“零翻箱”自動化立體堆場設計與碼頭總體布局*

趙衷彬，劉 偉

(1.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044；2.上海海事大學 交通運輸學院，上海201306)

集裝箱碼頭既是集裝箱貨物的集散中心，也是內外貿易的前沿陣地。作為連接公路、鐵路和水路的集裝箱貨物集疏運交通樞紐，集裝箱碼頭承擔著貨物裝卸、堆存、照管、中轉和進出口等多項任務，為服務整個港口經濟腹地的發展扮演著重要角色。集裝箱碼頭通常包括4大部分，分別為由泊位、岸邊裝卸機械、橋下裝卸區域等組成的前沿作業區，由空重箱堆場和場地裝卸機械等組成的堆場作業區，由港內集卡、自動導引車(automated guided vehicle，AGV)、跨運車及其運輸線路和緩沖區等組成的水平運輸區，以及由中控樓、檢查口等組成的后方調度控制區。多個碼頭共同組合形成一個港口。

經濟全球化和跨國貿易的發展使世界各地的經濟往來愈加頻繁，貨物流量更大、流速更快。集裝箱由于其標準化、易裝卸的特點，被越來越多地用于運輸食品飲料、服裝鞋帽、日用百貨、家用電器、高科技電子產品和機械零部件等有較高附加值的貨物。隨著貨量箱量的增加和集裝箱船舶的大型化，碼頭的吞吐能力也面臨著考驗。選取漢堡港、鹿特丹港、上海港、青島港、天津港和廈門港等6個建有自動化集裝箱碼頭的港口集裝箱吞吐量數據見圖1，其中上海港的年吞吐量在2020年已突破4 350萬TEU，且呈現繼續上升的趨勢。

圖1 2005—2020年六大港口集裝箱吞吐量

為提高碼頭吞吐能力，以往的方法多是通過擴大陸域和堆場面積或改善裝卸作業工藝流程、增加搬運和裝卸設備加以解決。近年來，隨著自動化集裝箱碼頭的發展成熟，裝卸效率得到一定程度的提升。

有關自動化集裝箱碼頭及堆場效率提升的方法，不少學者做過相關研究。張玉龍等[1]從業務流程角度為自動化集裝箱碼頭的效率提升和建設提供決策建議；羅勛杰[2]通過對全自動化集裝箱碼頭水平運輸方式的定性和定量對比分析，從設備投資、運營成本、作業效率和綠色環保等方面提出參考建議；張連鋼等[3]提出自動化集裝箱碼頭總體布局的流程和方法，為自動化碼頭的前期規劃和設計建造提供借鑒；郭文文等[4]分析出口集裝箱裝船過程中泊位與堆場分配的相互影響，建立泊位與堆場協調分配模型和算法；陳蘇敏等[5]針對堆場翻箱問題構建翻箱落位與提箱順序在線同步優化模型和混合求解算法；付鵬成等[6]提出自動化集裝箱碼頭堆場管理方式和控制策略，在作業路徑優化、翻倒箱、防風與用電提出相應的措施；Zhao等[7]采用優化算法對集卡預約信息進行管控，提高場地效率。

然而，上述研究所提出的方法建議均無法徹底解決集裝箱碼頭堆場的頑疾，即翻箱倒箱問題。碼頭堆場的翻箱和倒箱不僅增加了場地裝卸機械的使用成本，還會影響整個碼頭的作業效率和協調性。基于“一層場一層箱”的思路，本文設計出的新型集裝箱碼頭“零翻箱”立體堆場技術從根源上解決了翻箱倒箱的問題。與此同時，由于不存在壓箱，同一垂直方向上能堆放彼此作業不相干擾的9層重箱，提高碼頭堆場土地利用率。

