一种新型立体轨道式自动化集装箱码头及其效能分析

梁 燕 吴富生 叶 军

1.上海交通大学，上海，200240 2.上海振华重工（集团）股份有限公司，上海，200125

0 引言

目前，大部分的集装箱码头采用的是传统的运输模式，即码头前沿与堆场间的水平运输由集卡（Truck）完成。在人口递减、劳动力成本昂贵和熟练劳动力匮乏的地区，自动化集装箱码头首先受到关注。鹿特丹港ECT码头、德国汉堡港由HHLA码头公司经营管理的Altenwerder码头以及ECT Euromax码头相继建成了自动化集装箱码头［1］。自动化码头的岸桥部分与传统码头装卸工艺基本相同，平面运输的方式是二者主要的区别。自动化码头采用内燃机驱动的自动导航小车（automatic guided vehicle，AGV）取代了传统的集卡。AGV装卸区与后方堆场之间的运输则由堆垛内的自动起重机（automated stacking crane，ASC）来完成，该部分也为无人操作。码头中央控制室对AGV和ASC进行管理和控制，实现了完全自动化。

传统码头采用集卡实现岸桥与场桥间集装箱的转运，集装箱定位对司机的技术水平要求较高，对人的依赖性较强，不易实现智能控制，人为造成的故障率高［2］。目前的自动化码头采用AGV实现岸桥与场桥间集装箱的转运，AGV虽然可以自动导航及定位，但由于导航系统及软件昂贵，致使码头前期投资成本高；另外，由于AGV小车长距离平面转运，容易引发交通阻塞，影响装卸效率。集卡和AGV均采用内燃机驱动，会导致燃油消耗、废气与噪声污染增加，不符合当今能源危机下低碳经济的环保理念。

综上所述，码头前沿与堆场间的转运方式已成为码头发展的一大瓶颈。因此，亟需探索新工艺、研制新设备、开发新系统，彻底改变这种平面转运方式，加快岸桥与场桥间的集装箱周转，实现智能化调度控制，最终在提高码头装卸效率的同时，实现节能环保、安全可靠的装卸。

1 一种新型的立体轨道式装卸系统

立体轨道式自动化码头系统的主要设备包括岸边集装箱起重机（quayside crane，QC）、立体轨道平板小车（frame trolley，FT）、立体轨道起重小车（lifting trolley，LT）、地面平板小车（ground trolley，GT）、轨道 式 集 装箱龙门起重机 （rail mounted gantry crane，RMG）。立体轨道式自动化码头系统组成如表1所示。

表1 立体轨道式自动化码头系统组成

立体轨道式自动化码头设备的运行指令均由码头中央控制室统一调配，实现了完全自动化。立体轨道式自动化码头与AGV自动化码头在设备性能方面的对比分析如表2所示。

表2 自动化码头设备性能比较

由表2可见，立体轨道式自动化码头在设备单次作业能力、定位精度及系统柔性等方面均优于AGV自动化码头，此外，以GPS导航的自动化码头系统价格昂贵，而立体轨道式装卸系统取消了复杂又昂贵的导航系统，整个系统完全置于轨道上，至少可节约成本20%。利用电驱动的立体轨道水平运输取消了内燃机驱动的传统转运方式，不仅解决了噪声大、排放超标、污染环境等问题，也可降低运营成本。

2 立体轨道式自动化码头的效率与能耗分析

立体轨道式自动化装卸系统是一种全新的自动化码头模式，在当前的低碳经济时代，为集装箱码头装卸系统开辟了新的出路。为了验证其高效、节能的突出特点，下面分别在装卸效率和作业能耗两个方面，将该立体装卸系统与现有集装箱码头进行对比分析。

2.1 装卸效率对比

港口生产调度水平的高低直接影响港口能耗。高水平的生产调度可以合理配置参加装卸作业的装卸机械，减少待机时间；可以尽可能减少作业中间环节，合理安排工艺流程，缩短运距；可以合理安排作业时间，“削峰填谷”，取得明显的节能效果［3］。装卸效率直接体现了调度水平的高低，因此，借助计算机仿真方法将立体轨道式自动化码头分别与传统码头和AGV自动化码头在装卸效率方面进行了对比分析。

