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集装箱、集装箱船和集装箱码头的前世今生

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集装箱创新者 发表于 2018-12-7 20:39:11 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
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集裝箱、集裝箱船和集裝箱碼頭的前世今生

上海港引航站  陸悅銘  陳炎城  朱春東  周彬彬

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在青島前灣港區四期集裝箱碼頭、廈門海滄港區遠海全自動化集裝箱碼頭和正在試運行的上海洋山港四期集裝箱碼頭,你看到與傳統集裝箱碼頭不同的是︰大型集裝箱船靠泊後,大型橋吊、集裝箱運輸車、軌道吊等全部到達指定位置;在計算機發出指令後,橋吊就開始從船上自動“抓”集裝箱,接著將“抓”到的集裝箱放在橋吊下自動等候的集裝箱運輸車上,運輸車“馱”著集裝箱自動駛往堆場,堆場上的軌道吊自動把它從運輸車上吊起堆放在指定的位置或火車上。這是從船上卸下集裝箱的過程,如果是裝上船,則程序相反。橋吊不停地“抓”“放”著集裝箱,一輛輛沒有駕駛室的運輸車往來穿梭,軌道吊裝卸著集裝箱……很難想象這些設備都是無人操作。這是短短六十多年的變化,這是現代集裝箱碼頭的縮影,你知道集裝箱、集裝箱船和集裝箱碼頭的前世今生嗎?

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青島港集裝箱自動化碼頭

一、  集裝箱運輸的出現

從馬車運輸,到早期的陸上公路、鐵路運輸,都是人工單件或用機械把貨物裝進車廂,到了目的地後,又一件件地卸下來。如需轉運到其它目的地,則還得經過一次或多次這樣的裝卸,顯然是既費力又費時,還容易造成貨損、貨差。後來,陸上的公路運輸率先將同一目的地的小的單件貨物用箱子裝在一起運輸,結果發現不僅提高了運輸效率,還減少了貨損、貨差,于是這種運輸方式推廣到了鐵路。1814年時,英國人的鐵路車廂是敞口的,以方木做框架,木條做圍板,頂上無蓋。1830年,在英國鐵路上首先出現了一種裝煤的容器,接著出現了在鐵路上使用容器來裝運百雜貨。1845年,英國鐵路上開始出現全封閉的貨運車廂,箱體采用鐵木結構。

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1850年前後,英國鐵路出現的貨運車廂

到19世紀下半葉,英國蘭開夏郡出現一種帶有活動框架的鐵路托盤,用來運輸棉紗和棉布,俗稱“蘭開夏托盤”(Lancashire Flat),這可以認為是集裝箱的雛形。20世紀初,英國鐵路運輸中首先出現了較為簡單的集裝箱,嘗試著把家具裝在木制箱子里,用鐵路平板車運輸,到站後用起重機把箱子轉移到公路運輸的車輛上,再繼續將貨物運至目的地。這種新型運輸方式得到了推廣。1920年前後,美國紐約中央鐵路公司和賓夕法尼亞鐵路公司,引入了9英尺長的鋼制集裝箱。每節鐵路貨車里,可以裝6只集裝箱,每只載重量為5噸。有了這些集裝箱,鐵路在沿途轉運貨物時,效率大為提高,成本則大幅降低。以後這種方式傳到了德國和法國等。1928年,在意大利羅馬舉行的“世界公路會議”上,討論了在國際交通運輸中使用集裝箱的問題。兩年後,在法國巴黎成立了集裝箱運輸的國際組織國際集裝箱協會(Bureau International Des Containers,BIC),負責研究集裝箱的標準化問題,以便協調各國之間的集裝箱運輸工作。為了進一步提高鐵路集裝箱運輸效率,1933年歐洲“國際鐵路聯盟”(International Union of Railway,UIC)制定了鐵路集裝箱的標準,並在歐洲地區的鐵路運輸中使用了統一的集裝箱。在以後的十多年里,由于公路相對鐵路發展迅速,公路鐵路雙方的配合不協調,使得集裝箱運輸的優越性不能很好的體現,集裝箱運輸出現了停滯不前的局面。直到1955年,美國鐵路公司將集裝箱連同拖掛車一起裝載在鐵路的平板車上運輸,使得鐵路的低成本、高速度優勢與公路的“門對門”特點有機結合起來,于是集裝箱運輸的經濟意義重新得以顯現。