1 9層錯位立體庫場

本文設計的“零翻箱”立體堆場的主體工程為9層錯位立體庫場，該庫場的每層即為一個堆場，如圖2所示。

圖2 9層錯位立體庫場

1.1 場地固定式龍門起重機

立體庫場的兩端分別連接碼頭前沿作業區和后方疏運作業區，兩端各設置1輛固定式龍門起重機用于起吊集裝箱。固定式龍門起重機設計跨距30 m，設計高度68 m，配備1臺40 ft(1 ft約合0.30 m)單吊具小車，即單次最大能起吊1個40 ft標準箱，也可換裝2個20 ft吊具用于同時起吊2個20 ft標準箱。

1.2 自動跨運升降車

自動跨運升降車(automated straddle and lift vehicle，ASLV)可將岸壁集裝箱裝卸橋卸于地面的集裝箱起吊并運輸至立體庫場進場升降通道作業區并卸下。ASLV兼具傳統AGV的搬運功能和穿梭式子母車(shuttle carrier，SHC)的吊運功能，減少了裝卸環節和作業機械的數量。

1.3 立體庫場分層設計

1.3.1庫場中轉平臺

立體庫場兩端每層均設有錯位中轉平臺，海側的進場中轉平臺用于承接固定式龍門起重機卸下的集裝箱，陸側出場中轉平臺則提前備妥計劃出場的集裝箱以便固定式龍門起重機吊運至下方集卡。

1.3.2庫場運箱軌道與自動搬運車

每層堆場的中轉平臺均與運箱軌道相連，軌道從進場中轉平臺到出場中轉平臺貫穿整個堆場。每條軌道上安排兩輛AGV，分別承擔集裝箱進場入位和離位出場的搬運任務。

1.3.3分層堆場箱區與箱位

每層堆場劃分為3個箱區，箱區與箱區之間設置有承重立柱和檢查工作通道，每層堆場僅堆放1層集裝箱。該堆場庫場之所以稱為“錯位”立體庫場，是為了滿足建筑體的承重要求。第7和9層堆場平面如圖3所示，在整個立體庫場中部設計有4根承重柱，同一列每2根承重柱之間間隔3個橫向箱位，因此在6和7層之間、3和4層之間的中轉平臺與其上及其下的中轉平臺之間會錯開一位。錯開的兩個中轉平臺位正好形成一個空隙，稱之為“升降通道”。在海側可實現地面集裝箱提升至中轉平臺，在陸側可實現庫場集裝箱下放至集卡上。

圖3 第7和9層堆場平面

集裝箱堆放方向垂直于岸線，即與堆場進出場方向平行。每層堆場貝位編碼從出場端向進場端遞增，20 ft箱為奇數01，03，…，59共30位，40 ft箱為偶數02，04，…，30共15位。每層堆場排次編碼為01，02，…，10共10排。每棟立體庫場冠以大寫英文字母，層數則以01，02，…，09表示。如箱位號A090802表示A棟庫場第9層堆場08貝位第2排的40 ft箱位，箱位號B030405表示B棟庫場第3層堆場04貝位第5排的20 ft箱位。每層設計300個TEU箱位，整個立體庫場可容納2 700 TEU(不含庫場頂面可容納的300個箱位)。20 ft標準箱和40 ft標準箱均高8.5 ft，即2.591 m。考慮堆場內懸掛式自動導引軌道吊高度、軌道高度等因素，設計該立體庫場每層層高7.2 m，共9層，總計高度65 m。實際建設中，箱區數量、長度、寬度和間距等應綜合考慮碼頭和堆場作業能力、空間利用率、投資成本等多種因素并由模擬仿真系統驗證和測算[8]。

1.3.4懸掛式自動導引軌道吊

懸掛式自動導引軌道吊(suspended automatic guide rail crane，SAGC)設置在每層堆場的頂部，橫跨5個40 ft箱位，能沿排位方向前后移動，沿貝位方向左右移動。因每層堆場劃分為3個箱區，故設置3臺SAGC。以集裝箱從海側進場為例，當集裝箱由AGV按指令從中轉平臺沿軌道運至對應箱區時，每層堆場頂部的懸掛式自動引導軌道吊起吊箱子并放置在指定箱位。

