集装箱码头的自动化运转

发布时间：2007-1-12 16:32:38 共被浏览次

    摘要：尽管自动化运转集装箱码头投资大，但是由于其可以最大限度地提高码头的通过能力，优化码头经营和成本效益，如果能够有效运作，菪运成本将会降低，增加的南郊能够得到相应的补偿。本文在回顾国外自动化运转集装箱码头的发展历程的基础上，介绍现有的自动化运转集装箱码头汉及有关设备，希望国内有关集装箱码头借鉴经验，早作自动化运转的谋划。

    船公司采用大型运输船舶并加速船舶周转以达到降低伪集装箱运输成本的目的，使得集装箱码头管理信息化和作业自动化成为提高作业效率、通过能力和服务水平，进而提高竞争力的重要手段。国外集装箱码头已经将码头信息管理软件视为与码头与形的设施和设备同等重要的码头基础设施的组成部分，为适应国际集装箱运输般公司的服务要求，码头管理信息化得到了国内码头的重视，一些码头配备的管理系统具有自动进行作业设备分派、集装箱装卸作业顺序安排、船舶计划和配载、堆场计划、车辆和集装箱跟踪等功能，但由于长期以来国内劳动力成本相对低廉，集装箱码头自动化装卸设备的开发和购置成本较高等原因，国内至今没有自动化运转的集装箱码头，甚至没有采用自动化装卸设备的集装箱码头。

    尽管自动化运转集装箱码头投资大，全是如果自动化运转系统有效动作，营运成本将会降低，增加的投资能够得到相应的补偿。随着集装箱码头自动化运转技术的发展以及提高竞争力的迫切需要，集装箱码头自动化运转将成为大势所趋。

    本文在加顾国外自动化运转集装箱码头的发展历程的基础上，介绍现有的自动化运转集装箱码头以及有关设备，希望国内有关集装箱码头借鉴经验，早作自动化运转的谋划。

    1  国外自动化运转伪装箱码头发展过程

    应用自动化作业设备以及配套的管理和控制软件系统，形成可以部分或全部替代通常由人工完成的复杂和非重复性的集装箱搬运和装卸能力，使得需要配备的码头生产人员大量减少的集装箱码头，称为自动化运转的集装箱码头。由于岸边集装箱起重机当前难以实现完全自动化操作，目前所说的自动化运转集装箱码头指堆场作业和水平运输采用自动化作业设备的码头。通常认为自动化运转的集装箱码头的投资大，但是由于生产人员以人工操作的减少，营运成本相对降低，能够稳定可靠地提高集装箱码头作业效率，通过能力和服务水平。

    上在上个世纪80年代中期，在劳动力成本昂贵的熟练的劳动力匮乏的地区，自动化运转集装箱码头首先受到关注，英国泰晤士港、日本川崎港以及荷兰鹿特丹港均规划建设自动化运转的集装箱码头。泰晤士港和川崎港自动化运转集装箱码头均计划采用分阶段建设的方法实施，但是由于后续的自动化设备开发的财政资助发重型变化而搁浅，鹿特丹港europe combined terminals(ect)的建设则按照计划进行，其delta sesland集装箱码头作为世界上第一个自动化集装箱码头于1993年投产，实践证明其自动化运转集装箱码头建设达到了预期的目标。

    随着经济全球化和区域经济一体化进程的加快，全示集装箱运输快速发展，各地集装箱码头均面临吞吐量急剧增长的压力；我国大陆由于经济高速增长集装箱吞吐量的年递增率更是世界平均水平的3倍强，集装箱码头的压力更大，除了大量建设新的集装箱码头外，利用自动化运转集装逢码头技术改造瑞有的码头，提高通过能力是缓解集装箱码头压力的途径之一。此我，为进一步降低运输成本，船公司采用越来越大的集装箱船舶，在一个港口装卸的集装箱量增加，与此同时，却要求船舶在港时间保持不变，集装箱码头为增强竞争力，提高装卸作业效率的压力也越来越大。如果采用通常的方法达到提高装卸作业效率的目标，则需要配置更多的车辆和堆场以保证码头前沿设备的作业效率能够充分发挥，因此，需要配置更多的生产人员，意味着营运成本大量增加，这些因素失去了新的自动化运转集装箱码头的出现。

