地下集裝箱運輸系統(tǒng)車輛制式選型研究

黃瑞達

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

集裝箱港口大多依城而建，在地理區(qū)位上都與城市高度重疊。目前，由于港口公路運輸比例過高帶來的地面道路擁堵、環(huán)境污染等一系列問題，以集卡車為主的貨運交通極大地影響了城市道路的服務水平和通行能力，導致港口城市交通及環(huán)境日益惡化［1］。針對上述問題，筆者提出了將貨物運輸轉移至地下，實現(xiàn)集裝箱專有路權的一種運輸系統(tǒng)，即地下集裝箱運輸系統(tǒng)［2］。

以往地下集裝箱運輸系統(tǒng)的研究中，著眼于建設必要性、需求分析和線路方案研究，對系統(tǒng)總體運輸方案研究較欠缺。從整個系統(tǒng)上看，不同的制式、運輸組織、運輸量、建筑與結構形式等均存在較大的不同，這方面的研究尚未開展。因此，本文著眼于車輛制式選型研究，填補之前相關研究中的空白。

1 地下集裝箱運輸系統(tǒng)的總體方案

地下集裝箱貨運系統(tǒng)主要有兩大子系統(tǒng)組成，即垂直吊裝運輸子系統(tǒng)和自動化運輸子系統(tǒng)?？紤]到港區(qū)用地較一般更為集約，往往無法使用較長的展線（敞開段）將地面集裝箱送至地下，因此，提出垂直吊裝運輸子系統(tǒng)，以節(jié)省港區(qū)用地。為提升集裝箱在地下運輸效率和可靠性，同時提出用于地下的自動化運輸子系統(tǒng)。地下集裝箱運輸系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 地下集裝箱運輸系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underground container transportation system

2 研究意義

地下集裝箱運輸系統(tǒng)的車輛制式選型的實質是以制式比選為切入點，從整個系統(tǒng)的角度優(yōu)化整體方案。以本課題依托的上海外高橋—嘉定地下集裝箱運輸通道為例，考慮到集裝箱年運輸量非常大，如果使用普通的集卡運輸，需要發(fā)車頻率控制在20 s一輛，在實際中難以實現(xiàn)，因此，需要大運量的自動化軌道車輛系統(tǒng)。對于地下工程，減少工程的規(guī)模有利于減少投資，對于軌道系統(tǒng)，就需要優(yōu)化到發(fā)線的有效長度以減小開口面積、車輛基地占地（地面還是地下）等諸多問題。因此，開展運輸制式的選型，可進一步優(yōu)化細節(jié)問題，有利于形成更深化和細化的工程方案。

3 研究成果

研究圍繞調研、評估、應用展開，即聚焦研究地下集裝箱運輸裝備在不同條件下的選型，通過充分調研適用于本系統(tǒng)的各種制式，建立選型評估方法，并結合工程形成方案。

3.1 常見運輸制式調研

地下集裝箱運輸裝備分類如圖2所示。調研主要分為道路式和軌道式兩大類開展，道路式包含卡車、自動導引運輸車（AGV）等，軌道式包含鐵路、傳統(tǒng)城軌、直線電機城軌、梭車、磁懸浮等。主要調研其應用場景、特性以及性能指標。特性包含起導向形式、驅動方式、成本、壽命、國產化程度、無人駕駛可行性、技術成熟度等；性能指標包括運行速度、爬坡能力、轉彎半徑、載重、運行時距、單位能耗等。在調研過程中，考慮到技術成熟度、經濟性、國產化程度、在地下環(huán)境的適應性等因素，初步確定卡車、AGV、城軌（貨運地鐵）、梭車等為評估對象。

圖2 地下集裝箱運輸裝備分類Fig.2 Classification of Underground Container Transportation System vehicle

（1）自動駕駛卡車是在傳統(tǒng)卡車基礎上增加自動化控制系統(tǒng)，采用車對外界的信息交換（V2X）技術，實現(xiàn)對車輛的遠程控制以及車輛與車輛之間的通信控制，同時也能滿足在人工駕駛的工況。