2 碼頭總體布局

2.1 裝卸橋與庫場箱位

為提升集裝箱碼頭裝卸效率，本文提出使用新型雙吊具四小車橋吊配合立體堆場，形成“雙吊具四小車橋吊→ASLV→場地固定式龍門起重機→立體庫場→AGV→SAGC→集卡”的作業工藝。自動化雙吊具四小車橋吊效率保守計算假定為傳統雙吊具雙小車岸橋的1.5倍，如圖4所示。其關鍵的伸距與起升高度可按如下方法計算：

圖4 新型雙吊具四小車集裝箱裝卸橋

L=L1+L2+b

(1)

L1=a+B-c

(2)

L2=(D+e+t+j-M)tan3°

(3)

H=H1+H2

(4)

H1=D+e+t+j+0.5-d2-(h0-h1)

(5)

H2=d1-g-h+(h0-h2)

(6)

式中：L為集裝箱橋吊伸距；L1為最外檔箱水平距；L2為最外檔箱傾移距；a為碼頭前沿至船舶內舷側距離；b為碼頭岸壁寬度；B為船寬；c為船舶外舷到甲板最外列集裝箱的距離；D為船舶型深；e為艙口圍板高度；t為艙蓋板高度；j為甲板上集裝箱總的最大堆垛高度；M為船舶橫穩心高度；H為起升高度；H1為軌上高度；H2為軌下高度；d1為船舶滿載時吃水；d2為船舶輕載時吃水；h0為碼頭高程；h1為高潮水位；h2為低潮水為；g為船舶龍骨板厚度；h為船舶最底層集裝箱高度。

不同碼頭可根據自身泊位水深、高低潮水位、所能停靠的最大型集裝箱船的船寬和型深等因素綜合算出所需配備雙吊具四小車橋吊的伸距和起升高度，本文僅提出雙吊具四小車橋吊的新概念，并不做具體計算，也未考慮軌道基距和橫梁凈空高等參數。碼頭在實際運用時可參照標準權威的計算方法，也可根據實際情況選擇傳統的雙吊具單或雙小車橋吊。

參照倪敏敏等[9]的研究方法，假定某1 000 m岸線的集裝箱碼頭有3個泊位，設計年吞吐量為200萬TEU，最大靠泊載箱量8 000 TEU和15萬DWT左右的超巴拿馬型集裝箱船，按照《海港總體設計規范》[10]和《自動化集裝箱碼頭設計規范》[11]對泊位設計通過能力進行計算，反推裝卸橋配備數量n：

Pt=TyApQ/(Q/ptg+tf/td)

(7)

p=np1K1K2(1-K3)K4

(8)

式中：Pt為碼頭泊位設計通過能力，為200萬TEU；Ty為泊位年運營天數取360 d(我國大部分碼頭是全年作業，但不排除某些年份因特殊事件停止作業的時間，如2020上半年疫情高峰時期，保守取360 d。本文未考慮國外港口年運營天數，因不同國家碼頭作業和休息時間差異較大)；Ap為泊位有效利用率，取65%；Q為集裝箱單船裝卸箱量，取2 400個；p為設計船的效率；tg為晝夜裝卸作業時間，取24 h；tf船舶裝卸輔助作業及靠離泊時間之和，取4 h；td為晝夜小時數，取24 h；n為集裝箱裝卸橋配備數量；p1為岸橋效率基準值，取40自然箱/h；K1為標準箱折算系數，取1.5；K2為岸橋同時作業率，取80%；K3為裝卸船作業倒箱率，取5%；K4為雙吊具雙小車岸橋船時效率提高系數，取1.5。

