自動(dòng)化集裝箱碼頭U形布局分析

麥宇雄，許鴻貫，覃 杰，王 烽

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著港口設(shè)施的建設(shè)加速，自動(dòng)化集裝箱碼頭技術(shù)不斷積累、趨于成熟，迄今為止，我國沿海5大港口群均有已建或在建的自動(dòng)化集裝箱碼頭，規(guī)模均居全球首位。國內(nèi)外已建全自動(dòng)化集裝箱碼頭大多數(shù)采用碼頭前沿自動(dòng)化雙小車岸橋、堆場高速軌道吊、堆場垂直于碼頭前沿線布置的布局。近幾年國內(nèi)部分全自動(dòng)化碼頭結(jié)合不同的碼頭運(yùn)營特點(diǎn)，提出了不同技術(shù)路線的自動(dòng)化定制方案。本文在充分研究國內(nèi)外自動(dòng)集裝箱碼頭布局現(xiàn)狀和適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，結(jié)合欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭的特點(diǎn)，提出堆場“U形垂直布置”的總體設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)堆場端部裝卸的局限，水平運(yùn)輸設(shè)備均可直接進(jìn)入堆場作業(yè)，具有堆場裝卸點(diǎn)多、能耗低、有效降低堆場操作系數(shù)、堆場裝卸設(shè)備拓展性好，有利于實(shí)現(xiàn)打通海鐵聯(lián)運(yùn)“最后一公里”的目的，并通過仿真技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐，為自動(dòng)化集裝箱碼頭布局提供一種全新的模式。

1 國內(nèi)外自動(dòng)化碼頭布局發(fā)展現(xiàn)狀

自動(dòng)化集裝箱碼頭一般由碼頭前沿作業(yè)區(qū)、堆場區(qū)、水平運(yùn)輸區(qū)、生產(chǎn)輔建區(qū)4大部分組成，布局方案差異主要體現(xiàn)在堆場區(qū)的布局不同：按集裝箱裝卸方式的不同，自動(dòng)化集裝箱堆場可分為邊裝卸和端裝卸；按集裝箱堆放方向的不同可分為垂直于碼頭布置和平行于碼頭布置。

1)堆場垂直于碼頭布局。目前大多數(shù)自動(dòng)化集裝箱碼頭均采用垂直布置，為端裝卸方式，由海側(cè)交互區(qū)、堆箱區(qū)和陸側(cè)交互區(qū)3部分組成，堆場一般采用無懸臂高速軌道吊作業(yè)。海側(cè)交互區(qū)為自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備與軌道吊的交接區(qū)域，陸側(cè)交互區(qū)為軌道吊與港外集卡的交接區(qū)域，這種方式自動(dòng)化區(qū)和非自動(dòng)化區(qū)界面簡單清晰，港外集卡和自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備行駛的距離較短，易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，如荷蘭鹿特丹Euromax碼頭和Maasvlakte Ⅱ碼頭、德國漢堡HHLA-CTA碼頭、美國長灘LBCT碼頭，國內(nèi)青島前灣自動(dòng)化碼頭、上海洋山四期自動(dòng)化碼頭均采用此布局。

2)堆場平行于碼頭布局。這種布局主要適用于水水中轉(zhuǎn)比例較高的全自動(dòng)化集裝箱碼頭和以實(shí)現(xiàn)堆場自動(dòng)化為目標(biāo)但對自動(dòng)化程度要求不高的半自動(dòng)化集裝碼頭，近年來國內(nèi)某些新建自動(dòng)化碼頭結(jié)合運(yùn)營特點(diǎn)采用平行布置，如廣州港南沙四期自動(dòng)化碼頭、天津港北疆C段碼頭、深圳海星碼頭和日本名古屋港Tobishima TCB碼頭。

