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自動(dòng)化集裝箱碼頭技術(shù)
由中國(guó)科學(xué)社于1933年8月創(chuàng)刊，距今已有80年的歷史?！犊茖W(xué)畫(huà)報(bào)》在80年的辦刊歷程中，形成了通俗生動(dòng)、圖文并茂地介紹最新科技知識(shí)，形式多樣地普及科學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)提高廣大群眾的科學(xué)水平，啟發(fā)青年愛(ài)好科學(xué)、投身科學(xué)事業(yè)起了很大的作用，當(dāng)今的不少著名學(xué)者、教授、科學(xué)家，青少年時(shí)代都曾受到它的熏陶和啟發(fā)。
1934年，由蒲風(fēng)作詞、聶耳作曲的《碼頭工人歌》生動(dòng)描繪了碼頭工人的苦難生活：“從朝搬到夜，從夜搬到朝，眼睛都迷糊了，骨頭架子都要散了……笨重的麻袋、鋼條、鐵板、木頭箱，都往我們身上壓?！?
我國(guó)地域廣闊，屬于沿海國(guó)家，擁有綿長(zhǎng)的海岸線和豐富的內(nèi)河資源。隨著近代工業(yè)、交通的發(fā)展，我國(guó)在水陸交通要地誕生了一批港口城市，如天津、青島、上海、寧波、廣州等。在20世紀(jì)初葉，港口碼頭的貨物裝卸主要通過(guò)人力。在反映那一時(shí)期社會(huì)狀況的影視劇作品中，我們大家常常能夠正常的看到碼頭工人揮汗如雨扛麻袋的場(chǎng)景。
不過(guò)，歌曲中描述的這些場(chǎng)景都是老皇歷了。隨著碼頭貨物吞吐量的增大，單靠碼頭工人已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足貨物裝卸和運(yùn)輸?shù)男枰?。在機(jī)械制造技術(shù)的支持下，一系列碼頭裝卸機(jī)械設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，如抓斗卸船機(jī)、龍門起重機(jī)等起重機(jī)械，帶式輸送機(jī)、氣力輸送機(jī)等輸送機(jī)械，叉式裝卸車、跨運(yùn)車等裝卸搬運(yùn)機(jī)械等。
隨著現(xiàn)代運(yùn)輸體系的建立，傳統(tǒng)的散貨和小件雜貨運(yùn)輸模式逐漸被集裝箱運(yùn)輸所代替。集裝箱可以把各種繁雜的件貨和包裝雜貨組成規(guī)格化的統(tǒng)一體，具有能長(zhǎng)期反復(fù)使用、容積大、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、擺放方便、節(jié)省船舶空間、能夠直接進(jìn)行快速裝載和卸載等優(yōu)點(diǎn)。因此，集裝箱運(yùn)輸成為當(dāng)今世界主要的貨運(yùn)方式。
世界各國(guó)紛紛建設(shè)集裝箱碼頭，集裝箱質(zhì)量大和外形規(guī)整的特點(diǎn)，使得自動(dòng)化技術(shù)在集裝箱碼頭的應(yīng)用推廣具有了必要性和可能性。自動(dòng)化碼頭徹底顛覆了傳統(tǒng)碼頭的運(yùn)作模式，是一場(chǎng)“碼頭革命”，從人工碼頭到自動(dòng)化碼頭，這項(xiàng)技術(shù)給港口的運(yùn)作模式、航運(yùn)經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的發(fā)展都帶來(lái)了巨大影響。
與傳統(tǒng)碼頭相比，自動(dòng)化碼頭是以科學(xué)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)集裝箱裝卸、水平運(yùn)輸、堆場(chǎng)裝卸全過(guò)程自動(dòng)化的新型碼頭。在自動(dòng)化碼頭，碼頭作業(yè)由原先的碼頭操作員現(xiàn)場(chǎng)操作變成監(jiān)控室電腦操作完成。自動(dòng)化碼頭具有很多技術(shù)亮點(diǎn)，如：碼頭、集裝箱岸橋、堆場(chǎng)吊橋均是無(wú)人操作，機(jī)器人自動(dòng)拆集裝箱鎖墊，全自動(dòng)岸邊無(wú)人理貨、全自動(dòng)噴淋熏蒸消毒、全自動(dòng)空箱查驗(yàn)，自動(dòng)運(yùn)行的無(wú)人駕駛集裝箱拖運(yùn)車(AGV)將集裝箱運(yùn)到堆場(chǎng)，AGV循環(huán)補(bǔ)電，巡航里程無(wú)限制等。
第一代自動(dòng)化集裝箱碼頭以1993年投入運(yùn)營(yíng)的荷蘭鹿特丹港ECT碼頭為代表，它的特點(diǎn)是岸橋是單小車結(jié)構(gòu)，水平運(yùn)輸采用的自動(dòng)導(dǎo)引小車沿固定圓形路線運(yùn)行，AGV采用內(nèi)燃機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)。
第二代自動(dòng)化集裝箱碼頭以2002年投入運(yùn)營(yíng)的德國(guó)漢堡港CTA碼頭為代表，特點(diǎn)是岸橋是雙小車結(jié)構(gòu)，水平運(yùn)輸采用的AGV沿靈活路線運(yùn)行，碼頭的路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)和設(shè)備調(diào)度采用了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。AGV起初采用內(nèi)燃機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)，后來(lái)采用柴油發(fā)電機(jī)供電的電力驅(qū)動(dòng)，2009年逐步升級(jí)為動(dòng)力電池供電的電力驅(qū)動(dòng)。
第三代自動(dòng)化集裝箱碼頭以2008年投入運(yùn)營(yíng)的荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭為代表，AGV采用柴油發(fā)電機(jī)電力驅(qū)動(dòng)。