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集裝箱連同拖掛車一起的運輸方式



二、早期的船舶貨物運輸和集裝箱船的出現

早期的貨物都是先裝進麻袋、木箱內,碼頭工人將一袋袋、一箱箱的貨物用肩挑或背等方式進出船艙,完成貨物裝上船或卸下船;隨著貨物重量不斷增加,靠一個人的力量已不能完成貨物裝卸時,就用幾個人一起挑,將貨物裝上船或卸下船。

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碼頭工人肩背貨物上船

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碼頭工人一起抬貨物上船或下船

十八世紀的工業革命後,為了提高貨物的裝卸效率,在岸上的碼頭和船上安裝小型起重機,碼頭工人只需把貨物搬進大的網兜中,然後用碼頭(或船)上的起重機吊進船艙里,再由在船艙里的碼頭工人把它們一一搬出網兜,完成貨物的裝船;貨物到達目的地港口後,用相反的程序完成卸船,但容易出現貨物破損和短缺的情況,裝卸過程還易受雨雪等天氣的影響,裝卸時間較長,運輸成本較高,影響航運的發展。

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用起重機裝卸桶裝的石油或石油制品

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起重機的使用,提高了貨物的裝船能力和裝卸效率

二戰期間,美軍的兩棲登陸艦裝載卡車執行灘頭登陸任務;同時軍方也用小型鋼制集裝箱來運送士兵的私人物品,因為是單方向運輸,集裝箱的優勢並未體現出來。1951年,丹麥聯合航運公司用集裝箱運輸啤酒和食品。阿拉斯加貨船公司在西雅圖至阿拉斯加航線采用了木制和鋼制集裝箱。密甦里太平洋鐵路公司推廣帶輪鋁制集裝箱。美國火車輪渡公司,則在碼頭用大型起重機將整節列車吊裝上船,然後再把它們從美國運至古巴等。直到美國人提出集裝箱運輸應該實行“海陸聯運”,才真正開始了現代意義上的集裝箱運輸,其優勢也開始展現。這個人就是現代集裝箱運輸之父美國人馬爾科姆麥克萊恩(Malcolm McLean)。

麥克萊恩年輕時有自己的卡車運輸公司,他在經營時發現,卡車在公路上經常發生擁堵,那為何不將卡車中的拖車直接裝在貨船上運輸呢?1953年,麥克萊恩提出建造碼頭貨運場站的設想,讓卡車沿著斜道開上專門設計的貨船,留下拖車;貨船運載拖車至目的港後,目的港的卡車頭將拖車拖走,這樣就可以實現“海陸聯運”。為了實現理想,他在1955年接管了泛大西洋輪船公司。

後來,麥克萊恩又有了新的想法,因為他意識到船上運載拖車的方式將浪費大量寶貴的船舶空間。如果將拖車車廂與拖車底盤分離,裝船時僅吊裝車廂,就可以節省1/3的空間、多裝拖車底盤重量的貨物,而且車廂還可以多層堆放。船只到港後,用起重機將車廂吊起,放到岸上空著的卡車底盤上,固定後即可拖走,這樣運輸成本會大幅降低。為了規避新方式的營運風險,他首先考慮是將集裝箱堆放在一艘油船的甲板上,而底下的油艙依旧用來運輸原油。于是他對T2型油船的甲板進行改造(T2型油船是美國在二戰時期建造的大批量16400噸級油船),在油船甲板上面安裝金屬框架,用于固定集裝箱。麥克萊恩利用美國政府的優惠政策,購買了兩艘,其中之一是“理想-X”(IDEAL-X)號。根據“理想-X”號的可用甲板長度和寬度,集裝箱尺度按33英尺長設計。

