集裝箱碼頭的發(fā)展過程中，有多種多樣的解決方案，但主要可以歸納為雙小車岸橋-AGV-ARMG和單小車岸橋-ASC-ARMG兩大類比較完善的方案。

雙小車岸橋-AGV-ARMG方案是歷史最為悠久的自動化集裝箱碼頭解決方案，以第1座自動化集裝箱碼頭——鹿特丹Euromax碼頭為代表。

該方案的堆場通常垂直于碼頭岸線布置，由岸橋的主小車負責集裝箱船與中轉平臺之間的裝卸作業(yè)；由門架小車負責中轉平臺與AGV之間的裝卸作業(yè)；由AGV負責岸橋側與ARMG之間的水平運輸；由ARMG完成AGV與堆場之間，以及堆場與外集卡之間的裝卸作業(yè)，往往每一條箱堆由2臺ARMG作業(yè)，其中1臺負責AGV側，另1臺負責外集卡側，其典型斷面布置如圖1所示。整個作業(yè)流程分工明確，自動化作業(yè)區(qū)不受外集卡干擾，并且通過雙小車岸橋解決了岸橋主小車與AGV之間的相互等待配合關系，提高了系統(tǒng)冗余。

圖1 雙小車岸橋-AGV-ARMG方案斷面

在該方案基礎上，由于AGV側的ARMG的單次作業(yè)行走距離較長，存在高峰時刻AGV在堆場交換區(qū)等待ARMG的情況，目前有2個解決方案：1)研制出具備起升功能的可舉升自動導引車(L-AGV)，能夠將集裝箱抬起放置在等待區(qū)的支架上，從而解放AGV進行下一項作業(yè)，進一步減少港口AGV數量和運營成本，該方案在青島港一期工程中得到了應用；2)研制出2種不同軌距的ARMG嵌套布置，使外集卡側的岸橋能夠在高峰時刻與AGV側ARMG同時參與任意一側作業(yè)，該方案在德國HHLA-CTA碼頭中得到了應用。

通常情況下該類方案的堆場交換區(qū)位于堆場兩端，對于有一定水-水中轉工作的港口設置帶懸臂的ARMG，并在懸臂下方進行與AGV之間的集裝箱交換，從而減少ARMG大車行走，加快運轉效率，減少運營能耗[8-9]。

1.2 單小車岸橋-ASC-ARMG方案

該方案也是成熟的自動化集裝箱碼頭解決方案，在歐美地區(qū)的非自動化碼頭中跨運車(SC)的使用比較廣泛，故在自動化碼頭發(fā)展過程中也有延續(xù)SC作為水平運輸方式的解決方案，其中以倫敦Gateway DP World集裝箱碼頭為代表。

該方案與雙小車岸橋-AGV-ARMG方案相似，由于ASC本身具備起吊能力，所以不需要岸橋與ASC之間配合，岸橋可以直接將集裝箱放置在碼頭上，由ASC自行裝載集裝箱進行水平運輸，ASC也能夠不需要與ARMG在堆場交換區(qū)相互配合，其典型斷面布置見圖2。

圖2 單小車岸橋-ASC-ARMG方案斷面

對于傳統(tǒng)工藝流程，跨運車往往承擔堆場內作業(yè)，其高度較高(堆3層過4層)。本方案中，跨運車只承擔水平運輸任務，車輛可以大幅降低高度(堆1層過2層)。澳大利亞Brisbane港采用了ASC同時承擔水平運輸和堆場作業(yè)的方案，但由于ASC堆高有限，堆場利用率低，對于吞吐量較小的港口有一定適用性。

在這2類方案中，可以采用輪胎吊(RTG)替代軌道吊(RMG)作為堆場設備，RTG相對RMG具有適應性強、跨越箱區(qū)調度方便的優(yōu)勢；而RMG設備定位更加方便、堆場面積利用率更高，且跨箱區(qū)調度對于RTG的自動化算法要求極高，調度中設備相互干擾等問題解決難度大，所以絕大部分自動化碼頭均采用RMG作為堆場設備[10-11]。

