自動化立體堆場裝卸工藝

倪敏敏，單 佳

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200120)

隨著船舶的大型化以及集裝箱運(yùn)輸量的迅速增加，碼頭堆場空間的需求不斷上升，堆場飽和，集裝箱碼頭堆場越來越成為制約港口發(fā)展的重要因素[1]。為了增加堆場通過能力、實(shí)現(xiàn)碼頭經(jīng)營高效化，已做過很多研究，但是以往研究或是通過提高集裝箱港口裝卸搬運(yùn)設(shè)備作業(yè)效率和改進(jìn)裝卸工藝來提高作業(yè)效率，或是通過擴(kuò)建堆場增加堆場面積來直接提高通過能力，然而這些方法都存在翻倒箱問題，影響堆場效率[2]，且橫向增加堆場面積在港口土地資源越來越緊張的情況下，擴(kuò)建成本太高。因此，在港口內(nèi)部有限堆場面積的前提下顯著增加集裝箱的堆存容量和降低翻倒箱率顯得尤為重要。

立體堆場在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。立體堆場在堆存及裝卸方式上有別于傳統(tǒng)堆場，其主要由自動化堆垛機(jī)、高層貨架、輸送系統(tǒng)等構(gòu)成。架式結(jié)構(gòu)提高了空間利用率，節(jié)省用地，與自動化控制技術(shù)相結(jié)合更加便于管理[3]。而且區(qū)別于傳統(tǒng)堆存方式的一點(diǎn)是它不存在翻倒箱率，進(jìn)而提高了作業(yè)效率。雖然此模式在港口還處于探索階段[4]，但能給土地資源匱乏的港口在如何提高堆存容量上提供一個(gè)新思路。

1 碼頭裝卸工藝

集裝箱碼頭包含碼頭前沿、堆場、水平運(yùn)輸3部分，通過水平運(yùn)輸設(shè)備形成交互，完成裝卸船、進(jìn)提箱的完整作業(yè)流程。為達(dá)到效益最大化，碼頭前沿采用雙小車岸橋，堆場內(nèi)采用立體貨架，前沿與堆場之間的水平運(yùn)輸設(shè)備采用自動化跨運(yùn)車，堆場海側(cè)交互區(qū)水平運(yùn)輸設(shè)備采用橫移支架，堆場陸側(cè)交互區(qū)水平運(yùn)輸設(shè)備采用地面轉(zhuǎn)運(yùn)梭車，堆場海陸側(cè)交互區(qū)與堆場之間采用自動化堆垛機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)，陸側(cè)集卡與堆場地面轉(zhuǎn)運(yùn)梭車交互采用低架行車。這些設(shè)施設(shè)備相互配合，完成碼頭作業(yè)。

1.1 碼頭平面布局

碼頭按照2個(gè)泊位、800 m岸線考慮，設(shè)計(jì)年吞吐量160萬TEU，水水中轉(zhuǎn)率0%，在此條件下對碼頭進(jìn)行布局規(guī)劃設(shè)計(jì)。按照J(rèn)TS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行泊位年通過能力計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，要滿足2個(gè)泊位160萬TEU的設(shè)計(jì)年吞吐量，每個(gè)泊位至少需要4臺效率達(dá)到35自然箱h的雙小車岸橋，即2個(gè)泊位共需配置8臺雙小車岸橋。堆場要滿足160萬TEU的年堆存能力，按堆存高度12層計(jì)，至少需要配置44 352個(gè)標(biāo)箱位。實(shí)際配置箱位數(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際堆場通過能力可達(dá)163.7萬TEUa。碼頭整體布局如圖1所示，主要分為碼頭前沿作業(yè)區(qū)、堆場作業(yè)區(qū)和水平運(yùn)輸區(qū)3個(gè)部分。

圖1 碼頭整體平面布局

1.1.1碼頭前沿作業(yè)區(qū)

碼頭前沿裝卸采用遠(yuǎn)程操控的雙小車岸橋，吊具下起重量65 t，軌距35 m，外伸距取70 m，最大可滿足20萬噸級集裝箱船裝卸。軌內(nèi)為艙蓋板堆放區(qū)和超限箱集卡裝卸車道，軌后為跨運(yùn)車運(yùn)行區(qū)?？邕\(yùn)車運(yùn)行區(qū)分為跨運(yùn)車裝卸區(qū)、緩沖區(qū)和行駛區(qū)3個(gè)功能區(qū)，如圖2所示。

