自動化集裝箱碼頭海陸側(cè)交換區(qū)設計簡析

魏夢嬌，張 劍，劉仲松

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

自動化集裝箱碼頭海陸側(cè)交換區(qū)設計簡析

魏夢嬌，張 劍，劉仲松

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

在全球集裝箱運輸業(yè)迅猛發(fā)展的形勢下，“五型新港口”即自動化集裝箱碼頭應運而生。本文基于目前國內(nèi)外自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)發(fā)展概況，重點對自動化集裝箱碼頭海陸側(cè)交換區(qū)布置方案進行深入研究和探討，研究成果可為類似的集裝箱碼頭規(guī)劃設計提供借鑒及參考。

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

引 言

在自動化集裝箱碼頭的規(guī)劃設計中，工藝系統(tǒng)布置對碼頭自動化程度及作業(yè)效率起決定性作用。自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)包含3個子系統(tǒng)：船舶裝卸系統(tǒng)、水平運輸系統(tǒng)和堆場集疏運系統(tǒng)。其中，水平運輸系統(tǒng)和堆場集疏運系統(tǒng)是影響碼頭工藝系統(tǒng)能力的關鍵因素。堆場集疏運系統(tǒng)包括海側(cè)交換區(qū)、堆場堆存區(qū)、陸側(cè)交換區(qū)，如圖1所示，海陸側(cè)交換區(qū)的設計布置直接影響堆場集疏運能力及碼頭陸域縱深。目前國內(nèi)外研究主要集中在船舶裝卸系統(tǒng)、水平運輸系統(tǒng)及堆場堆存區(qū)，很少涉獵影響工藝系統(tǒng)布置的一個關鍵因素—海陸側(cè)交換區(qū)。本文重點研究海陸側(cè)交換區(qū)布置，提高海陸側(cè)交換區(qū)作業(yè)效率，從而提高整個碼頭系統(tǒng)效率。

本文結(jié)合目前國內(nèi)外自動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化集裝箱碼頭工程項目，研究影響自動化集裝箱碼頭海陸側(cè)交換區(qū)設計的關鍵因素并提出具體布置方案，為類似工程提供參考。

圖1 堆場集疏運系統(tǒng)

1 自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)現(xiàn)狀

自動化集裝箱碼頭堆場通常垂直于碼頭岸線方向，此種布置型式能夠?qū)崿F(xiàn)堆場的無車化及封閉式管理，避免水平運輸設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；縮短設備運行距離；堆場的效率達到最大化。無懸臂式 ASC是目前世界典型自動化集裝箱碼頭使用最普遍的堆場作業(yè)設備，為保證每個箱區(qū)可同時進行海、陸側(cè)作業(yè)，目前堆場作業(yè)系統(tǒng)通常采用雙機作業(yè)模式。

以水平運輸設備、堆場堆碼垛及裝卸設備為區(qū)分點，將世界自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)分為兩種：“自動化軌道吊（以下簡稱“ASC”）+自動導引小車（以下簡稱“AGV”）”工藝系統(tǒng)及“ASC+低門架跨運車（以下簡稱跨運車）”工藝系統(tǒng)。

1.1 “ASC+AGV”工藝系統(tǒng)

當水平運輸設備采用AGV時，工藝流程為：岸橋←→AGV←→海側(cè)交換區(qū)←→海側(cè) ASC←→堆場←→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ASC之間存在雙邊耦合，導致自動化集裝箱碼頭工藝系統(tǒng)裝卸效率較低。為解決這個問題，近年新建的自動化集裝箱碼頭將AGV改造升級為L-AGV（圖2），并在海側(cè)交換區(qū)布置轉(zhuǎn)承平臺。因為L-AGV兼顧水平運輸和垂直升降功能，進入堆場海側(cè)交換區(qū)后無需等待ASC，直接利用轉(zhuǎn)承平臺完成取、放箱交接作業(yè)，使得L-AGV與ASC實現(xiàn)單邊解耦，減少了L-AGV與ASC的作業(yè)等待時間，從而有效地提高L-AGV利用率，由此可減少約40 %的AGV設備數(shù)量［1］。

圖2 Gottwald研制的L-AGV

1.2 “ASC+跨運車”工藝系統(tǒng)