    ect在总结delta sesland自动化运转集装箱码头建设和使用经济的基础上，相继于1997年建成了delta sesland east（dde）自动化运转集装箱码头，2000年建成了delta sesland west（ddw）自动化运转集装箱码头。2001年ect的通过能力为410万teu，实际吞吐量达到330万teu。2002年6月，德国汉堡港由hamburger hafen und lager-haus akitiengesellschaft(hhla)码头公司经营管理的altenwerder自动化运转集装箱码头一期工程投产，至2002年底完成吞吐量138000teu。

    专家预测，为提高码头竞争力，集装箱码头采用自动化或者半自动化盍系统的趋势将会进一步发展，而用武之地种发展将不仅仅局限在劳动力成本昂贵和熟练劳动力匮乏的国家和地区，也将不仅仅局限在大型的海港码头。

    2 自动化运转的集装箱码头

    ect和altenwerder集装箱码头是当前自动化运转程序最高的集装箱码头，也是仅有采用自动导引车agv在码头前沿与堆场之间进行集装箱水平运输的码头。

    2.1  ect自动化运转装箱码头

    egt位于maas河口的maasvladkte地区，始建于1996年，码头平面如图形1所示。自动化集装箱码头均采用岸边集装箱起重机进行船舶装卸作业，需要司机进行操作，可以进行半自动化作业。码头前沿与集装箱堆场间的社会调查兰州箱运输由agv完成。agv的工作由码头中央控制室生产过程控制系统（pcs）进行管理的控制，实现了完全自动化。集装箱堆场采用自动码头中央控制室的asc进行堆垛作业，asc的二十八也由码头中央控制室的pcs进行管理和控制，实现了完全自动化。外部提箱和送箱卡车的装卸作业，在码头内靠近大门外的卡车装卸场进行，由pcs管理的控制相应的asc将扎提目标集装箱由堆场取出，并运送到设在堆场陆侧端的集装箱换装点，再由人工操作的趺运车将集装箱运到卡车装卸场装上外部提箱卡车；外部送箱卡车所送集装箱，也是在卡车装卸场由人工操作的趺运车卸下并运送到堆场陆侧端的集装箱换装点，再由相应的asc按照pcs的管理和控制要求送入堆场相应位置。

    pcs与其管理和控制设备之间，采用无线数据rdt方式进行数据通讯。每8车agv共用一个特定的频率，另外给定一个备用特定频率。pcs规划agv的行驶路线，并给出agv运动方向上的“停车”点，当agv到达一个“停车”点后，pcs又以给出下一个行驶路线及“停车”点。pcs高度控制agv，通过对照agv的行驶路线，能够准确确定agv之间的距离，防止agv相互碰撞。在集装箱堆场上每台asc与agv的交接点上，设有4个agv停车车位，当空载agv到达asc下方的装卸位置时，asc根据pcs的指令，由堆场撮相应的集装旋转到堆场相应位置上。沿着码头前沿设有据岸边集装箱起重机的相对位置进行定位的agv停车车位，当agv位于岸边集装箱起重机下方时，岸边集装箱起重机上的红外检测器测定出agv驶入装卸作业位置，并将有关信息发送到中央控制室的pcs，pcs随即向相应的agv发出停车指令，保证agv准确地定位在作业位置上。

    delta sealand自动化集装箱码头采用gottwald公司开发的agv，每次只能装载一个集装箱，而且运行速度限制为3m/s。使用网格定位系统frog进行导航和控制，frog系统利用车载天线跟踪成矩阵方式布置在码头面上的异频雷达收发机进行操纵。当agv通过异频雷达收发机时，通过国载天线发出的信号由异频雷达收发机接受并发射回代表其人材参数的编号信息。frog根据agv经过的异频雷达收发机的位置。agv的速度及转向角确定agv的位置。车载天线的老毛病范围约为1m2 ，agv仅能在此范围内识别蒸发量频雷达收发机。因此，为提高定位精度，需要增加异频雷达收发机的布置密度，相应增加码头投资。据介绍，ect目前异频雷达收发机的布置间距为2m。此外，在码头面下以和磁感应器，感知其处在导线的范围，与frog系统配合使用，更加精确地确定agv的位置。如果在导线系统范围内，agv的定位精度可达+30mm；如果不在展线系统范围内，agv的定位精度为+50mm。

