南通港通州湾起步港区自动化集装箱码头建设要点
发布时间：2021-06-02 75 次浏览
从建设自动化集装箱码头的角度出发，以南通港通州湾新出海口起步港区吕四作业区#8~#9码头工程为例，梳理该码头工程设计方案的关键点，总结分析决策过程，对全自动化集装箱码头分阶段实施方案展开研究和探讨，为其他类似工程参考提供思路和经验。
引言
随着《交通强国建设纲要》的印发实施，智慧交通的的理念越来越多地运用到水运工程建设中。作为全球航运体系中的重要环节，集装箱码头的自动化已成为一种趋势。上海洋山四期、青岛前湾四期和厦门远海等自动化集装箱码头的建成为集装箱码头全自动化的探索开拓道路。随着5G通信技术的不断进步，未来的集装箱码头将有更多的技术路径选择。目前，自动化集装箱码头最前沿的水平运输方式是使用无人集卡，但由于技术和法规的限制，仍处于试验阶段。针对无人集卡尚不能大规模投入使用的问题，本文研究集装箱码头分阶段实施全自动化问题。
工程概况
南通港吕四作业区# 8~# 9码头工程拟在吕四作业区环抱式港池西港池南侧建设2个10万吨级集装箱泊位，设计年吞吐量140万TEU，码头布置采用满堂式，泊位总长度为812 m，纵深620 m，主要功能区包括码头前方作业带、重箱堆场、超限箱堆场、空箱堆场、预留堆场、拆装箱区、查验区、调箱门区、集卡缓冲区和进出港闸口等。南通港吕四作业区# 8~# 9泊位总平面布置图见图1。
图1 南通港吕四作业区# 8~# 9泊位总平面布置图
码头自动化程度比选
南通港吕四作业区# 8~# 9码头工程以建设全自动化码头为目标，考虑到新港区航线开发和箱量提升一般都需要时间的积累，综合投资效益分析，码头自动化可以分阶段实施。
总结国内外自动化集装箱码头的建设经验，其自动化程度主要有3个阶段：第1个阶段为堆场自动化，即使用自动化堆场装卸设备（轨道吊、轮胎吊等），码头装卸和水平运输采用常规设备；第2个阶段为码头自动化+堆场自动化，即在第1个阶段的基础上增加码头自动化装卸设备（岸桥），水平运输采用常规设备；第3个阶段为码头自动化+堆场自动化+水平运输自动化，即实现全自动化，水平运输设备也采用自动化设备（智能集卡、AGV、自动化集装箱跨运车等）。码头自动化程度对比见表1。
表1 码头自动化程度对比
为实现南通港通州湾港区建设上海国际航运中心北翼集装箱枢纽港和世界一流港口的目标，吕四作业区# 8~# 9码头工程选择分3个阶段逐一建设全自动化集装箱码头。同时，为进一步提升港口竞争力，采用最先进的自动化码头技术（5G+智能集卡），同时控制初期投资，本工程设计时将全自动化集装箱码头又细分为2个阶段：一是自动化岸桥+自动化场桥+水平运输设备自动化测试线，常规水平运输设备和全自动化设备并存，既满足码头的常规作业，又能测试最新设备；二是自动化岸桥+自动化场桥+水平运输设备全自动化作业线。本工程考虑到港口发展趋势和初期投资控制，将以前一种作为起步，在自动化水平运输设备具备大规模投入使用的技术条件后，适时启动后一种，分2步实现集装箱码头全自动化。
装卸工艺
3.1总体思路
自动化集装箱码头装卸系统主要由码头装卸、水平运输和堆场装卸等3个作业环节组成，其中码头装卸使用的自动化岸桥和堆场装卸采用的自动化场桥技术已经成熟，案例丰富。因此，水平运输环节是形成不同自动化装卸工艺系统的关键。
自动导引运输车（以下简称“AGV”）和跨运车是目前相对成熟的自动化水平运输设备。AGV已在上海洋山四期、青岛前湾四期、厦门远海等3座自动化集装箱码头中成功应用，并已具有一定的营运管理经验，而跨运车在国内尚无应用案例。近几年自动驾驶技术发展迅速，通过在集卡车上安装北斗定位系统和激光雷达、毫米波雷达、摄像头等设备，可在无人干预的情况下自动完成道路行驶、精确停车、集装箱装卸、障碍物响应等指定动作，为自动化集装箱码头和现有码头的自动化升级改造提供一种低成本、对常规集装箱码头总体布局影响最小的水平运输自动化解决方案。