我國(guó)自動(dòng)化碼頭建設(shè)起步較晚，但追趕速度很快。2014年，廈門港率先建成我國(guó)第一個(gè)全自動(dòng)化集裝箱碼頭。2015年，上海港、青島港先后規(guī)劃建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭。2017年12月，上海洋山深水港四期(簡(jiǎn)稱洋山港四期)開(kāi)港試運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著我國(guó)港口業(yè)在運(yùn)營(yíng)模式、技術(shù)應(yīng)用以及裝備制造上實(shí)現(xiàn)了跨越升級(jí)與重大變革。
洋山港四期工程共建設(shè)7個(gè)集裝箱泊位，集裝箱碼頭岸線米，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力初期為400萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，遠(yuǎn)期為630萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，采用全自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案。洋山港四期的建成和投產(chǎn)標(biāo)志著中國(guó)港口行業(yè)在運(yùn)行模式和技術(shù)應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)里程碑式跨越升級(jí)。
從肩挑手提到機(jī)械抓斗，再到全自動(dòng)化操作，近年來(lái)，碼頭作業(yè)由曾經(jīng)的勞動(dòng)密集型逐漸轉(zhuǎn)為科技密集型。
智能化、無(wú)人化的自動(dòng)化集裝箱碼頭是港口裝備與系統(tǒng)研發(fā)的制高點(diǎn)。面對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)的技術(shù)需求，自動(dòng)化碼頭的成套裝備與系統(tǒng)技術(shù)一直是我國(guó)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、科技攻關(guān)戰(zhàn)略方向之一。
面對(duì)智能化、無(wú)人化的碼頭發(fā)展的新趨勢(shì)，從2006年開(kāi)始，上海振華重工(集團(tuán))有限公司(簡(jiǎn)稱振華重工)領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)10多年的研發(fā)，在自動(dòng)化碼頭裝卸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)上取得了一系列創(chuàng)新成果，使自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)中的多種裝備和裝卸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了智能化。如世界首創(chuàng)的自動(dòng)化雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)，其中的門架小車無(wú)須人工控制就能自主運(yùn)行，將集裝箱放到全電動(dòng)AGV上。國(guó)內(nèi)首創(chuàng)、國(guó)際先進(jìn)的裝卸設(shè)備遠(yuǎn)程控制與調(diào)度系統(tǒng)(ECS)，實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備遠(yuǎn)程綜合控制、多任務(wù)柔性調(diào)度與協(xié)同作業(yè)、多設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷，能對(duì)自動(dòng)化碼頭上的700多臺(tái)設(shè)備做智能調(diào)度。
在洋山港四期碼頭的裝卸現(xiàn)場(chǎng)，橋吊抓起集裝箱，將其輕輕地放在AGV上，AGV將集裝箱拖向堆場(chǎng)指定位置，再交給軌道吊抓取堆放。整個(gè)作業(yè)過(guò)程前后不過(guò)10分鐘，現(xiàn)場(chǎng)既沒(méi)有橋吊駕駛員，也沒(méi)有集卡駕駛員，所有操作都在50米外的中控塔內(nèi)遠(yuǎn)程操控完成。其中最引人注目的是碼頭上的數(shù)十輛AGV，這種車靜質(zhì)量20~30噸，加上集裝箱的質(zhì)量，全車可達(dá)70噸，但它們?cè)诖a頭上來(lái)回穿梭，彼此從不會(huì)發(fā)生碰撞，且停車位置十分精確，誤差不會(huì)超過(guò)2厘米。
這些AGV全天候不間斷行駛，能耗卻不高，大容量鋰電池讓車輛可以在滿電后持續(xù)運(yùn)行8個(gè)小時(shí)。振華重工為這些無(wú)人車研發(fā)了自動(dòng)換電系統(tǒng)，電量不充足時(shí)，車輛可自行前往換電站更換電池。更換電池全程只需6分鐘，電池充滿電僅需2小時(shí)，整個(gè)充電過(guò)程零排放，可節(jié)省能耗40%左右。與借助GPS和傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的汽車不一樣的是，AGV依靠的是敷設(shè)于地面上的6萬(wàn)多個(gè)磁釘引導(dǎo)。這些磁釘宛若一個(gè)個(gè)路標(biāo)，通過(guò)無(wú)線通信設(shè)施、自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)和磁釘引導(dǎo)，AGV可自如穿梭，通過(guò)精密定位準(zhǔn)確到達(dá)指定停車位。
2012—2017年，振華重工先后承擔(dān)了廈門港、青島港、洋山港四期工程3個(gè)自動(dòng)化碼頭的裝卸系統(tǒng)研發(fā)和建造。目前，該公司還在阿聯(lián)酋、印度、意大利等國(guó)家建造自動(dòng)化碼頭，將“中國(guó)智造”輸往了海外。
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國(guó)家科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)條件平臺(tái)與傳統(tǒng)碼頭相比，自動(dòng)化碼頭是以科學(xué)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)集裝箱裝卸、水平運(yùn)輸、堆場(chǎng)裝卸全過(guò)程自動(dòng)化的新型碼頭。>
