魏夢(mèng)嬌，張 劍，劉仲松

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

自動(dòng)化集裝箱碼頭海陸側(cè)交換區(qū)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析

魏夢(mèng)嬌，張 劍，劉仲松

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

在全球集裝箱運(yùn)輸業(yè)迅猛發(fā)展的形勢(shì)下，“五型新港口”即自動(dòng)化集裝箱碼頭應(yīng)運(yùn)而生。本文基于目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)發(fā)展概況，重點(diǎn)對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭海陸側(cè)交換區(qū)布置方案進(jìn)行深入研究和探討，研究成果可為類似的集裝箱碼頭規(guī)劃設(shè)計(jì)提供借鑒及參考。

集裝箱碼頭；自動(dòng)化；海側(cè)交換區(qū)；陸側(cè)交換區(qū)；布置方案

引 言

在自動(dòng)化集裝箱碼頭的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，工藝系統(tǒng)布置對(duì)碼頭自動(dòng)化程度及作業(yè)效率起決定性作用。自動(dòng)化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)包含3個(gè)子系統(tǒng)：船舶裝卸系統(tǒng)、水平運(yùn)輸系統(tǒng)和堆場(chǎng)集疏運(yùn)系統(tǒng)。其中，水平運(yùn)輸系統(tǒng)和堆場(chǎng)集疏運(yùn)系統(tǒng)是影響碼頭工藝系統(tǒng)能力的關(guān)鍵因素。堆場(chǎng)集疏運(yùn)系統(tǒng)包括海側(cè)交換區(qū)、堆場(chǎng)堆存區(qū)、陸側(cè)交換區(qū)，如圖1所示，海陸側(cè)交換區(qū)的設(shè)計(jì)布置直接影響堆場(chǎng)集疏運(yùn)能力及碼頭陸域縱深。目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在船舶裝卸系統(tǒng)、水平運(yùn)輸系統(tǒng)及堆場(chǎng)堆存區(qū)，很少涉獵影響工藝系統(tǒng)布置的一個(gè)關(guān)鍵因素—海陸側(cè)交換區(qū)。本文重點(diǎn)研究海陸側(cè)交換區(qū)布置，提高海陸側(cè)交換區(qū)作業(yè)效率，從而提高整個(gè)碼頭系統(tǒng)效率。

本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)發(fā)展概況，依托天津港東疆自動(dòng)化集裝箱碼頭工程項(xiàng)目，研究影響自動(dòng)化集裝箱碼頭海陸側(cè)交換區(qū)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素并提出具體布置方案，為類似工程提供參考。

圖1 堆場(chǎng)集疏運(yùn)系統(tǒng)

1 自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)現(xiàn)狀

自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)通常垂直于碼頭岸線方向，此種布置型式能夠?qū)崿F(xiàn)堆場(chǎng)的無(wú)車化及封閉式管理，避免水平運(yùn)輸設(shè)備與后方集卡行駛路徑存在交叉，港區(qū)內(nèi)交通組織更順暢；縮短設(shè)備運(yùn)行距離；堆場(chǎng)的效率達(dá)到最大化。無(wú)懸臂式 ASC是目前世界典型自動(dòng)化集裝箱碼頭使用最普遍的堆場(chǎng)作業(yè)設(shè)備，為保證每個(gè)箱區(qū)可同時(shí)進(jìn)行海、陸側(cè)作業(yè)，目前堆場(chǎng)作業(yè)系統(tǒng)通常采用雙機(jī)作業(yè)模式。

以水平運(yùn)輸設(shè)備、堆場(chǎng)堆碼垛及裝卸設(shè)備為區(qū)分點(diǎn)，將世界自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)分為兩種：“自動(dòng)化軌道吊（以下簡(jiǎn)稱“ASC”）+自動(dòng)導(dǎo)引小車（以下簡(jiǎn)稱“AGV”）”工藝系統(tǒng)及“ASC+低門架跨運(yùn)車（以下簡(jiǎn)稱跨運(yùn)車）”工藝系統(tǒng)。

