自動化集裝箱碼頭在鐵路集裝箱貨場的應用探討

溫賢雨

（中鐵二院成都勘察設計研究院有限責任公司，成都 610031）

集裝箱運輸是一種高效率、高效益、高質量的運輸方式，是現(xiàn)代物流的重要組成部分，它適合在公路、鐵路、港口等不同運輸環(huán)節(jié)中進行作業(yè)。近年來，我國鐵路集裝箱運輸在鐵路貨物散貨集裝箱化、公轉鐵等政策支撐下發(fā)展迅速。鐵路集裝箱運量逐年攀升對集裝箱貨場的裝卸能力提出更高的要求，因此需科學的、系統(tǒng)的、深入地研究鐵路集裝箱貨場布置。碼頭集裝箱自動化已在青島港、洋山港等港口實現(xiàn)，鐵路自動化集裝箱貨場是鐵路貨物運輸發(fā)展方向。

1 鐵路集裝箱貨場現(xiàn)狀

1.1 集裝箱貨場總體布置

目前國內集裝箱中心站、大型集裝箱貨場多采用貫通式裝卸線配軌道式門式起重機形式，其布置通常為：軌道式門式起重機跨內設1～2 條集裝箱裝卸線，堆場設于跨內和懸臂下，集卡裝卸在線路側進行。

小型集裝箱貨場多采用盡頭式裝卸線配軌道式門式起重機或正面吊形式。

1.2 裝卸線布置

根據(jù)貨場貨運量大小、場地條件的差別、裝卸設備的配屬等情況，鐵路集裝箱裝卸線常布置成貫通式或盡頭式。

（1）貫通式集裝箱裝卸線一般平行于車站到發(fā)線布置，線路裝卸有效長按滿足整列作業(yè)設置，一般通過牽出線完成取送車作業(yè)，裝卸線咽喉區(qū)電化掛網(wǎng)后可滿足發(fā)車條件，降低對到發(fā)線的占用率。

（2）盡頭式集裝箱裝卸線布置相對靈活，對地形適應能力強，在運量較小，投資有限的項目里優(yōu)勢突出，但作業(yè)依賴牽出線，相同有效長的盡頭式裝卸線作業(yè)效率較貫通式裝卸線低。

1.3 裝卸設備配置

鐵路集裝箱辦理站貨場內常用的集裝箱裝卸設備有：軌道式門式起重機、輪胎式門式起重機、正面吊和叉車等［1-2］。目前，由于污染大、維修率高，輪胎式門式起重機使用率越來越低；而叉車則因為裝卸能力和作業(yè)效率低下，淪為集裝箱貨場常用輔助設備。

軌道式門式起重機具有安全可靠、操作簡單、養(yǎng)維方便、故障率低、作業(yè)效率高等特點，適用于集裝箱存放和中轉量較大的貨場，需注意的是，軌道式門式起重機缺乏跨區(qū)域作業(yè)能力，轉場需要輔助設備。

正面吊具有適應性好、機動靈活、一機多用等特點，它可越過1～2 排集裝箱進行作業(yè)，在中小型貨場可作為主要裝卸設備，但正面吊作業(yè)需要寬敞的作業(yè)通道。

2 自動化集裝箱碼頭現(xiàn)狀

2.1 自動化集裝箱碼頭發(fā)展

自1993年全球第一座自動化集裝箱碼頭荷蘭鹿特丹港建成投運以來，多個國家相繼建成自動化碼頭。近年來我國也陸續(xù)建成了廈門港、青島港、洋山港等自動化集裝箱碼頭。

2.2 自動化裝卸設備

自動化設備包含自動化軌道式門式起重機和自動化水平運輸小車，常用的自動化水平運輸小車有自動導引車（AGV）和自動跨運車。

自動導引車是具有自動導引裝置、能夠沿設定的路徑行駛、在車體上具有編程和停車選擇裝置、安全保護裝置以及各種物品移載功能的搬運車輛，車體結構為平臺結構［3］，如圖1所示。自動跨運車不僅有AGV 的自動導引和沿設定路徑行駛功能，還具有自提升功能，車體結構特點是車體無平臺，上部由縱梁連接，下部分別支撐在兩側底梁上，4 個門腿一般采用箱形結構，動力裝置安裝在底梁上，如圖2所示。