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世界第一艘在油船上裝集裝箱的船“理想-X”號

起重機從碼頭上吊起集裝箱,再放到“理想-X”號油船甲板並固定,每只耗時7分鐘。“理想-X”號上共裝58只集裝箱和15000噸原油,裝船工作持續了8個小時。1956年4月26日,100多位要人在美國紐瓦克港參加了“理想-X”號的首航儀式。“理想-X”號沿著美國東海岸,經佛羅里達,6天後駛進休斯敦港,在那里等待的58輛卡車裝上這些集裝箱並運至目的地。當時這樣航程的中型散貨船每噸運輸成本為5.83美元,而“理想-X”號每噸成本降低很多,集裝箱運輸顯示了光明的前景,首航取得了令人興奮的成功。後來,麥克萊恩把6艘C-2型貨船改造成純集裝箱船,即在貨艙中也裝集裝箱(C-2型貨船設計于1937年至1938年,在1939年至1945年間建造了173艘,與以前建造的船只相比,其速度和燃油經濟性都非常出色;船只大小有些不同,一般的船長140米、寬19米)。他們的設想是在貨艙中設置很多金屬格槽,可方便起重機的操作員輕松地把集裝箱吊進格槽內並固定,因為操作員看不清貨艙深處;同時避免集裝箱受海上的顛簸而發生滑移;還可五六只堆在一起。加上在甲板上裝載的集裝箱,C-2型貨船具備運載226只集裝箱的能力。1957年10月4日,經過改裝的世界第一艘全集裝箱船“蓋脫威城”(GATEWAY CITY)號投入休斯敦-邁阿密-紐瓦克港航線運營,結果發現與同噸位的雜貨船比較,為裝卸貨物而停靠在碼頭的時間由原來的7天縮短到15小時,每噸貨物的裝卸費用也降為普通貨船的1/37,獲得了前所未有的成功,由此開創了集裝箱運輸的新紀元。

1960年,泛大西洋輪船公司更名為海陸聯運公司。

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馬爾科姆麥克萊恩在欣賞他一手締造的集裝箱運輸事業

三、集裝箱標準的出台和集裝箱多樣化

早期,每個國家國內公路和鐵路的集裝箱外形不一樣,即使後來公路和鐵路集裝箱的外形統一了,但是各個國家之間的集裝箱外形差別還是很大。自從有了集裝箱的海上運輸以後,集裝箱將公路、鐵路和海上運輸緊緊地聯系在一起,再加上海上集裝箱運輸畢竟是國際間或洲際間進行,如果繼續采用外形、尺寸和重量規格各不相同的標準,將給國際海運和貿易往來帶來諸多不便,也不能提高集裝箱的周轉率和運輸的效率。于是,1958年美國標準協會(American Standards Association,ASA)開始研究具有普遍互換性、最佳的集裝箱外形標準,並于1960年制訂了美國第一個集裝箱標準。1961年6月,國際標準化組織集裝箱技術委員會成立,著手研究國際集裝箱標準。1964年國際標準化組織集裝箱技術委員會制定了集裝箱外形和總重的第一個國際標準,該標準對國際集裝箱的標準化作出了重大貢獻,對推動國際集裝箱運輸的發展起了決定性的作用。1966年,美國海陸服務公司的集裝箱船從紐約港開往歐洲,開始采用國際標準的集裝箱運輸。

國際上將20英尺長的集裝箱稱為標準集裝箱(1英尺=0.3048米),它的寬度和高度分別是8英尺和8.5英尺,簡稱標準箱或標箱,常用TEU表示(Twenty foot Equivalent Unit,TEU)。還有40英尺集裝箱(即兩個標準集裝箱的長度、寬度和高度一樣)、40英尺高集裝箱(比普通40英尺集裝箱高1英尺)等。

隨著集裝箱運輸優勢的不斷顯現,工程師們除了設計早期的干貨集裝箱(用于運輸一般雜貨,適合各種不需要調節溫度的貨物)、散貨集裝箱(用于裝載粉末、顆粒狀貨物等各種散裝的貨物)外,還設計了液體貨集裝箱(用以裝載液體貨物)、冷藏集裝箱(用以裝載對溫度有要求的冷凍、保溫、保鮮貨物,箱內附有冷凍機設備,在內壁敷設熱傳導率較低的材料)、汽車集裝箱(可分為兩層用來裝運汽車)、牧畜集裝箱(用來裝運活牲畜,有通風、喂料和除糞等裝置)等。

