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隨著集裝箱船的大型化,集裝箱碼頭面臨吞吐量急劇增加的巨大壓力。加之勞動力成本增加和勞動力資源匮乏,以及環保理念深入人心,高效節能的自動化碼頭已成爲碼頭發展的趨勢,而科學技術的進步則爲自動化碼頭的發展帶來新的機遇。
自動化碼頭的出現和發展
自動化集裝箱碼頭首先出現在勞動力成本昂貴和熟練勞動力匮乏的歐洲。20世紀80年代中後期,自動化技術的發展使得英國泰晤士港、日本川崎港和荷蘭鹿特丹港率先規劃嘗試建設自動化集裝箱碼頭,運營效果達到了預期目標.但受經濟波動和財政政策的影響,自動化集裝箱碼頭的發展一度陷入了停滯狀態.世界上第一個自動化集裝箱碼頭在1993年于荷蘭鹿特丹港投入運行,接著是英國倫敦港、日本川崎港、新加坡港、德國漢堡港等相繼建成全自動化或堆場自動化即半自動化的集裝箱碼頭.
自動化碼頭的主要優缺點概述
1) 高度的自動化程序,無需或僅需極少的人工操作,提高企業生産效率;2) 整個工藝的生産流程穩定一致性,適合大批量作業,降低了企業生産運營成本;3) 可以執行一些手工困難或不可能進行的作業和測試,通過自動化測試模擬同時抵達許多用戶端,更好地利用共享資源;4) 將更多的作業人員和測試技術人員解脫出來,提高了工作效率;5) 但自動化不能完全取代手工操作和測試,有很多需要人腦判斷結果的手工操作和測試案例,或者代價太大;6) 實行自動控制與管理,技術性比較強,對工作人員的技術業務素質要求比較高,必須具有一定的文化水平和專業知識,而且經過專門培訓的人員才能勝任。
自動化集裝箱碼頭的發展過程
1) 第一代以1993年投入運營的荷蘭鹿特丹港ECT(Europe Combined Terminals)碼頭爲代表;
2) 第二代以2002年投入運營的德國漢堡港CTA (Container Terminal Altenwerder)碼頭爲代表;
3) 第三代以2008年投入運營的荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭爲代表;
4) 第四代以剛建成的廈門遠海全自動化集裝箱碼頭爲代表,是中國第一個全自動化碼頭,也是采用衆多創新技術的第四代自動化集裝箱碼頭。
主要的自動化碼頭發展現狀大PK
荷蘭鹿特丹港
荷蘭鹿特丹港ECT Delta Sealand碼頭的岸橋采用單小車布置,集裝箱水平運輸采用自動導引小車(Automated Guided Vehicle,AGV)並沿固定圓形路線運行.堆場每個堆區有1台高速無人駕駛軌道吊,堆場爲6排箱,堆4層. AGV裝卸點位于岸橋門框內,AGV不進入堆場,其裝卸點位于堆場端部並垂直于3,AGV速度是3m/s,采用內燃機液壓驅動。如果場橋發生故障,則堆場同一箱垛的裝卸作業會受到嚴重影響。由于AGV以固定路線行駛,路線長,不靈活,會産生堵塞,堆場前沿占用面積大,因此,ECT在總結Delta Sealan自動化碼頭建設和使用經驗的基礎上,于97年建成Delta Dedicated(DDE)自動化集裝箱碼頭,2000年建成Dedicated Wes(DDW)自動化運轉集裝箱碼頭。
08年投入運營的荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭代表了第三代集裝箱自動化碼頭,它的泊岸設備爲雙小車岸橋,AGV速度是6m/s,采用柴油發電機電力驅動,作業于岸橋後伸區域.堆場區采用全自動軌道式龍門集裝箱起重機ARMG,可堆5過6,跨10列集裝箱。與第二代相比,堆場每個堆區內的軌道吊爲接力式對稱布置,岸橋理論裝卸效率爲40(標准箱)/h.上海振華重工集團是Euromax碼頭岸橋設備供應商.Euromax碼頭采用德國Dematic公司的Dynacore導航軟件對AGV進行導航和控制,並采用美國Navis公司的信息自動化軟件對碼頭進行管理。堆場內每個箱區設有1條AGV通道。在相互交叉的情況下,AGV不僅可以直行,而且可以轉彎、環行,還可在軌道式龍門起重機的門腿間進行裝卸作業。
新加坡巴西班讓(Pasir Panjang)碼頭
