高 鵬，劉全興

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060)

自1993年全球第一座自動(dòng)化集裝箱碼頭在荷蘭鹿特丹港運(yùn)營(yíng)以來，自動(dòng)化集裝箱碼頭的發(fā)展從探索期逐步進(jìn)入快速發(fā)展期，從經(jīng)典的岸橋-自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV)/自動(dòng)跨運(yùn)車(ASC)-自動(dòng)軌道吊(ARMG)方案逐步發(fā)展為多種多樣的解決方案。我國(guó)從2015年廈門遠(yuǎn)海集裝箱碼頭完成自動(dòng)化改造以來，已經(jīng)建成10座自動(dòng)化集裝箱碼頭，并有7座在建，同時(shí)也開展了大量的創(chuàng)新方案研究工作，振華重工研發(fā)了立體分配系統(tǒng)[1]，解決了RMG單側(cè)雙機(jī)協(xié)同作業(yè)的問題；周強(qiáng)等[2]提出高架軌道交通式集裝箱裝卸系統(tǒng)，將集裝箱水平運(yùn)輸在高架軌道上完成，從而減少反復(fù)提升動(dòng)作和大機(jī)行走距離，減少能耗。本文總結(jié)已建典型的自動(dòng)化集裝箱碼頭案例和布置特點(diǎn)[3-5]，并提出兩種創(chuàng)新型解決方案[6-7]，為我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)提供借鑒。

1 經(jīng)典自動(dòng)化集裝箱布置

1.1 雙小車岸橋-AGV-ARMG方案

在自動(dòng)化集裝箱碼頭的發(fā)展過程中，有多種多樣的解決方案，但主要可以歸納為雙小車岸橋-AGV-ARMG和單小車岸橋-ASC-ARMG兩大類比較完善的方案。

雙小車岸橋-AGV-ARMG方案是歷史最為悠久的自動(dòng)化集裝箱碼頭解決方案，以第1座自動(dòng)化集裝箱碼頭——鹿特丹Euromax碼頭為代表。

該方案的堆場(chǎng)通常垂直于碼頭岸線布置，由岸橋的主小車負(fù)責(zé)集裝箱船與中轉(zhuǎn)平臺(tái)之間的裝卸作業(yè)；由門架小車負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)平臺(tái)與AGV之間的裝卸作業(yè)；由AGV負(fù)責(zé)岸橋側(cè)與ARMG之間的水平運(yùn)輸；由ARMG完成AGV與堆場(chǎng)之間，以及堆場(chǎng)與外集卡之間的裝卸作業(yè)，往往每一條箱堆由2臺(tái)ARMG作業(yè)，其中1臺(tái)負(fù)責(zé)AGV側(cè)，另1臺(tái)負(fù)責(zé)外集卡側(cè)，其典型斷面布置如圖1所示。整個(gè)作業(yè)流程分工明確，自動(dòng)化作業(yè)區(qū)不受外集卡干擾，并且通過雙小車岸橋解決了岸橋主小車與AGV之間的相互等待配合關(guān)系，提高了系統(tǒng)冗余。

圖1 雙小車岸橋-AGV-ARMG方案斷面

在該方案基礎(chǔ)上，由于AGV側(cè)的ARMG的單次作業(yè)行走距離較長(zhǎng)，存在高峰時(shí)刻AGV在堆場(chǎng)交換區(qū)等待ARMG的情況，目前有2個(gè)解決方案：1)研制出具備起升功能的可舉升自動(dòng)導(dǎo)引車(L-AGV)，能夠?qū)⒓b箱抬起放置在等待區(qū)的支架上，從而解放AGV進(jìn)行下一項(xiàng)作業(yè)，進(jìn)一步減少港口AGV數(shù)量和運(yùn)營(yíng)成本，該方案在青島港一期工程中得到了應(yīng)用；2)研制出2種不同軌距的ARMG嵌套布置，使外集卡側(cè)的岸橋能夠在高峰時(shí)刻與AGV側(cè)ARMG同時(shí)參與任意一側(cè)作業(yè)，該方案在德國(guó)HHLA-CTA碼頭中得到了應(yīng)用。

通常情況下該類方案的堆場(chǎng)交換區(qū)位于堆場(chǎng)兩端，對(duì)于有一定水-水中轉(zhuǎn)工作的港口設(shè)置帶懸臂的ARMG，并在懸臂下方進(jìn)行與AGV之間的集裝箱交換，從而減少ARMG大車行走，加快運(yùn)轉(zhuǎn)效率，減少運(yùn)營(yíng)能耗[8-9]。