當水平運輸設備采用跨運車時，工藝流程為：岸橋←→碼頭面←→跨運車←→海側(cè)交換區(qū)←→海側(cè) ASC←→堆場←→陸側(cè) ASC←→陸側(cè)交換區(qū)←→集卡。因為跨運車實現(xiàn)的主要功能為起升和運輸，能夠直接從地面進行集裝箱抓箱和著箱，從而實現(xiàn)跨運車與岸橋及 ASC之間的雙邊解耦，設備能夠完全獨立地非耦合作業(yè)，作業(yè)過程無需相互等待，整個裝卸工藝系統(tǒng)柔性更強，作業(yè)更順暢，裝卸效率更高。

人工跨運車（圖 3）在國外自動化集裝箱碼頭中應用已頗為成熟，由司機駕駛，操作靈活性高。與人工跨運車相比，自動跨運車可提高系統(tǒng)的自動化程度、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碼頭和美國洛杉磯Trapac碼頭已經(jīng)采用了自動跨運車工藝。

圖3 人工跨運車

1.3 L-AGV系統(tǒng)與跨運車系統(tǒng)對比

表1 L-AGV系統(tǒng)與跨運車系統(tǒng)對比

2 碼頭海陸側(cè)交換區(qū)布置方案設計［2］

自動化集裝箱碼頭箱區(qū)海側(cè)端部、陸側(cè)端部分別設置海側(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)”，主要負責港外集卡提箱及送箱業(yè)務，存在與人進行交接，其布置形式應在保證作業(yè)安全性的前提下，提高裝卸箱效率。

2.1 海側(cè)交換區(qū)布置設計

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

1）L-AGV交換區(qū)

水平運輸設備采用L-AGV時，需在海側(cè)交換區(qū)布置轉(zhuǎn)承平臺（固定機架），使L-AGV在與海側(cè)ASC交接過程中，具備主動“裝卸”集裝箱功能。L-AGV接到控制系統(tǒng)分配的任務指令后，從碼頭前沿轉(zhuǎn)彎進入相應箱區(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帶箱進指定的交換區(qū)車道，則需在進入轉(zhuǎn)承平臺前，將集裝箱提起到一定高度，進入轉(zhuǎn)承平臺后，利用自身升降機構著箱至轉(zhuǎn)承平臺上，無需等待海側(cè) ASC來取箱便可離開。如圖 4所示，從堆場海側(cè)箱邊到ASC軌道海側(cè)端頭L1為L-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，周邊設置圍欄將箱區(qū)與交換區(qū)隔開。海側(cè)交換區(qū)分兩個工位，工位1長16 m（ASC寬度為15.4 m），為海側(cè)ASC維修區(qū)域，工位2為當海側(cè)ASC維修時，陸側(cè)ASC能夠接替完成海側(cè)提放箱作業(yè)的區(qū)域。L1寬度還應滿足：1）當海側(cè) ASC作業(yè)在交換區(qū)提放 40呎箱時，陸側(cè)ASC能提取堆場區(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，能作業(yè)轉(zhuǎn)承平臺雙20呎箱位的前一個20呎箱。L4為碼頭前沿緩沖區(qū)，該寬度需滿足L-AGV轉(zhuǎn)彎進出及停放。L3為L-AGV水平運輸高速行駛區(qū)。L2設計為L-AGV轉(zhuǎn)彎安全區(qū)，該區(qū)域亦用于布置高桿燈、L-AGV無線通訊桿、消火栓等輔助設施。廈門遠海自動化集裝箱碼頭在海側(cè)交換區(qū)內(nèi)布置了AGV的臨時“機會充電”裝置。

2）跨運車交換區(qū)

圖5 跨運車海側(cè)交換區(qū)工藝布置示意

水平運輸方式采用跨運車時，通常采用“堆一過二”式跨運車。根據(jù)ASC軌距大小在交換區(qū)布置若干跨運車車道，每條車道布置4個20呎箱位，靠近海側(cè)2個箱位碼放出口箱，靠近陸側(cè)2個箱位碼放進口箱，其中進口箱可以堆放兩層高?？邕\車車道寬5 m，采用劃線形式。當采用人工跨運車時，箱列間距至少為7 m，允許跨運車和ASC同時工作在相鄰車道，車道間2 m間距布置引導臺（放置車道控制紅綠信號燈及紅外對射裝置）。如圖 5所示車擋距圍欄間距需考慮跨運車作業(yè)靠近箱區(qū)的 20呎箱位時跨運車不能撞到圍欄。信號燈設置為常紅，只有當跨運車接近目的車道，且向控制系統(tǒng)發(fā)送請求進入交換區(qū)車道，若 ASC沒占用該車道，信號燈才變綠，此時跨運車有權限進入車道，紅外對射裝置感應跨運車進入后，改變狀態(tài)，信號燈為紅，此時 ASC及其他跨運車均不能進入該車道，此種設計能使ASC作業(yè)效率最大化。ASC吊具下降到安全高度后，切換到遠程操作模式，由操作員在中控室進行遠程操作。如果采用自動跨運車，上述設施均可取消，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)布置設計