    agv上还装有超声波探测装置以及其他辅助安全避碰的装置，能够感知在其由全速行驶到停止运行的减速们移范围内的障碍物，避免碰撞障碍物。agv采用单台6缸daf620v柴油机驱动，转带为2600r/min，输出功率为116kw，每次加满燃料后，车辆可以连续作业100h。在剩余燃料量不足以支持连续运行设定的作业时间时，车载计算机能够感知乘余燃料量，并将此信息传递到pcs。pcs根据agv的燃料量，在对作业影响到小的情况下，向agv下达加油指令。agv在得到加油指令后，驶向加油站，加油后自动重新回归到作业线上。

    delta sealand自动化集装箱码头采用karmar公司开发的堆1过2型跨6列集装箱的asc。沿与码头岸线垂直的方向布置堆垛，每个堆垛有6列15行集装箱堆存箱位，共布置了25个堆垛，每个堆垛使用1如asc。由于asc为堆1过2型，为便于其操作集装箱，堆场每行上6排只能在左右两端各2排上堆放2层箱，中间2排上只能堆放1层箱，集装箱堆场单位面积的堆存能力很低。如果需要提高码头通过能力，势必需要更多的堆场，配置更多的asc的和水平的运输车辆，从而提高经营成本。

    该码头在agv投入使用初期，遇到了许多在测试阶段没有出现的技术难题。这些问题主要是伴随码头实际动作时大量信号、任务分派以及操作过程交织在一起的情况而生产的。经过码头经营公司和合作船公司18个月的努力，解决了这些问题，才获得了满意的码头运作性能。

    dde自动化集装箱码头是在总结delta sealand自动化集装箱码头发展的经验才识基础上发展起来的公用集装箱码头，采用的asc也是跨6列集装箱，但是适应堆3层集装箱且运行速度在delta sealand采用的asc的基础上提高了50%，其上配置的plc使asc能够根据码头中央控制室的详细功能指导完成一系列的任务；采用的agv的运行速度提高了，介仍采用frog导航。

    dde自动化集装箱码头投入使用后，在初期几乎没有出现问题，但是进行了不少努力，才将设备能力和软件性能协调起来，主要问题是软件性能难以适应较高的堆存密度以及设备的快速运行导致电子数据交换大量增加。最后达到了预想的码头性能指标；每台岸桥昼夜作业600个集装处；外部集装箱卡车在港时间缩短到令用户满意的20min。

    当delta sealand和dde自动化集装箱码头达到年吞吐量50万的teu时，码头扩建到相邻的ddw，ect仍然选择将其建成自动化集装箱码头。接受建设和菪运前2个自动化集装箱码头的经验教训，采用的asc适应堆4层集装箱，但是由于沿用原来的基本管理软件不能适应翻捣箱的操作，额外增加的堆存能力不能得到应用考虑到基本生产管理软件系统的缺陷，准备编制新的程序以解决有关问题，蛤这些变化将只能渐渐应用到生产管理软件系统中，以避免影响码头生产率或者导致其他灾难性的后果。2001年，ect delta集装箱码头占地280公顷、岸线长3.4km，码头水深达16.6m，设计通过能力410万teu。其时码头配置的设备包括：25台岸边集装箱起重机52台跨运机；3台集装箱堆码机；20台码头牵引车；48台多底盘列车牵引车；118列多底盘列车；9台集装箱下面吊运机；187台agv；92台asc；2418个冷藏箱插座。

