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中国自动化集装箱码头在挑战中前行

供稿:中国工控网 2016/4/5 19:09:16

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   目前,全球有32个自动化集装箱码头建成,反观国内,上海、青岛和厦门等港口也正在为建成自动化集装箱码头积极布局。

    一、发展概述

    目前,全球有32个自动化集装箱码头建成,见表1。从上世纪80年代中期开始,自动化学科技术的进步使得欧洲和日本的港口率先规划尝试建设自动化集装箱码头。就全球范围来看,世界上第一个自动化集装箱码头在1993年荷兰鹿特丹港的ECT码头投入运行,接着是英国伦敦港、日本川崎港、新加坡港、德国汉堡港等相继建成全自动化或半自动化(仅堆场自动化)的集装箱码头。但受全球经济波动和财政政策的影响,自动化集装箱码头发展曾一度陷入了停滞状态。


    我国的自动化集装箱码头建设发展目前处于起步阶段,2014年,厦门远海码头对14号泊位及15号部分泊位开始进行改造,建成国内第一个全自动化集装箱码头。2015年,上海港、青岛港先后公开宣布开始规划建设自动化集装箱码头,引领着国内集装箱码头发展的新潮流。 


    二、装卸工艺模式

    早在上个世纪 80 年代中期,在人口递减、劳动力成本昂贵和熟练劳动力匮乏的西欧地区,自动化集装箱码头首先受到关注。一般情况下,全自动化码头的前沿装卸和堆场的装卸搬运都是自动化的,而半自动化码头仅限堆场自动化。自动化集装箱码头发展到今天,技术系统日趋成熟,其装卸工艺逐渐形成四类模式:

    1.“双小车岸桥+ AGV+自动化轨道吊”模式的全自动化码头。如:德国汉堡港CTA以及荷兰鹿特丹港的 ECT、Euromax等。通常表现为双小车岸桥负责船舶装卸、AGV负责岸边水平运输,自动化轨道吊负责堆场集疏运装卸。

    2.“单小车岸桥+跨运车+自动化轨道吊”模式的半自动化码头。如:美国的弗吉尼亚APM、韩国的釜山新集装箱码头、英国的伦敦Thamesport、西班牙的韩进TTI等。通常表现为单小车岸桥负责船舶装卸、跨运车负责岸边水平运输,自动化轨道吊负责堆场集疏运装卸。相对而言,该类工艺定位较为全面,在适用于半自动化码头的同时,也为将来的全自动改造预留空间,所以被广泛采用。

    3.“单小车岸桥+集卡+带外伸臂的轨道吊”模式的半自动化码头。如:中国香港国际货柜、韩国的PNC和韩进码头、中国台湾的TPCT和KMCT等。第3类和第2类最大的区别在于由集卡负责岸边水平运输,考虑到将来全自动化码头的发展趋势和未来改造的成本,目前采用相对少一些。

    4.“双小车岸桥+轨道分配+自动化轨道吊”(立体库)模式的全自动化码头。目前,振华港机正在研制的“无人化码头”就属于该类模式,国内目前正在规划建设自动化码头的上海和青岛港均采用该模式。第4类模式和前面3类模式主要区别是取消了集卡、跨运车和AGV水平运输设备,而采用立体轨道式电动小车传送分配系统。在整个“无人化码头”中,最大的亮点是一个与岸边平行、以钢筋构筑的低架桥水平分配机构,该机构上方有起重小车,下面有平板车,起重小车、平板车以及堆场里的轨道吊等都在特定轨道上运行,通过中央控制室控制,现场不需要装卸工人。

    以上为4种基本模式,在实际应用中,也会出现一些所谓的“衍生变种”。例如日本的TCB码头,就是采用“单小车岸桥+ AGV+自动化轮胎吊”的半自动化工艺,属于第二类模式的“变种”,把轨道吊换成轮胎吊的主要原因是为了减少地震危害。

    三、外因分析

    实际上,自动化引发的“机器换人”已经成为全产业转型升级发展的时代潮流,港口行业也概莫能外。首先,只要风险控制得当,实现自动化没有实质性的技术风险,并能降低成本和风险。实际上,近10年来,国内沿海港口行业劳动力越来越短缺,人力成本飙升,同时港口自动化技术逐步成熟,设施成本逐渐下降。此消彼长,集装箱自动化码头发展在经历了漫长的阶段之后条件已经变得相当成熟,设备的自动化技术已经相当可靠。其次,港口行业环保要求越来越高。环保理念在港航领域不断深入人心并付诸于实施,随着信息技术的不断发展,自动化集装箱码头在应用方面有所突破已是大势所趋。在机器换人、节能环保的时代大背景下,集装箱自动化码头发展还受到船舶大型化、航运联盟常态化两个关键外部因素的影响。

