自動化集裝箱碼頭在鐵路集裝箱貨場的應(yīng)用探討

溫賢雨

（中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，成都 610031）

集裝箱運(yùn)輸是一種高效率、高效益、高質(zhì)量的運(yùn)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(yùn)輸環(huán)節(jié)中進(jìn)行作業(yè)。近年來，我國鐵路集裝箱運(yùn)輸在鐵路貨物散貨集裝箱化、公轉(zhuǎn)鐵等政策支撐下發(fā)展迅速。鐵路集裝箱運(yùn)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(xué)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(shí)現(xiàn)，鐵路自動化集裝箱貨場是鐵路貨物運(yùn)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(nèi)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(jī)形式，其布置通常為：軌道式門式起重機(jī)跨內(nèi)設(shè)1～2 條集裝箱裝卸線，堆場設(shè)于跨內(nèi)和懸臂下，集卡裝卸在線路側(cè)進(jìn)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(jī)或正面吊形式。

1.2 裝卸線布置

根據(jù)貨場貨運(yùn)量大小、場地條件的差別、裝卸設(shè)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(shè)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(yīng)能力強(qiáng)，在運(yùn)量較小，投資有限的項(xiàng)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(shè)備配置

鐵路集裝箱辦理站貨場內(nèi)常用的集裝箱裝卸設(shè)備有：軌道式門式起重機(jī)、輪胎式門式起重機(jī)、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(jī)使用率越來越低；而叉車則因?yàn)檠b卸能力和作業(yè)效率低下，淪為集裝箱貨場常用輔助設(shè)備。

軌道式門式起重機(jī)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(diǎn)，適用于集裝箱存放和中轉(zhuǎn)量較大的貨場，需注意的是，軌道式門式起重機(jī)缺乏跨區(qū)域作業(yè)能力，轉(zhuǎn)場需要輔助設(shè)備。

正面吊具有適應(yīng)性好、機(jī)動靈活、一機(jī)多用等特點(diǎn)，它可越過1～2 排集裝箱進(jìn)行作業(yè)，在中小型貨場可作為主要裝卸設(shè)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(yùn)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(shè)備

自動化設(shè)備包含自動化軌道式門式起重機(jī)和自動化水平運(yùn)輸小車，常用的自動化水平運(yùn)輸小車有自動導(dǎo)引車（AGV）和自動跨運(yùn)車。

自動導(dǎo)引車是具有自動導(dǎo)引裝置、能夠沿設(shè)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(hù)裝置以及各種物品移載功能的搬運(yùn)車輛，車體結(jié)構(gòu)為平臺結(jié)構(gòu)［3］，如圖1所示。自動跨運(yùn)車不僅有AGV 的自動導(dǎo)引和沿設(shè)定路徑行駛功能，還具有自提升功能，車體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是車體無平臺，上部由縱梁連接，下部分別支撐在兩側(cè)底梁上，4 個門腿一般采用箱形結(jié)構(gòu)，動力裝置安裝在底梁上，如圖2所示。

圖1 AGV 圖

圖2 跨運(yùn)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(jī)”；第二類是“單小車岸橋+跨運(yùn)車+軌道式門式起重機(jī)”［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(yùn)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(shè)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(yùn)輸小車裝卸；碼頭前方設(shè)置水平運(yùn)輸區(qū)，集裝箱AGV 將前方集裝箱運(yùn)輸至后方堆場；碼頭后方設(shè)置堆場作業(yè)區(qū)和集卡交換區(qū)，軌道式門式起重機(jī)垂直于碼頭布置在堆場作業(yè)區(qū)，主要負(fù)責(zé)水平運(yùn)輸小車在堆場內(nèi)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(jìn)行自裝卸的跨運(yùn)車進(jìn)行水平運(yùn)輸，使得其岸橋結(jié)構(gòu)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(yùn)輸?shù)陌l(fā)展分析

近年來，我國鐵路集裝箱運(yùn)輸發(fā)展迅速，運(yùn)量逐年攀升，鐵路集裝箱運(yùn)輸發(fā)展一路向好。首先，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整推進(jìn)貨物運(yùn)輸“公轉(zhuǎn)鐵”，這將推動鐵路集裝箱運(yùn)量持續(xù)增長；其次，多式聯(lián)運(yùn)是未來運(yùn)輸發(fā)展的重要方向，作為多式聯(lián)運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)貨物，集裝箱運(yùn)輸將成為未來數(shù)年的鐵路貨運(yùn)量增長點(diǎn)。

3.2 鐵路自動化集裝箱貨場的創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)勢

3.2.1 鐵路自動化集裝箱貨場的創(chuàng)新點(diǎn)

