基于地下物流的港區(qū)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)研究

魯斌 張夢霞

摘 要：我國港口集疏運(yùn)存在瓶頸，運(yùn)輸效率較低。為實(shí)現(xiàn)港區(qū)集裝箱的高效快速轉(zhuǎn)運(yùn)，文章提出一種基于地下物流的技術(shù)方案。該方案在港區(qū)內(nèi)設(shè)置地下站點(diǎn)，通過地下主運(yùn)輸隧道連接至內(nèi)陸貨運(yùn)站，實(shí)現(xiàn)海陸間的無縫連接。采用自動導(dǎo)向運(yùn)輸車，設(shè)置精密的車體連接結(jié)構(gòu)、定位系統(tǒng)、運(yùn)輸控制系統(tǒng)，解決裝載運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)難題。同時(shí)設(shè)計(jì)了高精度的裝卸對位系統(tǒng)，保證地面吊機(jī)與地下車輛的精確對位。該技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)全天候的集裝箱快速轉(zhuǎn)運(yùn)。該研究為我國港口提供了一種新的集疏運(yùn)技術(shù)途徑，具有重要的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：地下物流；集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)；自動導(dǎo)向車；精確定位；運(yùn)輸控制

中圖分類號：F540文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.10.013

Abstract： China's ports have bottlenecks in container handling and transportation， resulting in low efficiency. To achieve efficient and fast container transfer between ports， this study proposes an underground logistics-based technical solution. The solution sets up underground stations in the port area and connects them to inland freight stations through underground main transportation tunnels， realizing seamless sea-land connections. It adopts automated guided vehicles and sets up precise body connection structures， positioning systems， and transportation control systems to solve key technical challenges in loading and transportation. Meanwhile， a high-precision berthing system is designed to ensure accurate positioning between ground cranes and underground vehicles. This technical solution enables all-weather fast container transfer. This research provides a new technical approach for container handling and transportation in China's ports， and has important prospects for engineering applications.

Key words： underground logistics; container transfer; automated guided vehicle; precision positioning; transportation control

0? ? 引? ? 言

隨著全球貿(mào)易方式的改變，集裝箱作為現(xiàn)代化貨物運(yùn)輸?shù)闹饕d體，其運(yùn)輸量近十年來快速增長。我國沿海主要港口的集裝箱吞吐量也日益增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國港口在2022年全年完成集裝箱吞吐量3.0億標(biāo)準(zhǔn)集裝箱（Twenty-foot Equivalent Unit，TEU） [1]。但目前港口集疏運(yùn)系統(tǒng)中存在瓶頸，許多港區(qū)分散且直接進(jìn)出的鐵路不便，主要依靠公路運(yùn)輸將集裝箱從港口輸送到內(nèi)陸集貨中心或鐵路貨運(yùn)站[2-3]。這不僅增加了運(yùn)輸環(huán)節(jié)，也使得運(yùn)輸效率較低，甚至公路運(yùn)輸還易受道路條件、交通狀況等外界因素影響。因此，開發(fā)新型的集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)方式以實(shí)現(xiàn)快速有效的港區(qū)物流運(yùn)輸，是當(dāng)前的重要研究課題。

地下物流系統(tǒng)作為一種新興的城市貨運(yùn)方式，自20世紀(jì)90年代在歐美等國家興起[4]。該系統(tǒng)充分利用地下空間資源，采用自動導(dǎo)向車，以集裝箱為基本運(yùn)輸單元，在地下建設(shè)軌道和運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)高密度和全天候不間斷運(yùn)作的運(yùn)輸服務(wù)[5]。國內(nèi)外學(xué)者也開始嘗試將該技術(shù)應(yīng)用于港區(qū)間的集裝箱快速運(yùn)輸。王堅(jiān)[6]結(jié)合上海洋山深水港區(qū)東西港區(qū)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)方式分析，提出了地下集裝箱輸送系統(tǒng)的應(yīng)用案例。孫飛飛等[7]針對上海外高橋至嘉定線的地下物流系統(tǒng)布局方案，建立綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，分析了在集裝箱港區(qū)實(shí)行地下物流系統(tǒng)的合理性。何凌暉等[8]根據(jù)上海外高橋港疏港通道的現(xiàn)狀交通特征和未來交通量，分析了建設(shè)地下物流系統(tǒng)對疏港通道的經(jīng)濟(jì)、社會效益。 Wiegmans等[9]探討了連接荷蘭斯希波爾航空港區(qū)與花卉拍賣市場間的地下物流系統(tǒng)項(xiàng)目。然而，現(xiàn)有研究更多還停留在地下物流系統(tǒng)的整體規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)效益分析階段，較少系統(tǒng)考慮將該技術(shù)應(yīng)用于解決集裝箱在港區(qū)的多式聯(lián)運(yùn)問題，特別是缺少針對地下高效集裝箱運(yùn)輸技術(shù)本身的研究。

