從建設自動化集裝箱碼頭的角度出發(fā)，以南通港通州灣新出?？谄鸩礁蹍^(qū)呂四作業(yè)區(qū)#8~#9碼頭工程為例，梳理該碼頭工程設計方案的關鍵點，總結分析決策過程，對全自動化集裝箱碼頭分階段實施方案展開研究和探討，為其他類似工程參考提供思路和經(jīng)驗。
引言
隨著《交通強國建設綱要》的印發(fā)實施，智慧交通的的理念越來越多地運用到水運工程建設中。作為全球航運體系中的重要環(huán)節(jié)，集裝箱碼頭的自動化已成為一種趨勢。上海洋山四期、青島前灣四期和廈門遠海等自動化集裝箱碼頭的建成為集裝箱碼頭全自動化的探索開拓道路。隨著5G通信技術的不斷進步，未來的集裝箱碼頭將有更多的技術路徑選擇。目前，自動化集裝箱碼頭最前沿的水平運輸方式是使用無人集卡，但由于技術和法規(guī)的限制，仍處于試驗階段。針對無人集卡尚不能大規(guī)模投入使用的問題，本文研究集裝箱碼頭分階段實施全自動化問題。
工程概況
南通港呂四作業(yè)區(qū)# 8~# 9碼頭工程擬在呂四作業(yè)區(qū)環(huán)抱式港池西港池南側建設2個10萬噸級集裝箱泊位，設計年吞吐量140萬TEU，碼頭布置采用滿堂式，泊位總長度為812 m，縱深620 m，主要功能區(qū)包括碼頭前方作業(yè)帶、重箱堆場、超限箱堆場、空箱堆場、預留堆場、拆裝箱區(qū)、查驗區(qū)、調(diào)箱門區(qū)、集卡緩沖區(qū)和進出港閘口等。
南通港呂四作業(yè)區(qū)# 8~# 9碼頭工程以建設全自動化碼頭為目標，考慮到新港區(qū)航線開發(fā)和箱量提升一般都需要時間的積累，綜合投資效益分析，碼頭自動化可以分階段實施。
總結國內(nèi)外自動化集裝箱碼頭的建設經(jīng)驗，其自動化程度主要有3個階段：第1個階段為堆場自動化，即使用自動化堆場裝卸設備(軌道吊、輪胎吊等)，碼頭裝卸和水平運輸采用常規(guī)設備;第2個階段為碼頭自動化+堆場自動化，即在第1個階段的基礎上增加碼頭自動化裝卸設備(岸橋)，水平運輸采用常規(guī)設備;第3個階段為碼頭自動化+堆場自動化+水平運輸自動化，即實現(xiàn)全自動化，水平運輸設備也采用自動化設備(智能集卡、AGV、自動化集裝箱跨運車等)。 為實現(xiàn)南通港通州灣港區(qū)建設上海國際航運中心北翼集裝箱樞紐港和世界一流港口的目標，呂四作業(yè)區(qū)# 8~# 9碼頭工程選擇分3個階段逐一建設全自動化集裝箱碼頭。同時，為進一步提升港口競爭力，采用最先進的自動化碼頭技術(5G+智能集卡)，同時控制初期投資，本工程設計時將全自動化集裝箱碼頭又細分為2個階段：一是自動化岸橋+自動化場橋+水平運輸設備自動化測試線，常規(guī)水平運輸設備和全自動化設備并存，既滿足碼頭的常規(guī)作業(yè)，又能測試最新設備;二是自動化岸橋+自動化場橋+水平運輸設備全自動化作業(yè)線。本工程考慮到港口發(fā)展趨勢和初期投資控制，將以前一種作為起步，在自動化水平運輸設備具備大規(guī)模投入使用的技術條件后，適時啟動后一種，分2步實現(xiàn)集裝箱碼頭全自動化。
裝卸工藝
3.1 總體思路
自動化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)主要由碼頭裝卸、水平運輸和堆場裝卸等3個作業(yè)環(huán)節(jié)組成，其中碼頭裝卸使用的自動化岸橋和堆場裝卸采用的自動化場橋技術已經(jīng)成熟，案例豐富。因此，水平運輸環(huán)節(jié)是形成不同自動化裝卸工藝系統(tǒng)的關鍵。