經計算，要滿足3個泊位200萬TEU的設計年吞吐量，總共至少需要12.8臺效率達到35自然箱/h的雙小車岸橋，折合新型雙吊具四小車岸橋8.5臺，每個泊位配備3臺雙吊具四小車岸橋，共計9臺，另可安排2臺待用。要滿足200萬TEU的年堆存能力，可按下式計算[12]：

S=Q′t/TC

(9)

式中：S為所需的庫場箱容量；Q′為庫場年通過箱量，為200萬TEU；t為集裝箱在港平均堆存天數，取4 d；T為庫場年營運天數，取360 d；C為庫場箱位利用系數，取較高值0.85。經計算，庫場總計需要配置2.614 4萬個標箱位。將危險品箱、冷藏箱、液罐箱、高箱、開頂箱和框架箱等特殊箱的數量做扣減，同時考慮扣除以下吞吐量：1)計為出口吞吐量的補給船舶的燃、物料和淡水；2)計為進口吞吐量的由水運運進港區的建港物資和防汛物資等；3)分別按進口或出口計為吞吐量的由水運運進、運出港區的郵件、行李、包裹(上述貨物以每10 t換算為1TEU計入集裝箱吞吐量)。實際配置箱位數假設為2.3萬個，則本方案共設置8個立體庫場，考慮庫頂容量后共計2.4萬個標箱位，如圖5所示。

圖5 碼頭總體布局

2.2 交通流緩沖區與運輸線路

立體堆庫場區與進港閘口之間設有集卡緩沖等待區，其規模可按照《自動化集裝箱碼頭設計規范》給出的公式計算：

Np=(PHV-Pa)tc-m

(10)

PHV=Qh(1-Kb)KBV/(TykTdqc)

(11)

Pa=p(1-0.5Ka)n

(12)

式中：Np為停車場所需車位數量；PHV為進港閘口高峰小時交通量；Pa為堆場每小時裝卸集卡數量；tc為高峰持續時間，取4 h；m為港內集卡停車位總數取0(港內水平運輸由ASLV承擔，無需內集卡)；Qh為碼頭年運量，取200萬TEU；Kb為碼頭內鐵路中轉、拆裝箱和水水中轉的箱量之和占碼頭年運營量的百分比，取0%；KBV為集卡到港不平衡系數，取1.6；Tyk為堆場年工作天數，取360 d；Td為閘口工作時間，取24 h；qc為車輛平均載箱量取1.6 TEU/輛；p為堆場裝卸設備平均小時有效操作量，取30次/h；Ka為20 ft箱占年運量的百分比，取35%；n為堆場裝卸設備作業線數量，取8條。經計算，停車場所需車位數量為134個，每個集卡緩沖等待區分攤17個車位。

整個碼頭的主干車道數量須根據交通流計算得知，單向不宜少于2車道，并增設寬度為7.5 m的倒車道。根據碼頭布置模式、交通流量、檢查口位置等確定交通組織形勢，生產車流與非生產車流應當分離。碼頭內交通標志應符合國家《道路交通標志和標線》[13]及《港口道路與堆場設計規范》[14]的相關要求。

2.3 閘口車道數量

將本文中碼頭定位為進出口型集裝箱碼頭，則閘口車道數量可按下式計算[15]：

N=Q(1-Kb)KBV/(XPTyTd)

(13)

式中：N為閘口車道數量；Q為碼頭集裝箱年吞吐量，為200萬TEU；Kb為不經過閘口集裝箱占年吞吐箱量的比例，取10%(中轉型集裝箱碼頭則可取較高值)；KBV為集卡到港不平衡系數，取1.6；X為每小時通過閘口的集卡數量，取40輛/h；P為集卡平均標準箱載箱量，取1.5；Ty為閘口年營運天數，取360 d；Td為閘口每日工作時間，取24 h。經計算，N=5.56條，取整為6條。可考慮將閘口進出通道分離，分別設置普通重箱進港通道2條，還空箱進港通道與危險品箱進港通道1條；普通重箱出港通道2條，提空箱出港通道與危險品箱出港通道1條；另設非生產車輛雙向通道1條，共計7條。