考虑到建成后水水中转和公路转运量占比较大，结合自动化码头装备技术的发展趋势，本工程采用“自动化集装箱装卸桥+自动驾驶集卡+自动化双悬臂轨道吊”的装卸工艺方案，堆场平行码头前沿线布置。
3.2码头装卸工艺
根据本工程的年吞吐量和设计船型，码头前沿配置7台单小车集装箱装卸桥进行装卸船作业。岸桥采用“自动化+人工干预”的远程操控技术，除对船侧安全高度以下的抓放箱为人工干预的远程操控外，其余操作环节均为自动化作业模式。
集装箱装卸桥的轨距为35 m，吊具下起重量为65 t，配置双20英尺箱吊具。外伸距按满足最大设计船型10万吨级集装箱船作业考虑，取55 m。
码头为满堂式布置型式，码头前方作业地带总宽度为74 m，其中：码头前沿至海侧轨距离4 m，岸桥轨距35 m，轨内布置7条集卡装卸车道。岸桥陆侧轨后3 m布置宽度为16 m的舱盖板堆放区，舱盖板堆放区与堆场间布置宽度为16 m的泊位间联系道路。自动化集装箱码头前沿作业地带布置见图2。
图2 自动化集装箱码头前沿作业地带布置
3.3水平运输装卸工艺
因目前自动驾驶集卡尚无规模化商业应用的案例，工程建设工期又较紧张，故本工程近阶段考虑设置自动驾驶集卡封闭运行区域，开港初期按1条自动化岸桥作业线配置5台自动驾驶集卡运行。其余区域仍采用人工驾驶的集装箱牵引车+半挂车。
封闭运行区域选择# 9泊位和对应自动化堆场的海侧第1条箱区（9A箱区）。根据调试需要，无人集卡行驶区四周设置活动围网进行封闭，围网内形成无人集卡码头至堆场间的专用车道，其中码头专用车道在岸桥轨内靠陆侧的第1条车道，堆场专用车道在9A箱区自动化轨道吊的海侧悬臂下。拆装锁销考虑设在# 9泊位的两端，并设置可移动的安全岛，船首区为拆锁区，船尾区为装锁区。辅助作业人员在安全岛上进行拆装锁作业，以保证作业安全。无人集卡运行区示意图见图3。
图3 无人集卡运行区示意图
3.4自动化堆场装卸工艺
与# 8、# 9泊位相对应，泊位后方布置2块自动化堆场，堆场纵深为404 m，宽度为364.5 m。每块堆场纵向规划布置7条平行于码头前沿岸线的箱区。为提高集装箱堆场对未来集装箱运量结构变化和内外集卡分道作业的适应性，堆场作业拟采用双悬臂型式自动化轨道吊，根据设计年吞吐量共配置18台自动化轨道吊，采用对内集卡和场内堆箱为全自动化、对外集卡安全高度以下的抓放箱为自动化+人工干预的远程操控作业模式。堆场自动化作业区域设封闭的围网和门禁系统。
轨道吊轨距37 m，轨内布置12列集装箱，外伸距4.75 m，两侧悬臂下分别与内、外集卡交互，实现内、外集卡分道作业，避免相互间的作业干扰。
空箱和重箱在自动化堆场内采用“外重内空”的混合堆放方式，箱与箱之间在大车和小车方向均留有400 mm的间隙。自动化集装箱堆场布置见图4。
图4 自动化集装箱堆场布置
3.5工艺流程
集装箱装卸船流程。集装箱卸船时通过码头上的集装箱装卸桥吊装至港内集卡上，通过集卡运输至堆场，轨道式集装箱龙门起重机将集装箱吊起并完成堆箱；装船流程反之。
集装箱公路集疏运流程。外集卡进港提箱时开至堆场指定箱区，轨道式集装箱龙门起重机将集装箱吊装至外集卡上后，外集卡驶离出港；外集卡进港送箱时开至堆场指定箱区，轨道式集装箱龙门起重机将集装箱吊起完成堆箱后，外集卡驶离出港。
智慧港口
4.1智慧互联
现场设备、设施和作业数据通过传感器实现全面数字化，通过物联网/无线网实时传输，实现数据集成管理全面感知。全面感知主要建设内容：融合定位系统（GPS/BD+RFID+视频识别+高精地图+模拟计算等）、融合安防系统（智能安全堆场人员定位系统、数字视频监控系统、周界报警系统、门禁系统等）、智能绿色能源管理和控制系统（照明控制、变电所暖通设备控制、给排水仪表监测、环境监测等）、冷藏箱监控系统等。