1.1 “ASC+AGV”工藝系統(tǒng)

當(dāng)水平運(yùn)輸設(shè)備采用AGV時(shí)，工藝流程為：岸橋←→AGV←→海側(cè)交換區(qū)←→海側(cè) ASC←→堆場(chǎng)←→陸側(cè)ASC←→陸側(cè)交換區(qū)←→集卡。由于AGV的作業(yè)特性，與裝卸船岸橋及堆場(chǎng)ASC之間存在雙邊耦合，導(dǎo)致自動(dòng)化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)裝卸效率較低。為解決這個(gè)問(wèn)題，近年新建的自動(dòng)化集裝箱碼頭將AGV改造升級(jí)為L(zhǎng)-AGV（圖2），并在海側(cè)交換區(qū)布置轉(zhuǎn)承平臺(tái)。因?yàn)長(zhǎng)-AGV兼顧水平運(yùn)輸和垂直升降功能，進(jìn)入堆場(chǎng)海側(cè)交換區(qū)后無(wú)需等待ASC，直接利用轉(zhuǎn)承平臺(tái)完成取、放箱交接作業(yè)，使得L-AGV與ASC實(shí)現(xiàn)單邊解耦，減少了L-AGV與ASC的作業(yè)等待時(shí)間，從而有效地提高L-AGV利用率，由此可減少約40 %的AGV設(shè)備數(shù)量［1］。

圖2 Gottwald研制的L-AGV

1.2 “ASC+跨運(yùn)車”工藝系統(tǒng)

當(dāng)水平運(yùn)輸設(shè)備采用跨運(yùn)車時(shí)，工藝流程為：岸橋←→碼頭面←→跨運(yùn)車←→海側(cè)交換區(qū)←→海側(cè) ASC←→堆場(chǎng)←→陸側(cè) ASC←→陸側(cè)交換區(qū)←→集卡。因?yàn)榭邕\(yùn)車實(shí)現(xiàn)的主要功能為起升和運(yùn)輸，能夠直接從地面進(jìn)行集裝箱抓箱和著箱，從而實(shí)現(xiàn)跨運(yùn)車與岸橋及 ASC之間的雙邊解耦，設(shè)備能夠完全獨(dú)立地非耦合作業(yè)，作業(yè)過(guò)程無(wú)需相互等待，整個(gè)裝卸工藝系統(tǒng)柔性更強(qiáng)，作業(yè)更順暢，裝卸效率更高。

人工跨運(yùn)車（圖 3）在國(guó)外自動(dòng)化集裝箱碼頭中應(yīng)用已頗為成熟，由司機(jī)駕駛，操作靈活性高。與人工跨運(yùn)車相比，自動(dòng)跨運(yùn)車可提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、提高作業(yè)安全性和作業(yè)效率。目前，澳大利亞布里斯班Patrick碼頭和美國(guó)洛杉磯Trapac碼頭已經(jīng)采用了自動(dòng)跨運(yùn)車工藝。

圖3 人工跨運(yùn)車

1.3 L-AGV系統(tǒng)與跨運(yùn)車系統(tǒng)對(duì)比

表1 L-AGV系統(tǒng)與跨運(yùn)車系統(tǒng)對(duì)比

2 碼頭海陸側(cè)交換區(qū)布置方案設(shè)計(jì)［2］

自動(dòng)化集裝箱碼頭箱區(qū)海側(cè)端部、陸側(cè)端部分別設(shè)置海側(cè)交換區(qū)及陸側(cè)交換區(qū)。海側(cè)交換區(qū)作為碼頭與堆場(chǎng)箱區(qū)間的“紐帶”，其布置直接影響碼頭裝卸船作業(yè)效率。陸側(cè)交換區(qū)也稱“集卡交換區(qū)”，主要負(fù)責(zé)港外集卡提箱及送箱業(yè)務(wù)，存在與人進(jìn)行交接，其布置形式應(yīng)在保證作業(yè)安全性的前提下，提高裝卸箱效率。

2.1 海側(cè)交換區(qū)布置設(shè)計(jì)