1.3 堆場布置方向

新建的自動化集裝箱碼頭堆場布置方向基本以垂直碼頭岸線為主，因為以堆場為天然分隔，將自動化區(qū)(船側)和非自動化區(qū)(外集卡側)分開，使自動化區(qū)作業(yè)不受干擾，而且堆場布置僅考慮檢修和消防通道，大幅提高了堆場面積利用率，并且垂直布置能最大限度縮短水平運輸設備行走距離。

但在改造工程中，由于傳統(tǒng)集裝箱碼頭基本采用堆場平行于碼頭前沿線布置，為控制工程承包，往往優(yōu)先考慮延續(xù)堆場布置。在平行布置堆場方案中，需要特別注意自動化設備和非自動化設備的分離，可以采用圍欄實現物理分離，也可以采用交通指示燈實現分時分離。另外傳統(tǒng)集裝箱堆場之間有通道，改造中應盡量充分利用這些通道，提高堆場面積利用率，例如將集裝箱交換區(qū)布置在懸臂下方，從而避免端部交換區(qū)占用堆箱區(qū)面積。

2 自動化集裝箱碼頭創(chuàng)新型解決方案

2.1 高架橋式起重機堆場方案

經典自動化集裝箱碼頭已經比較完善，本方案主要針對和解決以下問題：1)RMG設備質量較大，運營能耗有一定優(yōu)化潛力；2)端部交換情況下，海側和陸側只能有1臺RMG進行裝卸作業(yè)，且每次只能裝卸和運輸1只集裝箱，在高峰時段容易成為系統(tǒng)瓶頸，嵌套RMG方案雖然能解決這一問題，但其基建投資很高，堆場堆高和堆箱面積都會受到一定影響；3)由于集裝箱與RMG軌道平行擺放，導致所有水平運輸設備均需要轉彎后才能進行集裝箱裝卸，導致在堆場兩端各需要布置1個轉彎區(qū)域而不能堆存集裝箱；4)RMG軌道之間仍然需要留有間距，影響了堆場面積利用率；5)RMG堆場要求方正完整的陸域，對碼頭陸域要求較高。

本方案布置如圖3所示。整體箱區(qū)仍然采用垂直碼頭布置，海側采用AGV或者ASC進行水平運輸，堆場采用高架橋式起重機作業(yè)，箱堆之間不需布置通道，典型斷面布置見圖4。

圖3 高架橋式起重機堆場方案平面

圖4 高架橋式起重機堆場方案海側斷面(單位：m)

本方案雖然存在高架軌道投資高、廣泛使用鋼結構帶來的額外維護工作等問題，但其優(yōu)點仍然十分突出：

1)首先高架橋式起重機相對RMG減少了支腿部分，減輕設備質量，降低運營能耗；其次可以通過在軌道梁上下分別布置軌道，配置互不干擾的雙層橋式起重機，輕松實現單側雙機作業(yè)；第三還可以根據堆場長度布置多臺設備，提高效率，而且設備寬度小，多機工作情況下相互干涉遠小于RMG。

2)高架橋式起重機桁架內能夠進一步設置集裝箱放置機構，如圖5、6所示。該形式能夠每次運輸2個集裝箱，進一步提高高峰作業(yè)裝卸效率，在一定程度上縮短倒箱作業(yè)時間。以200 m箱區(qū)長度為例，RMG與高架橋式起重機效率對比見表1。

圖5 單次運輸多個集裝箱

圖6 集裝箱放置機構

表1 RMG與高架橋式起重機各工況效率對比

3)高架橋式起重機連續(xù)布置，不需要額外預留間距，巡檢通過桁架縱梁內側進行，增加地面箱位數，有效提高堆場利用率，參數對比見表2。

表2 ARMG與高架橋式起重機各堆場參數對比

4)該方案采用集裝箱垂直于軌道方向擺放，水平運輸設備不需要轉向即可進行裝卸，陸側能夠大幅減少交換區(qū)面積，海側在使用機動能力較強的水平運輸設備情況下也能夠大幅縮減交換區(qū)和轉彎區(qū)面積。

集裝箱垂直于高架軌道方向擺放，對于場地適應性大幅提高，港外車輛和火車直接進入箱區(qū)，對自動化堆場干擾極小，且高架軌道對堆場平整度要求也有所降低，如圖7所示。