1.2 單小車岸橋-ASC-ARMG方案

該方案也是成熟的自動(dòng)化集裝箱碼頭解決方案，在歐美地區(qū)的非自動(dòng)化碼頭中跨運(yùn)車(SC)的使用比較廣泛，故在自動(dòng)化碼頭發(fā)展過程中也有延續(xù)SC作為水平運(yùn)輸方式的解決方案，其中以倫敦Gateway DP World集裝箱碼頭為代表。

該方案與雙小車岸橋-AGV-ARMG方案相似，由于ASC本身具備起吊能力，所以不需要岸橋與ASC之間配合，岸橋可以直接將集裝箱放置在碼頭上，由ASC自行裝載集裝箱進(jìn)行水平運(yùn)輸，ASC也能夠不需要與ARMG在堆場(chǎng)交換區(qū)相互配合，其典型斷面布置見圖2。

圖2 單小車岸橋-ASC-ARMG方案斷面

對(duì)于傳統(tǒng)工藝流程，跨運(yùn)車往往承擔(dān)堆場(chǎng)內(nèi)作業(yè)，其高度較高(堆3層過4層)。本方案中，跨運(yùn)車只承擔(dān)水平運(yùn)輸任務(wù)，車輛可以大幅降低高度(堆1層過2層)。澳大利亞Brisbane港采用了ASC同時(shí)承擔(dān)水平運(yùn)輸和堆場(chǎng)作業(yè)的方案，但由于ASC堆高有限，堆場(chǎng)利用率低，對(duì)于吞吐量較小的港口有一定適用性。

在這2類方案中，可以采用輪胎吊(RTG)替代軌道吊(RMG)作為堆場(chǎng)設(shè)備，RTG相對(duì)RMG具有適應(yīng)性強(qiáng)、跨越箱區(qū)調(diào)度方便的優(yōu)勢(shì)；而RMG設(shè)備定位更加方便、堆場(chǎng)面積利用率更高，且跨箱區(qū)調(diào)度對(duì)于RTG的自動(dòng)化算法要求極高，調(diào)度中設(shè)備相互干擾等問題解決難度大，所以絕大部分自動(dòng)化碼頭均采用RMG作為堆場(chǎng)設(shè)備[10-11]。

1.3 堆場(chǎng)布置方向

新建的自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)布置方向基本以垂直碼頭岸線為主，因?yàn)橐远褕?chǎng)為天然分隔，將自動(dòng)化區(qū)(船側(cè))和非自動(dòng)化區(qū)(外集卡側(cè))分開，使自動(dòng)化區(qū)作業(yè)不受干擾，而且堆場(chǎng)布置僅考慮檢修和消防通道，大幅提高了堆場(chǎng)面積利用率，并且垂直布置能最大限度縮短水平運(yùn)輸設(shè)備行走距離。

但在改造工程中，由于傳統(tǒng)集裝箱碼頭基本采用堆場(chǎng)平行于碼頭前沿線布置，為控制工程承包，往往優(yōu)先考慮延續(xù)堆場(chǎng)布置。在平行布置堆場(chǎng)方案中，需要特別注意自動(dòng)化設(shè)備和非自動(dòng)化設(shè)備的分離，可以采用圍欄實(shí)現(xiàn)物理分離，也可以采用交通指示燈實(shí)現(xiàn)分時(shí)分離。另外傳統(tǒng)集裝箱堆場(chǎng)之間有通道，改造中應(yīng)盡量充分利用這些通道，提高堆場(chǎng)面積利用率，例如將集裝箱交換區(qū)布置在懸臂下方，從而避免端部交換區(qū)占用堆箱區(qū)面積。

2 自動(dòng)化集裝箱碼頭創(chuàng)新型解決方案

2.1 高架橋式起重機(jī)堆場(chǎng)方案

經(jīng)典自動(dòng)化集裝箱碼頭已經(jīng)比較完善，本方案主要針對(duì)和解決以下問題：1)RMG設(shè)備質(zhì)量較大，運(yùn)營(yíng)能耗有一定優(yōu)化潛力；2)端部交換情況下，海側(cè)和陸側(cè)只能有1臺(tái)RMG進(jìn)行裝卸作業(yè)，且每次只能裝卸和運(yùn)輸1只集裝箱，在高峰時(shí)段容易成為系統(tǒng)瓶頸，嵌套R(shí)MG方案雖然能解決這一問題，但其基建投資很高，堆場(chǎng)堆高和堆箱面積都會(huì)受到一定影響；3)由于集裝箱與RMG軌道平行擺放，導(dǎo)致所有水平運(yùn)輸設(shè)備均需要轉(zhuǎn)彎后才能進(jìn)行集裝箱裝卸，導(dǎo)致在堆場(chǎng)兩端各需要布置1個(gè)轉(zhuǎn)彎區(qū)域而不能堆存集裝箱；4)RMG軌道之間仍然需要留有間距，影響了堆場(chǎng)面積利用率；5)RMG堆場(chǎng)要求方正完整的陸域，對(duì)碼頭陸域要求較高。