自動導引運輸車(以下簡稱“AGV”)和跨運車是目前相對成熟的自動化水平運輸設備。AGV已在上海洋山四期、青島前灣四期、廈門遠海等3座自動化集裝箱碼頭中成功應用，并已具有一定的營運管理經(jīng)驗，而跨運車在國內(nèi)尚無應用案例。近幾年自動駕駛技術發(fā)展迅速，通過在集卡車上安裝北斗定位系統(tǒng)和激光雷達、毫米波雷達、攝像頭等設備，可在無人干預的情況下自動完成道路行駛、精確停車、集裝箱裝卸、障礙物響應等指定動作，為自動化集裝箱碼頭和現(xiàn)有碼頭的自動化升級改造提供一種低成本、對常規(guī)集裝箱碼頭總體布局影響最小的水平運輸自動化解決方案。
考慮到建成后水水中轉(zhuǎn)和公路轉(zhuǎn)運量占比較大，結合自動化碼頭裝備技術的發(fā)展趨勢，本工程采用“自動化集裝箱裝卸橋+自動駕駛集卡+自動化雙懸臂軌道吊”的裝卸工藝方案，堆場平行碼頭前沿線布置。
3.2 碼頭裝卸工藝
根據(jù)本工程的年吞吐量和設計船型，碼頭前沿配置7臺單小車集裝箱裝卸橋進行裝卸船作業(yè)。岸橋采用“自動化+人工干預”的遠程操控技術，除對船側安全高度以下的抓放箱為人工干預的遠程操控外，其余操作環(huán)節(jié)均為自動化作業(yè)模式。
集裝箱裝卸橋的軌距為35 m，吊具下起重量為65 t，配置雙20英尺箱吊具。外伸距按滿足最大設計船型10萬噸級集裝箱船作業(yè)考慮，取55 m。
碼頭為滿堂式布置型式，碼頭前方作業(yè)地帶總寬度為74 m，其中：碼頭前沿至海側軌距離4 m，岸橋軌距35 m，軌內(nèi)布置7條集卡裝卸車道。岸橋陸側軌后3 m布置寬度為16 m的艙蓋板堆放區(qū)，艙蓋板堆放區(qū)與堆場間布置寬度為16 m的泊位間聯(lián)系道路。
3.3 水平運輸裝卸工藝
因目前自動駕駛集卡尚無規(guī)模化商業(yè)應用的案例，工程建設工期又較緊張，故本工程近階段考慮設置自動駕駛集卡封閉運行區(qū)域，開港初期按1條自動化岸橋作業(yè)線配置5臺自動駕駛集卡運行。其余區(qū)域仍采用人工駕駛的集裝箱牽引車+半掛車。
封閉運行區(qū)域選擇# 9泊位和對應自動化堆場的海側第1條箱區(qū)(9A箱區(qū))。根據(jù)調(diào)試需要，無人集卡行駛區(qū)四周設置活動圍網(wǎng)進行封閉，圍網(wǎng)內(nèi)形成無人集卡碼頭至堆場間的專用車道，其中碼頭專用車道在岸橋軌內(nèi)靠陸側的第1條車道，堆場專用車道在9A箱區(qū)自動化軌道吊的海側懸臂下。拆裝鎖銷考慮設在# 9泊位的兩端，并設置可移動的安全島，船首區(qū)為拆鎖區(qū)，船尾區(qū)為裝鎖區(qū)。輔助作業(yè)人員在安全島上進行拆裝鎖作業(yè)，以保證作業(yè)安全。 3.4 自動化堆場裝卸工藝
與# 8、# 9泊位相對應，泊位后方布置2塊自動化堆場，堆場縱深為404 m，寬度為364.5 m。每塊堆場縱向規(guī)劃布置7條平行于碼頭前沿岸線的箱區(qū)。為提高集裝箱堆場對未來集裝箱運量結構變化和內(nèi)外集卡分道作業(yè)的適應性，堆場作業(yè)擬采用雙懸臂型式自動化軌道吊，根據(jù)設計年吞吐量共配置18臺自動化軌道吊，采用對內(nèi)集卡和場內(nèi)堆箱為全自動化、對外集卡安全高度以下的抓放箱為自動化+人工干預的遠程操控作業(yè)模式。堆場自動化作業(yè)區(qū)域設封閉的圍網(wǎng)和門禁系統(tǒng)。
軌道吊軌距37 m，軌內(nèi)布置12列集裝箱，外伸距4.75 m，兩側懸臂下分別與內(nèi)、外集卡交互，實現(xiàn)內(nèi)、外集卡分道作業(yè)，避免相互間的作業(yè)干擾。