    由于delta sealand、dde、ddw分期完成，虽然每个码头建成时，均采用当时最先进的软件系统，而不是一个集成的统一的码头信息管理和agv控制系统，结果导致码头之间的信息交换量的增加。2002年，ect delta计划更新码头软件系统，考虑使用标准化成熟软件，选用德国dematic公司的dynacore软件和美国的navis公司的软件，分别替换现在使用的agv的导航和控制软件以及集装箱码头管理和调进软件系统。计划2003年，整个ect delta的集装箱码头全部采用navis公司的码头管理和计划软件系统，2004年底，采用dynacore软件。2002年ddw采用dynacore软件对agv和控制的实践运行，而不是以固定的路径运行，缩短集装箱在码头前沿与堆场之间的运输行程、提高了agv的运行速度，从而提高了船舶作业效率。

    2．2  aitenwerder自动化运转集装箱码头

    aitenwerder集装箱码头规划建设始于1999年，为适应稳定提高大型船舶的作业效率和服务水平、减少人力资源成本、提高码头竞争力的需要，并考虑到集装箱码头自动化设备及控制软件的发展趋势，hhla决定采用当前最先进的自动化集装箱装卸作业设备，实现码头的自动化运转。

    aitenwerder集装箱码头平面布置示意图如图2所示。码头占地总面积22.5万m2 。湍与码头岸线重直的方向布置堆垛，共设置22个堆垛，堆高4层，堆存能力为30万teu，岸线长约1400m，布置4个泊位，设计年通过能力190万teu；码头水域水深达16.5m，航道已浚深到15.0m，适应靠泊位当前最大的集装箱船舶。aitenwerder集装箱码头全部建成后，码头前沿布置14台特超巴拿马型岸边集装箱起重机，能够快速装卸大型集装箱船舶，炎车作业区有6条平等的火车装卸作业车道，长700m，配置4台跨6条车道的龙门卢重机进行火车装卸作业。该码头前沿采用陆侧小车作业完全自动化的双小车式岸边集装箱起重机；水平运输采用高速agv；堆场作业采用完全自动化的轨道式龙门起重，而且每堆垛布置两台这类设备，但是轨距不同并运行在不同轨道上，可以相互穿越运行；提箱和送箱的集装箱卡车将通过一条4车道75m长的道路直接进入相应的堆垛处进行装卸箱作业。

    按计划aitenwerder集装箱码头将于2004年中期全部建成并投入使用。一期工程已于2002年6月投入使用，包括11.2万m2 的码头的建设，堆场设置11个堆垛，堆存能力为1.1万teu，岸线长800m，设计年通过能力110万teu。码头采用了7台采购自zpmc的陆侧小车作业完全自动化的大型双小车式岸边集装箱起重机，海侧小车负责船舶和设在起重机门架高处的转地载平台之间的集装箱的作业，集装箱在思载平台上进行转锁的固定或脱开操作，陆侧小车在起重机后伸距范围内工作，负责预先定位的agv与转载平台之间的集装箱转接。这些起重机适用作业甲板上积载22列公证机关坟箱的船舶。常规岸边庥装箱起重机的作业效率约为25teu/h，hhla希望通过采用双小车岸边集装箱起重机将作为效率提高到35teu/h。zpmc通过模拟研究认为这类岸边集装箱起重机平均作料可达65 teu/h。岸边集装箱起重机装备siemens控制系统，该系统能够将志重机作业的集装箱的信息反馈给码头中央控制室的navis码头管理系统。码头还采用了hans kunz gmbh的起理量42t、吊具下起升高度均为15.5m、轨距分别为40m和31m的全自动轨道式龙门起重机各11台，mannesmann dematic(gattwald)公司的35台运行速度达21km/h的agv以及3台龙门起重机和多台叉车。agv通过埋设在码头上的标志进行导航，当agv通过电子标志时，按照从码头管理系统传递来的指令读取电子标志信息。岸边集装箱起重机后伸距范围内布置了4条平等的车道。使得agv能够以同样的效率为岸边集装箱起重机提供集装箱转接服务。二期工程将于2003年底投入使用，届时岸边集装箱起重机和agv总数分别达14台和60台。