本方案布置如圖3所示。整體箱區(qū)仍然采用垂直碼頭布置，海側(cè)采用AGV或者ASC進(jìn)行水平運(yùn)輸，堆場(chǎng)采用高架橋式起重機(jī)作業(yè)，箱堆之間不需布置通道，典型斷面布置見圖4。

圖3 高架橋式起重機(jī)堆場(chǎng)方案平面

圖4 高架橋式起重機(jī)堆場(chǎng)方案海側(cè)斷面(單位：m)

本方案雖然存在高架軌道投資高、廣泛使用鋼結(jié)構(gòu)帶來的額外維護(hù)工作等問題，但其優(yōu)點(diǎn)仍然十分突出：

1)首先高架橋式起重機(jī)相對(duì)RMG減少了支腿部分，減輕設(shè)備質(zhì)量，降低運(yùn)營(yíng)能耗；其次可以通過在軌道梁上下分別布置軌道，配置互不干擾的雙層橋式起重機(jī)，輕松實(shí)現(xiàn)單側(cè)雙機(jī)作業(yè)；第三還可以根據(jù)堆場(chǎng)長(zhǎng)度布置多臺(tái)設(shè)備，提高效率，而且設(shè)備寬度小，多機(jī)工作情況下相互干涉遠(yuǎn)小于RMG。

2)高架橋式起重機(jī)桁架內(nèi)能夠進(jìn)一步設(shè)置集裝箱放置機(jī)構(gòu)，如圖5、6所示。該形式能夠每次運(yùn)輸2個(gè)集裝箱，進(jìn)一步提高高峰作業(yè)裝卸效率，在一定程度上縮短倒箱作業(yè)時(shí)間。以200 m箱區(qū)長(zhǎng)度為例，RMG與高架橋式起重機(jī)效率對(duì)比見表1。

圖5 單次運(yùn)輸多個(gè)集裝箱

圖6 集裝箱放置機(jī)構(gòu)

表1 RMG與高架橋式起重機(jī)各工況效率對(duì)比

3)高架橋式起重機(jī)連續(xù)布置，不需要額外預(yù)留間距，巡檢通過桁架縱梁內(nèi)側(cè)進(jìn)行，增加地面箱位數(shù)，有效提高堆場(chǎng)利用率，參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 ARMG與高架橋式起重機(jī)各堆場(chǎng)參數(shù)對(duì)比

4)該方案采用集裝箱垂直于軌道方向擺放，水平運(yùn)輸設(shè)備不需要轉(zhuǎn)向即可進(jìn)行裝卸，陸側(cè)能夠大幅減少交換區(qū)面積，海側(cè)在使用機(jī)動(dòng)能力較強(qiáng)的水平運(yùn)輸設(shè)備情況下也能夠大幅縮減交換區(qū)和轉(zhuǎn)彎區(qū)面積。

集裝箱垂直于高架軌道方向擺放，對(duì)于場(chǎng)地適應(yīng)性大幅提高，港外車輛和火車直接進(jìn)入箱區(qū)，對(duì)自動(dòng)化堆場(chǎng)干擾極小，且高架軌道對(duì)堆場(chǎng)平整度要求也有所降低，如圖7所示。

圖7 自動(dòng)化堆場(chǎng)內(nèi)靈活布置

2.2 高層集裝箱智能貨架方案

經(jīng)典集裝箱堆場(chǎng)往往堆高控制在5～6層，主要取決于設(shè)備限制以及與倒箱率之間的平衡，導(dǎo)致堆場(chǎng)面積利用率存在極限。根據(jù)估算，單次取箱平均倒箱次數(shù)和有效作業(yè)率見表3，以常規(guī)5～6層堆高為例，堆場(chǎng)設(shè)備有效作業(yè)率在30%左右，即有70%左右的作業(yè)是在堆場(chǎng)內(nèi)倒箱，而沒有抓取到海側(cè)和陸側(cè)所需要的集裝箱，這極大地影響了堆場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效率和成本。

