自動化集裝箱碼頭拆裝扭鎖工藝設(shè)計

吳邵強(qiáng)，劉漢東，梁 浩

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

在集裝箱船舶遠(yuǎn)洋海運過程中，集裝箱一般是以分層堆垛的形式堆放在船艙內(nèi)和甲板上。集裝箱扭鎖是集裝箱在船舶上常用的系固構(gòu)件之一，其主要作用是實現(xiàn)船舶甲板與集裝箱、箱堆上下層箱角間的連接和鎖緊，以防止集裝箱在海運過程中受惡劣海況和風(fēng)暴侵襲而引起傾覆或滑移[1]。

集裝箱扭鎖雖應(yīng)用廣泛，但其形式千差萬別，在集裝箱相關(guān)產(chǎn)業(yè)端(如制造端、船運端和碼頭裝卸端等)對扭鎖的結(jié)構(gòu)和形式設(shè)計及應(yīng)用領(lǐng)域并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前，至少有超過百余種固定式連接扭鎖需依賴人工辨識和完成集裝箱裝卸船過程中的拆裝作業(yè)，給自動化集裝箱碼頭實現(xiàn)裝卸全環(huán)節(jié)自動化和智能化帶來一定障礙[2]。在對人-車隔離分流和系統(tǒng)安全性都有較高要求的集裝箱自動化裝卸工藝系統(tǒng)的設(shè)計中，拆裝扭鎖作業(yè)是整個自動化裝卸工藝系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。

本文在分析自動化集裝箱碼頭拆裝扭鎖工藝現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，依托廣州港南沙四期工程，針對采用單小車岸橋的自動化裝卸工藝系統(tǒng)提出了一種新型的移動式集中拆裝扭鎖工藝解決方案。該方案不及解決了拆裝扭鎖作業(yè)過程中的人-車隔離分流問題，對提高裝卸系統(tǒng)安全性、可靠性及碼頭前沿車流周轉(zhuǎn)效率均有一定的積極意義。

1 自動化集裝箱碼頭拆裝扭鎖工藝現(xiàn)狀

集裝箱拆裝扭鎖作業(yè)通常在碼頭前沿裝卸船作業(yè)過程中完成。集裝箱卸船作業(yè)時，岸橋從船上將帶扭鎖的集裝箱吊至碼頭岸側(cè)后，在岸邊完成集裝箱扭鎖的拆卸和回收；集裝箱裝船作業(yè)時，岸橋?qū)⒓ɑ蜃詣踊竭\輸設(shè)備運載的集裝箱吊至船上前，也在碼頭岸側(cè)完成集裝箱扭鎖的匹配和安裝。

在非自動化集裝箱碼頭中，集裝箱扭鎖的拆卸和安裝一般由碼頭工人手動操作完成。在自動化集裝箱碼頭中，運營商和設(shè)備供應(yīng)商在集裝箱扭鎖拆卸及安裝操作機(jī)械化、自動化方面進(jìn)行了一些相關(guān)探索，但目前市面上出現(xiàn)的自動化拆裝扭鎖裝置(如機(jī)械臂)依然無法完全適應(yīng)集裝箱扭鎖形式多樣性的特點，因此自動化集裝箱碼頭中的扭鎖拆裝操作依然是由人工手動操作完成[3]。

從主流全自動化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)的特點來看，在不同形式岸橋的自動化集裝箱碼頭中，集裝箱拆裝扭鎖的作業(yè)模式和工藝方案也大相徑庭。

1.1 自動化雙小車岸橋+機(jī)上中轉(zhuǎn)平臺拆裝扭鎖工藝模式

在采用雙小車岸橋的自動化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)箱(除超限箱、危險貨物集裝箱以外的所有重箱、空箱和冷藏箱)拆裝扭鎖作業(yè)一般在岸橋機(jī)的中轉(zhuǎn)平臺上進(jìn)行[4]。