空箱和重箱在自動化堆場內(nèi)采用“外重內(nèi)空”的混合堆放方式，箱與箱之間在大車和小車方向均留有400 mm的間隙。
3.5 工藝流程
集裝箱裝卸船流程。集裝箱卸船時通過碼頭上的集裝箱裝卸橋吊裝至港內(nèi)集卡上，通過集卡運輸至堆場，軌道式集裝箱龍門起重機將集裝箱吊起并完成堆箱;裝船流程反之。
集裝箱公路集疏運流程。外集卡進港提箱時開至堆場指定箱區(qū)，軌道式集裝箱龍門起重機將集裝箱吊裝至外集卡上后，外集卡駛離出港;外集卡進港送箱時開至堆場指定箱區(qū)，軌道式集裝箱龍門起重機將集裝箱吊起完成堆箱后，外集卡駛離出港。
智慧港口
4.1 智慧互聯(lián)
現(xiàn)場設備、設施和作業(yè)數(shù)據(jù)通過傳感器實現(xiàn)全面數(shù)字化，通過物聯(lián)網(wǎng)/無線網(wǎng)實時傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成管理全面感知。全面感知主要建設內(nèi)容：融合定位系統(tǒng)(GPS/BD+RFID+視頻識別+高精地圖+模擬計算等)、融合安防系統(tǒng)(智能安全堆場人員定位系統(tǒng)、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等)、智能綠色能源管理和控制系統(tǒng)(照明控制、變電所暖通設備控制、給排水儀表監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等)、冷藏箱監(jiān)控系統(tǒng)等。
通過有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡技術的應用，港口相關方可以隨時隨地利用多種終端設備廣泛互聯(lián)，融入統(tǒng)一云平臺，最大限度優(yōu)化整合。廣泛互聯(lián)主要建設內(nèi)容：生產(chǎn)核心網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)、辦公網(wǎng)、視頻監(jiān)控網(wǎng)、5G無線網(wǎng)絡、無線調(diào)度語音網(wǎng)、有線IP電話網(wǎng)、智能全場調(diào)度電話和廣播系統(tǒng)等。
4.2 智慧運營
智慧運營主要包括智慧管控、全方位可視、自動化裝卸。
智慧集裝箱碼頭管理系統(tǒng)(以下簡稱“TOS系統(tǒng)”)通過人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術在生產(chǎn)組織、市場分析、運營狀況實時跟蹤等方面的深入應用，推進港口數(shù)據(jù)集中、統(tǒng)一和共享，實現(xiàn)港口運行全狀態(tài)實時化和可視化、決策協(xié)同化和智能化，提高港口生產(chǎn)管理智能化水平。系統(tǒng)主要實現(xiàn)碼頭操作管理、智慧配載計劃、智慧堆場計劃、智慧作業(yè)指令調(diào)度、場橋全場調(diào)度、拖車全場調(diào)度、岸邊智慧裝卸調(diào)度、仿真預測和回放、智能勞務結算、智能商務計費、EAM資產(chǎn)管理、智慧安全管理、安全生產(chǎn)管理、網(wǎng)絡信息安全管理、保安管理、應急指揮管理、碼頭能耗管理等功能。