表3 各堆高情況下倒箱作業(yè)對(duì)比

高層集裝箱智能貨架解決方案在控制倒箱率的前提下，突破了堆高限制，更好地利用堆場(chǎng)面積，總體布置和斷面方案見圖8。

圖8 高層集裝箱智能貨架方案

高層集裝箱智能貨架方案采用堆場(chǎng)平行碼頭布置，海側(cè)交換區(qū)位于一端，陸側(cè)交換區(qū)位于堆場(chǎng)側(cè)面，采用ASC或L-AGV配合集裝箱支架水平運(yùn)輸。堆場(chǎng)內(nèi)不采用常規(guī)集裝箱直接堆放的方式，而是將每個(gè)集裝箱單獨(dú)放置在固定貨架上，避免了倒箱作業(yè)。采用定制的高速軌道式側(cè)面存取起重機(jī)完成堆場(chǎng)內(nèi)存取箱作業(yè)，設(shè)備從緊鄰軌道的兩側(cè)貨架存取集裝箱，形成2面集裝箱貨架之間布置1臺(tái)側(cè)面存取起重機(jī)的布置單元，整個(gè)堆場(chǎng)由若干存取單元組成。

在貨架底部開挖地坑，布置回字形軌道水平運(yùn)輸系統(tǒng)，如圖9所示。由兩種不同的小車分別負(fù)責(zé)水平和垂直兩個(gè)方向的移動(dòng)，高速軌道式側(cè)面存取起重機(jī)在地坑上方與地坑內(nèi)水平運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行集裝箱交換，將集裝箱移出高層集裝箱貨架之后，再由高架橋式起重機(jī)完成與外集卡的交換。整個(gè)集裝箱從離開ASC到裝載上外集卡，一共經(jīng)過3次交換，即ASC-側(cè)面存取起重機(jī)之間、側(cè)面存取起重機(jī)-地坑水平運(yùn)輸系統(tǒng)之間、地坑水平運(yùn)輸系統(tǒng)-外集卡之間的交換。根據(jù)測(cè)算，堆場(chǎng)長(zhǎng)度700 m、寬500 m、堆高11層，配置50臺(tái)側(cè)面存取起重機(jī)和8套地坑水平運(yùn)輸系統(tǒng)情況下，堆場(chǎng)容量達(dá)到11.3萬TEU，運(yùn)行效率可以達(dá)到每小時(shí)500次海側(cè)裝卸和300次陸側(cè)裝卸。

圖9 地坑水平運(yùn)輸系統(tǒng)

高層貨架技術(shù)最早在冶金行業(yè)中應(yīng)用，主要用于存放卷材，整體貨架高度可達(dá)50 m，每個(gè)貨架承擔(dān)50 t的質(zhì)量。目前在迪拜Jebel Ali港已完成集裝箱試驗(yàn)段建設(shè)并開始運(yùn)營(yíng)，該試驗(yàn)段共建設(shè)4個(gè)集裝箱貨架、2臺(tái)側(cè)面存取起重機(jī)和2套地坑水平運(yùn)輸系統(tǒng)，其中每一個(gè)整體貨架能夠堆存198個(gè)集裝箱，貨架提供20、40 ft兩種尺寸，且均兼顧高柜，單個(gè)貨架最大載質(zhì)量36 t。

該方案將傳統(tǒng)立體堆場(chǎng)切分為片狀結(jié)構(gòu)，從根本上解決了堆高與倒箱率之間的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)較高的堆高，以及數(shù)倍于傳統(tǒng)堆場(chǎng)的堆箱量。片狀結(jié)構(gòu)的堆場(chǎng)也導(dǎo)致堆場(chǎng)長(zhǎng)度方向不宜過短，在平面布置中宜平行于陸域長(zhǎng)度方向布置，該布置形式對(duì)于堆場(chǎng)側(cè)面與外集卡或者火車進(jìn)行集裝箱裝卸是最優(yōu)選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過對(duì)兩種創(chuàng)新自動(dòng)化集裝箱堆場(chǎng)解決方案的研究發(fā)現(xiàn)，新方案均是以提高堆場(chǎng)利用率為核心，研制新設(shè)備形成一整套解決方案，體現(xiàn)了自動(dòng)化方案的研究特點(diǎn)。

2)高架橋式起重機(jī)堆場(chǎng)方案創(chuàng)新地將集裝箱垂直于堆場(chǎng)軌道布置，使堆場(chǎng)在陸域縱深上布置更加靈活，由于設(shè)備的特殊性，使該方案能夠大幅提高堆場(chǎng)利用率和運(yùn)行效率，是一種極有推廣價(jià)值的自動(dòng)化堆場(chǎng)技術(shù)。

3)高層集裝箱智能貨架方案將傳統(tǒng)堆垛集裝箱堆場(chǎng)切分為若干片狀貨架，將倒箱率降為零，突破了現(xiàn)有堆高。經(jīng)過試運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證，堆場(chǎng)運(yùn)作效率很高，可以在未來更多的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中應(yīng)用。