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冷藏集裝箱

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汽車集裝箱

在集裝箱海運出現以前,美國的沃爾瑪、法國的成衣絕對不會遍地開花;美國、歐洲、甚至近鄰日本和韓國超市的貨架上不會有那麼多“中國制造”(Made in China)。在集裝箱海運變得如此便宜之後,以至于產自東半球的某些產品,運至紐約、漢堡等地銷售,遠比在近郊生產劃算,特別是勞動密集型的成衣制作,于是產生了掛衣集裝箱(專門用于掛高端成衣,可避免成衣皺褶)。

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掛衣集裝箱

當遇到大件或超重貨物時,工程師們設計了只有箱底面和四周金屬框架構成的框架集裝箱,使得不能用集裝箱運輸的貨物變的可行。

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框架集裝箱

四、配備集裝箱橋吊的集裝箱碼頭

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早期是用碼頭上或貨船上的起重機吊起集裝箱,轉動吊臂,然後將集裝箱放進船艙里、甲板上或碼頭上。

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用碼頭上或貨船上的起重機在裝卸集裝箱

因為大多數碼頭或貨船上的起重機無法起吊十幾噸甚至更重的集裝箱,于是麥克萊恩從一個廢棄的造船廠購買了兩台懸臂回轉式起重機,對它們進行了改造,使其結構高度降低和可以沿著與船身平行的碼頭鐵軌上移動等,分別安裝在紐瓦克港和休斯敦港,實現了“理想-X”號上的集裝箱在這兩個港口的裝卸。盡管此時的貨物裝卸效率比傳統的提高了好幾倍,但麥克萊恩還是發現紐瓦克和休斯敦碼頭的懸臂回轉式起重機吊裝集裝箱操作比較難,不適應更多的集裝箱裝卸。麥克萊恩求助于華盛頓州斯卡吉特鋼鐵廠的所有者西德尼麥金泰爾(Sidney McIntyre),他在短時間里制造出了一台龍門式起重機,它有四條支腿,兩條支撐在碼頭鐵軌上,另外兩條支腿搭在船外側的甲板上,該起重機可以沿碼頭鐵軌移動,起吊行車可以在船身與碼頭之間移動,將到港集裝箱吊裝上岸或將離港集裝箱吊裝上船。龍門式起重機的使用,使得集裝箱的裝卸速度又得到提高。

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當時使用的龍門式起重機在裝卸集裝箱

在船舶集裝箱運輸蓬勃興起時。美國另一家公司美森航運公司(Matson Navigation Company)也在關注集裝箱運輸。麥特森航運公司用計算機分析了公司數千次航運數據之後,認為20-25英尺長的集裝箱將是最佳的尺度;他們還在集裝箱上使用鋼制角柱以便能承受更大的堆摞重量等。但是,早期的麥特森航運公司行動很謹慎,也只是在貨船的甲板上裝集裝箱。

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1958年8月31日,只在甲板上裝20只集裝箱的“夏威夷商人”(HAWAIIAN MERCHANT)號散貨船,從舊金山駛往夏威夷

麥特森航運公司員工在休斯敦參加了“蓋脫威城”號首航後,他們發現龍門式起重機存在安全隱患。如果兩台起重機同時吊起兩只重的集裝箱並發生搖晃時,有可能導致船舶傾覆。麥特森公司要求重新設計起重機。1959年1月9日,世界第一台岸邊集裝箱起重機在舊金山港投入使用。這是一台高達113英尺的龐大“怪物”,由兩個A字形支架和夾在中間的水平吊臂組成。兩支架間距達到了34英尺,這樣兩輛卡車或者兩節火車車廂就能並排從起重機下方通過。水平吊臂長95英尺,足以橫跨整個集裝箱船船身;吊臂後端為壓重物。A字形支架的四個支腿都在碼頭上並安裝車輪,可以沿著碼頭的鐵軌移動,工作過程和龍門式起重機裝卸集裝箱一樣。由于此岸邊集裝箱起重機不會發生搖晃,裝卸更安全,效率也更高。目前全球使用的集裝箱橋吊基本上是在此基礎上的優化和放大,水平吊臂更高和更長,橋吊支腿橫向間距更大,可以起吊的集裝箱更重和更多,裝卸效率自然更高。