雙小車岸橋機(jī)身上設(shè)中轉(zhuǎn)平臺，其上配置集裝箱擱置基座、具備安全防護(hù)功能的拆裝扭鎖工人候工間以及可吊裝的鎖頭框，在各類安全保護(hù)裝置和聯(lián)鎖裝置處于安全狀態(tài)時，工人可在平臺上預(yù)設(shè)的通道上行走。卸船或裝船作業(yè)過程中，處于安全保護(hù)狀態(tài)下的拆裝扭鎖工人在候工間、集裝箱擱置基座周邊及鎖頭框之間自由行走，手動完成集裝箱4個箱角上扭鎖拆卸、安裝操作、扭鎖的回收和選配工作等，作業(yè)完成后返回候工間待命。該模式集裝箱運行路徑見圖1，中轉(zhuǎn)平臺典型平面布置見圖2。

圖1 集裝箱運行路徑

圖2 典型中轉(zhuǎn)平臺布置

該模式下，拆裝扭鎖工人與集裝箱自動化水平運輸設(shè)備的運行軌跡在空間上可實現(xiàn)完全隔離，能避免軌跡交叉存在的交通事故隱患，在集裝箱全自動化裝卸系統(tǒng)安全運行方面具有很好的適應(yīng)性。

1.2 單小車岸橋+地面集中拆裝扭鎖工藝模式

在采用單小車岸橋的自動化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)中，集裝箱拆裝扭鎖作業(yè)目前最常用的工藝模式是地面固定式集中拆裝扭鎖模式，標(biāo)準(zhǔn)箱拆裝扭鎖作業(yè)均在碼頭前沿或堆場某固定位置的集中拆裝扭鎖區(qū)完成。

固定式集中拆裝扭鎖區(qū)需設(shè)置在自動化水平運輸設(shè)備作業(yè)循環(huán)的路徑中。作業(yè)區(qū)內(nèi)通常布置多條集裝箱自動化水平運輸設(shè)備通行車道，每條車道兩側(cè)設(shè)置人工作業(yè)安全區(qū)域，配置必要的安全崗?fù)せ蚪煌ㄒ龑?dǎo)設(shè)施來保障人員安全，典型工藝平面布置見圖3。卸船或裝船作業(yè)過程中，所有載有裝船箱或卸船箱的自動化水平運輸設(shè)備均需行駛至集中拆裝扭鎖區(qū)指定車道，由車道兩側(cè)安全區(qū)域內(nèi)的工人手動完成集裝箱4個箱角上扭鎖拆卸或安裝操作、扭鎖回收或選配工作等。作業(yè)完成后，載箱的自動化水平運輸設(shè)備駛離集中拆裝扭鎖區(qū)，繼續(xù)執(zhí)行下一任務(wù)。

圖3 地面固定式集中拆裝扭鎖工藝模式典型平面

該作業(yè)模式具有以下特點：1)固定式拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)需布置在集裝箱自動化水平運輸設(shè)備運行循環(huán)的路徑中，對自動化水平運輸設(shè)備在碼頭前沿作業(yè)地帶或堆場區(qū)的交通組織要求較高，需特別著重拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)與碼頭前沿裝卸作業(yè)區(qū)之間的自動化水平運輸設(shè)備的交通流設(shè)計；2)拆裝扭鎖區(qū)附屬設(shè)施和輔助工具(如扭鎖框)及人員的實時調(diào)度作業(yè)會對自動化作業(yè)區(qū)內(nèi)部交通產(chǎn)生一定的干擾，無法完全實現(xiàn)交通隔離，存在一定安全隱患；3)拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)位置相對固定，要求所有載有裝卸船箱的自動化水平運輸設(shè)備都需在拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)與碼頭前沿裝卸作業(yè)區(qū)之間進(jìn)行長距離行駛，在擁有連續(xù)泊位的自動化集裝箱碼頭中，這將對碼頭前沿車流周轉(zhuǎn)效率甚至裝卸船作業(yè)的整體效率產(chǎn)生一定影響。

以上特點表明，在采用單小車岸橋的自動化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)中，集裝箱扭鎖的拆裝工藝模式選擇和方案設(shè)計相對更為復(fù)雜。

2 工程概況

廣州港南沙四期自動化集裝箱碼頭工程擬建設(shè)4個5～10萬噸級集裝箱海輪泊位，沿1 460 m直線岸線布置；12個駁船泊位沿約984 m折線岸線布置。兩岸線總體上呈現(xiàn)出側(cè)面相鄰且具有一定夾角的空間布局。本工程集裝箱以江海聯(lián)運集疏運為主，公路集疏運為輔，江海聯(lián)運集裝箱量占碼頭總吞吐量80%以上[5]。

