自动化集装箱码头的设计与仿真

目前自动化集装箱码头采用的水平运输有自动导引运输车和跨运车以及最近在天津港试用的轨道梭车三种方案。

1.AGV

AGV是指装备有电磁或光学等自动导引装置，由计算机控制并且能够沿规定的导引路径自动行驶的运输车辆。 自动导引运输车系统（AGVs）是具备AGV特性的一整套系统，一般包括数量不等的AGV车辆、上位控制系统、导航系统、通信系统和充电系统等。

AGV具有无人驾驶、自动导航、定位精确、路径优化以及安全避障等智能化功能，目前国际上均采用在运行路线上设置导向信息媒介的导引方式，如磁钉等。AGVs根据搬运任务要求AG，由V计算机管理系统A优G化V运算得出最优路径后，通过控制系统向某辆处于最优状态的发出指令信息，接受指令后通过机上的导向探测器检测到导向信息，对信息实时处理后，沿规定的运行线路行走，完成搬运任务。与早期采用定作业线的车队调度系统不同，当今的AGV车队调度系统采用了更高效、应变能力更强的“调度池”的决策构架和经反复可靠的计算机仿真论证的系统方案，满足了当今大型集装箱船舶装卸对水平运输的效率要求。

AGV的驱动方式最初采用柴油内燃机液压驱动，柴油机驱动的AGV一般采用单台六缸柴油机，输出功率大于200 kW，一次加满油后能作业几十小时，载重60 t时车速达20 km/h以上。2006年Gottwald公司推出了柴油发电机驱动的AGV，在此基础上2008年又推出了带升降平台的提升式AGV，由AGV升降平台对设置在堆场海侧交接区的固定集装箱支架起、落箱，达到AGV无须被动等待堆场设备赶来装卸车的目的，解决了水平运输与堆场作业间的“解耦”问题，使得AGV单车的作业效率得到大幅提升，AGV车队由此可减少约40%的配置数量。2009年采用可充式铅酸电池作为动力的AGV进入试验阶段，并于2011年投入商业运行。2012年Gottwald公司又推出电池动力的提升式AGV。纯电力驱动的AGV自重轻，能耗较小，能源效率系数高，无废气排放，绿色环保，且维护成本较低，是今后发展的主要方向。该产品推出后很快得到用户的认可，荷兰鹿特丹港的马士基二期APMT码头和RWG码头分别订购了37台和59台电池驱动的提升式AGV，美国长滩LBCT码头和德国汉堡HHLA-CTA码头则分别订购了72台和8台电池驱动的AGV。

根据Gottwald的资料，该电池将提供至少8h的续航时间，之后AGV将进入电池交换站，通过一个完全自动化的过程进行电池替换后再继续工作。换下的电池开始进行充电，之后不断重复该过程。电池的充电时间约6.5 h。

上海振华重工有限公司也推出了全电力驱动的AGV，并且在堆场海侧交接区布置AGV伴侣。AGV伴侣能够将AGV上的集装箱顶升到伴侣或将伴侣上的箱子落到AGV上，使AGV进入该箱区后无须等待ARMG的装卸车作业，由AGV伴侣形成水平运输和堆场作业间的缓冲，并在AGV伴侣上增配充电装置解决AGV快速充电的问题。AGV电力源为车载可充式锂电池，一次充满可运行4h，作业过程中可在堆场前通过AGV伴侣附设的充电装置进行在线多次补充电力，充电时间约1.5 min，能满足长时间的作业要求。该方案将在厦门港使用。

振华重工推出的电力驱动AGV采用两台60 kW电机，满载运行车速为12.6km/h，空载21 km/h。

目前应用AGV的港口主要有荷兰鹿特丹的ECT码头、Euromax码头，德国汉堡HHLA-CTA码头等。

AGV与堆场交接区（AGV伴侣）的示意如图3-2所示。德国汉堡的自动化码头AGV与堆场交接区如图3-3所示。

图3-2　AGV与堆场交接区（AGV伴侣）的示意图

图3-3　德国汉堡的自动化码头AGV与堆场交接区

2.跨运车

港口跨运车是一种多用途机械，具有机动灵活、取箱对位快、装卸效率高的特点，既可装卸又可进行短距离运输，实现了取送运一机多用，它的使用能减少码头作业机械的机种和数量，调配管理较为方便。

