引 言

青島港前灣港區(qū)迪拜環(huán)球碼頭工程是全自動(dòng)化集裝箱碼頭，工程位于青島港前灣港區(qū)南岸，建設(shè)規(guī)模為 10 萬 t 級和 3 萬 t 級集裝箱泊位各 2 個(gè)。岸線總長度 1 320 m，陸域縱深 784 m，可*大停靠20 萬 t 級集裝箱船，設(shè)計(jì)年通過能力 300 萬 TEU。2019 年 11 月，其二期工程也正式投入使用，標(biāo)志著該項(xiàng)目整體正式投入運(yùn)營。

1 主要技術(shù)**點(diǎn)

本項(xiàng)目潛心研究了適合青島港實(shí)際情況的全自動(dòng)化集裝箱碼頭的關(guān)鍵技術(shù)，在項(xiàng)目前期研究、設(shè)計(jì)以及施工過程中，取得了一系列**性成果。主要科技**內(nèi)容如下。

1.1 通過仿真模擬優(yōu)化的總體布置設(shè)計(jì)

1）采用多目標(biāo)優(yōu)化算法優(yōu)化碼頭總體布置

自動(dòng)化集裝箱碼頭的總體設(shè)計(jì)與碼頭的投資、吞吐能力、堆場能力、疏運(yùn)能力、自動(dòng)化程度、作業(yè)效率、運(yùn)營安全等密切相關(guān)，其平面布置是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，將各子目標(biāo)達(dá)到平衡，使總目標(biāo)*優(yōu)。通過對自動(dòng)化碼頭全局性目標(biāo)和局部性目標(biāo)的分析，基于多目標(biāo)遺傳算法，進(jìn)行自動(dòng)化碼頭總體布置優(yōu)化仿真。

2）基于仿真模擬結(jié)果優(yōu)化總平面布置

運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化算法建立總體布置優(yōu)化模型，對總體平面布置進(jìn)行模擬，根據(jù)模型結(jié)果分析調(diào)整設(shè)計(jì)后，再經(jīng)過仿真模擬評價(jià)驗(yàn)證，*終確定了*優(yōu)的方案，用以指導(dǎo)總平面設(shè)計(jì)工作。

通過對仿真結(jié)果的分析，確定了裝卸工藝設(shè)備的配比數(shù)量和堆場模數(shù)，并確定將冷藏箱區(qū)布置在堆場中間的*優(yōu)方案。*終形成全自動(dòng)化集裝箱碼頭總體優(yōu)化布置。

3）國內(nèi)開創(chuàng)的垂直碼頭堆場布置型式

根據(jù)集裝箱自動(dòng)化裝卸工藝的要求，節(jié)省 AGV行走路徑，堆場布置國內(nèi)開創(chuàng)采用垂直碼頭布置型式，使常規(guī)的集卡與堆場的作業(yè)限制在堆場的陸側(cè)交互區(qū)，堆場至碼頭前沿實(shí)現(xiàn)全程無人化管理。

4）進(jìn)出分開的閘口布置型式

工程輔助建筑均布置在場區(qū)后方，按不同功能分區(qū)布置，通過多方案比選，設(shè)計(jì)采用進(jìn)出閘口分開的布置方案，使場區(qū)內(nèi)形成單向車流，逆時(shí)針行駛進(jìn)行裝卸作業(yè)，車流組織提高了碼頭的裝卸效率。

1.2 采用****的集裝箱自動(dòng)化裝卸工藝

碼頭裝卸船作業(yè)采用世界開創(chuàng)無人化雙小車岸邊裝卸橋，主小車后半程和門架小車全程可實(shí)現(xiàn)無人操作，為目前世界上自動(dòng)化、智能化程度*高的岸邊集裝箱裝卸起重機(jī)。

集裝箱水平運(yùn)輸采用*先進(jìn)的自帶起升功能的自動(dòng)化引導(dǎo)車（L-AGV），由自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸，海側(cè)交互區(qū)設(shè)置 AGV 支架，減少了L-AGV 等待時(shí)間，提高了 L-AGV 水平運(yùn)輸效率。

堆場內(nèi)集裝箱運(yùn)輸采用世界先進(jìn)的全自動(dòng)集裝箱軌道式龍門起重機(jī)（ARMG），實(shí)現(xiàn)了整個(gè)堆場及海側(cè)交互區(qū)的集裝箱全自動(dòng)作業(yè)，每個(gè)箱區(qū)配備兩臺(tái) ARMG，相互冗余，增強(qiáng)了堆場工作效率，提高可靠性。