海側(cè)交換區(qū)布置主要與碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備有關(guān)，應(yīng)充分考慮選用水平運(yùn)輸設(shè)備的作業(yè)特點(diǎn)，使海側(cè)作業(yè)效率最大化。

1）L-AGV交換區(qū)

水平運(yùn)輸設(shè)備采用L-AGV時(shí)，需在海側(cè)交換區(qū)布置轉(zhuǎn)承平臺(tái)（固定機(jī)架），使L-AGV在與海側(cè)ASC交接過(guò)程中，具備主動(dòng)“裝卸”集裝箱功能。L-AGV接到控制系統(tǒng)分配的任務(wù)指令后，從碼頭前沿轉(zhuǎn)彎進(jìn)入相應(yīng)箱區(qū)的海側(cè)交換區(qū)。

圖4 L-AGV海側(cè)交換區(qū)工藝布置示意

若L-AGV帶箱進(jìn)指定的交換區(qū)車道，則需在進(jìn)入轉(zhuǎn)承平臺(tái)前，將集裝箱提起到一定高度，進(jìn)入轉(zhuǎn)承平臺(tái)后，利用自身升降機(jī)構(gòu)著箱至轉(zhuǎn)承平臺(tái)上，無(wú)需等待海側(cè) ASC來(lái)取箱便可離開。如圖 4所示，從堆場(chǎng)海側(cè)箱邊到ASC軌道海側(cè)端頭L1為L(zhǎng)-AGV海側(cè)交換區(qū)。根據(jù)ASC軌距大小，海側(cè)交換區(qū)布置若干轉(zhuǎn)承平臺(tái)，周邊設(shè)置圍欄將箱區(qū)與交換區(qū)隔開。海側(cè)交換區(qū)分兩個(gè)工位，工位1長(zhǎng)16 m（ASC寬度為15.4 m），為海側(cè)ASC維修區(qū)域，工位2為當(dāng)海側(cè)ASC維修時(shí)，陸側(cè)ASC能夠接替完成海側(cè)提放箱作業(yè)的區(qū)域。L1寬度還應(yīng)滿足：1）當(dāng)海側(cè) ASC作業(yè)在交換區(qū)提放 40呎箱時(shí)，陸側(cè)ASC能提取堆場(chǎng)區(qū)塊內(nèi)海側(cè)端45呎貝位內(nèi)的45呎箱；2）陸側(cè)ASC在工位2作業(yè)時(shí)，能作業(yè)轉(zhuǎn)承平臺(tái)雙20呎箱位的前一個(gè)20呎箱。L4為碼頭前沿緩沖區(qū)，該寬度需滿足L-AGV轉(zhuǎn)彎進(jìn)出及停放。L3為L(zhǎng)-AGV水平運(yùn)輸高速行駛區(qū)。L2設(shè)計(jì)為L(zhǎng)-AGV轉(zhuǎn)彎安全區(qū)，該區(qū)域亦用于布置高桿燈、L-AGV無(wú)線通訊桿、消火栓等輔助設(shè)施。廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化集裝箱碼頭在海側(cè)交換區(qū)內(nèi)布置了AGV的臨時(shí)“機(jī)會(huì)充電”裝置。

2）跨運(yùn)車交換區(qū)