因此，本研究提出一種基于地下物流的集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)方案。該方案利用地下通道和自動導(dǎo)向車實(shí)現(xiàn)港區(qū)和貨運(yùn)站之間的高效運(yùn)輸，并在車體設(shè)計(jì)、定位組件、控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。研究目的在于探討該技術(shù)方案能否提高現(xiàn)有多式聯(lián)運(yùn)的運(yùn)輸效率，為我國港口集疏運(yùn)提供一種新的物流解決方案。

1? ? 總體設(shè)計(jì)方案

基于地下物流的集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)港區(qū)與內(nèi)陸貨運(yùn)站之間的高效運(yùn)輸。為達(dá)到此目標(biāo)，需解決車輛連接、精確定位和運(yùn)輸安全等方面的技術(shù)問題。經(jīng)分析，該系統(tǒng)可采用如下技術(shù)方案。

1.1? ? 系統(tǒng)布局

系統(tǒng)在港區(qū)內(nèi)設(shè)置地下站點(diǎn)，以及連接至貨運(yùn)站的地下主運(yùn)輸隧道。港口吊機(jī)將集裝箱下放至地下站內(nèi)的運(yùn)輸車上，車輛沿導(dǎo)向軌道通過主隧道運(yùn)送至目的地——自動導(dǎo)向車停靠點(diǎn)進(jìn)行卸載。

1.2? ? 車輛設(shè)計(jì)

采用電力驅(qū)動、無人駕駛的自動導(dǎo)向運(yùn)輸車作為運(yùn)輸工具。車體兩端設(shè)有精密配合的連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)車廂連接以運(yùn)送不同規(guī)格長度的集裝箱。車體底部裝有輪軸及剎車裝置，可沿地下物流平穩(wěn)移動。車頂設(shè)有高精度的無線定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與地面定位系統(tǒng)精確對位，從而引導(dǎo)吊機(jī)準(zhǔn)確裝卸。車體內(nèi)部設(shè)置鎖止、限位組件，實(shí)現(xiàn)對集裝箱的穩(wěn)定固定。

1.3? ? 運(yùn)輸控制

在地下站點(diǎn)及主隧道內(nèi)設(shè)置精準(zhǔn)的無線定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對車輛運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)輸過程通過地面控制中心的無人駕駛系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)車隊(duì)組織調(diào)度、速度控制等功能。同時(shí)設(shè)置傳感器監(jiān)測車內(nèi)集裝箱狀態(tài)，如發(fā)生異常及時(shí)制動防止損壞。

1.4? ? 裝卸系統(tǒng)

地面站點(diǎn)設(shè)置基于多點(diǎn)紅外的精密定位系統(tǒng)。吊機(jī)吊具裝有配套的定位裝置，實(shí)現(xiàn)與地下車輛高精度對位，進(jìn)行快速裝卸。設(shè)置緩沖減震裝置，保證裝卸過程的穩(wěn)定性及安全性。

1.5? ? 運(yùn)輸效率

相比公路運(yùn)輸，地下運(yùn)輸不受地面交通影響，全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)輸速度更快。有效載荷率高，單車可承載1～2個TEU，且多車可編組運(yùn)行。無人駕駛可實(shí)現(xiàn)車隊(duì)高密度運(yùn)輸，可在不增加車輛的前提下大幅提高系統(tǒng)運(yùn)輸頻次及效率。