通过有线网络、无线网络技术的应用，港口相关方可以随时随地利用多种终端设备广泛互联，融入统一云平台，最大限度优化整合。广泛互联主要建设内容：生产核心网、工业控制网、办公网、视频监控网、5G无线网络、无线调度语音网、有线IP电话网、智能全场调度电话和广播系统等。
4.2智慧运营
智慧运营主要包括智慧管控、全方位可视、自动化装卸。
智慧集装箱码头管理系统（以下简称“TOS系统”）通过人工智能、大数据等信息技术在生产组织、市场分析、运营状况实时跟踪等方面的深入应用，推进港口数据集中、统一和共享，实现港口运行全状态实时化和可视化、决策协同化和智能化，提高港口生产管理智能化水平。系统主要实现码头操作管理、智慧配载计划、智慧堆场计划、智慧作业指令调度、场桥全场调度、拖车全场调度、岸边智慧装卸调度、仿真预测和回放、智能劳务结算、智能商务计费、EAM资产管理、智慧安全管理、安全生产管理、网络信息安全管理、保安管理、应急指挥管理、码头能耗管理等功能。
码头全方位可视化系统使码头生产作业的宏观态势和局部细节一览无余，能够提升码头综合运营管理水平。全方位可视化主要建设内容：智慧运营调度中心、一体化LED大屏展示、高精地图统一监控、智能化工业电视监控、生产作业实时可视化、设备设施可视化、系统运维检测可视化、人员异常行为预警、智能管网可视化、设备预防性维护、场内移动应用、场内无人机、设备预防性维护等。
自动化装卸主要包括智慧闸口系统、智慧水平运输（无人集卡）、智慧堆场装卸系统（轨道吊自动化控制系统）、智慧岸边装卸系统（岸桥自动化控制系统）、模拟仿真和回放系统等内容。
考虑到将来江苏省港口集团、南通港口集团的集团网络安全体系、跨港区的多数据中心和云端容灾系统等信息化工程建设的需求，智慧集装箱码头管理系统采用数据格式标准化、集团化权限管理，支持集团TOS一体化等功能。
4.3智慧决策
智慧决策基于全面的感知和作业信息，对运营管控成本、效率、效益以及相应的资产利用率和商业进行智能化分析，为优化生产经营提供智能决策支持。智慧决策主要由TOS系统中的成本大数据分析模块、商务大数据分析模块、精细化平台数据采集模块等实现。
4.4智慧政务、物流、金融、商务
智慧政务。TOS系统中预留与电子口岸、海关系统、海事系统、边检系统等政府部门的接口。
智慧物流。通过信息化和业务融合，实现港口物流供应链相关方的信息互联互通和业务的线上化办理，并预留接入区域性港口物流生态圈综合服务平台的接口。智慧物流主要由TOS系统中的客户服务模块、航运管理模块、船货代模块、全程物流跟踪模块等实现，预留与国家交通运输物流公共信息平台、城市公共物流信息平台、智慧城市平台等物流平台的接口。
智慧金融和商务。TOS系统中预留与各港口平台、第三方电子支付平台、银行、保险、大宗商品交易平台、其他物流园区、各大型物流企业、各大客户企业等金融与商务系统的接口。
通过能力
码头按自动化岸桥+自动化场桥+水平运输设备自动化测试线阶段实施后，根据装卸效率和堆场堆箱容量综合测算，# 8~# 9泊位年通过能力达到142万TEU。在智能化无人集卡通过测试，大规模投入使用后，配合预留箱区的建设投产，本工程的码头通过能力将释放更大潜力。
结语
本文通过对南通港吕四作业区# 8~# 9码头工程设计方案的介绍，针对全自动化集装箱码头的建设，总结在类似工程中可供参考的建议：
集装箱水平运输设备采用智能集卡可降低工程投资和能耗，同时也是未来自动化集装箱码头的发展趋势。
集装箱码头的自动化、智能化是大趋势，对于新建码头，考虑到投资控制和港区发展预期，可采用分阶段实现自动化的实施方案。
随着5G通信技术的进步，港区智慧系统的开发也具有重要意义，其优劣将直接决定集装箱港口的运行效率和市场竞争力。
本文标题：南通港通州湾起步港区自动化集装箱码头建设要点
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