圖2 碼頭前沿布置

1.1.2水平運(yùn)輸區(qū)

水平運(yùn)輸區(qū)負(fù)責(zé)聯(lián)通前沿裝卸作業(yè)、堆場存取作業(yè)等環(huán)節(jié)。由于碼頭前沿采用自動化跨運(yùn)車作為水平運(yùn)輸設(shè)備，為確保港口作業(yè)安全，采用隔離網(wǎng)加安全門的方式分離無人區(qū)和有人區(qū)。陸側(cè)采用集卡作業(yè)，并結(jié)合相關(guān)水平交互運(yùn)輸設(shè)備共同完成作業(yè)。

1.1.3堆場作業(yè)區(qū)

堆場垂直于碼頭岸線布置，全自動化作業(yè)。采用端部裝卸方式：海側(cè)為自動化跨運(yùn)車交接區(qū)，陸側(cè)為集卡交接區(qū)，堆場內(nèi)采用自動化堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)集裝箱的存取作業(yè)，集裝箱放置在立體堆場貨架上。海側(cè)交互區(qū)通過橫移支架實(shí)現(xiàn)自動化跨運(yùn)車和自動化堆垛機(jī)的交接，陸側(cè)交互區(qū)外集卡倒車進(jìn)入裝卸位后先和低架行車進(jìn)行交互，集裝箱再通過地面轉(zhuǎn)運(yùn)梭車和自動化堆垛機(jī)交接。根據(jù)堆場通過能力共設(shè)54條裝卸線。圖3所示為堆場作業(yè)區(qū)。

圖3 堆場布置

1.1.4核心設(shè)備

1)自動化堆垛機(jī)。能實(shí)現(xiàn)大車、起升和貨叉前后伸縮方向的運(yùn)動，并沿巷道內(nèi)地面軌道往返運(yùn)行，每條巷道兩側(cè)為12層高的貨架，每條巷道配置1臺自動化堆垛機(jī)將海側(cè)交互區(qū)橫移支架上的集裝箱通過自帶貨叉搬運(yùn)至貨架指定位置存放，反之亦然。將陸側(cè)地面轉(zhuǎn)運(yùn)梭車上的集裝箱通過自帶貨叉搬運(yùn)至貨架指定位置存放，反之亦然。

2)低架行車。將外集卡上的集裝箱搬運(yùn)至陸側(cè)交互區(qū)的地面轉(zhuǎn)運(yùn)梭車上，反之亦然；每臺低架行車通過大車移動負(fù)責(zé)5～8個(gè)集卡倒車位及臨近梭車位。

3)橫移支架。用于海側(cè)交互區(qū)集裝箱的轉(zhuǎn)接存放。

4)地面轉(zhuǎn)運(yùn)梭車。用于陸側(cè)交互區(qū)堆場與外集卡之間集裝箱的地面轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.2 裝卸工藝流程

1.2.1裝卸船流程

以卸船流程為例，裝船反之。

雙小車岸橋從集裝箱船上抓箱后放置在岸橋后待裝卸區(qū)，跨運(yùn)車行駛到裝卸區(qū)抓取集裝箱后再進(jìn)去海側(cè)交互區(qū)。此時(shí)跨運(yùn)車通過吊具將集裝箱放置于橫移支架上，自動化堆垛機(jī)通過自帶貨叉搬運(yùn)至貨架指定位置存放。

1.2.2集疏運(yùn)流程

以集運(yùn)流程為例，疏運(yùn)反之。

外集卡進(jìn)入港口后先行駛至陸側(cè)交互區(qū)，低架行車將外集卡上集裝箱搬運(yùn)至地面轉(zhuǎn)運(yùn)梭車上，自動化堆垛機(jī)通過自帶貨叉搬運(yùn)至貨架指定位置存放。

2 系統(tǒng)效率

不同于常規(guī)碼頭堆場采用軌道吊作為裝卸設(shè)備，自動化立體式堆場內(nèi)采用自動化堆垛機(jī)對集裝箱進(jìn)行搬運(yùn)，水平運(yùn)輸設(shè)備不進(jìn)入堆場，在堆場兩端進(jìn)行交互，岸橋的單機(jī)效率按照常規(guī)35箱h計(jì)算，為了滿足160萬TEUa的吞吐量，對堆場裝卸設(shè)備主要是自動化堆垛機(jī)以及用來交互的行車效率進(jìn)行分析，如表1和2所示。