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當時的新型集裝箱起重機

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紐瓦克港因為集裝箱運輸而興盛

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目前一次可同時起吊3只40英尺的集裝箱起重機

因為集裝箱在海上運輸中具有獨特的技術和經濟上的優勢,佔有地位的越來越重要。集裝箱主要是通過集裝箱碼頭進行裝卸的,集裝箱碼頭的現代化發展水平對承運人、托運人、制造商和最終的消費者都將產生影響。集裝箱碼頭是指包括港池、錨地、進港航道、泊位等水域以及貨運站、堆場、碼頭前沿、辦公生活區域等陸域範圍的能夠容納完整的集裝箱裝卸操作過程的具有明確界限的場所。隨著集裝箱船的大型化,現代化集裝箱碼頭具備大型集裝箱船所需的泊位、前沿水深和足夠的水域,保證船舶安全靠離。具備碼頭前沿所需要的寬度、碼頭縱深及堆場等廣闊的陸域,保證集裝箱堆存和堆場作業及車輛通道的需要。具備適應集裝箱裝卸作業、運輸作業的各種裝卸機械及設施,以實現各項作業的高效化。具有足夠的集疏運能力,以保證集裝箱及時集中和疏散,快速裝卸船舶,防止港口堵塞。

為滿足作業及管理的需要,現代集裝箱碼頭采用電子化、信息化管理,最終達到管理的自動化。

五、集裝箱船越來越大

國際標準化組織制定了統一的集裝箱規格標準後,集裝箱運輸進入了高速發展時期,船舶大型化的速度更是令人驚嘆。美國總統輪船公司(American President Lines,APL;最早的前身是太平洋郵輪公司,有近170年歷史)也一直在關注,1958年到28個主要港口調研集裝箱化的可行性後,開始訂造新集裝箱船。1961年,“林肯總統”(PRESIDENT LINCOLN)號和“泰勒總統”(PRESIDENT TYLER)號下水,它們可載126TEU,航行在美國西海岸遠東(日本、馬尼拉、香港、新加坡)的航線上。1966年4月23日,海陸聯運公司建造的“費爾蘭”(FAIRLAND)號集裝箱船,可裝載236TEU,航行在美國西海岸荷蘭鹿特丹港、德國不來梅的航線上。1968年,德國赫伯羅特輪船公司(Hapag-Lloyd)的“威悉河快車”(WESER EXPRESS)號集裝箱船在不來梅下水,裝載量為736TEU。

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1969年,“英康特海灣”(ENCOUNTER BAY)號裝載量為1530TEU。

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1972年,“漢堡快航”(HAMBURG EXPRESS)號裝載量為2950TEU。

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1981年,“法蘭克福快航”(FRANKURT EXPRESS)號裝載量為3050TEU。

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1984年,“美國紐約”(AMERICAN NEW YORK)裝載量為4614TEU。

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1996年,“里賈納馬士基”(REGINA MAERSK)裝載量為6400TEU。

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1997年,“甦珊馬士基”(SUSAN MAERSK)裝載量為8890TEU。

2002年,“夏洛特馬士基”(CHARLOTTE MAERSK)裝載量為8890TEU。

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2003年,“安娜馬士基”(ANNA MAERSK)裝載量為9310TEU。

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2005年,“古杰多馬士基”(GJERTRUD MAERSK)裝載量為10500TEU。

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2006年,“愛瑪馬士基”(EMMA MAERSK)裝載量為15500TEU。

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2012年,“達飛馬可波羅”(CMA CGM MARCO POLO)裝載量為16000TEU。

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2013年,“馬士基邁克-凱尼穆勒”(MAERSK MC-KINNEY MOLLER)裝載量為18300TEU。

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2014年,“中海環球”(CSCL GLOBE)裝載量為19100TEU。

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“中海環球”輪在拖輪的協助下離泊

2015年,“地中海奧斯卡”(MSC OSCAR)裝載量為19224TEU;