圖1 AGV 圖

圖2 跨運車圖

2.3 自動化集裝箱碼頭布置形式

自動化集裝箱碼頭常用布置形式主要分為兩類：第一類是“雙小車岸橋+AGV+軌道式門式起重機”；第二類是“單小車岸橋+跨運車+軌道式門式起重機”［4-5］。以上兩類集裝箱裝卸作業(yè)均由碼頭裝卸作業(yè)、水平運輸、堆場裝卸作業(yè)和集卡交換4 個環(huán)節(jié)組成。

第一類碼頭總體布置為：碼頭前沿設置碼頭作業(yè)區(qū)，雙小車岸橋布置在岸邊用于輪船集裝箱裝卸和水平運輸小車裝卸；碼頭前方設置水平運輸區(qū)，集裝箱AGV 將前方集裝箱運輸至后方堆場；碼頭后方設置堆場作業(yè)區(qū)和集卡交換區(qū)，軌道式門式起重機垂直于碼頭布置在堆場作業(yè)區(qū)，主要負責水平運輸小車在堆場內的裝卸作業(yè)以及堆場集裝箱與集卡的交換。第一類自動化集裝箱碼頭總體布置如圖3所示。

圖3 第一類自動化集裝箱碼頭總體布置圖

第二類碼頭總體布置與第一類基本一致，主要區(qū)別在于第二類采用可進行自裝卸的跨運車進行水平運輸，使得其岸橋結構也與第一類不同，第二類自動化集裝箱碼頭總體布置如圖4所示。

圖4 第二類自動化集裝箱碼頭總體布置圖

3 鐵路自動化集裝箱貨場總體布置形式

3.1 鐵路集裝箱運輸?shù)陌l(fā)展分析

近年來，我國鐵路集裝箱運輸發(fā)展迅速，運量逐年攀升，鐵路集裝箱運輸發(fā)展一路向好。首先，運輸結構調整推進貨物運輸“公轉鐵”，這將推動鐵路集裝箱運量持續(xù)增長；其次，多式聯(lián)運是未來運輸發(fā)展的重要方向，作為多式聯(lián)運的標準貨物，集裝箱運輸將成為未來數(shù)年的鐵路貨運量增長點。

3.2 鐵路自動化集裝箱貨場的創(chuàng)新點和優(yōu)勢

3.2.1 鐵路自動化集裝箱貨場的創(chuàng)新點

與傳統(tǒng)鐵路集裝箱貨場相比較，自動化集裝箱貨場有無人化、智能化、高效化、信息化、安全化等創(chuàng)新點，如表1所示。

表1 鐵路自動化集裝箱貨場創(chuàng)新點比較表

3.2.2 鐵路自動化集裝箱貨場的比較優(yōu)勢

從經(jīng)濟性角度分析，傳統(tǒng)鐵路集裝箱貨場一個裝卸區(qū)需要配置機械操作、機械檢修、后臺操作等人員約30 人，采用自動化后可減少至4 人，極大地減少人工成本。在項目生命周期內，前期建設投資略微增加，后期運營成本大幅降低，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。

從安全性角度分析，鐵路自動化集裝箱貨場的應用減少了現(xiàn)場操作人員，減少了露天作業(yè)和人機交互，這也就降低了安全事故率和安全風險，為貨場安全生產(chǎn)提供了保障。

從效率性角度分析，普通鐵路集裝箱貨場設1 束2 線，裝卸線有效長850 m，配4 臺35 m 跨集裝箱軌道式門式起重機，查定能力為27.4 萬TEU／年［6-8］。如按自動化集裝箱貨場實施，參考海港碼頭將其貨場裝卸效率的提升設定在70 %以上，貨場查定能力可達46.6 萬TEU／年。2020年成都集裝箱中心站集裝箱作業(yè)量為59.8 萬TEU，也就是說2 條集裝箱裝卸線的自動化作業(yè)區(qū)即可基本滿足一般集裝箱中心站的裝卸作業(yè)需求。