    2．3  泰晤士和川崎港自动化运转集装箱码头项目。

    泰晤士和川崎港试图建设自动化运转集装箱码头的目的是为了减少人力的使用，以便减少集装箱码头的营运成本，增强码头竞争能力。码头建设的方针均是充分利用当时能提供的而且成本能够接受的自动化技术，对码头各个动作环节他阶段实现不同程度的自动化。第一阶段，堆场均配置了无人操作的轨道式龙门起重机，拟在第二阶段配置了agv，但实现码头的自动化运转的计划均搁浅。

    泰晤士港第一阶段采用常规人工操作的水平运输车辆完成码头内集装箱的运输。为解决这些车辆在堆场的装卸问题，借助于能够进行图像和声音远程遥控的技术，开发了红外起重机控制器并安装在水平运输车辆上，司机可以通过该控制器进行集装箱和起重机吊具的定位操作，并可手动进行必要的调整。1993年3月，terberg公司的agv开始在该码头上进行试验，采用firefly公司的雷达导航和控制系统，堆场作业计划高度指令通过无线数据传输系统传递给agv的任务系统，由雷达导航和控制系统的数据信息和车载速度和转向角度传感器的信号的位置信息与给这的运行路线进行对比，保证车载系统控制agv按给定的路线运动，转达导航和控制系统配有高级分析软件，能够排除集装箱码头大量金属和其他反射信号对其与agv之间通信信号的干扰，保证agv有较高的工作精度和充分的响应时间，有效防止高速运动的agv与固定或移动中的障碍物发生碰撞。由于agv的开发没有后续财政的支持，该项目于1994年底流产。尽管泰晤士港集装箱码头实现的自动化比较简单，但实践证明，对各种船公司和各种船舶，岸边集装箱起重机的平均船时作业效率均为20teu/h，后来还提高到25 teu/h。对于较大型的船舶，岸边集装箱起重机的平均船时作业效率达到30 teu/h，集疏运集装箱卡车均在港时间减少到45min，包括排队，海关文件处理以及集装箱的交换。

    川崎港拟建成的higashi ohgishima自动化运转集装箱码头，其一期工程第一阶段也采用常规人工操作的水平运输车辆完成码头内集装箱的运输，码头于1996年4月建成投产。计划在一期工程第二阶段和二期工程中采用的agv载重量40.6t；最高运行速度20 km/h；总长17m宽3m。要求能够适应高速导向，定位准确，在室外环境下稳定工作，行驶中转向灵活，与中央控制室中的计算机交换信息量少，维护工作量少，工作可靠性高。采用专用标志、磁性标志、图像处理、固守以及全球定位系统（gps）等中的一种或几种方式agv的导航和控制。原计划于2001年中期完成一期工程第二阶段改选和二期工程，但是由于日本经济的持续不景气，难以吸引投资者投资开发和建设自封骅集装箱码头，至今没有进展。

    3  集装箱码头自动运转设备。

    集装箱码头前沿主要使用岸边集装箱起重机进行船舶装卸。由于处于船舶上的集装箱或集装箱位随天气条件以及港池内水流的动态变化而处于动态变化之中，难以确定或预见其位置状态；又由于岸边集装箱起重机的吊具与吊具的起升和运行控制机构之间通过柔性的钢丝绳相联，难以实时准确地将起升和运行控制机构控制吊具动作的信息伟导到吊具上，即吊具高速位置状态适用目标集装箱位置状态参数的速度难以中庸上目标集装箱位置状态变化的速度。因此，目前完全自动化操作的岸边集装箱起重机技术仍然在探索之中，但是除了与船舶上的集装箱或集装箱箱位相关的部分外已经可以实现自动化，如常规岸桥侧的对位操作以及双小车式岸桥陆侧小车作业的运作。