1.3 智能化自動(dòng)化的控制系統(tǒng)

全自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)系統(tǒng)根據(jù)布局分為岸邊裝卸系統(tǒng)、水平運(yùn)輸系統(tǒng)、堆場裝卸系統(tǒng)與集疏運(yùn)系統(tǒng)四大部分，作業(yè)系統(tǒng)總體布局及各系統(tǒng)間的連接如圖 1 所示。

在計(jì)算機(jī)管理與控制方面，工程采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)（TOS）和先進(jìn)的設(shè)備控制系統(tǒng)（ECS）。通過 ECS 與 TOS 之間的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)任務(wù)指令傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)裝卸設(shè)備和集裝箱運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化控制管理。控制系統(tǒng)又可分為如下子系統(tǒng)。

全自動(dòng) AGV 控制系統(tǒng)，通過設(shè)備監(jiān)測、信息傳遞及智能化的控制管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) AGV 的自動(dòng)規(guī)劃運(yùn)行、自動(dòng)導(dǎo)航、**定位、自動(dòng)識(shí)別及自動(dòng)避讓。

ARMG 控制系統(tǒng)，通過設(shè)備監(jiān)測、信息傳遞及智能化的控制管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 ARMG 的自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)定位、自動(dòng)識(shí)別及自動(dòng)起裝箱等操作。陸側(cè)交互區(qū)安全控制系統(tǒng)，集卡司機(jī)將卡車停到指定位置后，在指定位置通過刷卡、按鈕或壓力傳感器等技術(shù)手段，通知 ARMG 作業(yè)，保證人員和集卡在裝卸過程中的安全。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于生產(chǎn)管理、設(shè)備控制系統(tǒng)的服務(wù)器具備大容量、計(jì)算速度快、高可靠性等特點(diǎn)。輔助控制系統(tǒng)，包括圍網(wǎng)、堆場門禁系統(tǒng)，保證自動(dòng)化堆場的生產(chǎn)操作安全。

橋吊箱號自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，通過對接作業(yè)管理系統(tǒng)及對應(yīng)岸橋和場橋的 PLC，獲取作業(yè)工況、起箱高度、作業(yè)箱號等信號，箱號自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)觸發(fā)啟動(dòng)集裝箱號監(jiān)控相機(jī)，截取相應(yīng)的箱號圖像，對畫面中包含集裝箱號的圖像進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)集裝箱號的自動(dòng)化識(shí)別。

智能化的集裝箱閘口控制系統(tǒng)，通過進(jìn)出各三道閘的控制，實(shí)現(xiàn)了車牌號、箱號自動(dòng)識(shí)別，信息自動(dòng)采集，信息自動(dòng)驗(yàn)證，容錯(cuò)自動(dòng)處理等多種智能化功能。

1.4 **設(shè)計(jì)與施工的高速重載軌道結(jié)構(gòu)

1）**設(shè)計(jì)的高速重載軌道結(jié)構(gòu)

針對堆場 ARMG 設(shè)備高速重載運(yùn)行的特點(diǎn)，對基礎(chǔ)設(shè)施的承載力提出了較高的要求，軌道基礎(chǔ)采用 PHC 管樁+鋼筋混凝土軌道梁結(jié)構(gòu)，軌道梁樁基支撐，保證使用期無沉降，*大限度滿足了ARMG 對地基不均勻沉降及承載力的嚴(yán)苛要求。截止目前，一期工程已正式運(yùn)營近三年，未發(fā)生任何因軌道梁沉降造成的維修事故，實(shí)施效果超過了預(yù)期，節(jié)約了工程后期運(yùn)營成本。

軌道壓板扣件采用大壓板形式，具有鋸齒狀鎖緊裝置及擋肩設(shè)計(jì)，大大增加了鎖緊效果，同時(shí)又保證了鋼軌的合理伸縮變形，保證了設(shè)備高速度運(yùn)行的安全可靠。

2）高速重載起重機(jī)軌道安裝施工工法

龍門式起重機(jī)軌道安裝是設(shè)備安裝和土建施工之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。全自動(dòng)集裝箱軌道式龍門起重機(jī)滿載時(shí)速可達(dá)到 270 m/min，由靜止加速至*大速度只需 12.86 s，運(yùn)行加速度超過常規(guī)集裝箱龍門起重機(jī)的 2 倍，因此對自動(dòng)化碼頭高速重載軌道的安裝施工提出了更高的要求。