該總體設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)自動化、精確化的高效集裝箱地下快速轉(zhuǎn)運(yùn)。車輛連接解決了運(yùn)輸不同規(guī)格長度集裝箱的技術(shù)問題；精密定位系統(tǒng)及控制方案保證了裝卸和運(yùn)輸過程的安全性及效率。該設(shè)計(jì)可有效利用地下空間資源，大幅提升港區(qū)的集裝箱快速流通能力。

2? ? 關(guān)鍵模塊功能設(shè)計(jì)

2.1? ? 車體設(shè)計(jì)

根據(jù)地下集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)的工作環(huán)境和運(yùn)輸需求，本研究設(shè)計(jì)了一種新型連接自動導(dǎo)向運(yùn)輸車體。該車體長度可根據(jù)實(shí)際需要確定，一般可承載1～2個TEU。車體主要由車架、連接結(jié)構(gòu)、驅(qū)動輪軸組成，并設(shè)置精密的無線定位系統(tǒng)、集裝箱限位組件等，如圖1所示。

2.1.1? ? 車體材質(zhì)選用

考慮隧道受力情況及運(yùn)輸安全需求，車體材質(zhì)選用高強(qiáng)度鋼材，表面進(jìn)行防腐處理。底盤采用箱形焊接結(jié)構(gòu)，確保承載力及剛性。車體顏色考慮周邊環(huán)境設(shè)計(jì)，便于故障檢測。

2.1.2? ? 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車體前后兩端對稱設(shè)置連接結(jié)構(gòu)，包括連接頭和連接槽。連接頭為鋼制圓柱體。連接槽內(nèi)設(shè)置電動伸縮鎖止機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對連接頭的精確鎖緊。通過連接結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多節(jié)車廂連接，延長有效運(yùn)輸長度，用于長集裝箱的輸送。

2.1.3? ? 驅(qū)動輪軸系統(tǒng)

車底部前后對稱設(shè)置兩個驅(qū)動輪軸，每個輪軸裝有兩側(cè)獨(dú)立驅(qū)動的橡膠驅(qū)動輪。輪軸通過懸掛系統(tǒng)連接車體，可根據(jù)地下軌道微地形進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。輪軸兩端設(shè)有電子反饋剎車裝置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位?？?。

2.1.4? ? 無線定位系統(tǒng)

車頂均勻設(shè)置多個無線定位天線，實(shí)現(xiàn)與地面定位系統(tǒng)的高精度對位。精度可達(dá)毫米級，有效解決裝卸時(shí)的精確定位問題。無線信號采用專用編碼，避免干擾。

2.1.5? ? 集裝箱限位組件

在車內(nèi)頂部設(shè)置多個氣動或電磁鎖止裝置，實(shí)現(xiàn)對集裝箱的自動鎖緊。同時(shí)設(shè)置壓力和位移傳感器，監(jiān)測集裝箱在運(yùn)輸過程中的狀態(tài)，如發(fā)生異?？闪⒓粗苿臃乐苟螕p壞。

該車體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了地下環(huán)境中集裝箱的安全穩(wěn)定運(yùn)輸。車體連接結(jié)構(gòu)可根據(jù)集裝箱長度實(shí)現(xiàn)靈活組合；精密定位系統(tǒng)和限位組件保證了運(yùn)輸過程的安全。

2.2? ? 定位組件設(shè)計(jì)

精確的定位系統(tǒng)是保證地下集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)安全高效運(yùn)作的關(guān)鍵。本研究設(shè)計(jì)了一個基于多點(diǎn)紅外線高精度定位的裝卸對位系統(tǒng)（如圖2所示）。該系統(tǒng)確保了地面吊機(jī)與地下運(yùn)輸車輛的精確對位，其具體設(shè)計(jì)方案如下。

2.2.1? ? 定位原理

利用紅外線傳感器的高方向性設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)。在車頂四角設(shè)置四個紅外線接收模塊，對應(yīng)地面吊機(jī)吊具設(shè)置四個紅外線發(fā)送模塊。當(dāng)四點(diǎn)紅外線對位時(shí)實(shí)現(xiàn)精確定位。

2.2.2? ? 紅外線接收模塊

接收模塊采用聚焦式設(shè)計(jì)，有效過濾環(huán)境光干擾。設(shè)置精密光電轉(zhuǎn)換芯片，輸出定位信號。加入溫度補(bǔ)償電路，提高工作穩(wěn)定性。采用圓形陣列布置，優(yōu)化信號捕獲面。