縱觀國內(nèi)外已建或在建自動(dòng)化集裝箱碼頭布局和發(fā)展趨勢得出：1)自動(dòng)化集裝箱碼頭主要技術(shù)路線的共性為：碼頭前沿采用自動(dòng)化雙小車岸橋，堆場采用高速軌道吊，堆場垂直于碼頭前沿線布置，港內(nèi)外交付主要集中在堆場的海側(cè)和陸側(cè)端部，堆場水平運(yùn)輸通過高速軌道吊完成。2)隨著自動(dòng)化碼頭技術(shù)的不斷積累完善，國內(nèi)部分碼頭提出了不同技術(shù)路線的自動(dòng)化定制方案，如裝卸工藝方案碼頭前沿裝卸作業(yè)采用自動(dòng)化單小車岸橋，堆場裝卸作業(yè)采用低速自動(dòng)化軌道吊，水平運(yùn)輸車輛可直接進(jìn)入堆場作業(yè)，結(jié)合運(yùn)營特點(diǎn)及需求不同，碼頭布局呈現(xiàn)多樣化特征。

2 碼頭特點(diǎn)分析

通過對欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭大量的現(xiàn)場調(diào)研和研究分析，總結(jié)出運(yùn)營碼頭的特點(diǎn)和需求主要包括：

1)須充分挖掘碼頭通過能力，滿足碼頭年設(shè)計(jì)通過能力260萬TEU的基本要求。堆場的堆存能力、裝卸效率和閘口通過能力等需統(tǒng)籌考慮，確保碼頭的通過能力得到充分的發(fā)揮，保證港口的高效運(yùn)作。

2)陸域縱深大，土地條件優(yōu)越?，F(xiàn)狀土地縱深約575 m，有利于滿足堆場堆存能力的要求，若采用傳統(tǒng)的“堆場垂直布置+2臺高速軌道吊對稱接力水平運(yùn)輸”布局，綜合考慮堆場堆存能力和對稱接力對堆場裝卸效率等因素，堆場縱深(含兩端交互區(qū))應(yīng)在450 m左右為宜，超出的125 m縱深難以發(fā)揮作用，對高速軌道吊的接力運(yùn)輸造成難度，堆場設(shè)備拓展性差，對堆場作業(yè)效率影響大。因此，采用傳統(tǒng)的堆場垂直的布局無法充分發(fā)揮堆場的能力。

3)須適應(yīng)多種集疏運(yùn)方式，實(shí)現(xiàn)海鐵聯(lián)運(yùn)的自動(dòng)化無縫銜接。陸路集疏運(yùn)比例高達(dá)60%，外集卡集中到港的特點(diǎn)突出，對堆場裝卸效率要求高。若采用傳統(tǒng)的堆場垂直布局，只集中在堆場海側(cè)和陸場端部裝卸，裝卸點(diǎn)少且集中，難以實(shí)現(xiàn)海鐵聯(lián)運(yùn)的自動(dòng)化銜接；若采用南沙四期的布局形式，海陸交互區(qū)的規(guī)模必將很大。

綜上，目前常規(guī)的自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場布局均難以完全適應(yīng)欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭的特點(diǎn)。

3 碼頭U形布局設(shè)計(jì)

根據(jù)上述特點(diǎn)，綜合考慮 “碼頭通過能力大、集疏運(yùn)方式多、陸路集疏運(yùn)比例高、集中到港突出”等特點(diǎn)，提出了一種適應(yīng)欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭特點(diǎn)的自動(dòng)碼頭U形布局模式[1]，裝卸工藝方案為“雙小車岸橋+智能導(dǎo)引運(yùn)輸車(IGV)+低速雙懸臂軌道吊”，實(shí)現(xiàn)港外集卡和港內(nèi)IGV水平運(yùn)輸車輛可直接進(jìn)入堆場作業(yè)，見圖1。

圖1 自動(dòng)碼頭U形布局模式

“U形”是指外集卡車輛進(jìn)入堆場作業(yè)及通行的通道形狀呈U形，可實(shí)現(xiàn)港內(nèi)IGV進(jìn)入堆場作業(yè)，港外集卡U形通道與IGV通道間隔布置，見圖2。

