我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設(shè)方案比較

1、 我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設(shè)方案比較 王夏宇 劉璐 李歆婳 章強(qiáng)20世紀(jì)90年代，荷蘭鹿特丹港建成全球首個自動化集裝箱碼頭;隨后，英國倫敦港、日本川崎港和德國漢堡港等相繼建成全自動化或半自動化集裝箱碼頭。1迄今為止，自動化集裝箱碼頭已發(fā)展至第四代，其中：第一代以1993年投入運(yùn)營的荷蘭鹿特丹港ECT碼頭為代表;第二代以2002年投入運(yùn)營的德國漢堡港CTA碼頭為代表;第三代以2008年投入運(yùn)營的荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭為代表;2016年投入運(yùn)營的我國首個自動化集裝箱碼頭廈門港遠(yuǎn)海自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“廈門港遠(yuǎn)海自動化碼頭”）屬于第四代自動化集裝箱碼頭，可見我國自動化集裝箱碼頭建

2、設(shè)起步較晚但起點(diǎn)很高。在我國港口轉(zhuǎn)型升級的背景下，越來越多的傳統(tǒng)集裝箱碼頭也開始實(shí)施自動化升級改造。國內(nèi)關(guān)于自動化集裝箱碼頭的研究大多側(cè)重于碼頭總體布局和配套設(shè)備，而對碼頭節(jié)能 環(huán)保的關(guān)注較少，其中：在碼頭總體布局方面，現(xiàn)有研究主要聚焦于作業(yè)系統(tǒng)的布置形式2及相互協(xié)作3-4;在碼頭配套設(shè)備方面，現(xiàn)有研究主要聚焦于作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)備選型5及設(shè)備之間的相互配合6-8;在碼頭節(jié)能環(huán)保方面，方懷瑾等9提出通過管理節(jié)能、結(jié)構(gòu)節(jié)能和技術(shù)節(jié)能等三大舉措實(shí)現(xiàn)港口可持續(xù)發(fā)展。本文比較我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設(shè)方案，分析我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設(shè)特點(diǎn)，并提出自動化集裝箱碼頭建設(shè)建議。1 自動化集裝箱碼頭主

3、要作業(yè)設(shè)備（1）岸邊裝卸設(shè)備 自動化岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱“自動化岸橋”）是自動化集裝箱碼頭的主要岸邊裝卸設(shè)備。按照小車數(shù)量劃分，自動化岸橋可分為單小車自動化岸橋和雙小車自動化岸橋;按照吊具尺寸劃分，自動化岸橋可分為20英尺自動化岸橋和40英尺自動化岸橋。目前自動化集裝箱碼頭大多應(yīng)用雙小車20英尺自動化岸橋，也有部分自動化集裝箱碼頭出于成本考慮而使用單小車自動化岸橋。（2）堆場作業(yè)設(shè)備 自動化軌道式龍門起重機(jī)（以下簡稱“自動化軌道吊”）是自動化集裝箱碼頭的主要堆場作業(yè)設(shè)備，主要執(zhí)行堆場與水平運(yùn)輸設(shè)備之間的集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)。按照箱量結(jié)構(gòu)和裝卸特點(diǎn)劃分，自動化軌道吊可分為無懸臂自動化軌道吊、單懸

4、臂自動化軌道吊和雙懸臂自動化軌道吊。（3）水平運(yùn)輸設(shè)備 自動化集裝箱碼頭的水平運(yùn)輸設(shè)備包括自動導(dǎo)引車、智能導(dǎo)引車和無人駕駛集卡等，主要執(zhí)行碼頭前沿與后方堆場之間的集裝箱水平運(yùn)輸作業(yè)，其中：自動導(dǎo)引車通過預(yù)埋在地下的磁釘實(shí)現(xiàn)精確定位和導(dǎo)航;智能導(dǎo)引車采用第五代移動通信（以下簡稱“5G”）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)，能夠擺脫場區(qū)磁釘限制，實(shí)現(xiàn)更加靈活的運(yùn)行路線;無人駕駛集卡由傳統(tǒng)集卡經(jīng)智能化升級改造而成，可實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的無人駕駛作業(yè)。2 我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設(shè)方案比較2.1 上海港洋山深水港區(qū)四期自動化集裝箱碼頭上海港洋山深水港區(qū)四期自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“上海港洋山四期自動化碼頭”