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(diǎn)，如表1所示。

表1 鐵路自動化集裝箱貨場創(chuàng)新點(diǎn)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(jì)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(jī)械操作、機(jī)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(xiàng)目生命周期內(nèi)，前期建設(shè)投資略微增加，后期運(yùn)營成本大幅降低，經(jīng)濟(jì)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(yīng)用減少了現(xiàn)場操作人員，減少了露天作業(yè)和人機(jī)交互，這也就降低了安全事故率和安全風(fēng)險(xiǎn)，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(shè)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(jī)，查定能力為27.4 萬TEU／年［6-8］。如按自動化集裝箱貨場實(shí)施，參考海港碼頭將其貨場裝卸效率的提升設(shè)定在70 %以上，貨場查定能力可達(dá)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(jī)多用，列車作業(yè)區(qū)軌道吊不僅要負(fù)責(zé)列車集裝箱的裝卸，同時還要負(fù)責(zé)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(yùn)輸或者縱向運(yùn)輸實(shí)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(shí)開發(fā)利用時，可深入研究水平運(yùn)輸小車和縱向運(yùn)輸軌道車的轉(zhuǎn)場作業(yè)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)場內(nèi)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(fēng)力及海浪影響工況復(fù)雜，鐵路平穩(wěn)的作業(yè)工況使得集裝箱自動化更易于實(shí)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(xiàng)內(nèi)容納入，主要針對軌道式門式起重機(jī)形式的集裝箱貨場，借鑒自動化集裝箱碼頭布置形式，結(jié)合鐵路線性布置的特點(diǎn)進(jìn)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(jī)，跨內(nèi)設(shè)2 條集裝箱裝卸線，集裝箱裝卸作業(yè)區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動化，僅懸臂下的集卡作業(yè)存在人機(jī)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(qiáng)耦合性，使其自動化運(yùn)算復(fù)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(jī)布置形式，是在單作業(yè)區(qū)自動化基礎(chǔ)上將集卡交換作業(yè)分離出來，單獨(dú)設(shè)置固定式集卡門吊和集裝箱縱向運(yùn)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(jī)從集卡裝卸作業(yè)中解放出來，但是軌道式門式起重機(jī)仍需到集卡交換區(qū)取送集裝箱。當(dāng)縱向運(yùn)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(jī)+集裝箱水平運(yùn)輸小車+堆場軌道式門式起重機(jī)”的布置，將貨場分解為列車作業(yè)區(qū)、水平運(yùn)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(shè)軌道式門式起重機(jī)用于列車裝卸箱作業(yè)和水平運(yùn)輸區(qū)的取送箱作業(yè)，水平運(yùn)輸區(qū)可自裝卸集裝箱的跨運(yùn)車在列車作業(yè)區(qū)和堆場作業(yè)區(qū)間進(jìn)行集裝箱的傳送，堆場設(shè)大跨軌道式門式起重機(jī)用于堆場取送箱、翻箱作業(yè)，水平運(yùn)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(yīng)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(jìn)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(shè)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(jìn)行分析。

（1）單作業(yè)區(qū)自動化是對既有貨場設(shè)備及總體布置不進(jìn)行大改動的情況下能實(shí)現(xiàn)自動化轉(zhuǎn)換，投資低，見效快。能較好地適應(yīng)鐵路集裝箱貨場的自動化推廣階段，特別適合較小運(yùn)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(chǔ)上進(jìn)行自動化改造。

（2）雙作業(yè)區(qū)自動化采用縱向運(yùn)輸軌道車，而不設(shè)置水平運(yùn)輸，省去了水平運(yùn)輸小車購置和水平運(yùn)輸自動化信息系統(tǒng)模塊的費(fèi)用，從碼頭的自動化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可知，該部分投資較大；同時也能解決單獨(dú)設(shè)置水平運(yùn)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(xiàng)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(jié)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(jié)論：

（1）自動化集裝箱裝卸技術(shù)相對于傳統(tǒng)的集裝箱裝卸，有作業(yè)安全可靠、低勞動強(qiáng)度、低人工成本和作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是集裝箱裝卸發(fā)展的方向。港口碼頭已有成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，期盼鐵路集裝箱貨場的無人自動化能早日實(shí)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(jìn)行探討研究，仍需自動化系統(tǒng)和相關(guān)裝備技術(shù)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(yùn)輸采用跨運(yùn)車，相較于AGV，跨運(yùn)車可實(shí)現(xiàn)與軌道式門式起重機(jī)的解耦，但目前自動化跨運(yùn)車技術(shù)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(shí)驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)，后續(xù)可結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。