圖2 U形港外集卡通道

3.1 U形布局確定原則

1)適宜性。確定的布局形式要切實(shí)可行，從通過能力需求、工藝模式和設(shè)備選型、海鐵聯(lián)運(yùn)等集疏運(yùn)方式特點(diǎn)和港區(qū)土地利用條件等客觀條件出發(fā)，與碼頭的特點(diǎn)和需求相適應(yīng)。

2)安全性。安全可靠運(yùn)行是自動(dòng)化碼頭技術(shù)路線確定的最重要指標(biāo)，包括自動(dòng)化和非自動(dòng)化區(qū)域的裝卸作業(yè)全過程的安全、人員在自動(dòng)化區(qū)域的設(shè)備檢修維護(hù)及冷藏箱插拔電作業(yè)等，平面布局的確定需完善的作業(yè)流程支撐。

3)高效性。確保整個(gè)裝卸工藝系統(tǒng)流程順暢和相互協(xié)調(diào)，最大程度發(fā)揮碼頭的通過能力和作業(yè)效率，提高服務(wù)水平。

4)經(jīng)濟(jì)性。在滿足使用功能[2-3]的情況下，盡量節(jié)省工程建設(shè)投資和運(yùn)營成本，傳統(tǒng)堆場垂直布置端裝卸高速軌道吊、對稱接力進(jìn)行堆場集裝箱水平運(yùn)輸?shù)哪芎木痈卟幌隆⒃O(shè)備投資大、配套土建工程要求高引起投資增加等突出矛盾備受關(guān)注。

3.2 碼頭前沿作業(yè)區(qū)

考慮通過能力、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化區(qū)域和非自動(dòng)化分離、轉(zhuǎn)載平臺直接完成拆裝鎖銷作業(yè)、解決岸橋和水平運(yùn)輸設(shè)備耦合等問題，裝卸設(shè)備采用常見的雙小車岸橋，岸橋軌后裝卸作業(yè)區(qū)從海側(cè)往后依次布置：碼頭前沿線至岸橋海側(cè)軌中心之間的距離、岸橋軌距、岸橋軌后裝卸作業(yè)車道、水平運(yùn)輸設(shè)備緩沖區(qū)、水平運(yùn)輸設(shè)備快速通行車道。岸橋軌距35 m，軌內(nèi)屬于非自動(dòng)化區(qū)域，布置艙蓋板區(qū)和2道特殊箱通道。軌后自動(dòng)化裝卸運(yùn)輸區(qū)布置6條車道，包括裝卸作業(yè)車道和穿行車道，其中裝卸作業(yè)車道3條；集裝箱裝卸橋后布置6條裝卸運(yùn)輸車道，第2、4、5車道(以海側(cè)第1條車道起算)為裝卸作業(yè)車道，第1、3、6車道為穿行車道。自動(dòng)化裝卸運(yùn)輸區(qū)單條車道寬度不小于4 m，集裝箱裝卸橋配置雙吊具時(shí)，裝卸車道應(yīng)成對布置。緩沖區(qū)布置在自動(dòng)化裝卸運(yùn)輸車道和自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備快速行駛區(qū)之間，緩沖區(qū)尺寸應(yīng)根據(jù)IGV軌跡模擬確定，滿足自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車進(jìn)出和垂直停放的要求，縱向長度應(yīng)不小于24 m；自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備快速行駛區(qū)布置4條車道，寬度不宜小于4 m，見圖3。

圖3 碼頭前沿作業(yè)區(qū)斷面(單位：m)

3.3 堆場區(qū)