5、）岸線長，面積為223萬m2，共有7個泊位，采用“雙小車自動化岸橋+自動導(dǎo)引車+自動化軌道吊”裝卸工藝，配備26臺自動化岸橋、135臺自動導(dǎo)引車和119臺自動化軌道吊，設(shè)計年集裝箱吞吐能力為630萬TEU，是我國單體規(guī)模最大的自動化集裝箱碼頭。上海港洋山四期自動化碼頭的岸邊作業(yè)區(qū)配備帶中轉(zhuǎn)平臺的雙小車自動化岸橋：主小車在抓取集裝箱的同時掃描作業(yè)區(qū)域，并建立船舶三維模型，使遠(yuǎn)程操作人員能夠準(zhǔn)確定位作業(yè)區(qū)域內(nèi)的每個集裝箱，從而提高遠(yuǎn)程作業(yè)精度;副小車實(shí)時監(jiān)測自動化岸橋運(yùn)行狀況，從而降低作業(yè)安全風(fēng)險。以卸船作業(yè)為例：在傳統(tǒng)單小車岸橋作業(yè)流程下，小車需要完成從船上抓取集裝箱、帶箱沿軌道運(yùn)行至水平運(yùn)輸設(shè)

6、備上方、將集裝箱放置于水平運(yùn)輸設(shè)備上的全過程;而在雙小車自動化岸橋作業(yè)流程下，主小車與副小車相互銜接，各自只要完成原作業(yè)路徑的一半即可，從而提高岸橋作業(yè)效率和碼頭泊位利用率。2.2 青島港一期全自動化集裝箱碼頭青島港一期全自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“青島港一期全自動化碼頭”）岸線長2 088 m，面積為285萬m2，共有6個泊位，采用“雙小車自動化岸橋+自動導(dǎo)引車+自動化軌道吊”裝卸工藝，配備16臺自動化岸橋、83臺自動導(dǎo)引車和76臺自動化軌道吊，設(shè)計年集裝箱吞吐能力為520萬TEU，是世界上裝卸效率最高的自動化集裝箱碼頭。在碼頭水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)，青島港一期全自動化碼頭首創(chuàng)自動導(dǎo)引車循環(huán)充電技術(shù)：

7、當(dāng)監(jiān)測到自動導(dǎo)引車電量低于設(shè)定值時，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)安排自動導(dǎo)引車自行進(jìn)入換電站更換電池，從而使電池使用壽命延長至10年，有效減少電池更換次數(shù)。自動導(dǎo)引車具有以下應(yīng)用優(yōu)勢：第一，自動導(dǎo)引車為無人駕駛設(shè)備，無須人工干預(yù)作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)碼頭作業(yè)區(qū)域全封閉;第二，自動導(dǎo)引車能夠通過算法優(yōu)化作業(yè)路徑;第三，自動導(dǎo)引車使用鈦酸鋰電池，能夠有效減少溫室氣體排放量。2.3 廈門港遠(yuǎn)海自動化碼頭廈門港遠(yuǎn)海自動化碼頭岸線長447 m，面積為122萬m2，共有1個泊位，采用“雙小車自動化岸橋+自動導(dǎo)引車+自動化軌道吊”裝卸工藝，配備3臺自動化岸橋、18臺自動導(dǎo)引車和16臺自動化軌道吊，設(shè)計年集裝箱吞吐能力為95萬TEU

8、，是我國首個具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化集裝箱碼頭。廈門港遠(yuǎn)海自動化碼頭在全球率先將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于全場景作業(yè)，成功解決光纖網(wǎng)絡(luò)存在的管道開挖和光纜鋪設(shè)干擾碼頭生產(chǎn)的問題，從而在不停工、不停產(chǎn)的情況下完成傳統(tǒng)集裝箱碼頭的自動化升級改造，并且實(shí)現(xiàn)碼頭通信網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展、易維護(hù)和低成本。2.4 天津港五洲國際集裝箱碼頭天津港五洲國際集裝箱碼頭岸線長1 202 m，面積為35萬m2，共有4個泊位，采用“單小車自動化岸橋+智能集卡+雙懸臂自動化軌道吊”裝卸工藝，配備12臺自動化岸橋和31臺自動化軌道吊，設(shè)計年集裝箱吞吐能力為150萬TEU，是我國首個由傳統(tǒng)集裝箱碼頭升級改造而成的全流程自動化集裝箱碼頭。天