自動駕駛卡車能夠有效避免兩端的垂直吊裝和貨運轉運問題，同時又能避免人進入隧道的問題，可減少土建投資以減少運維成本，同時增加運輸靈活性。目前階段的自動駕駛卡車是傳統(tǒng)集卡與完全自動駕駛卡車之間的發(fā)展階段，技術成熟可行。尤其在短距離隧道密閉環(huán)境中，干擾較少情況下，控制技術可靠性更為保證。用于地下環(huán)境的自動駕駛卡車如圖3所示。

圖3 用于地下環(huán)境的自動駕駛卡車Fig.3 Auto pilot truck in underground environment

（2）集裝箱AGV是一種自動化設備，具有無人駕駛、自動導航、定位精確、路徑優(yōu)化以及安全避障等智能化特征，在許多自動化領域得到廣泛應用，如圖4所示。近年來，AGV技術逐漸成熟，已在我國青島港、洋山港四期碼頭中應用［3］。

圖4 集裝箱自動導引車Fig.4 Container AGV

（3）貨運地鐵是屬于軌道制式，用于集裝箱貨運的運輸，其具有技術成熟、速度高、運量大、自動化成熟、全天候、運費低、節(jié)能環(huán)保等綜合優(yōu)勢，如圖5所示。

圖5 貨運地鐵Fig.5 Container subway

貨運地鐵類似于城市軌道交通的系統(tǒng)，必須考慮折返以及車輛基地的選址。折返線及車輛基地位于車站敞開區(qū)域后方，為暗埋區(qū)域。為提高折返效率，貨運地鐵的折返形式設計為站后折返，折返能力可提升至30對/h，夜間可兼作停車線。同時，為節(jié)約地面空間，避免設置展線，車輛基地可設置于地下。車輛基地設有臨修線、月檢線、鏇輪線、機車停車線、輔跨、堆場等區(qū)域。

（4）梭車采用低速、長距離運行的梭車搬運系統(tǒng)同自動化固定吊相配合形成一種新型半自動化碼頭裝卸工藝系統(tǒng)，可大幅提高碼頭運輸作業(yè)的自動化程度及操作效率。梭車在節(jié)能減排、降低噪聲污染等方面將有顯著的效果，特別適用于點對點的長距離集裝箱運輸作業(yè)。然而，相對于貨運地鐵經道岔折返的折返線，由于梭車無法經過道岔，只能通過燈泡線折返，因此，其弊端為折返線較長、占地面積大［4］。梭車實驗線如圖6所示。

圖6 梭車實驗線Fig.6 Experimental site of container shuttle

3.2 各類制式適應性評估

根據實際情況，如運量、運輸距離、場地條件、裝備匹配性等因素，都會對選型產生影響。

（1）運量。不同運輸制式由于其自身特點的不同，例如運行速度、運行間隔、編組能力、路口（道岔）通過能力等均會對運量造成影響。在之前國內外的研究中，往往推薦軌道制式應對大運量，對于中小運量，可根據實際情況，選擇道路制式。根據計算，自動駕駛卡車考慮其運行速度、行車間隔、單日運行時間等，最大年運量可達86萬TEU，而貨運地鐵以8節(jié)編組為例，最大年運量可達315萬TEU，而且隨著信號技術的發(fā)展，可進一步壓縮行車間隔，運量可進一步提升。AGV、梭車運行方式與自動駕駛卡車、貨運地鐵類似，但由于其運行速度較慢，實際運量會進一步降低。

（2）運輸距離。大量研究和實際經驗表明，在長距離封閉環(huán)境內駕駛卡車，容易造成駕駛員疲勞。即使自動駕駛得到了應用，較長距離的封閉環(huán)境對通防災十分不利。另外，若采用傳統(tǒng)以柴油為原料的卡車，地下通道內通風很難實現(xiàn)；若采用新能源（如電力驅動）卡車，無法實現(xiàn)連續(xù)供電。AGV同樣面臨連續(xù)供電技術不夠成熟的問題。以上4點為制約卡車、AGV等道路式車輛單次運輸距離的主要因素。根據經驗，推薦將單次運輸距離5 km作為閾值。單次運輸距離超過5 km時，推薦選用貨運地鐵或梭車；單次小于5 km時，可根據其他條件進行設備選型。