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同年,“阿拉伯巴爾贊”(BARZAN)裝載量為19870TEU。

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2016年4月3日,“商船三井成就”(MOL TRIUMPH)首航天津港,裝載量為20150TEU。

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2017年4月27日,“馬德里馬士基”(MADRID MAERSK)首航靠泊天津港,裝載量為20568TEU;

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同年5月22日,“東方香港”(OOCL HONG KONG)首航靠泊上海洋山港,裝載量為21413TEU。

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二萬多只集裝箱如何在船上配載(又稱配裝,航運用語,是指為預定裝船的集裝箱,提前按船舶的運輸要求,如重量、型號、目的港、是否冷藏集裝箱等;按碼頭的作業要求,如方便在堆場取箱、裝箱方便等制定的具體裝載計劃),哪些箱裝在上面、哪些箱裝在下面,分別裝在哪一艙等,異常繁雜。幸好有計算機和和互聯網的幫助,岸基可以提供大量的支持,可避免配載不當造成沿線掛港裝卸作業的困難,保證裝卸機械合理有序地移動等。

2008年4月3日,中日合資的南通中遠川崎船舶工程有限公司成功建造的萬箱船“中遠大洋洲”輪舉行命名及交船慶典儀式;2015年7月27日,在上海外高橋造船有限公司碼頭向法國達飛海運集團公司交付了1.8萬TEU的集裝箱船“達飛瓦斯科達伽馬”輪;2016年7月8日,上海外高橋造船有限公司為中國遠洋(香港)公司建造的2萬TEU集裝箱船正式開工;今年8月,法國達飛海運集團公司與上海外高橋造船有限公司和滬東中華造船公司簽署了9艘22000TEU集裝箱船建造意向書,中國造船業跨入了世界超大型集裝箱船開發、設計和建造的第一方陣。

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六、集裝箱船和集裝箱碼頭的未來

得益于我國的改革、開放,通過全國人民短短三十多年的努力,目前全球集裝箱吞吐量最大的10個港口中,我國佔了7個,其中上海港連續7年全球第一;我國是集裝箱生產大國,產量佔全球總量九成以上,產銷量世界第一;我國生產集裝箱的規格品種世界第一。我國是造船大國,全球造船量中佔了四成左右等,包括大型集裝箱船等,各方面的工作正在與東方大國相對應,部分已經領先世界。

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從1959年1月世界第一台岸邊集裝箱起重機投入使用,到今天的上海振華港機集團的港口機械佔據全球90%市場份額,只有短短的50多年。我國集裝箱海運起步晚,1978年1月才開始在中-日航線的雜貨班輪上捎帶集裝箱,今天中遠海運集裝箱運輸有限公司是全球第四大集裝箱航運公司,其船隊運力在增加,正在努力成為全球第三大航運公司,縮短了與第一大馬士航運、第二大地中海航運的距離而努力。

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自動化集裝箱碼頭最早起源于荷蘭鹿特丹港,相較于西方發達國家,我國在自動化集裝箱碼頭技術領域起步晚、積累少、無先例可循,大量的新材料、新工藝需要自主研發,計算機系統在船靠泊之前就預先為橋吊、運輸車、軌道吊等編程和流程設計,整個碼頭現場來車往非常忙碌,看不到工人作業的身影,但生產作業卻“行雲流水”般順暢,生產作業現場實現了人機分離、人貨分離,人身更加安全可靠;除了碼頭操作人員減少外,堆場利用率、作業效率、吞吐能力都得到了提升,現在我國的自動化集裝箱碼頭領先世界。

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將來,集裝箱船往無人化方向發展,估計明年會有小型的樣船出現;大型集裝箱船開始使用LNG作為燃料,將來可能使用核動力驅動,續航時間更長、裝貨更多、無炭排放。集裝箱碼頭將繼續在作業工藝流程化、決策智能化、執行自動化、現場無人化和能源綠色化方向發展,未來會在安全、高效率、高可靠和高穩定四個方向作進一步提升;設備全部采用電力驅動,更加節能環保。集裝箱、集裝箱船和集裝箱碼頭之間將互相感應、信息全部自動集成,運輸更加智能高效。

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