工程施工單位通過研究了新型軌道安裝工藝，以及新型鋼軌的鋁熱焊工藝，保證軌道一次鋪設(shè)無縫銜接，同時(shí)對軌道安裝施工過程中的工具和工法進(jìn)行了**，成功應(yīng)用于本工程的軌道安裝施工。

采用新型軌道安裝工法實(shí)施后，軌道施工成果順利通過了檢驗(yàn)，在同一截面兩軌高差、軌道截面表面公差、直線段等各項(xiàng)驗(yàn)收數(shù)據(jù)均達(dá)到了嚴(yán)苛的設(shè)備

安裝標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)誤差控制在±3 mm 以內(nèi)。

1.5 改進(jìn)的 AGV 充電與動(dòng)力系統(tǒng)

1）采用鈦酸鋰電池 AGV 動(dòng)力系統(tǒng)

國外 AGV 普遍采用鉛酸電池，需要換電站及備用電池。換電站投資大且風(fēng)險(xiǎn)高，AGV 自重大且能耗高，電池滿充滿放壽命短。本工程將鈦酸鋰電池技術(shù)應(yīng)用于 AGV 電池動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)碼頭作業(yè)工況，配套研發(fā)了電池管理系統(tǒng)（BMS）和液體循環(huán)溫度管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮鈦酸鋰電池的性能。與鉛酸電池比，電池重量減少 10 t，AGV 自重降低25 %，工程建設(shè)成本及 AGV 系統(tǒng)運(yùn)行成本均大幅降低。

2）AGV 車載集電器與改進(jìn)的滑觸線供電技術(shù)

AGV 取電系統(tǒng)主要包括 AGV 車載可伸縮集電器和交互支架處的地面供電滑觸線等。集電器整體設(shè)計(jì)采用四連桿機(jī)構(gòu)和上下可自動(dòng)調(diào)整裝置，充分適應(yīng) AGV 輪胎磨損、氣壓不足等異常工況。為保證滑觸線平穩(wěn)的接觸，適應(yīng) AGV 運(yùn)行速度的要求，在滑觸線上配以橡膠保護(hù)套和溫控加熱帶裝置，滿足自動(dòng)化碼頭全天候作業(yè)的使用要求。

3）AGV 淺充淺放循環(huán)充電模式

根據(jù) AGV 作業(yè)工況，將集裝箱交互作業(yè)與AGV 充電合二為一，規(guī)劃 AGV 充電、運(yùn)行的調(diào)度策略，開發(fā)出適應(yīng)堆場海側(cè)交互作業(yè)的循環(huán)充電流程，AGV 充電不占用額外時(shí)間，平均每個(gè)作業(yè)流程的充電量大于耗電量，實(shí)現(xiàn)了 AGV 的無限續(xù)航。作業(yè)過程中生產(chǎn)管理系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)與單機(jī)電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信，始終對 AGV 車組的充電進(jìn)行管理與控制，確保 AGV 電池電量維持在 80 %~85 %的*合理區(qū)間，淺充淺放的電池使用方式，使電池的使用壽命至少延長了 1 倍。節(jié)約了更換電池影響的碼頭作業(yè)時(shí)間 5 %，電池循環(huán)使用次數(shù)是國外同類碼頭的 20 倍，電池使用壽命達(dá)到 12 年，是國外同類碼頭的 6 倍。

1.6 智能一體化的綜合應(yīng)用

除上述主要技術(shù)特點(diǎn)外，工程還自主研發(fā)了多項(xiàng)科技**，包括“一鍵錨定”、機(jī)器人解鎖、閘口自動(dòng)控制等，申請發(fā)明** 2 項(xiàng)，實(shí)用新型** 30余項(xiàng)，是多種**技術(shù)綜合應(yīng)用的集中體現(xiàn)。

1）發(fā)明了大型設(shè)備自動(dòng)防風(fēng)錨定系統(tǒng)

目前，國內(nèi)外大型港機(jī)設(shè)備的防風(fēng)錨定，需依靠現(xiàn)場人員介入才能完成，遇突發(fā)情況不能快速響應(yīng)，存在重大的安全隱患。結(jié)合高速設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)，結(jié)合工程無人化的設(shè)計(jì)要求，工程建設(shè)單位設(shè)計(jì)研發(fā)了全新的設(shè)備錨定裝置，集成精準(zhǔn)定位技術(shù)和設(shè)備控制系統(tǒng)，開創(chuàng)了“一鍵錨定”的自動(dòng)防風(fēng)系統(tǒng)，調(diào)度控制系統(tǒng)發(fā)出錨定指令后，設(shè)備可在 2 分鐘內(nèi)自動(dòng)完成防風(fēng)錨定，設(shè)備定位精度在 5 mm 以內(nèi)。系統(tǒng)操作簡單、定位精準(zhǔn)、安全可靠，有效解決了港口大型設(shè)備防風(fēng)的難題，特別是對瞬時(shí)大風(fēng)的應(yīng)急響應(yīng)取得顯著效果。錨定系統(tǒng)流程如圖 2 所示。