与集装箱拖挂车、AG V不同，码头配备跨运车后，岸桥将从船上卸下的集装箱可直接放在跨下或后伸臂工作范围内，不需等候跨运车的到来，反之装船时跨运车把集装箱送至装卸桥跨下或后伸臂工作范围内即可离开，装卸桥可随时取走集装箱。这样，岸桥的工作循环不受水平运输机械是否及时到位的影响，两者可基本独立，不再相互等待，在两者间存有缓冲的余地，使码头岸桥的装卸船作业效率提升的潜力得以发挥。

由于跨运车仅能跨一列箱，故采用跨运车作为堆场作业设备的集装箱堆场平面箱位利用率很低，虽然会采用堆二层或三层箱高的方式，但仍比RTG或RMG堆场的箱容量低很多，而且跨运车堆箱高度越高车体自重越大，行走速度受稳定条件的约束将会越低，作业效率和能耗也会相应劣化。洋山四期堆场受地形条件约束，堆场面积窄小，客观上采用跨运车作为堆场作业设备方案根本无法满足码头通过能力对堆场容量的要求。

针对跨运车的上述缺点，国际上一些专业设备厂商开发出了仅用于码头岸桥和堆场间集装箱水平穿梭搬运的跨运车，即跨箱搬运车（也称穿梭机，以下简称SC），这种跨运车只运不堆，其提升高度仅为堆一过一。由于起升高度的降低，使得跨运车的构造简单，自重和造价也相应降低。由跨箱搬运车与ARMG配合作业，既解决高密度堆场容量问题又能一定程度解决码头前方岸桥作业受后方集疏运即时到位的影响。

通过计算机控制和管理系统与DGPS导向系统及现场定位雷达（LPR）相结合，可为该种SC车队制订出最佳的自动运行方案和箱位定位从而实现无人的自动化作业。由于SC必须具有集装箱提升功能，所以它的配置功率大于350 kW，相对于仅水平运行的AGV来说要大得多，受电池性价比以及技术工艺限制，目前还无法做到全电动的跨运车，只能采用柴油发电机驱动。有些港口如西班牙TTI Algeciras码头、美国弗吉尼亚码头等虽然称自动化码头，但实际跨运车仍由人工驾驶。

跨运车与堆场交接区的示意如图3-4所示。

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图3-4　跨运车与堆场交接区的示意图

目前应用跨运车的自动化码头主要有澳大利亚布里斯班集装箱码头（图3-5）、西班牙TTI Algeciras集装箱码头（图3-6）、比利时安特卫普DPW集装箱码头（图3-7）、德国汉堡HHLA-CTB码头等。

跨运车使用的最新情况：

韩国釜山新港2～3期工程项目是将使用集装箱跨运车的自动化码头，码头规模为5万t级，4个泊位的岸线长度为1400 m；向诺尔公司订购了NSC422柴油液压式、堆一过一的集装箱跨运车，跨运车和轨道式龙门起重机的自动化作业均由DGPS系统支持。

图3-5　澳大利亚布里斯班集装箱堆场后方使用跨运车

图3-6　西班牙TTI Algeciras集装箱码头使用的跨运车

图3-7　比利时安特卫普PWD集装箱码头使用跨运车

美国弗吉尼亚港Craney Island集装箱港区项目为自动化码头，分两期进行。一期岸线长度930 m，能力为150万TEU；二期岸线长度2480 m，能力为500万TEU。计划选用跨运车和轨道式龙门起重机的组合方案。

3.轨道梭车

为了弥补ARMG在堆场水平运输方面的缺陷，在现有ARMG工艺的基础上，引入“梭车接力运输系统”。堆场使用轨道梭车效果图如图3-8所示。堆场内的集装箱水平运输由梭车系统完成，ARMG则专注于集装箱的装卸作业。虽然引入“梭车接力运输系统”会降低场地的有效利用率，也会对堆场设备调度系统提出更高的要求，但是这种创新方案的优势更为明显：

图3-8　堆场使用轨道梭车效果图

①适用于长距离堆场的使用要求，满足天津港新码头规划纵深距离长的设计特点。该创新方案能够在维持堆场集装箱进出效率的前提下，为码头提供更加充裕的场地资源。

②能够实现集装箱一次到达指定位置，降低堆场整体翻捣率。

③降低对ARMG带箱运行速度的要求。一方面，可以减少“啃轨”等问题的发生频次，提高设备运行的稳定性；另一方面，可以使ARMG的造价明显降低。

④可以有效减少堆场装卸系统的整体能耗。

⑤提高了堆场装卸系统的通过能力。