從靈活性角度分析，傳統(tǒng)的集裝箱裝卸作業(yè)過程中需要一機多用，列車作業(yè)區(qū)軌道吊不僅要負責列車集裝箱的裝卸，同時還要負責集裝箱卡車的裝卸作業(yè)和堆場集翻箱倒箱裝箱作業(yè)，限制了整體裝卸能力的發(fā)揮。自動化集裝箱貨場通過采用水平運輸或者縱向運輸實現(xiàn)作業(yè)間的解耦，大大提高了裝卸系統(tǒng)的靈活性。在現(xiàn)實開發(fā)利用時，可深入研究水平運輸小車和縱向運輸軌道車的轉場作業(yè)，實現(xiàn)作業(yè)場內部、作業(yè)場間的靈活互通。

3.3 鐵路自動化集裝箱貨場布置形式

鐵路集裝箱作業(yè)與碼頭集裝箱作業(yè)類似，相較于碼頭輪船受風力及海浪影響工況復雜，鐵路平穩(wěn)的作業(yè)工況使得集裝箱自動化更易于實現(xiàn)。

由于裝卸線貫通與否對鐵路自動化集裝箱貨場的布置基本無影響，而正面吊作業(yè)必須人員操作，所以本文探討時未將以上兩項內容納入，主要針對軌道式門式起重機形式的集裝箱貨場，借鑒自動化集裝箱碼頭布置形式，結合鐵路線性布置的特點進行深入研究。

鐵路自動化裝卸作業(yè)模式可分單作業(yè)區(qū)自動化、雙作業(yè)區(qū)自動化和四作業(yè)區(qū)自動化。

3.3.1 單作業(yè)區(qū)自動化

單作業(yè)區(qū)自動化與普通集裝箱作業(yè)區(qū)布置相同，采用1 跨軌道式門式起重機，跨內設2 條集裝箱裝卸線，集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)內實現(xiàn)自動化，僅懸臂下的集卡作業(yè)存在人機交互，如圖5所示。

圖5 單作業(yè)區(qū)自動化集裝箱貨場總體布置圖

由于該種布置形式整個作業(yè)流程均采用1 臺軌道吊作業(yè)，不同作業(yè)間相互影響，呈現(xiàn)強耦合性，使其自動化運算復雜，裝卸能力和作業(yè)效率相對未自動化的集裝箱貨場提升有限。

3.3.2 雙作業(yè)區(qū)自動化

雙作業(yè)區(qū)自動化采用2 跨門式起重機布置形式，是在單作業(yè)區(qū)自動化基礎上將集卡交換作業(yè)分離出來，單獨設置固定式集卡門吊和集裝箱縱向運輸軌道車用于集卡裝卸，如圖6所示。該作業(yè)方式將列車和堆場作業(yè)與集卡裝卸作業(yè)解耦，同時也解決了作業(yè)繁忙時集卡就位后的等待時間過長的問題。

圖6 雙作業(yè)區(qū)自動化集裝箱貨場總體布置圖

雖然雙作業(yè)區(qū)自動化將軌道式門式起重機從集卡裝卸作業(yè)中解放出來，但是軌道式門式起重機仍需到集卡交換區(qū)取送集裝箱。當縱向運輸環(huán)節(jié)裝卸能力飽和時，這種解耦不完全的形式將使貨場出現(xiàn)能力瓶頸?？傮w而言，相對于單作業(yè)區(qū)自動化裝卸能力和作業(yè)效率是有較明顯提升。

3.3.3 四作業(yè)區(qū)自動化

四作業(yè)區(qū)自動化采用“列車軌道式門式起重機+集裝箱水平運輸小車+堆場軌道式門式起重機”的布置，將貨場分解為列車作業(yè)區(qū)、水平運輸區(qū)、堆場作業(yè)區(qū)和集卡交換區(qū)四個區(qū)域，如圖7所示。