9、津港五洲國際集裝箱碼頭建設(shè)分三步完成：首先，完成堆場自動化改造;然后，引入無人駕駛電動集卡，實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸自動化;最后，完成碼頭作業(yè)全流程自動化改造。在水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)，天津港五洲國際集裝箱碼頭對傳統(tǒng)集卡實(shí)施自動化改造，不僅節(jié)約自動化水平運(yùn)輸設(shè)備購置成本，而且延長集卡使用壽命，主要改造措施為：在傳統(tǒng)集卡內(nèi)部及前視鏡和后視鏡上安裝高清攝像頭，并通過5G網(wǎng)絡(luò)將影像視頻傳輸至聯(lián)調(diào)聯(lián)試操作中心，從而使工作人員能夠根據(jù)集卡運(yùn)行情況遠(yuǎn)程操控方向盤。2.5 廣州港南沙港區(qū)四期自動化集裝箱碼頭廣州港南沙港區(qū)四期自動化集裝箱碼頭（以下簡稱“廣州港南沙四期自動化碼頭”）岸線長，面積為120萬m2，共有4個泊位，采用“單

10、小車自動化岸橋+智能導(dǎo)引車+自動化軌道吊”裝卸工藝，配備49臺單懸臂自動化軌道吊、3臺雙懸臂自動化軌道吊和158臺智能導(dǎo)引車，設(shè)計年集裝箱吞吐能力為490萬TEU，建成后將成為全球首個在水平運(yùn)輸環(huán)節(jié)采用智能導(dǎo)引車的自動化集裝箱碼頭。智能導(dǎo)引車具有以下應(yīng)用優(yōu)勢：第一，智能導(dǎo)引車具有較高的靈活性和柔性，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的運(yùn)行路線;第二，當(dāng)電量低于設(shè)定值時，智能導(dǎo)引車自動行駛至充電區(qū)充電;第三，智能導(dǎo)引車能夠搭載不同的功能模塊，從而滿足一車多用的需求。2.6 小結(jié)據(jù)不完全統(tǒng)計，“十四五”時期我國沿海自動化集裝箱碼頭投產(chǎn)規(guī)模將近20個。10通過比較我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設(shè)方案，總結(jié)現(xiàn)有建設(shè)方案的突

11、出特點(diǎn)和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，有助于進(jìn)一步提升我國沿海港口自動化水平。由表1可見，我國沿海自動化集裝箱碼頭建設(shè)主要有以下特點(diǎn)。表1 我國沿海主要自動化集裝箱碼頭建設(shè)方案比較（1）新建和改造兩種建設(shè)類型并存。我國自動化集裝箱碼頭建設(shè)分為新建和改造兩種類型，兩者并存的主要原因是：第一，自動化集裝箱碼頭投資規(guī)模較大且投資回報期較長11，港口企業(yè)需要根據(jù)自身的資金承受能力選擇合適的建設(shè)方案;第二，自動化集裝箱碼頭作業(yè)效率較高，就傳統(tǒng)中小型集裝箱碼頭而言，采取自動化升級改造的建設(shè)方案足以滿足吞吐量需求。（2）主要分布在沿海大型樞紐港。沿海大型樞紐港具有較強(qiáng)的貨源吸引力，能夠?yàn)樽詣踊b箱碼頭提供大量穩(wěn)定的貨源以維持

12、其可持續(xù)發(fā)展：首先，沿海大型樞紐港地處我國進(jìn)出口貿(mào)易最活躍的地區(qū)，擁有廣闊的經(jīng)濟(jì)腹地;其次，沿海大型樞紐港是國際集裝箱班輪的主要掛靠港，其周邊有很多喂給港為其提供貨物集散服務(wù);最后，沿海大型樞紐港的基礎(chǔ)設(shè)施更完備且管理模式更規(guī)范，是進(jìn)出口貿(mào)易商優(yōu)先考慮的合作對象。（3）綠色環(huán)保優(yōu)勢突出。自動化集裝箱碼頭的綠色環(huán)保優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下兩方面：一是通過采用太陽能和風(fēng)能等可再生清潔能源，從源頭控制污染物排放量;二是通過應(yīng)用能源管理系統(tǒng)，科學(xué)合理地分配和使用能源。數(shù)據(jù)顯示：與傳統(tǒng)集裝箱碼頭相比，大部分自動化集裝箱碼頭單箱綜合能耗降低20%以上。12（4）實(shí)現(xiàn)碼頭生產(chǎn)作業(yè)無人化。自動化集裝箱碼頭大多采用遠(yuǎn)