在充分考慮岸線布置形態(tài)、集裝箱集疏運特點和自動化裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢等因素的基礎(chǔ)上，該工程采用了“自動化單小車岸橋+智能導(dǎo)引運輸車(IGV)+自動化集裝箱軌道龍門吊”的自動化裝卸工藝系統(tǒng)。為節(jié)省工程造價，碼頭集裝箱裝卸船作業(yè)選用的是單價相對較低、對碼頭結(jié)構(gòu)承載力要求也較低的自動化單小車岸橋；自動化集裝箱水平運輸作業(yè)選用多傳感器融合定位方式的IGV，在5G無線通信模式下，可實現(xiàn)智能化導(dǎo)航和精準(zhǔn)定位。

自動化裝卸工藝系統(tǒng)在碼頭前沿作業(yè)地帶的工藝布置見圖4。

圖4 碼頭前沿集裝箱自動化裝卸工藝系統(tǒng)斷面

3 新型拆裝扭鎖工藝模式及方案設(shè)計

3.1 工藝模式

針對廣州港南沙四期工程碼頭岸線長、連續(xù)布置泊位數(shù)量多、自動化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)采用自動化單小車岸橋等特點，結(jié)合前文對常規(guī)地面固定式集中拆裝扭鎖模式存在問題的分析，最終確定采用一種以“地面集中拆裝扭鎖”為基礎(chǔ)，充分利用其特有的自動化水平運輸設(shè)備智能調(diào)度和電子鎖閉技術(shù)，實現(xiàn)人-車時間隔離分流的新型移動式拆裝扭鎖作業(yè)模式。

3.2 工藝平面布置

根據(jù)碼頭總平面布置和集裝箱自動化裝卸工藝系統(tǒng)總體設(shè)計方案，在綜合考量拆裝扭鎖作業(yè)場地寬度要求、輔助設(shè)施調(diào)度便利性、人機(jī)安全性、交通組織合理性等因素的情況下，集裝箱拆裝扭鎖區(qū)域選擇布置在岸橋陸側(cè)軌后方(見圖5)。整個集裝箱拆裝扭鎖區(qū)域覆蓋了IGV可進(jìn)出碼頭前沿岸橋軌內(nèi)自動化裝卸作業(yè)車道的所有必經(jīng)之路，能在水平運輸設(shè)備最短運行距離內(nèi)完成裝船或卸船流程中所有集裝箱扭鎖的拆卸或安裝作業(yè)。

圖5 碼頭前沿拆裝扭鎖區(qū)域位置

在沿碼頭岸線方向上，整個拆裝扭鎖區(qū)域長1 434.75 m；在垂直于碼頭岸線上，整個拆裝扭鎖區(qū)域?qū)?6 m。為便于IGV能順利從集裝箱拆裝扭鎖區(qū)域順利轉(zhuǎn)入岸橋軌內(nèi)任意自動化裝卸作業(yè)車道，或從岸橋軌內(nèi)任意自動化裝卸作業(yè)車道轉(zhuǎn)入到集裝箱拆裝扭鎖區(qū)，在結(jié)合IGV運行軌跡模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，拆裝扭鎖區(qū)域與岸橋陸側(cè)軌間的距離設(shè)為5 m。

整個拆裝扭鎖區(qū)域內(nèi)共布置274個連續(xù)排列的標(biāo)線式安全島，內(nèi)設(shè)移動式工人安全操作崗?fù)ぜ跋嚓P(guān)輔助設(shè)施(如扭鎖框)。標(biāo)線式安全島垂直于岸橋軌道，其長度根據(jù)IGV車身尺寸、2個20′或1個40′/45′(1′=0.305 m)集裝箱拆裝扭鎖操作要求等因素確定，與整個拆裝扭鎖區(qū)域?qū)挾认嗟?，?6 m；其寬度根據(jù)最大輔助設(shè)施(如安全操作崗?fù)?、鎖頭框等)外形尺寸確定，為1.5 m。每個安全島兩端均設(shè)置識別編號。相鄰標(biāo)線式安全島間均設(shè)1條IGV通行作業(yè)車道，車道寬度在綜合考量IGV車身寬度、安全距離以及工人操作距離等因素的基礎(chǔ)上確定為3.75 m。拆裝扭鎖區(qū)域標(biāo)線式安全島及編號、安全島范圍內(nèi)附屬設(shè)施平面布置見圖6。