新加坡巴西班讓自動化集裝箱碼頭采用的是岸橋(單小車)-拖挂車-高架棧橋式自動化集裝箱起重機工藝系統。拖挂車由人工駕駛,轉運集裝箱時位于岸橋跨距內。堆場布置與碼頭岸線平行。堆場設備采用了桁架式自動化場橋,這種場橋可堆高8個集裝箱,跨9個集裝箱.堆場內將自動化場橋與軌道龍門吊相結合,完成港口堆區的集裝箱作業,實現堆場作業自動化。
自動化場橋負責處理中轉箱,集卡在自動化場橋的跨下裝卸集裝箱(車道);軌道龍門吊用于處理非中轉箱,人工操作,集卡在軌道龍門吊的兩側裝卸集裝箱。自動化場橋共有6條作業線,每條線分爲5個箱區,每個箱區配置兩台小車,每台小車有自己的工作區域,每個操作人員可同時操作4~5台場橋小車.場橋小車之間裝有防撞設施,當場橋小車發生故障後,可以將場橋小車從作業區域移開,進行維修而不耽誤堆區內的作業。該自動化場橋工藝有以下特點:場橋代替了吊具的大型車,節約能源;大大節約了人力成本,1個堆區8台機,僅需2人操作;裝卸過程簡單,裝卸過程優化易于實現;維修方便,不會影響堆場的作業。
德國漢堡港
德國漢堡港CTA集裝箱碼頭建于1999年,1期工程于2002年建成投産,是第二代集裝箱自動化碼頭的代表。CTA碼頭岸線長約1400m,共有4個泊位,堆存能力3萬TEU(20英尺標准集裝箱);碼頭前沿配備14台超巴拿馬型岸橋,可快速裝卸大型集裝箱船;鐵路作業區有6條長700m的平行裝卸作業車道,配備4台跨6條車道的軌道式龍門起重機進行裝卸作業。
CTA集裝箱碼頭的特點是岸橋爲雙小車結構,水平運輸采用AGV(在岸橋的後伸區域),以靈活路線運行;堆場每個堆區內的2台軌道吊爲穿越式布置,堆場爲10排箱,堆4層。碼頭的路徑規劃設計和設備調度采用了計算機模擬技術,AGV利用異頻雷達導航,相對于固定路線運行,其效率更高,但是調度更複雜。AGV起初采用內燃機液壓驅動,後來采用柴油發電機供電的電力驅動,2009年逐步升級爲動力電池供電的電力驅動以減少排放。2台軌道吊冗余配置,某台發生故障時對作業的影響較小,但是投資成本加大。由于集卡需進入堆區作業,定位困難,另AGV按不固定路線運行,因此調控較複雜。
日本名古屋碼頭
日本名古屋港Tobishima集裝箱碼頭是日本首個全自動集裝箱碼頭,也是目前公認的世界上最先進的自動化集裝箱碼頭之一。該碼頭共有2個泊位,分別于2005年12月和2008年12月投入運營。由于日本爲多地震國家,其集裝箱碼頭的結構和設備均采用強化抗震的設計工藝,以減小地震危害。
Tobishima集裝箱碼頭采用岸橋(單小車)-AGV-ARTG裝卸工藝.碼頭前沿共配備6台超巴拿馬型岸橋。堆場區采用的全自動輪胎式龍門集裝箱起重機(ARTG)爲堆4過5型、下跨6排箱。水平運輸采用AGV,AGV在岸橋跨距內或後大梁下停放並轉運集裝箱。按指令運行至堆場內時,由ARTG裝卸集裝箱.堆場布置沿碼頭岸線平行方向。Tobishima集裝箱碼頭是目前世界上唯一采用AR TG作爲堆場設備的自動化集裝箱碼頭。與一般的輪胎式龍門起重機相比,AR TG具有精度高、對位准、穩定性好、自動化程度高等優點,且具備自動糾偏、光電控制、液壓汽缸防搖等功能。此外,該碼頭采用智能道口系統光學字符識別(OCR)技術和無線射頻識別(FRID)技術,結合電子信息提示牌、閘道系統、道口自助終端系統等多重設施,可實現集卡車號及集裝箱箱號的自動采集。
ZPMC自動化碼頭
2007年上海振華重工集團(ZPMC)提出了世界上第一個高效智能型立體裝卸集裝箱系統的概念,位于ZPMC長興島基地的示範線在開發過程中得到了上海市科委和國家863計劃的支持。該自動化系統將傳統碼頭的水平運輸概念推廣到立體運輸,采用立體式軌道高低架橋和清潔能源電動車輛(軌道橋電動小車、地面軌道回轉式電動小車、軌道橋電動起重小車)組成轉運系統,它將傳統的AGV改爲兩個方向立體交叉運行的軌道平板車,上層與岸橋大車軌道平行,下層則與岸橋大車軌道方向垂直,由高架軌道起重機實現上下層升降銜接以及90°旋轉。經現場試驗,示範系統(1條線)達到80TEU/h以上的裝卸效率,作業效率比目前世界集裝箱碼頭平均裝卸效率提高5%~10%;同時在節能、降低廢氣排放、降低噪音汙染、可靠性、安全性等方面提高明顯。
廈門港碼頭
廈門遠海碼頭是國內建成的第一個全自動化碼頭,也是全球首個應用第四代全自動化技術的集裝箱碼頭,將爲已建造碼頭提供升級換代標准。其特點是岸橋爲雙小車,水平運輸采用電池動力靈活路線運行的AGV,堆場內的2台軌道吊爲接力式對稱布置,並引入AGV伴侶來解決軌道吊和AGV的耦合問題。廈門港自動化碼頭在設計階段首次運用了國內具有自主知識産權的仿真系統,進行自動化集裝箱碼頭水平運輸、堆場裝卸、路徑優化等工作的設計、開發、統計和分析。