2）智能閘口作業(yè)系統(tǒng)

自動(dòng)化集裝箱碼頭需要進(jìn)出分離、多級通關(guān)協(xié)同的智能閘口系統(tǒng)，集成激光掃描、OCR、RFID技術(shù)，智能識(shí)別車號、箱號、尺寸、箱門方向等信息，自動(dòng)校驗(yàn)并異常報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了集卡的高效、快速、流暢通行，構(gòu)建了高效無人閘口管理系統(tǒng)。對比國內(nèi)外相關(guān)工程的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，本工程智能閘口系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

①將信息技術(shù)與集裝箱業(yè)務(wù)集成，簡化業(yè)務(wù)操作流程，實(shí)現(xiàn)集裝箱間口自動(dòng)管理；

②將 OCR 或光柵等識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于車號和箱號識(shí)別，達(dá)到提升集卡車號和集箱箱號的識(shí)別率與識(shí)別速度的目標(biāo)；

③閘口通道實(shí)現(xiàn)了無人值守、箱號與車號自動(dòng)識(shí)別、箱體殘損遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)現(xiàn)空車不停車通過。

3）世界開創(chuàng)的岸橋機(jī)器人解鎖系統(tǒng)

目前實(shí)際應(yīng)用的集裝箱固定鎖墊有 100 多種，一直以來依靠人工進(jìn)行摘裝。通過對鎖墊拆裝動(dòng)作的數(shù)據(jù)分析，利用人工機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力不斷完善適應(yīng)各種拆裝動(dòng)作。集合自動(dòng)控制、快速定位、鎖墊旋轉(zhuǎn)等技術(shù)，與生產(chǎn)作業(yè)控制系統(tǒng)信息集成，通過岸橋交互平臺(tái)的作業(yè)機(jī)器人自動(dòng)完成各類集裝箱鎖墊的自動(dòng)拆裝作業(yè)。徹底擺脫了傳統(tǒng)必須依賴人工解鎖的模式，是集裝箱碼頭解鎖模式上的重大突破。

2 運(yùn)營效果

一期工程 2 個(gè)泊位穩(wěn)定運(yùn)行 3 年，岸橋、自動(dòng)化軌道吊可靠率分別達(dá)到 99.5 %以上，船舶準(zhǔn)班率達(dá) 100 %。岸橋單鉤循環(huán)時(shí)間縮短 5 s，AGV 周轉(zhuǎn)時(shí)間縮短 2.9 min，堆場作業(yè)能力等多個(gè)指標(biāo)大幅度提升。自動(dòng)化集裝箱碼頭的平均單機(jī)效率已達(dá) 35自然箱/h，**超越人工碼頭。在“以星上海”輪作業(yè)中創(chuàng)造了 43.8 自然箱/h 的平均單機(jī)效率紀(jì)錄。

工程運(yùn)營期間碼頭設(shè)施安全可靠，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足裝卸生產(chǎn)需要，運(yùn)營效果遠(yuǎn)超過了預(yù)期。

3 結(jié) 語

智能化的控制系統(tǒng)是集裝箱自動(dòng)化碼頭的核心技術(shù)，裝卸設(shè)備的自動(dòng)化是智能控制系統(tǒng)的體現(xiàn)，基礎(chǔ)和土建工程的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與施工是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的保證。基礎(chǔ)算法和核心軟件上的技術(shù)突破將是自動(dòng)化碼頭發(fā)展的關(guān)鍵，依賴于通信技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備輕量化和智能化是發(fā)展方向。智能、安全、環(huán)保、高效是未來不斷追求的發(fā)展趨勢。

本工程在實(shí)現(xiàn)未來港口智能化、無人化進(jìn)程中起到了至關(guān)重要的一步，是一個(gè)真正意義上的集裝箱自動(dòng)化碼頭。贏得了國內(nèi)外同行和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和高度評價(jià)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，自動(dòng)化裝卸工藝會(huì)更加成熟完善。