集裝箱堆場是集裝箱運(yùn)輸過程中十分重要的組成部分，本工程堆場布局與重箱空箱吞吐量、堆存期、季節(jié)性變化堆存需求等因素有關(guān)，除了滿足碼頭年通過能力不小于260萬TEU外，還要較好地適應(yīng)陸路運(yùn)輸比例高達(dá)60%、集中到港突出、自動(dòng)化海鐵聯(lián)運(yùn)無縫銜接的特點(diǎn)，并重點(diǎn)解決傳統(tǒng)垂直布置高速軌道吊能耗居高不下、維護(hù)成本高和港外集卡裝卸點(diǎn)集中等突出問題。

考慮本工程陸路運(yùn)輸比例高達(dá)60%，廣州港南沙四期自動(dòng)化碼頭(水水中轉(zhuǎn)比例高達(dá)80%)采用的“堆場水平布置+海陸交互區(qū)”的布局無法適用。結(jié)合碼頭特點(diǎn)和需求，在傳統(tǒng)全自動(dòng)化堆場垂直布局[4]的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出自動(dòng)碼頭堆場U形布局模式：堆場垂直碼頭前沿線布置，堆場縱深575 m，共布置21條箱區(qū)，編號為01～21，采用軌距37 m的雙懸臂自動(dòng)化低速軌道吊，在布置2條港外集卡返回車道的軌內(nèi)布置9排箱，其余箱區(qū)布置12排箱。每條箱區(qū)配置2臺軌道吊，滿足堆場港外集卡和IGV邊裝卸的作業(yè)要求，見圖4。

圖4 堆場平面布置

考慮堆場資源調(diào)度靈活性、吞吐量季節(jié)適應(yīng)性強(qiáng)和防臺等因素，采用重箱在外、空箱在內(nèi)的堆存方式，重空箱堆高6層，冷藏箱堆高5層。冷藏箱堆場相對集中布置在04、05、14、15堆場箱區(qū)陸側(cè)端部，方便輔助作業(yè)人員進(jìn)出，降低對自動(dòng)化生產(chǎn)的影響。充電樁布置在堆場海側(cè)端部，滿足IGV充電需求，在不影響效率情況下，IGV可在空閑時(shí)前往充電，電量較低時(shí)必須充電，保證任何時(shí)刻電量不低于20%。

該布局突破了傳統(tǒng)自動(dòng)化集裝箱堆場港內(nèi)外水平運(yùn)輸設(shè)備僅能在堆場海側(cè)端和陸側(cè)端集中作業(yè)的限制，達(dá)到以下目標(biāo)：

1)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化區(qū)域和非自動(dòng)化區(qū)域的物理隔離，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化提供了條件。

2)U形布局的邊裝卸方式使得港外集卡不需倒車，司機(jī)體驗(yàn)感更好。

3)水平運(yùn)輸設(shè)備可直接進(jìn)入堆場作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的端部裝卸轉(zhuǎn)為邊裝卸，堆場操作系數(shù)可降低50%～60%，裝卸點(diǎn)由點(diǎn)變成了線，極大提高了堆場裝卸點(diǎn)的數(shù)量。

4)采用低速自動(dòng)化軌道吊，不再需要利用高速軌道吊進(jìn)行集裝箱在堆場區(qū)的對稱接力作業(yè)，解決了高速軌道吊能耗居高不下的突出問題，且低速軌道吊技術(shù)成熟穩(wěn)定，降低了對基礎(chǔ)設(shè)施的要求，節(jié)省工程費(fèi)用和運(yùn)營維護(hù)成本。

5)U形布局拓展性好，不受每條堆場只能配置2臺低速軌道吊的限制，可根據(jù)實(shí)際裝卸作業(yè)需求適時(shí)增加。

6)有利于遠(yuǎn)期采用智能空軌系統(tǒng)進(jìn)入堆場進(jìn)行無縫銜接，解決自動(dòng)化海鐵聯(lián)運(yùn)“最后一公里”的問題。

3.4 堆場水平運(yùn)輸區(qū)