以上是對于無歷史參考數據的閘口車道計算方法，對于有實踐數據的現有港口可采用下式計算：

N=TM/Th

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：N為閘口車道數量；TM為高峰時段每小時通過閘口集卡數；Th為單車道每小時通過閘口的集卡數量；Tmax為日檢查口通過的最大集卡數；P′為高峰時段通過的集卡數占全日通過數的百分比；Fd為日不平衡系數；H為高峰時段小時數；C為碼頭標箱年吞吐量；FTEU為TEU換算率；Fm為月不平衡系數；D為高峰月日歷天數；μ為每輛集卡通過閘口的平均時間。

2.4 配套設施

除基礎作業機械和堆場外，碼頭還設置了相應的配套設施。

1)綜合服務大樓。它是整個碼頭作業的指揮調度中心，負責碼頭日常運營，內設中控指揮室、貨代辦事處、船代辦事處、理貨公司辦事處和海關三檢。主要承擔碼頭與船方、碼頭與貨方、碼頭與海關和海事等政府監管機構、碼頭與物流運輸企業等的信息交流與協調工作。

2)智能通關檢查口。采用光學箱號識別系統、高分辨率彩色攝像集裝箱驗殘系統、射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)車牌號識別系統和地磅系統等，同時使用電子集裝箱設備交接單(equipment interchange receipt，EIR)、集裝箱裝箱單(container load plan，CLP)、提箱憑證和發箱憑證等電子化單證，免去傳統紙質單證和人工審核等繁瑣的流程，從而加快集卡通關速度，既提高了效率，又能減少集卡等待期間產生的大量尾氣排放。

3)綜合物流作業區。在立體庫場后方設置有綜合物流區，作業區內可以實現貨物的簡單加工處理、短期存儲、集拼箱和直接越庫轉運等功能。也可設置鐵路港站對接水鐵聯運，加快集裝箱和貨物周轉速度。這樣豐富了碼頭的服務功能，有利于實現碼頭多元化經營、增加碼頭收入來源。

4)電力保障中心。本方案考慮整個碼頭均是使用電力驅動的機械設備，用電量巨大，為滿足港口用電負荷，須設置專門的電力保障中心。

5)空箱堆場。用于存放和保管內貿和進、出口的空箱，方便貨主提、還空箱和船公司調運。受碼頭土地面積限制，空箱堆場可適當轉移到內陸場站。

6)此外還設計有機械設備及車輛維修中心、消防應急中心、員工宿舍、員工食堂、物資中心和船舶燃料、物料、淡水、供應品和零配件補充中心，以及船舶污染物處理服務中心等設施。

3 作業流程

3.1 進口普通箱入場作業與出口普通箱出場作業

由圖6所示，當集裝箱船靠泊后，首先由四小車岸壁集裝箱裝卸橋進行卸箱作業。兩輛雙吊具主小車一次性分別最大可起吊2個40 ft標準箱，將雙40 ft集裝箱吊運至岸橋中轉平臺1和中轉平臺2。對于橋吊與堆場分離的實際應用場景，兩輛單吊具副小車可分別從兩個中轉平臺起吊一個集裝箱降運至地面(前橋作業區和后橋作業區)，再由地面上兼具起吊和運輸功能的自動跨運升降小車ASLV運至立體庫場的升降通道作業區卸下(若此時前方正有ASLV在升降通道進行裝卸作業，則可先進入ASLV緩沖區等待)。

圖6 碼頭生產性區域

立體庫場外固定式龍門起重機接到指令后起吊升降通道作業區內的集裝箱，升至其按計劃箱號對應的堆層，再放置于等待在堆層前場中轉平臺上的自動導引車AGV上卸下。每層中轉平臺與堆場內均設計有一條固定的水平運輸軌道，前場AGV負責將集裝箱經由軌道運至計劃箱號對應的堆場分區。此時每層堆場內頂部的懸掛式自動引導軌道吊SAGC起吊箱子移至指定箱位，完成進口普通箱入場作業。出口普通箱出場作業與進口普通箱入場作業流程相反。碼頭作業流程見圖7。