圖7 自動化堆場內靈活布置

2.2 高層集裝箱智能貨架方案

經典集裝箱堆場往往堆高控制在5～6層，主要取決于設備限制以及與倒箱率之間的平衡，導致堆場面積利用率存在極限。根據估算，單次取箱平均倒箱次數和有效作業(yè)率見表3，以常規(guī)5～6層堆高為例，堆場設備有效作業(yè)率在30%左右，即有70%左右的作業(yè)是在堆場內倒箱，而沒有抓取到海側和陸側所需要的集裝箱，這極大地影響了堆場的運營效率和成本。

表3 各堆高情況下倒箱作業(yè)對比

高層集裝箱智能貨架解決方案在控制倒箱率的前提下，突破了堆高限制，更好地利用堆場面積，總體布置和斷面方案見圖8。

圖8 高層集裝箱智能貨架方案

高層集裝箱智能貨架方案采用堆場平行碼頭布置，海側交換區(qū)位于一端，陸側交換區(qū)位于堆場側面，采用ASC或L-AGV配合集裝箱支架水平運輸。堆場內不采用常規(guī)集裝箱直接堆放的方式，而是將每個集裝箱單獨放置在固定貨架上，避免了倒箱作業(yè)。采用定制的高速軌道式側面存取起重機完成堆場內存取箱作業(yè)，設備從緊鄰軌道的兩側貨架存取集裝箱，形成2面集裝箱貨架之間布置1臺側面存取起重機的布置單元，整個堆場由若干存取單元組成。

在貨架底部開挖地坑，布置回字形軌道水平運輸系統(tǒng)，如圖9所示。由兩種不同的小車分別負責水平和垂直兩個方向的移動，高速軌道式側面存取起重機在地坑上方與地坑內水平運輸系統(tǒng)進行集裝箱交換，將集裝箱移出高層集裝箱貨架之后，再由高架橋式起重機完成與外集卡的交換。整個集裝箱從離開ASC到裝載上外集卡，一共經過3次交換，即ASC-側面存取起重機之間、側面存取起重機-地坑水平運輸系統(tǒng)之間、地坑水平運輸系統(tǒng)-外集卡之間的交換。根據測算，堆場長度700 m、寬500 m、堆高11層，配置50臺側面存取起重機和8套地坑水平運輸系統(tǒng)情況下，堆場容量達到11.3萬TEU，運行效率可以達到每小時500次海側裝卸和300次陸側裝卸。

圖9 地坑水平運輸系統(tǒng)

高層貨架技術最早在冶金行業(yè)中應用，主要用于存放卷材，整體貨架高度可達50 m，每個貨架承擔50 t的質量。目前在迪拜Jebel Ali港已完成集裝箱試驗段建設并開始運營，該試驗段共建設4個集裝箱貨架、2臺側面存取起重機和2套地坑水平運輸系統(tǒng)，其中每一個整體貨架能夠堆存198個集裝箱，貨架提供20、40 ft兩種尺寸，且均兼顧高柜，單個貨架最大載質量36 t。

該方案將傳統(tǒng)立體堆場切分為片狀結構，從根本上解決了堆高與倒箱率之間的矛盾，從而實現較高的堆高，以及數倍于傳統(tǒng)堆場的堆箱量。片狀結構的堆場也導致堆場長度方向不宜過短，在平面布置中宜平行于陸域長度方向布置，該布置形式對于堆場側面與外集卡或者火車進行集裝箱裝卸是最優(yōu)選擇。

3 結語

1)通過對兩種創(chuàng)新自動化集裝箱堆場解決方案的研究發(fā)現，新方案均是以提高堆場利用率為核心，研制新設備形成一整套解決方案，體現了自動化方案的研究特點。

2)高架橋式起重機堆場方案創(chuàng)新地將集裝箱垂直于堆場軌道布置，使堆場在陸域縱深上布置更加靈活，由于設備的特殊性，使該方案能夠大幅提高堆場利用率和運行效率，是一種極有推廣價值的自動化堆場技術。

3)高層集裝箱智能貨架方案將傳統(tǒng)堆垛集裝箱堆場切分為若干片狀貨架，將倒箱率降為零，突破了現有堆高。經過試運營驗證，堆場運作效率很高，可以在未來更多的規(guī)劃和設計中應用。