港外集卡和港內(nèi)IGV的水平運(yùn)輸設(shè)備裝卸的作業(yè)車道均布置在雙懸臂低速軌道吊懸臂下，其中港外集卡進(jìn)入堆場作業(yè)車道的相鄰箱區(qū)間兩軌中心距為18.5 m，共布置3條車道，作業(yè)后離開堆場，布置2條返回車道，寬7 m；IGV車道的相鄰箱區(qū)間兩軌中心距為20 m，布置4條車道，其中中間2條車道為超車道或返回車道，見圖5。

圖5 堆場及水平運(yùn)輸區(qū)斷面(單位：m)

3.5 虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用

在碼頭平面布局確定后，進(jìn)行了仿真技術(shù)模擬的反復(fù)驗(yàn)證并提出了優(yōu)化建議，研究內(nèi)容包括設(shè)計(jì)目標(biāo)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)確定、泊位能力模擬、碼頭靜態(tài)能力和布局分析、堆場細(xì)節(jié)模擬和交通量預(yù)測模擬等，結(jié)論為布局和設(shè)備配置科學(xué)，無突出交通擁堵，為本項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

1)通過對整個(gè)碼頭TOS系統(tǒng)、岸橋、交通設(shè)備、堆場、陸側(cè)集卡裝卸等納入整體模擬得出，在峰值情況下，堆存及裝卸能力、設(shè)備配置數(shù)量指標(biāo)均能滿足碼頭設(shè)計(jì)通過能力的要求。

2)在碼頭水平運(yùn)輸區(qū)域，沒有出現(xiàn)某個(gè)區(qū)域車輛通過十分集中的情況。一般而言，自動(dòng)駕駛車流量低于200臺/h可不受影響地通過某一區(qū)域，最大一組岸橋附近的交通車道IGV流量較大，低于100輛/h；進(jìn)出港閘口與橫二路交匯處的集中集卡流量相對較大，研究流量下均可控。

3)通過模擬可知，堆場重箱7 d堆存期情況下，要求堆場密度為66%，能很好地滿足260萬TEU的堆存需求，堆場42臺軌道吊(即每個(gè)箱區(qū)2臺)能支撐海側(cè)和陸側(cè)峰值操作要求。

4)根據(jù)交通量模擬可知，在峰值裝卸情況下，碼頭海側(cè)使用96臺IGV，并在陸側(cè)處理220自然箱/h的裝卸效率時(shí)，未出現(xiàn)突出的交通擁堵問題，區(qū)域占用率熱力圖見圖6。

圖6 區(qū)域占用率熱力圖

4 結(jié)論

1)結(jié)合碼頭特點(diǎn)和功能需求，在欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭布局中提出堆場“U形垂直布置”的總體設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)布局的約束，實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)輸設(shè)備均可直接進(jìn)入堆場作業(yè)，為自動(dòng)化集裝箱碼頭布局提供一種全新的模式。

2)欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭U形布局充分考慮了集疏運(yùn)方式多、陸路集疏運(yùn)比例高、集中到港等特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)自動(dòng)化碼頭堆場垂直布置利用高速軌道吊進(jìn)行集裝箱在堆場區(qū)的對稱接力作業(yè)能耗高、端部裝卸點(diǎn)集中的突出矛盾，在適應(yīng)集疏運(yùn)方式多、堆場裝卸點(diǎn)需求大、堆場操作系數(shù)高、海鐵聯(lián)運(yùn)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化無縫銜接、節(jié)省工程費(fèi)用和運(yùn)營維護(hù)成本等多方面表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢。

3)欽州港自動(dòng)化集裝箱碼頭U形布局與港區(qū)后方鐵路集裝箱辦理站之間的海鐵聯(lián)運(yùn)統(tǒng)籌考慮，遠(yuǎn)近結(jié)合，有利于遠(yuǎn)期采用智能空軌系統(tǒng)進(jìn)入堆場進(jìn)行無縫銜接，可實(shí)現(xiàn)碼頭和鐵路的“零環(huán)繞”，能有效解決集裝箱運(yùn)輸樞紐之間“臨而不接、連而不暢”的運(yùn)輸桎梏[5]。