    1.船舶大型化

    据统计预测,全球对集装箱运力的需求在未来几年将继续保持9%~10%的增长速度,各大航运公司出于规模经济、降低成本,以及提高能力上的需要,正在纷纷淘汰老旧船只,购买和租赁超过10000TEU的超大型集装箱船 (VLCS)。见表2

表2 部分集装箱船型技术参数


    事实上,船舶大型化直接导致有能力接纳大船的港口数目和航班数目地减少,每个航班需要处理的集装箱数目大幅度上升。例如,过去扎堆到港的船舶载箱量大都在6000TEU左右,而现在的载箱量却是超过15000TEU。从表1可以看出,虽然大船更长、更宽,但其宽度的增加明显大于长度的增加。15000TEU大船的“每米TEU数”比6000TEU左右的船要高出80%。这就意味着集装箱泊位平均每一米岸线需要处理的集装箱比原先多出80%。目前普通的集装箱码头,1艘6000TEU的船配备4台岸桥作业就足够,这已经达到岸线上配置的岸桥数目上限。如果考虑到其间的交换装卸平均往返次数大约为2750TEU/1720次。那么,如果不对现有码头装卸工艺和设施进行根本改革,显然船时装卸效率很难提高,码头也就根本无法装卸这些超大型的集装箱船舶。

    同时,对于沿海各大港口非常致命的问题是,亚欧线与太平洋航线上的船舶大型化,将改变干线港与支线港的布局,进而使得港口集中化趋势加强,“强者更强、弱者更弱”的马太效应在港口领域将更为突出,后发港口反超成熟港口的机会将变得更加渺茫。这必将诱导天津、青岛、上海、宁波等各大沿海深水港口必然在这方面不遗余力地来推进集装箱自动化码头的建设来应对挑战,但是很显然,厦门、上海、青岛等港口已经走在了前面。

    2.航运联盟常态化

    从上世纪90年代以来,由于航运联盟通过挂靠港口互补、船期协调、舱位互换、信息互享等合作很好地解决了集装箱海运的规模经济和舱位利用率的两难权衡问题,导致船公司之间相互结盟,逐渐演化成当今的四大联盟局面,同时也推进了集装箱自动化码头的产生和发展。实际上,2M、O3、G6 和 CKYHE 四大联盟的筹建和扩大合作,导致同一联盟不同成员的关联码头之间相互转运的集装箱增加了,造成集装箱在码头与码头之间的重复搬运,中转箱比例大大增加。为了保证效率,理论上就要求集装箱岸桥的台时效率超过 40 TEU,这实际上已接近传统集装箱码头的操作效率上限,可提升空间十分有限,只能通过集装箱自动化码头来改革现有港口装卸工艺。

    近十多年来,集装箱码头经营国际化趋势日趋明显,集中表现为船公司日益成为各个集装箱码头公司的主要股东,并在某种意义上拥有了绝对决策权。以荷兰鹿特丹港RWG 为例,主要是美国总统轮船、现代商船、达飞轮船和商船三井 4 家班轮公司持有该设施的多数股权。RWG 于 2007 年组建的附带条件是它将满足大型集装箱船装卸的要求。这种情况下,为保证整个航运产业链的整体优化,船公司主导全球各集装箱自动化码头的发展就自然而然之举。

    四、内因分析

    除了外部因素的压力之外,整个沿海港口行业内部经过了改革开放以来30多年的快速发展之后,也积累了大量问题造成集装箱码头行业发展的瓶颈和桎梏,需要通过自动化来做进一步根本解决。

    1.码头运营安全劣于普通行业标准。润海堆场的灾难性的后果让世人不寒而栗。需要如何从根本上改革?首先要从集装箱码头的运营安全管理问题着手,就目前来看,集装箱自动化码头提供了一种可行的模式。人机分离、智能化远程操控、无人化堆场等理念,对于改进目前严峻的行业安全标准具有实际意义。