2.2.3? ? 紅外線發(fā)送模塊

發(fā)送模塊采用高功率紅外線發(fā)光二極管并加入聚光發(fā)射透鏡，形成高方向性的紅外線信號。設(shè)計(jì)緊湊型環(huán)形結(jié)構(gòu)，確保多點(diǎn)發(fā)射信號精確正交。輸出頻率穩(wěn)定，不受環(huán)境影響。

2.2.4? ? 信號處理與控制

車載定位模塊通過信號處理電路實(shí)時(shí)檢測多點(diǎn)紅外線接收情況，輸出定位狀態(tài)信號。地面吊機(jī)通過PID控制算法，根據(jù)定位信號進(jìn)行三維精確控制，實(shí)現(xiàn)與車輛的對位。

2.2.5? ? 系統(tǒng)精度

經(jīng)仿真測試，該定位系統(tǒng)在正常工作環(huán)境下，動態(tài)定位精度可達(dá)±30mm，滿足高精度自動裝卸需求。系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間<100ms，基本無延遲。

該紅外線多點(diǎn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，可適應(yīng)地下環(huán)境運(yùn)用。該系統(tǒng)的應(yīng)用可有效解決集裝箱地下快運(yùn)過程中的對位問題，提高了轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的自動化水平及工作效率。

2.3? ? 數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)對地下集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的監(jiān)控和運(yùn)輸控制，本研究設(shè)計(jì)了一套基于智能化技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括車載監(jiān)控設(shè)備、站點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備、運(yùn)輸控制中心三部分。

2.3.1? ? 車載監(jiān)控設(shè)備

在每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)置工控機(jī)、傳感器、攝像頭等設(shè)備。工控機(jī)采集各項(xiàng)車載數(shù)據(jù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至云服務(wù)器。傳感器監(jiān)測車廂環(huán)境及集裝箱狀態(tài)參數(shù)。攝像頭實(shí)時(shí)傳回車廂圖像。

2.3.2? ? 站點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備

在裝卸站點(diǎn)及?？奎c(diǎn)布置電子定位裝置、站點(diǎn)攝像頭等。定位系統(tǒng)向車載設(shè)備發(fā)送定位數(shù)據(jù)。攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控站點(diǎn)作業(yè)情況。所有數(shù)據(jù)匯總上傳至云服務(wù)器。

2.3.3? ? 運(yùn)輸控制中心

建立包括云服務(wù)器、運(yùn)維終端等控制中心，在地面指揮調(diào)度運(yùn)輸車隊(duì)。云服務(wù)器接收各監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行存儲處理。運(yùn)維人員通過終端實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，并下達(dá)控制指令。

2.3.4? ? 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

利用4G網(wǎng)絡(luò)與光纖網(wǎng)絡(luò)，建立車載設(shè)備與控制中心之間的高速數(shù)據(jù)交換通道。數(shù)據(jù)傳輸加密，確保運(yùn)輸過程安全穩(wěn)定。

2.3.5? ? 控制方式

平時(shí)車輛按預(yù)設(shè)路線和時(shí)間自主運(yùn)輸；針對異常情況，人工遠(yuǎn)程控制車輛調(diào)度、速度控制等，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對地下快運(yùn)系統(tǒng)的全面監(jiān)控管理，車載、站點(diǎn)及控制中心通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，為地下無人駕駛集裝箱運(yùn)輸提供了重要技術(shù)保障。

3? ? 性能分析評價(jià)

本研究對所提出的地下集裝箱快速轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了多方面分析評價(jià)，主要從轉(zhuǎn)運(yùn)效率、運(yùn)輸安全兩方面進(jìn)行了討論，評價(jià)了該方案的優(yōu)勢及效果。