圖5 跨運(yùn)車海側(cè)交換區(qū)工藝布置示意

水平運(yùn)輸方式采用跨運(yùn)車時(shí)，通常采用“堆一過(guò)二”式跨運(yùn)車。根據(jù)ASC軌距大小在交換區(qū)布置若干跨運(yùn)車車道，每條車道布置4個(gè)20呎箱位，靠近海側(cè)2個(gè)箱位碼放出口箱，靠近陸側(cè)2個(gè)箱位碼放進(jìn)口箱，其中進(jìn)口箱可以堆放兩層高?？邕\(yùn)車車道寬5 m，采用劃線形式。當(dāng)采用人工跨運(yùn)車時(shí)，箱列間距至少為7 m，允許跨運(yùn)車和ASC同時(shí)工作在相鄰車道，車道間2 m間距布置引導(dǎo)臺(tái)（放置車道控制紅綠信號(hào)燈及紅外對(duì)射裝置）。如圖 5所示車擋距圍欄間距需考慮跨運(yùn)車作業(yè)靠近箱區(qū)的 20呎箱位時(shí)跨運(yùn)車不能撞到圍欄。信號(hào)燈設(shè)置為常紅，只有當(dāng)跨運(yùn)車接近目的車道，且向控制系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求進(jìn)入交換區(qū)車道，若 ASC沒(méi)占用該車道，信號(hào)燈才變綠，此時(shí)跨運(yùn)車有權(quán)限進(jìn)入車道，紅外對(duì)射裝置感應(yīng)跨運(yùn)車進(jìn)入后，改變狀態(tài)，信號(hào)燈為紅，此時(shí) ASC及其他跨運(yùn)車均不能進(jìn)入該車道，此種設(shè)計(jì)能使ASC作業(yè)效率最大化。ASC吊具下降到安全高度后，切換到遠(yuǎn)程操作模式，由操作員在中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。如果采用自動(dòng)跨運(yùn)車，上述設(shè)施均可取消，箱列間距6 m即可滿足使用要求。

海側(cè)交換區(qū)分兩個(gè)工位，原理同L-AGV海側(cè)交換區(qū)。

2.2 陸側(cè)交換區(qū)布置設(shè)計(jì)

自動(dòng)化集裝箱碼頭外集卡進(jìn)港過(guò)閘口時(shí)，閘口系統(tǒng)將目的堆場(chǎng)指令給集卡。集卡根據(jù)指令從主干道上駛出，到達(dá)對(duì)應(yīng)堆場(chǎng)區(qū)塊后90°轉(zhuǎn)彎（系統(tǒng)只分配具體堆場(chǎng)區(qū)塊，不指定車道），并利用司機(jī)側(cè)的倒車鏡倒車進(jìn)入交換區(qū)空閑車道，配合 ASC通過(guò)視頻遠(yuǎn)程操控完成提送箱作業(yè)。

圖6 陸側(cè)交換區(qū)工藝布置示意

如圖6所示，根據(jù)ASC軌距大小，陸側(cè)交換區(qū)布置若干集卡停車位，周邊設(shè)置圍欄將箱區(qū)與交換區(qū)隔開，ASC可對(duì)每條集卡車道進(jìn)行獨(dú)立工作。交換區(qū)采用“一島一道”的設(shè)計(jì)理念，集卡通道寬度設(shè)計(jì)為 3 m（兩邊留出 15 cm安全間距，靜距為2.7 m），車道間布置圍欄隔開，限制司機(jī)只能在其分配的車道內(nèi)活動(dòng)。若車道設(shè)計(jì)太寬，集卡倒車不正時(shí)集裝箱位置存在偏移，易導(dǎo)致 ASC吊具對(duì)位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響系統(tǒng)效率，且 ASC吊具自動(dòng)糾偏能力達(dá)不到時(shí)需人工處理。應(yīng)對(duì)集卡司機(jī)能力及ASC吊具糾偏能力取平衡，根據(jù)廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化集裝箱碼頭、美國(guó)長(zhǎng)灘碼頭使用經(jīng)驗(yàn)，推薦集卡通道靜寬為2.6～2.7 m。

從堆場(chǎng)箱邊到ASC軌道陸側(cè)端頭L1為陸側(cè)交換區(qū)。L1寬度至少為40 m，共布置兩個(gè)ASC工位。工位1長(zhǎng)16 m（ASC寬度為15.4 m），為陸側(cè)ASC維修區(qū)域，工位2為當(dāng)陸側(cè)ASC維修時(shí)，海側(cè)ASC能夠接替完成陸側(cè)提放箱的作業(yè)區(qū)域。L1寬度還應(yīng)滿足：1）當(dāng)陸側(cè)ASC在提放集卡上的40呎箱時(shí)，海側(cè)ASC能提取堆場(chǎng)區(qū)塊內(nèi)陸側(cè)端45呎貝位內(nèi)的45呎箱；2）海側(cè)ASC在工位2作業(yè)時(shí)，能提放雙20呎箱集卡的前一個(gè)20呎箱。L2為集卡倒車區(qū)，考慮集卡司機(jī)能力并經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該寬度設(shè)計(jì)不應(yīng)小于30 m。