    3.2  码头内集装箱水平运输设备。

    码头内的水平运输主要采用集装箱拖挂车或跨运车。agv就是自动化运转的水平运输设备，其使用历史甚至可以追溯到1913年美国福特汽车公司使用的有轨底盘装配车，目前全世界使用有10多万台。可以替代集装箱拖挂车的agv，需要在室外环境工作，载重量大，其引和控制技术相对复杂。不过mannesmann dematic(gattwald)过公司的agv在ect 和aitenwerder集装箱码头的使用实践证明agv技术已经成熟。目前，能够供应用于码头内集装箱水平运输的agv供应商还有德国damag公司、荷兰的terberg公司、日本的mitsut engineering&shipbuilding公司及住友公司、法国famatome公司以及英国indumat公司等。导引技术也不断发展，从其于埋线电磁导引技术等发展到苦于陀螺导航的定位技术、基于激光反射测角定位技术以及基于gps定位导航技术等。由于国载计算机的软硬件功能不断发展和完善，agv能够通过网络、无线或红外设备接受指令，自动导引、自动行驶、优化路线、自动作业、安全避碰、自动诊断，实现了智能化。

    另据报道，2002年12月demag mobile cranes gottwald gmdh公司将完成用于在码头前沿和堆场之间往返进行集装箱运输的全自动跨运车样国的研制，采用差分全球定位系统（dgps）进行导引，导引精度达到+15mm。ect和p&o公司合营的euromax码头可能采用这种跨运车。

    3．3  集装箱堆场作业设备

    堆场作业主要采用轨道式或者轮胎式龙门起重机。自动化的轨道式龙门起理机技术早已发展成熟，现有的自动化运转集装箱码头均采用了这种设备。轮胎芪龙门起重机的自动化程度得到为断提高，如英国morris mechanical handling公司开发了先进的轮胎式龙门起重机自动转向系统，可以提高龙门起重机机械性能，增加操作灵活性；sanderson logisties公司开发的集装箱定位系统（dockwatch）以及kalmar公司开发的轮胎式龙门起重机自动操作和集装箱定位系统（smartrail）等，均提高了轮胎式龙门起重机的自动化操作程度。此外mitsut engineering&shipbuilding公司声称已经开发出全自动的轮胎式龙门起重机，1996年就开始在日本shinizu码头进行实验。该机采用箱垛断面检测装置、自动批示装置、无线天线、底盘车位置批示信号以及基于陀螺自动导引系统等一系列特殊设备，保证其与agv能够协同工作于自动化动转集装箱码头。

    4  有关建设

    自动化运转集装箱码头的技术和设备已经发展成熟，现有自动化运输集装箱码头的营运实践也表明达到了预期的效果，国内码头管理者应考虑将自动化运转作业提高集装箱码头竞争力的重要手段之一，更多地采用自动化运转设备，直至实现集装箱码头自动化运转。

    我国集装箱运输发展势头强劲，根据预测，2010年我国大陆集装箱吞吐量将达到8700万teu。据统计，2000年我国大陆集装箱码头总吞吐能力为1870teu，实际完成集装箱吞吐量2348万teu，集装箱码头吞吐能力严重不足。交通部制定的中长期发展计划，要求加快集装箱码头的建设，在2010年使集装箱的吞吐能力达到吞吐量要求的1.05倍。因此，未来一段时间内需大量兴建集装箱码头，为自动化动轮技术的应用提供了条件。

    根据国外自动化运转集装箱码头的规划建设和营运实践经验，至少应该在自动化运转集装箱码头投产前5年配备专职人员进行码头的规划、开发和模拟研究，以便于工作解决所有可以预见的各种技术问题，国内有意建设自动化自动化集装箱码头，相关成熟技术、设备和软件能够及时投稿实际应用。

    现有自动化运转集装箱码头营运初期，自动化运转设备与相应的码头和控制软件的联合调试时间较长，影响码头通过能力和服务水平的充分发挥，这也是一些港口难以接受自动化运输集装箱码头的原因之一。随着设备自动化、相应码头管理和控制软件技术水平的发展以及自动化运转码头的增多，这种善会有所改变。此外，在交通部的支持下，交通部水运所的集装箱港口智能运输系统试验室已经初具规模。实验室建设了集装箱码头的物理模拟模型并配备了相应的智能化设备和软件，为集装箱码头自动化运转设备、管理和控制软件的开发试验以及在码头运转条件下的联合调试，提供了试验环境和条件，可以减少自动化运转设备与软件的现场联合调试时间。

    作者：彭传圣



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