圖7 四作業(yè)區(qū)自動化集裝箱貨場總體布置圖

在集裝箱裝卸線上設軌道式門式起重機用于列車裝卸箱作業(yè)和水平運輸區(qū)的取送箱作業(yè)，水平運輸區(qū)可自裝卸集裝箱的跨運車在列車作業(yè)區(qū)和堆場作業(yè)區(qū)間進行集裝箱的傳送，堆場設大跨軌道式門式起重機用于堆場取送箱、翻箱作業(yè)，水平運輸區(qū)的取送箱作業(yè)以及集卡交換區(qū)的集卡裝卸箱作業(yè)。

該種方式將列車作業(yè)與堆場作業(yè)完全解耦，所有流程無明顯限制瓶頸，貨場的作業(yè)能力取決于裝卸線的取送車能力。

3.4 不同布置形式適應情況

簡單的從裝卸能力和投資大小方面對3 種布置形式進行定性比較，裝卸能力方面：單作業(yè)區(qū)自動化＜雙作業(yè)區(qū)自動化＜四作業(yè)區(qū)自動化，建設投資方面：單作業(yè)區(qū)自動化＜雙作業(yè)區(qū)自動化＜四作業(yè)區(qū)自動化。

根據(jù)裝卸能力和投資大小，對三種布置形式的使用情況進行分析。

（1）單作業(yè)區(qū)自動化是對既有貨場設備及總體布置不進行大改動的情況下能實現(xiàn)自動化轉換，投資低，見效快。能較好地適應鐵路集裝箱貨場的自動化推廣階段，特別適合較小運量的集裝箱貨場。遼陽站貨場和晉中站中鼎物流園已嘗試性的在普通集裝箱作業(yè)區(qū)的基礎上進行自動化改造。

（2）雙作業(yè)區(qū)自動化采用縱向運輸軌道車，而不設置水平運輸，省去了水平運輸小車購置和水平運輸自動化信息系統(tǒng)模塊的費用，從碼頭的自動化建設經(jīng)驗可知，該部分投資較大；同時也能解決單獨設置水平運輸區(qū)占用較大貨場用地的問題。對于投資能力有限、征地條件苛刻的鐵路集裝箱貨場，可以選用該布置形式，既能節(jié)省投資，又可追求更高裝卸能力和作業(yè)效率。

（3）四作業(yè)區(qū)自動化能最大限度的發(fā)揮貨場的裝卸能力，在項目資金充足，用地條件不受限，且集裝箱發(fā)到量大的情況下，推薦采用該布置形式。

4 結論

本文通過研究鐵路自動化集裝箱貨場布置形式，得出以下主要結論：

（1）自動化集裝箱裝卸技術相對于傳統(tǒng)的集裝箱裝卸，有作業(yè)安全可靠、低勞動強度、低人工成本和作業(yè)效率高等優(yōu)點，是集裝箱裝卸發(fā)展的方向。港口碼頭已有成熟的技術經(jīng)驗可借鑒，期盼鐵路集裝箱貨場的無人自動化能早日實現(xiàn)。

（2）鐵路自動化集裝箱貨場是一個系統(tǒng)的工程，本文僅從鐵路自動化集裝箱貨場總體布置方面進行探討研究，仍需自動化系統(tǒng)和相關裝備技術的支持。本文探討的四作業(yè)區(qū)自動化布置形式中水平運輸采用跨運車，相較于AGV，跨運車可實現(xiàn)與軌道式門式起重機的解耦，但目前自動化跨運車技術尚不成熟，還需研究完善。

（3）鐵路自動化集裝箱貨場對比傳統(tǒng)集裝箱貨場，其裝卸能力的提升需要多次仿真實驗才能得出理論數(shù)值，本文探討所用數(shù)據(jù)是借用碼頭自動化提升經(jīng)驗數(shù)據(jù)，后續(xù)可結合實際工程進行仿真實驗。