圖7 碼頭作業流程

3.2 進口普通箱出場作業與出口普通箱入場作業

進口普通箱出場作業時，懸掛式自動引導軌道吊SAGC收到出場指令后起吊箱移至AGV小車上，由AGV運至后場中轉平臺上。后場固定式龍門起重機吊起箱子經由升降通道下放至等待區內的集卡上，由集卡運至綜合物流作業區或通過智能通關檢查口離開碼頭，最終完成進口普通箱出場作業。出口普通箱入場作業與進口普通箱出場作業流程相反。

3.3 進口特殊箱出港作業與出口特殊箱裝船作業

對于危險品箱、液罐箱、冷藏箱、框架箱等特種集裝箱的出港作業，副小車將箱子從中轉平臺上吊起并直接裝于岸壁集裝箱裝卸橋下的集卡，再由集卡運至港內特定堆存區或港外目的地。出口特殊箱裝船時則直接由集卡運至橋吊下等待副小車起吊升運至中轉平臺，再由主小車從中轉平臺吊運至指定船箱位，最終完成出口特殊箱裝船作業。

4 結論

1)立體堆場技術方案搭配雙吊具四小車橋吊和ASLV自動跨運升降車有利于提升碼頭作業效率和經濟效益，提高吞吐能力，以更好地服務于國際國內水上貨物運輸，充分發揮碼頭作為起點和終點集散中心的服務作用。

2)基于“一層堆場一層箱”的設計理念，即整個立體庫場內每層堆場僅堆放一層重箱，集裝箱進入立體堆場指定箱位后不用翻箱和倒箱，實現了真正意義上的“零翻箱”。同時，相比傳統的堆場僅可堆高5層左右的重箱，本文的立體堆場由于不受壓箱的限制，可堆疊10層甚至更高，碼頭土地資源和空間利用率得到提升，集裝箱碼頭庫場容量和堆存能力也相應提高。

3)除港外集卡外的所有機械設備均使用電力驅動，由ASLV代替傳統港內集卡承擔水平運輸任務并兼具起降地面集裝箱的功能，去除了港內集卡的碳排放，實現“零CO2”；由固定式龍門起重機組合SAGC代替輪胎吊、軌道吊、正面吊、堆垛機等承擔場地裝卸、堆垛和歸并轉任務，減少了機械設備的配備、操作和能源成本。應注意，本工藝流程中所述之AGV僅在該層堆場內的運箱軌道上做單一往返運動，所涉及的路徑規劃和算法問題相較于通常的自動化碼頭AGV簡單許多，可減少該情景下AGV的研發、生產和磁釘鋪設等成本。同時，由于是利用固定式龍門起重機起吊集裝箱至相應堆層、裝箱至港外集卡，無需考慮胎壓對碼頭路面鋪設的影響，節省了碼頭地基、路面和軌道的建設成本。

4)本方案在實現碼頭和堆場高效化和綠色化的同時也存在一定不足，如增加了立體庫場的投資建設成本和相關機械設備與配套設施的改造成本。盡管前期固定投資大，但建成后的變動成本將大幅降低，折舊年限長。

5)本文僅設計了高65 m的9層庫內堆場+1層庫頂堆場，不同碼頭在保證建筑安全性和可靠性的前提下，可根據當地實際的集裝箱吞吐量、地形條件、氣候條件和凈空高限制等因素調整立體堆場的層數和箱位設置，因地制宜規劃建造。雖然本方案是在理論設計層面提出的，并未以某個實際碼頭為例，但這對岸線資源短缺和堆場面積有限的碼頭以及相關研究機構和企業也能提供參考。