圖6 標(biāo)線式安全島及作業(yè)車道布置

3.3 工藝流程

新型拆裝扭鎖工藝模式下，靠泊位置不同的集裝箱船舶對應(yīng)的拆裝扭鎖區(qū)均不相同。拆裝扭鎖附屬設(shè)施和人員的調(diào)度一般是在集裝箱船舶裝卸船作業(yè)流程開始前完成的。當(dāng)集裝箱船靠泊碼頭后，當(dāng)前船舶拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)在沿岸線長度方向上的位置將根據(jù)集裝箱船舶掃描和識別所獲取的船頭、船尾位置信息實時規(guī)劃確定(見圖7)。系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前船舶裝卸作業(yè)線的數(shù)量確定拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)內(nèi)標(biāo)線式安全島和IGV通行車道數(shù)量(一般4～6條)。

圖7 集裝箱船舶靠泊后拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)

拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)位置和內(nèi)部規(guī)劃信息確定后，現(xiàn)場作業(yè)人員將根據(jù)手持終端接收到的拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)位置信息、標(biāo)線式安全島編號信息及系統(tǒng)規(guī)劃的設(shè)施調(diào)度路徑，完成集裝箱扭鎖框和安全崗?fù)さ雀綄僭O(shè)施的現(xiàn)場調(diào)度和擺放。整個設(shè)施調(diào)度過程中，中控將對規(guī)劃好的設(shè)施調(diào)度路徑實施電子鎖閉，暫時禁止IGV穿行。配套設(shè)施調(diào)度和擺放完成后，現(xiàn)場作業(yè)人員通過手持終端向中控反饋實時狀態(tài)，中控取消IGV電子鎖閉禁行區(qū)。船舶裝卸船作業(yè)流程啟動后，IGV載箱通過作業(yè)車道時，在標(biāo)線式安全島操作崗?fù)?nèi)候工的操作工人根據(jù)生產(chǎn)指令完成集裝箱各箱角扭鎖的拆卸或安裝作業(yè)，與IGV的運行軌跡不產(chǎn)生交叉。

4 新型拆裝扭鎖工藝模式適應(yīng)性分析

新型集裝箱拆裝扭鎖工藝模式在采用單小車岸橋的自動化裝卸工藝系統(tǒng)中具有良好的適應(yīng)性，具體表現(xiàn)在：

1)充分利用集裝箱裝卸船作業(yè)流程中不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)可錯時完成的特點，采用智能調(diào)度和電子鎖閉技術(shù)手段對自動化水平運輸設(shè)備實施交通管控，給拆裝扭鎖作業(yè)附屬設(shè)施調(diào)度及人員調(diào)度的準(zhǔn)備和完成留出空間，在時間上實現(xiàn)了人員和附屬設(shè)施調(diào)度與自動化水平運輸車輛隔離分流，安全性能好。

2)對碼頭岸線長、連續(xù)布置泊位數(shù)量多的自動化集裝箱碼頭來說，針對不同靠泊位置的集裝箱船舶規(guī)劃移動式的船頭和船尾拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)，能大幅度減少裝卸船箱水平運輸設(shè)備在拆裝扭鎖作業(yè)環(huán)節(jié)中的運輸距離，有利于加快碼頭車流周轉(zhuǎn)效率和裝卸船作業(yè)效率，也能很好地與每條船舶所對應(yīng)的自動化水平運輸設(shè)備交通組織相適應(yīng)。

5 結(jié)語

1)新型作業(yè)模式實現(xiàn)了拆裝扭鎖工人與自動化水平運輸設(shè)備在時間上的隔離分流，增強(qiáng)了整個自動化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)的安全性和可靠性；

2)新型作業(yè)模式能很好地適應(yīng)自動化集裝箱水平運輸設(shè)備在碼頭前沿作業(yè)地帶原有的交通流向，交通組織簡單、易行、可操作性強(qiáng)；

3)與固定式集中作業(yè)模式相比，通過人員和設(shè)施調(diào)度實現(xiàn)移動式集中作業(yè)，能有效減少自動化集裝箱水平運輸車輛平均運距，提高碼頭前沿車流周轉(zhuǎn)效率和裝卸船生產(chǎn)效率。