陸側(cè)交換區(qū)整個(gè)作業(yè)過(guò)程為：集卡入位后，根據(jù)人機(jī)分離原則，集卡司機(jī)解轉(zhuǎn)鎖并進(jìn)入到司機(jī)操作亭，刷卡將入位信息傳遞到控制系統(tǒng)，并對(duì)操作亭里設(shè)置的手壓或者腳壓裝置進(jìn)行操作向系統(tǒng)確認(rèn)已完成解轉(zhuǎn)鎖作業(yè)，這時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)將工作指令分配給ASC，司機(jī)需一直按壓手壓或腳壓裝置直到ASC完成提送箱作業(yè)。基于安全因素，ASC遠(yuǎn)程人工操控進(jìn)行提取箱，ASC進(jìn)交換區(qū)時(shí)不允許吊具橫向跨越集卡車道，且如果出現(xiàn) ASC在提箱過(guò)程中將集卡提起的情況，司機(jī)可以按下操作亭里的緊停裝置停止ASC作業(yè)。

2.3 海陸側(cè)交換區(qū)布置設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

1）考慮海側(cè)水平運(yùn)輸設(shè)備轉(zhuǎn)彎進(jìn)入海側(cè)交換區(qū)及集卡倒車進(jìn)入陸側(cè)交換區(qū)時(shí)，車輛存在甩尾情況，降低了作業(yè)效率，將圍欄轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)為切角形式。

2）ASC高速行駛，兩側(cè)均需配置水平輪，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理布置圍欄與ASC軌道中心間距。

3）為維修方便，海陸側(cè)ASC維修區(qū)16 m范圍內(nèi)圍欄為活動(dòng)圍欄。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）自動(dòng)化集裝箱碼頭是未來(lái)集裝箱碼頭發(fā)展的必然趨勢(shì)，研究海陸側(cè)交換區(qū)的工藝布置對(duì)提高整個(gè)裝卸工藝系統(tǒng)效率具有深遠(yuǎn)意義。

2）海側(cè)交換區(qū)工藝設(shè)計(jì)，水平運(yùn)輸設(shè)備是關(guān)鍵，選用AGV 或者跨運(yùn)車作為水平運(yùn)輸設(shè)備，要根據(jù)碼頭用戶的具體要求進(jìn)行效率、能耗、成本等方面的對(duì)比分析，選擇最合適的設(shè)備類型。

3）自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)相輔相成，應(yīng)充分結(jié)合工程實(shí)際條件及動(dòng)態(tài)模擬仿真技術(shù)對(duì)碼頭方案進(jìn)行仿真分析，并有針對(duì)性進(jìn)行方案優(yōu)化，使裝卸工藝系統(tǒng)效率最大化。

［1］李海波.集裝箱自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)的應(yīng)用及技術(shù)特性分析［J］.港口裝卸，2010，（3）：15-18.

［2］中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.天津港東疆集裝箱碼頭二期工程可行性研究報(bào)告［R］.天津：中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2015.

The Design Analysis of Waterside and Landside Transfer Area of Automated Container Terminal

Wei Mengjiao，Zhang Jian，Liu Zhongsong
（CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Under the rapid development of containerization，automated container terminals based on the concept of “5-type New Port "emerge at the right moment.This article，which is based on the current development of automated container terminals’ handling technology system in China and abroad，focused on the arrangement of waterside transfer area and landside transfer area of automated container terminal.The research conclusions could provide ideas and reference for the engineering design of similar container terminal project.

container terminal； automation； waterside transfer area； landside transfer area； arrangement

U651+.4

A

1004-9592（2016）05-0026-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160507

2016-06-15

魏夢(mèng)嬌（1988-），女，助理工程師，主要從事港口裝卸工藝設(shè)計(jì)工作。