碼頭全方位可視化系統(tǒng)使碼頭生產(chǎn)作業(yè)的宏觀態(tài)勢和局部細節(jié)一覽無余，能夠提升碼頭綜合運營管理水平。全方位可視化主要建設內(nèi)容：智慧運營調(diào)度中心、一體化LED大屏展示、高精地圖統(tǒng)一監(jiān)控、智能化工業(yè)電視監(jiān)控、生產(chǎn)作業(yè)實時可視化、設備設施可視化、系統(tǒng)運維檢測可視化、人員異常行為預警、智能管網(wǎng)可視化、設備預防性維護、場內(nèi)移動應用、場內(nèi)無人機、設備預防性維護等。
自動化裝卸主要包括智慧閘口系統(tǒng)、智慧水平運輸(無人集卡)、智慧堆場裝卸系統(tǒng)(軌道吊自動化控制系統(tǒng))、智慧岸邊裝卸系統(tǒng)(岸橋自動化控制系統(tǒng))、模擬仿真和回放系統(tǒng)等內(nèi)容。
考慮到將來江蘇省港口集團、南通港口集團的集團網(wǎng)絡安全體系、跨港區(qū)的多數(shù)據(jù)中心和云端容災系統(tǒng)等信息化工程建設的需求，智慧集裝箱碼頭管理系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)格式標準化、集團化權限管理，支持集團TOS一體化等功能。
4.3 智慧決策
智慧決策基于全面的感知和作業(yè)信息，對運營管控成本、效率、效益以及相應的資產(chǎn)利用率和商業(yè)進行智能化分析，為優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)營提供智能決策支持。智慧決策主要由TOS系統(tǒng)中的成本大數(shù)據(jù)分析模塊、商務大數(shù)據(jù)分析模塊、精細化平臺數(shù)據(jù)采集模塊等實現(xiàn)。
4.4 智慧政務、物流、金融、商務
智慧政務。TOS系統(tǒng)中預留與電子口岸、海關系統(tǒng)、海事系統(tǒng)、邊檢系統(tǒng)等政府部門的接口。
智慧物流。通過信息化和業(yè)務融合，實現(xiàn)港口物流供應鏈相關方的信息互聯(lián)互通和業(yè)務的線上化辦理，并預留接入?yún)^(qū)域性港口物流生態(tài)圈綜合服務平臺的接口。智慧物流主要由TOS系統(tǒng)中的客戶服務模塊、航運管理模塊、船貨代模塊、全程物流跟蹤模塊等實現(xiàn)，預留與國家交通運輸物流公共信息平臺、城市公共物流信息平臺、智慧城市平臺等物流平臺的接口。
智慧金融和商務。TOS系統(tǒng)中預留與各港口平臺、第三方電子支付平臺、銀行、保險、大宗商品交易平臺、其他物流園區(qū)、各大型物流企業(yè)、各大客戶企業(yè)等金融與商務系統(tǒng)的接口。
通過能力
碼頭按自動化岸橋+自動化場橋+水平運輸設備自動化測試線階段實施后，根據(jù)裝卸效率和堆場堆箱容量綜合測算，# 8~# 9泊位年通過能力達到142萬TEU。在智能化無人集卡通過測試，大規(guī)模投入使用后，配合預留箱區(qū)的建設投產(chǎn)，本工程的碼頭通過能力將釋放更大潛力。
結語
本文通過對南通港呂四作業(yè)區(qū)# 8~# 9碼頭工程設計方案的介紹，針對全自動化集裝箱碼頭的建設，總結在類似工程中可供參考的建議：
集裝箱水平運輸設備采用智能集卡可降低工程投資和能耗，同時也是未來自動化集裝箱碼頭的發(fā)展趨勢。
集裝箱碼頭的自動化、智能化是大趨勢，對于新建碼頭，考慮到投資控制和港區(qū)發(fā)展預期，可采用分階段實現(xiàn)自動化的實施方案。
隨著5G通信技術的進步，港區(qū)智慧系統(tǒng)的開發(fā)也具有重要意義，其優(yōu)劣將直接決定集裝箱港口的運行效率和市場競爭力。
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