利用Witness软件结合DirectX工具建立立体轨道式自动化码头三维仿真分析模型，如图1所示。按照相同的堆场面积（400m×400m）配置，根据码头经验统计值及仿真修正值，得出不同码头的效率，如表3所示。

表3 码头装卸效率对比

由表3可见，立体轨道式自动化码头相比传统码头和AGV自动化码头，堆场利用率分别提高了22%和41%，作业效率分别提高了20%和67%。以卸载完成容量为4800TEU的货船为例，不考虑工人换班等因素，立体轨道式自动化码头需16h，传统码头需19.2h，AGV自动化码头需26.7h。货船在港停靠时间的缩短会降低船东及码头的运营成本，提高码头的竞争力。

2.2 作业能耗对比［4］

码头装卸流程包含多个作业环节，如岸桥装卸、码头水平运输、码头堆场装卸、码头陆侧运输与装卸等。立体轨道式自动化码头区别于现有码头的显著特点是，码头水平运输设备及工艺不同。因此，为了分析立体轨道式自动化码头相对于现有码头的节能减排优势，只对码头水平运输进行能耗计算。以卸船为例，3种码头的不同运输设备及工艺如表4所示。

表4 码头的装卸工艺及设备比较

进行能耗对比时，以相同的码头布局为前提，同时以卸船为例，计算利用不同的运输设备完成一个40ft集装箱水平运输的能耗。集装箱在堆场的位置不同会影响运输设备的作业路径，从而影响作业能耗。因此，假设在堆场水平及垂直方向的作业路径大小均取平均值，计算运输设备的平均能耗，作业路线如图2所示。

在立体轨道式自动化码头中，RMG对某一贝集装箱作业时，需由当前位置空载移动至目标贝位。以图2中堆场布局为例，RMG大车轨道方向可放置19贝40ft箱，RMG在两个相邻40ft箱贝位间移动距离为12.916m，设RMG当前位置为x，目标位置为y（x、y代表RMG相对第一贝移动的贝数，0≤x≤18，0≤y≤18），则RMG空载移动的平均距离

由式（1）计算得L＝77.5m。RMG移动1个平均距离后可以装卸多个集装箱，本文在计算RMG能耗时按最差情况考虑，即移动一次只装卸1个集装箱。

由计算结果得出立体轨道式自动化码头、传统码头以及AGV自动化码头完成一个集装箱的水平运输能耗，如表5所示，由于水力、风力或太阳能发电过程不产生CO2，而火力发电过程产生CO2，故表中CO2排放量为某一区间值；CO2排放量根据文献［5］中的碳排放公式计算。

表5 码头水平运输能耗对比

假设将火电与水电（或风电等清洁电能源）按1∶1配比。由表5可见，立体轨道式自动化码头相比与传统码头和AGV自动化码头，水平运输能耗成本可分别节约75.4%和89%，CO2排放量分别减少60.3%和83.9%。以完成4800TEU货船的装卸为例，立体轨道式自动化码头相对于传统码头和AGV码头在水平运输环节可分别节约作业成本40 466元和106 527元，减少CO2排放12 408kg和42 720kg。由于立体轨道式装卸系统实现了完全自动化，减少了对司机的依赖，人工费用也将大大降低。

综上所述，立体轨道式自动化码头无论在装卸效率还是节能环保方面均具有明显优势。其高效性可以满足日益增长的集装箱运量的飞速发展以及集装箱船舶的大型化发展趋势，同时其节能环保性能可以很好地应对当前能源危机，符合低碳经济的环保理念。

［1］彭传圣.集装箱码头的自动化运转［J］.港口装卸，2003（2）：1－6.

［2］Cao Jinxin，Shi Qixin，Lee Der－Horong.A Decision Support Method for Truck Scheduling and Storage Allocation Problem at Container［J］.Tsinghua Science and Technology，2008，13（S1）：211－216.

［3］交通节能网.港口能源消耗的主要因素及节能建议［EB／OL］.（2008－01－08）［2011－02－15］.http：／／www.china－esi.com／pat／6587.html

［4］梁燕，吴富生，金建明.立体轨道式自动化集装箱码头作业能耗分析［J］.起重运输机械，2010（11）：1－6.

［5］碳排放计算公式［EB／OL］.［2011－02－15］.http：／／trans.wenweipo.com／gb／paper.wenweipo.com／2010／01／03／NS1001030006.html