集裝箱自動化碼頭主要設備
自動化碼頭的主要設備有岸橋、水平運輸工具、堆場起重機等新技術。
岸橋
自動化碼頭發展過程中,岸橋技術也在不斷發展。岸橋經曆了單小車—雙小車—多種改進型的發展過程。
雙小車岸橋上有前小車、中轉平台和後小車。卸船時,前小車負責將船上的集裝箱吊至中轉平台,後小車將中轉平台上的集裝箱吊放到水平運輸工具上。裝船時則按相反過程進行。由于雙小車岸橋2台小車各自的運行路程僅爲單小車岸橋小車運行路程的一半,故工作效率較高。ZPMC針對超巴拿馬船型開發的新型雙小車岸橋具有如下特點:(1)2台小車一高一低;(2)後小車設計速度大于前小車;(3)在中轉平台上提取貨物裝上集裝箱轉銷,取轉銷不占用生産循環時間,提高了生産率。在後大梁下進行集卡裝卸,避免了多輛集卡或AGV進入門框時在轉彎處堵塞。此外還有雙40英尺箱雙小車岸橋,它與雙小車岸橋區別在于前後小車可以同時一次裝卸2個並排40英尺箱,中轉平台可以保證並排的2個箱快速定位。
爲了進一步提高前場堆場作業效率,在雙小車岸橋基礎上,岸橋使用雙大梁岸橋。雙大梁岸橋門框下挂有2支大梁,可以裝卸相鄰艙。雙大梁岸橋在雙大梁上裝有平移機構,這樣不僅單台岸橋可以裝卸相鄰艙,而且可以由多台雙大梁岸橋並排作業同時裝卸多個相鄰艙,隨著自動化碼頭的發展,可以同時卸載相鄰艙的雙大梁岸橋結合雙小車岸橋方案將成爲未來碼頭岸橋發展的趨勢。
水平轉運設備
傳統自動化碼頭水平轉運工具多采用內燃機驅動的集裝箱卡車、跨運車、AGV等。其中AGV是自動化碼頭中最廣泛使用的水平運輸工具,目前以Euromax爲代表的第三代自動化碼頭的AGV速度已經達到6m/s。從運載能力來講,隨著雙小車岸橋出現,甚至三小車岸橋的提出,AGV也從只能運載1個集裝箱向運載2個或多個集裝箱發展。但是使用AGV進行集裝箱轉運也存在不少問題,如投資成本高,環境汙染嚴重,效率低等缺點。
上海振華重工集團于2007年提出的高效智能型立體裝卸集裝箱碼頭系統概念,將碼頭水平運輸推廣到立體運輸,並采用立體式軌道高低架橋和清潔能源電動車輛組成運轉系統。
2013年,上海振華重工集團開發的廈門遠海智能化集裝箱碼頭中,所有集裝箱的搬運均采用市電驅動;AGV首次采用锂電池動力,並實施“機會充電”新理念(根據每個循環需進入交換區由AGV伴侶裝卸集裝箱的特點,在交換區設置充電裝置,在AGV伴侶作業的同時,補充每個循環的電能損失),使得200A·h級大載荷運輸車輛采用電池驅動成爲現實。經預測,由于采用了市電和锂電池等清潔能源驅動,碼頭本身無汙染、零排放。此外,創新設計的AGV伴侶解決了設備的作業耦合和擁堵問題。AGV與雙小車岸橋的門架小車一起,使得AGV與自動化軌道吊以及岸橋主小車之間不需相互等待,可提高作業效率和設備利用率。ZPMC的AGV主要技術如下:(1)自動完成泊車位置檢測,電刷自動進入導電軌道;(2)自動位置補償(三向);(3)快速作業,機構動作總時間小于10s;(4)全天候操作環境,安全防護技術。
堆場起重機
自動化集裝箱碼頭堆場起重機主要是全自動輪胎式龍門集裝箱起重機AR TG或全自動軌道式龍門集裝箱起重機ARMG、AR TG采用內燃機驅動,運行靈活性強。ARMG則按照固定軌道行駛,使用電動車輪驅動,環境汙染小.在迄今三代自動化碼頭中,ARMG占據多數。
目前ARTG、ARMG由吊1個集裝箱向吊多箱發展。ZPMC設計研發了可以同時吊2個40英尺或4個20英尺集裝箱的ARMG(雙起升場橋),效率比常規岸橋提高30%以上。
此外德國漢堡港CTA自動化集裝箱碼頭在堆垛時,采用一高一低2台全自動軌道式龍門集裝箱起重機ARMG。2台ARMG軌距不同並運行在不同軌道上,可以互相穿越運行,各自均可獨立裝卸箱垛任何一部分,裝卸效率和靈活性較高。廈門港自動化碼頭堆場內ARMG爲接力式對稱布置,借助AGV伴侶來解決軌道吊和AGV的耦合問題。不難想象,可吊多箱的全自動輪胎式/軌道式龍門集裝箱起重機將在日後的自動化碼頭堆場中得到越來越廣泛的應用,而堆場工藝的創新將進一步提高堆場效率。
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