自動化集裝箱碼頭外集卡進港過閘口時，閘口系統(tǒng)將目的堆場指令給集卡。集卡根據(jù)指令從主干道上駛出，到達對應堆場區(qū)塊后90°轉(zhuǎn)彎（系統(tǒng)只分配具體堆場區(qū)塊，不指定車道），并利用司機側(cè)的倒車鏡倒車進入交換區(qū)空閑車道，配合 ASC通過視頻遠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，周邊設置圍欄將箱區(qū)與交換區(qū)隔開，ASC可對每條集卡車道進行獨立工作。交換區(qū)采用“一島一道”的設計理念，集卡通道寬度設計為 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，限制司機只能在其分配的車道內(nèi)活動。若車道設計太寬，集卡倒車不正時集裝箱位置存在偏移，易導致 ASC吊具對位時間過長影響系統(tǒng)效率，且 ASC吊具自動糾偏能力達不到時需人工處理。應對集卡司機能力及ASC吊具糾偏能力取平衡，根據(jù)廈門遠海自動化集裝箱碼頭、美國長灘碼頭使用經(jīng)驗，推薦集卡通道靜寬為2.6～2.7 m。

從堆場箱邊到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ASC工位。工位1長16 m（ASC寬度為15.4 m），為陸側(cè)ASC維修區(qū)域，工位2為當陸側(cè)ASC維修時，海側(cè)ASC能夠接替完成陸側(cè)提放箱的作業(yè)區(qū)域。L1寬度還應滿足：1）當陸側(cè)ASC在提放集卡上的40呎箱時，海側(cè)ASC能提取堆場區(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，能提放雙20呎箱集卡的前一個20呎箱。L2為集卡倒車區(qū)，考慮集卡司機能力并經(jīng)實際測試，該寬度設計不應小于30 m。

陸側(cè)交換區(qū)整個作業(yè)過程為：集卡入位后，根據(jù)人機分離原則，集卡司機解轉(zhuǎn)鎖并進入到司機操作亭，刷卡將入位信息傳遞到控制系統(tǒng)，并對操作亭里設置的手壓或者腳壓裝置進行操作向系統(tǒng)確認已完成解轉(zhuǎn)鎖作業(yè)，這時控制系統(tǒng)會將工作指令分配給ASC，司機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遠程人工操控進行提取箱，ASC進交換區(qū)時不允許吊具橫向跨越集卡車道，且如果出現(xiàn) ASC在提箱過程中將集卡提起的情況，司機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)布置設計細節(jié)

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

2）ASC高速行駛，兩側(cè)均需配置水平輪，設計時應合理布置圍欄與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)圍欄為活動圍欄。

3 結(jié) 語

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

2）海側(cè)交換區(qū)工藝設計，水平運輸設備是關鍵，選用AGV 或者跨運車作為水平運輸設備，要根據(jù)碼頭用戶的具體要求進行效率、能耗、成本等方面的對比分析，選擇最合適的設備類型。

3）自動化集裝箱碼頭裝卸工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)相輔相成，應充分結(jié)合工程實際條件及動態(tài)模擬仿真技術對碼頭方案進行仿真分析，并有針對性進行方案優(yōu)化，使裝卸工藝系統(tǒng)效率最大化。

［1］李海波.集裝箱自動導引車系統(tǒng)的應用及技術特性分析［J］.港口裝卸，2010，（3）：15-18.

［2］中交第一航務工程勘察設計院有限公司.天津港東疆集裝箱碼頭二期工程可行性研究報告［R］.天津：中交第一航務工程勘察設計院有限公司，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

魏夢嬌（1988-），女，助理工程師，主要從事港口裝卸工藝設計工作。