3.1? ? 轉(zhuǎn)運(yùn)效率分析

以上海東海大橋?yàn)槔?，其海上主橋段長度為25km。現(xiàn)行道路自動駕駛集卡車在該橋段行駛時(shí)速可達(dá)80km/h，但在惡劣天氣情況下將被限制至30km/h。相比之下，本研究所提出的地下物流運(yùn)輸系統(tǒng)可設(shè)置車速同為80km/h，且不受外界氣候影響，始終保持限速不變。因此，在正常氣候下，兩種運(yùn)輸方式車輛耗時(shí)相近，約為19min；但極端氣候情況下，道路運(yùn)輸耗時(shí)增加至50min，增幅167%，而地下物流運(yùn)輸耗時(shí)保持穩(wěn)定?？梢?，本方案可有效抵御惡劣天氣對運(yùn)輸時(shí)間的負(fù)面影響，提高系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，這對于保障港口物流的持續(xù)高效運(yùn)行具有重要意義。

3.2? ? 運(yùn)輸安全性分析

地下環(huán)境無法目視裝卸操作，完全依賴定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集裝箱和運(yùn)輸車輛的高精度自動對位。若定位偏差過大，將直接導(dǎo)致集裝箱裝卸失敗，影響運(yùn)轉(zhuǎn)效率。因此，定位系統(tǒng)精度需要控制在±30mm以內(nèi)，滿足集裝箱自動對位的技術(shù)需求[10]。通過精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可大幅提升地下快速轉(zhuǎn)運(yùn)的整體安全性和可靠性。這是保障地下無人自動集裝箱運(yùn)輸順利實(shí)施的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

4? ? 結(jié)? ? 語

本研究針對當(dāng)前我國港口集疏運(yùn)系統(tǒng)存在運(yùn)輸效率較低的問題，設(shè)計(jì)出了一整套系統(tǒng)化的基于地下物流的集裝箱快速轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)方案。該方案充分考慮了地下環(huán)境的特殊性，采用了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)手段，包括連接結(jié)構(gòu)可變的自動導(dǎo)向運(yùn)輸車體設(shè)計(jì)、基于多點(diǎn)紅外線的高精度裝卸對位系統(tǒng)、車載監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等。這些設(shè)計(jì)能夠克服地下環(huán)境無法目視等困難，實(shí)現(xiàn)地面與地下的精確對接，保證地下集裝箱的安全、高效運(yùn)輸。與傳統(tǒng)公路運(yùn)輸相比，該方案可實(shí)現(xiàn)全天候不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，大幅提升港口集疏運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)作效率和穩(wěn)定性。本研究為我國港口的現(xiàn)代化、智能化建設(shè)提供了一種新的技術(shù)途徑，未來將繼續(xù)推動該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，并選擇適宜的港區(qū)開展工程示范。

參考文獻(xiàn)：

[1] 全年港口集裝箱吞吐總量3.0億TEU——我國規(guī)模以上港口運(yùn)行月報(bào)（2022.12）[J]．中國航務(wù)周刊，2023（6）：44．

[2] 張雨琴．我國港口集疏運(yùn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)化分析[J]．物流工程與管理，2011，33（6）：9-10，19．

[3] 葛瑞，馮欲曉，郎茂祥．我國集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)存在的問題及對策研究[J]．物流科技，2007（5）：126-128．

[4] 俞明?。鞘胸涍\(yùn)交通問題與城市地下物流[J]．交通與運(yùn)輸，2017，33（3）：1-3．

[5] 錢七虎．建設(shè)特大城市地下快速路和地下物流系統(tǒng)——解決中國特大城市交通問題的新思路[J]．科技導(dǎo)報(bào)，2004（4）：3-6.

[6] 王堅(jiān)．基于地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的港口總體規(guī)劃研究[J]．水運(yùn)工程，2010（1）：38-42．

[7] 孫飛飛，梁承姬，胡筱淵．碳交易背景下集裝箱港區(qū)地下物流系統(tǒng)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)分析[J]．隧道建設(shè)（中英文），2020，40（1）：58-65.

[8] 何凌暉，段征宇，陳川，等．基于疏港通道交通特征的地下物流效益分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2019，15（5）：1283-1289.

[9] WIEGMANS B，VISSER J，KONINGS R，et al．Review of underground logistic systems in the Netherlands：An ex-post??evaluation of barriers，enablers and spin-offs[J]．European Transport，2010，45（45）：34-49．

[10] 自動化集裝箱碼頭建設(shè)指南[S]．北京：人民交通出版社，2021．