表1 堆垛機(jī)目標(biāo)單機(jī)效率

表2 行車目標(biāo)單機(jī)效率

3 堆場場地利用率

通過與其他類型堆場的場地利用率進(jìn)行對比分析，研究該裝卸工藝系統(tǒng)在節(jié)約土地方面的優(yōu)劣程度。主要從兩方面的指標(biāo)進(jìn)行分析：一是在相同可利用堆場容量的條件下，不同堆場系統(tǒng)所需土地面積的對比；二是在相同土地面積的條件下，不同堆場系統(tǒng)的可利用堆場容量的對比。上述堆場系統(tǒng)的計(jì)算面積不僅包括堆場存取區(qū)域，也包括從岸橋后軌至堆場間的水平運(yùn)輸區(qū)域、堆場后方的主干道區(qū)域，以及堆場兩側(cè)的通行道路。比較評估堆場系統(tǒng)土地利用率時(shí)須考慮的區(qū)域如圖4所示。為滿足堆場設(shè)計(jì)每年通過能力160萬TEU的要求，立體式堆場的可利用堆場容量為43 092 TEU，此條件下所需的堆場系統(tǒng)土地面積為26.24萬m2，即單位土地面積的可利用堆場容量為1 642 TEU萬m2。

圖4 場地利用率計(jì)算時(shí)的區(qū)域劃分

在同等堆場系統(tǒng)面積為26.24萬m2的前提下，常規(guī)RTG堆場(堆場平行岸線)的可利用堆場容量為19 896 TEU，折算成單位土地面積的可利用堆場容量為758 TEU萬m2；自動化ASC堆場(堆場垂直岸線)的可利用堆場容量為16 321 TEU，折算成單位土地面積的可利用堆場容量為622 TEU萬m2。

在同等可利用堆場容量43 092 TEU的前提下，常規(guī)RTG堆場所需的堆場系統(tǒng)面積為53.45萬m2，折算成單位土地面積的可利用堆場容量為806 TEU萬m2；自動化ASC堆場所需的堆場系統(tǒng)面積為56.18萬m2，折算成單位土地面積的可利用堆場容量為767 TEU萬m2。不同堆場模式的分析比較見表3。

表3 不同堆場模式的場地利用率指標(biāo)對比

由表3得知，在同等可利用容量或同等土地面積情況下，立體式堆場的場地利用率均明顯大于傳統(tǒng)RTG堆場和自動化ASC堆場，且對應(yīng)的指標(biāo)比值均大于2。

4 堆場倒箱率對比

在RTG堆場和ASC堆場中，為提高堆場的儲存能力，集裝箱的堆箱高度通常在3層以上。在堆場繁忙時(shí)，堆高會達(dá)到6～7層，十分緊湊。雖然單個(gè)集裝箱的倒箱時(shí)間僅幾分鐘，但是當(dāng)需要倒箱的集裝箱積累到一定程度時(shí)，堆場設(shè)備因?yàn)榈瓜涠M(jìn)行的額外作業(yè)時(shí)間就可能長達(dá)幾個(gè)小時(shí)。此外，如果堆存計(jì)劃不合理，也會進(jìn)一步增加堆場的倒箱率。這不僅降低碼頭作業(yè)效率，也影響碼頭的服務(wù)水平，從而影響港口效益。采用立體堆場則可使堆場倒箱率減少到零。每個(gè)集裝箱獨(dú)立儲存在貨架上，彼此之間不存在互相堆疊的關(guān)系(圖5)，因此提箱時(shí)無須進(jìn)行倒箱操作，從而大大提高堆場的作業(yè)效率和對外服務(wù)水平，同時(shí)簡化了碼頭的堆存管理計(jì)劃。

圖5 立體貨架側(cè)視圖

5 結(jié)語

1)在同等可利用容量或者同等土地面積的情況下，立體式堆場的場地利用率均明顯大于傳統(tǒng)RTG堆場和自動化ASC堆場，能夠有效節(jié)省空間，提高堆場利用率。

2)采用集裝箱立體堆場的存儲方式，存儲的集裝箱彼此不存在互相堆疊的關(guān)系，減少了集裝箱的外部壓力，更重要的是大幅度減少了翻箱倒箱作業(yè)，既提高作業(yè)效率，也提高作業(yè)的安全性及操作和運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。

3)雖然堆場初期投資較大，但對于土地資源緊缺的碼頭，這是一個(gè)較好的解決方案。