    2.大规模运营复杂性。实际上,现有的集装箱码头管理系统(CTOS),包括:中央调度、运输调度、场地轮胎吊、岸桥、集卡等系统,大规模运营已经初具雏形,今后发展趋势是复杂性将大大增加。如果没有自动化作为支撑,难以想象怎样来大大提高码头总体的资源利用率。比如:桥吊与桥吊之间的间隔距离缩小,安全管理难度大大增加,港口作业人员大量减少,同时还大大提高工作效率,运营成本还大大下降。

    3.现有码头升级与空间限制。比较突出的问题是,单纯依靠增加机械来提高码头处理能力的想法已经难以延续,可以想象1个400 m长的泊位,能够以每艘船舶配备4台起重机装卸6000TEU的集装箱船。但是,然而按照这个标准,你还能想象同样的作业模式被要求取代以每艘船舶配备12台起重机在该泊位上进行15000TEU船舶的操作吗?并在同一时间完成的交换装卸平均往返次数大约为原先2.6倍,按照目前集装箱码头安全规则,这显然是不可能的。

    4.港口交通拥堵沉疴难治。一旦产业链条上的某一环节出现梗阻,就会影响全局,拥堵就很难避免。理论上来说,新式岸桥可以达到每起重机每小时80~100TEU的装卸箱量。然而,常规的集卡水平运输作业的工作效率明显太低,装卸和转运的衔接就成为瓶颈,还有堆场翻倒箱、龙门吊和水平运输之间的衔接等都是大问题。更进一步来说,港口拥堵使工作量积压,工作量的激增导致效率降低,继而导致港口拥堵。拥堵又加了货物的积压,港口更加拥堵,形成恶性循环,并且带来一系列的安全和管理隐患。

    其实,除了上述原因以外,我国沿海集装箱码头在经历了1998—2008年的“十年高速增长期”以后,目前普遍面临着现有集卡社会外包模式弊端逐步凸显、单泊位集装箱平均操作能力的提高空间越来越有限、利润增长率下降、管理成本上升等问题。这些都需要通过新的装卸工艺流程的引入,以及现有装卸组织模式改革提高生产率,来从港口组织内部从根本上加以解决。这种情况下,借助自动化集装箱码头的升级改造就成为各大港口内在的需求。

    五、挑战和问题

    自动化集装箱码头在世界范围的发展已有二十多年的历史,从技术、工艺角度都是比较成熟完善,国外的有些经验是完全可以借鉴的。然而,考虑到国内的具体情况,特别是在制度、管理等“软环境”上,发展肯定需要一个过程,并且在这一过程中将要面临一些挑战,克服一些困难。

    1.磨合期。要建设和发展自动化集装箱码头,除了试验一系列工艺流程和集装箱装卸设备,包括遥控船岸起重机和自动无人搬运车,一切都朝着最大限度地减少手工操作的方向发展。自然要经历传统模式与自动化软件磨合的阶段。另外,自动化在某种程度上就是改变目前港口生产组织的“游戏规则”,从改革的高度和经验,以唯物论和辩证法的角度来看,也不会是一路高歌猛进式的,将会是一个“螺旋式上升”的过程,这需要加深和提高这方面的认识。

    2.管理团队。如何构建一支管理团队,这种团队要求拥有自动化码头工作经验的系统化人才。一般而言,主要是内部培养。港口企业要制定一个完整的三年或者五年培训计划,系统有组织有目标地在重要岗位人群中实施,特别是对于远程操作员、中央调度人员和业务人员通过必要内部培训实现转型,这是基础。同时,外部招聘亟需人才作为辅助。由于自动化仓库和机场行业内的项目部署和技术应用比集装箱码头更加先进,并且比集装箱码头有更好的和更长久的自动化操作业绩纪录。从这些行业的 IT 和自动化流程的人才中进行选聘,作为必要的补充和辅助。

    3.工艺模式。目前,自动化集装箱码头在欧洲、亚洲等港口得到较为广泛的应用,由于它在节省码头人力成本、提高港口通过能力、节能环保、提升港口形象方面具有优势显著,这是未来集装箱码头未来发展必然趋势。至于沿海各大港口究竟该选择那种装卸工艺模式,选择全自动化还是半自动化模式,这要综合考虑。按照国外发展的经验,需要考虑的因素主要包括实际需求和习惯、码头规模和形状、吞吐量、成本(投资、维护、运行)等。

    4.操控系统。模式确定以后,操控系统选择就成为关键。操作系统和设备控制系统作为整个码头运营组织的“指挥中枢”和“现场操作者”具有非常重要作用。前者保障码头高效率运行;后者执行前者指令,并且反馈设备状态信息,二者相辅相成。


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