（3）場地條件。在港區(qū)內部用地緊張，無法設置長距離敞開段供車輛進出。為解決這個問題，筆者提出了集裝箱的垂直升降，通過吊機將集裝箱在地面及地下間運輸。然而，自動運行車輛行駛過程中在橫向和縱向上會產生誤差?？v向（車輛運行方向）的誤差可以控制在2 cm內，而道路式橫向（車輛運行垂直方向）的誤差約為15 cm。軌道式由于車輛受到軌道的限制，不存在誤差。對于需要通過吊機垂直升降的方案，推薦選用軌道式的貨運地鐵或梭車。貨運地鐵由于經道岔折返，折返區(qū)域相對集約，而梭車只能通過燈泡線折返，因此，折返線線路長、占地大，造成其地下開挖面積大。若碼頭用地較寬裕，可以設置敞開段供車輛進出時，推薦道路式，以節(jié)約軌道敷設占用的空間。

（4）裝備匹配性。青島港和洋山四期碼頭開港標志著自動化碼頭技術日趨成熟，未來將廣泛應用。在此背景下，如果自動化碼頭有條件設置敞開段供地下運輸車輛進出，必將面臨地下運輸車輛與地面接駁車輛在系統(tǒng)調度層面的沖突。因此，在自動化碼頭中，最適合AGV，推薦自動化集卡，并納入碼頭調度系統(tǒng)中，便于統(tǒng)一管理。

各類制式適應性匯總如表1所示。

表1 各制式適應性匯總Tab.1 Summary of adaptability of each type of vehicle

3.3 相關工程應用

（1）上海外高橋—嘉定地下集裝箱物流通道。

外高橋港區(qū)位于上海市浦東新區(qū)北部，在港區(qū)的不斷發(fā)展過程中產生了一系列問題，港城矛盾問題尤為突出，包括交通擁堵、環(huán)境污染與土地使用問題等。為解決上述問題，規(guī)劃的外高橋—嘉定地下集裝箱物流系統(tǒng)，始于外高橋二期碼頭，終于嘉定西北物流園，全長約30 km。主要特點為距離長、運量大、港區(qū)場地有限（無法設置長距離敞開段供車輛進出）。根據預測，到遠期2035年，地下集裝箱物流通道集裝箱的運量可達300萬TEU。

經過比選，發(fā)現(xiàn)卡車無法適應連續(xù)30 km的地下封閉環(huán)境，AGV及梭車運行速度無法支撐運量需求，推薦采用貨運地鐵作為運載工具。該項工程創(chuàng)新點如下：折返線中，地面設置雙臺吊機，將集裝箱裝與卸分開操作，折返能力提升至30對/h，以滿足大運量需求。

（2）深圳鹽田港中東作業(yè)區(qū)連接通道工程。

現(xiàn)狀鹽田港運營中的中作業(yè)區(qū)和規(guī)劃籌建中的東作業(yè)區(qū)之間由寬度為850 m的海域隔開，兩者之間需建設一條連接通道，以實現(xiàn)鹽田港區(qū)統(tǒng)籌經營、國際航線中轉箱和流機設備的共享。該通道主要特點為距離短（3 km）、運量?。赀\量75萬TEU）、港區(qū)場地較充足。由于新建東作業(yè)區(qū)為自動化碼頭，需盡量排除人工干擾因素。

經過比選，發(fā)現(xiàn)AGV造價較高，梭車方案折返線開挖量較大，貨運地鐵及梭車造價高且無法設置車輛基地。自動駕駛卡車方案在工程經濟方面具有顯著優(yōu)勢，建設成本以及運營成本最低，且能較好地同時適應傳統(tǒng)碼頭和自動化碼頭，因此推薦。創(chuàng)新點在于推薦的自動駕駛卡車為人工/自動駕駛雙模式卡車，同時在港區(qū)設置人工與自動駕駛轉換區(qū)。經測算，工程總投資可減少約2.5億元（25%）。

4 結語

本文通過調研、評估，充分，梳理了適用于地下集裝箱物流的各種制式裝備，并結合工程案例，重點研究了其中卡車、AGV、貨運地鐵以及梭車的適應性。研究表明：軌道制式更適合長距離、大運量的運輸，自動駕駛卡車適合短距離、小運量運輸，同時可以大幅降低設施建設規(guī)模。后續(xù)的研究將緊密圍繞初步成果進一步開展，例如進一步通過量化指標，明確各種制式適應范圍。