自動(dòng)化立體堆場(chǎng)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(chǎng)空間的需求不斷上升，堆場(chǎng)飽和，集裝箱碼頭堆場(chǎng)越來(lái)越成為制約港口發(fā)展的重要因素[1]。為了增加堆場(chǎng)通過(guò)能力、實(shí)現(xiàn)碼頭經(jīng)營(yíng)高效化，已做過(guò)很多研究，但是以往研究或是通過(guò)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(lái)提高作業(yè)效率，或是通過(guò)擴(kuò)建堆場(chǎng)增加堆場(chǎng)面積來(lái)直接提高通過(guò)能力，然而這些方法都存在翻倒箱問(wèn)題，影響堆場(chǎng)效率[2]，且橫向增加堆場(chǎng)面積在港口土地資源越來(lái)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(chǎng)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(chǎng)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。立體堆場(chǎng)在堆存及裝卸方式上有別于傳統(tǒng)堆場(chǎng)，其主要由自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)、水平運(yùn)輸3部分，通過(guò)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(chǎng)內(nèi)采用立體貨架，前沿與堆場(chǎng)之間的水平運(yùn)輸設(shè)備采用自動(dòng)化跨運(yùn)車，堆場(chǎng)海側(cè)交互區(qū)水平運(yùn)輸設(shè)備采用橫移支架，堆場(chǎng)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(chǎng)海陸側(cè)交互區(qū)與堆場(chǎng)之間采用自動(dòng)化堆垛機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)，陸側(cè)集卡與堆場(chǎng)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(wàn)TEU，水水中轉(zhuǎn)率0%，在此條件下對(duì)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(guò)能力計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，要滿足2個(gè)泊位160萬(wàn)TEU的設(shè)計(jì)年吞吐量，每個(gè)泊位至少需要4臺(tái)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(tái)雙小車岸橋。堆場(chǎng)要滿足160萬(wàn)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(chǎng)通過(guò)能力可達(dá)163.7萬(wàn)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(chǎng)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(wàn)噸級(jí)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)。跨運(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(chǎng)存取作業(yè)等環(huán)節(jié)。由于碼頭前沿采用自動(dòng)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(mén)的方式分離無(wú)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(chǎng)作業(yè)區(qū)

堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線布置，全自動(dòng)化作業(yè)。采用端部裝卸方式：海側(cè)為自動(dòng)化跨運(yùn)車交接區(qū)，陸側(cè)為集卡交接區(qū)，堆場(chǎng)內(nèi)采用自動(dòng)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(chǎng)貨架上。海側(cè)交互區(qū)通過(guò)橫移支架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化跨運(yùn)車和自動(dòng)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(guò)地面轉(zhuǎn)運(yùn)梭車和自動(dòng)化堆垛機(jī)交接。根據(jù)堆場(chǎng)通過(guò)能力共設(shè)54條裝卸線。圖3所示為堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)。

圖3 堆場(chǎng)布置

1.1.4核心設(shè)備

1)自動(dòng)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(dòng)，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(tái)自動(dòng)化堆垛機(jī)將海側(cè)交互區(qū)橫移支架上的集裝箱通過(guò)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(guò)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(tái)低架行車通過(guò)大車移動(dòng)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(chǎng)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(guò)吊具將集裝箱放置于橫移支架上，自動(dòng)化堆垛機(jī)通過(guò)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(dòng)化堆垛機(jī)通過(guò)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(chǎng)采用軌道吊作為裝卸設(shè)備，自動(dòng)化立體式堆場(chǎng)內(nèi)采用自動(dòng)化堆垛機(jī)對(duì)集裝箱進(jìn)行搬運(yùn)，水平運(yùn)輸設(shè)備不進(jìn)入堆場(chǎng)，在堆場(chǎng)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(wàn)TEUa的吞吐量，對(duì)堆場(chǎng)裝卸設(shè)備主要是自動(dòng)化堆垛機(jī)以及用來(lái)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(chǎng)場(chǎng)地利用率

通過(guò)與其他類型堆場(chǎng)的場(chǎng)地利用率進(jìn)行對(duì)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(chǎng)容量的條件下，不同堆場(chǎng)系統(tǒng)所需土地面積的對(duì)比；二是在相同土地面積的條件下，不同堆場(chǎng)系統(tǒng)的可利用堆場(chǎng)容量的對(duì)比。上述堆場(chǎng)系統(tǒng)的計(jì)算面積不僅包括堆場(chǎng)存取區(qū)域，也包括從岸橋后軌至堆場(chǎng)間的水平運(yùn)輸區(qū)域、堆場(chǎng)后方的主干道區(qū)域，以及堆場(chǎng)兩側(cè)的通行道路。比較評(píng)估堆場(chǎng)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(chǎng)設(shè)計(jì)每年通過(guò)能力160萬(wàn)TEU的要求，立體式堆場(chǎng)的可利用堆場(chǎng)容量為43 092 TEU，此條件下所需的堆場(chǎng)系統(tǒng)土地面積為26.24萬(wàn)m2，即單位土地面積的可利用堆場(chǎng)容量為1 642 TEU萬(wàn)m2。

圖4 場(chǎng)地利用率計(jì)算時(shí)的區(qū)域劃分

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

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

表3 不同堆場(chǎng)模式的場(chǎng)地利用率指標(biāo)對(duì)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(chǎng)的場(chǎng)地利用率均明顯大于傳統(tǒng)RTG堆場(chǎng)和自動(dòng)化ASC堆場(chǎng)，且對(duì)應(yīng)的指標(biāo)比值均大于2。

4 堆場(chǎng)倒箱率對(duì)比

在RTG堆場(chǎng)和ASC堆場(chǎng)中，為提高堆場(chǎng)的儲(chǔ)存能力，集裝箱的堆箱高度通常在3層以上。在堆場(chǎng)繁忙時(shí)，堆高會(huì)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(chǎng)設(shè)備因?yàn)榈瓜涠M(jìn)行的額外作業(yè)時(shí)間就可能長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)。此外，如果堆存計(jì)劃不合理，也會(huì)進(jìn)一步增加堆場(chǎng)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(chǎng)則可使堆場(chǎng)倒箱率減少到零。每個(gè)集裝箱獨(dú)立儲(chǔ)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(wú)須進(jìn)行倒箱操作，從而大大提高堆場(chǎng)的作業(yè)效率和對(duì)外服務(wù)水平，同時(shí)簡(jiǎn)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(yǔ)

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(chǎng)的場(chǎng)地利用率均明顯大于傳統(tǒng)RTG堆場(chǎng)和自動(dòng)化ASC堆場(chǎng)，能夠有效節(jié)省空間，提高堆場(chǎng)利用率。

2)采用集裝箱立體堆場(chǎng)的存儲(chǔ)方式，存儲(chǔ)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(chǎng)初期投資較大，但對(duì)于土地資源緊缺的碼頭，這是一個(gè)較好的解決方案。