13、程控制作業(yè)方式，從而實(shí)現(xiàn)碼頭生產(chǎn)作業(yè)無人化，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾方面：第一，減少安全隱患和人為因素干擾，提高碼頭作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，特別是在當(dāng)前新冠肺炎疫情長期存在的情況下，無接觸式作業(yè)能夠確保自動化集裝箱碼頭正常運(yùn)轉(zhuǎn);第二，改善碼頭作業(yè)環(huán)境;第三，降低人力成本。3 我國自動化集裝箱碼頭建設(shè)建議當(dāng)前我國自動化集裝箱碼頭建設(shè)分為新建和改造兩種類型：新建方案是根據(jù)港口長遠(yuǎn)發(fā)展需要，通過合理規(guī)劃設(shè)計建設(shè)具備全自動化裝卸運(yùn)輸作業(yè)能力的集裝箱碼頭;改造方案是在綜合考慮原有的傳統(tǒng)集裝箱碼頭裝卸工藝和平面布局的基礎(chǔ)上，對裝卸運(yùn)輸設(shè)備實(shí)施自動化升級改造，從而使集裝箱碼頭具備全自動化裝卸運(yùn)輸作業(yè)能力。13本

14、文根據(jù)不同規(guī)模集裝箱碼頭的需求特點(diǎn)，對我國自動化集裝箱碼頭建設(shè)提出建議。為了便于研究，按集裝箱吞吐能力將自動化集裝箱碼頭劃分為三種類型：一是設(shè)計年集裝箱吞吐能力小于或等于100萬TEU的小型自動化集裝箱碼頭;二是設(shè)計年集裝箱吞吐能力大于100萬TEU但小于或等于400萬TEU的中型自動化集裝箱碼頭;三是設(shè)計年集裝箱吞吐能力大于400萬TEU的大型自動化集裝箱碼頭。對于大型集裝箱碼頭而言，新建自動化集裝箱碼頭是首選方案。上海港、廣州港和青島港等港口作為我國傳統(tǒng)的海運(yùn)貿(mào)易大港，年集裝箱吞吐量排名均位于世界前列。上述港口的集裝箱碼頭生產(chǎn)繁忙，建設(shè)自動化集裝箱碼頭是其提高碼頭作業(yè)效率和降低碼頭作業(yè)成本

15、的重要手段。雖然大型自動化集裝箱碼頭建設(shè)投資規(guī)模大且周期長，但上海、廣州和青島作為重要的區(qū)域經(jīng)濟(jì)中心具備強(qiáng)大的財政實(shí)力，能夠?yàn)榇笮妥詣踊b箱碼頭建設(shè)提供資金支持。此外，自動化集裝箱碼頭建設(shè)過程中的技術(shù)積累和創(chuàng)新不僅能夠節(jié)約資金，而且有助于完善工藝。例如：青島港二期全自動化碼頭創(chuàng)新應(yīng)用氫動力自動化軌道吊，打造零污染、零排放的智慧綠色碼頭，每年二氧化硫排放量減少近1 000 t，二氧化碳排放量減少近3萬t。對于中小型集裝箱碼頭而言，傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造方案更加經(jīng)濟(jì)合理。傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造可以借鑒天津港五洲國際集裝箱碼頭“三步走”策略，即根據(jù)碼頭實(shí)際情況分步驟建設(shè)自動化集裝箱碼頭

16、三大作業(yè)系統(tǒng)。此外，中小型自動化集裝箱碼頭建設(shè)投資規(guī)模較小且作業(yè)效率較高，建成后市場競爭力將顯著提高。Reference：1 李金龍. 中國自動化集裝箱碼頭的發(fā)展與挑戰(zhàn)J. 中國港口，2016（2）：17-20.2 劉廣紅，程澤坤，林浩. 自動化集裝箱碼頭總體布置J. 水運(yùn)工程，2013（10）：73-78.3 王施恩，何繼紅，林浩，等. 自動化集裝箱碼頭堆場布置新模式J. 水運(yùn)工程，2016（9）：23-26.4 元征，毛浩，邳青嶺. 集裝箱自動化碼頭閘口總體布置研究J. 港工技術(shù)，2019，56（5）：27-30.5 彭傳圣. 集裝箱碼頭的自動化運(yùn)轉(zhuǎn)J. 港口裝卸，2003（2）：1-6.6 金祺，羅勛杰，韓保爽. 自動化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備選型J. 水運(yùn)工程，2016（9）：87-90.7 李永翠，劉耀徽，任榮升，等. 自動化集裝箱碼頭設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)J. 水運(yùn)工程，2019（7）：28-32.8 梁承姬，林洋. 自動化碼頭雙小車岸橋與AGV協(xié)調(diào)調(diào)度問題研究J. 計算機(jī)工程與應(yīng)用，2019，55（10）：256-263.9 方懷瑾，羅勛杰，周維峰.