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(mèng)霞

摘 要：我國(guó)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(guò)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(wú)縫連接。采用自動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸車(chē)，設(shè)置精密的車(chē)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(duì)位系統(tǒng)，保證地面吊機(jī)與地下車(chē)輛的精確對(duì)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(guó)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(dòng)導(dǎo)向車(chē)；精確定位；運(yùn)輸控制

中圖分類號(hào)：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(lái)快速增長(zhǎng)。我國(guó)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(guó)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(kāi)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(guó)家興起[4]。該系統(tǒng)充分利用地下空間資源，采用自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)，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(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)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(duì)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(lái)交通量，分析了建設(shè)地下物流系統(tǒng)對(duì)疏港通道的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(mài)市場(chǎng)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(wèn)題，特別是缺少針對(duì)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(dòng)導(dǎo)向車(chē)實(shí)現(xiàn)港區(qū)和貨運(yùn)站之間的高效運(yùn)輸，并在車(chē)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(guó)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(chē)輛連接、精確定位和運(yùn)輸安全等方面的技術(shù)問(wèn)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(chē)上，車(chē)輛沿導(dǎo)向軌道通過(guò)主隧道運(yùn)送至目的地——自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)停靠點(diǎn)進(jìn)行卸載。

1.2? ? 車(chē)輛設(shè)計(jì)

采用電力驅(qū)動(dòng)、無(wú)人駕駛的自動(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸車(chē)作為運(yùn)輸工具。車(chē)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(chē)廂連接以運(yùn)送不同規(guī)格長(zhǎng)度的集裝箱。車(chē)體底部裝有輪軸及剎車(chē)裝置，可沿地下物流平穩(wěn)移動(dòng)。車(chē)頂設(shè)有高精度的無(wú)線定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與地面定位系統(tǒng)精確對(duì)位，從而引導(dǎo)吊機(jī)準(zhǔn)確裝卸。車(chē)體內(nèi)部設(shè)置鎖止、限位組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)線定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)輸過(guò)程通過(guò)地面控制中心的無(wú)人駕駛系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)車(chē)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(cè)車(chē)內(nèi)集裝箱狀態(tài)，如發(fā)生異常及時(shí)制動(dòng)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(chē)輛高精度對(duì)位，進(jìn)行快速裝卸。設(shè)置緩沖減震裝置，保證裝卸過(guò)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(chē)可承載1～2個(gè)TEU，且多車(chē)可編組運(yùn)行。無(wú)人駕駛可實(shí)現(xiàn)車(chē)隊(duì)高密度運(yùn)輸，可在不增加車(chē)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(dòng)化、精確化的高效集裝箱地下快速轉(zhuǎn)運(yùn)。車(chē)輛連接解決了運(yùn)輸不同規(guī)格長(zhǎng)度集裝箱的技術(shù)問(wèn)題；精密定位系統(tǒng)及控制方案保證了裝卸和運(yùn)輸過(guò)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(chē)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(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸車(chē)體。該車(chē)體長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際需要確定，一般可承載1～2個(gè)TEU。車(chē)體主要由車(chē)架、連接結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)輪軸組成，并設(shè)置精密的無(wú)線定位系統(tǒng)、集裝箱限位組件等，如圖1所示。

2.1.1? ? 車(chē)體材質(zhì)選用

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

2.1.2? ? 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)體前后兩端對(duì)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(dòng)伸縮鎖止機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接頭的精確鎖緊。通過(guò)連接結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多節(jié)車(chē)廂連接，延長(zhǎng)有效運(yùn)輸長(zhǎng)度，用于長(zhǎng)集裝箱的輸送。

2.1.3? ? 驅(qū)動(dòng)輪軸系統(tǒng)

車(chē)底部前后對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪軸，每個(gè)輪軸裝有兩側(cè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的橡膠驅(qū)動(dòng)輪。輪軸通過(guò)懸掛系統(tǒng)連接車(chē)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(chē)裝置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位停靠。

2.1.4? ? 無(wú)線定位系統(tǒng)

車(chē)頂均勻設(shè)置多個(gè)無(wú)線定位天線，實(shí)現(xiàn)與地面定位系統(tǒng)的高精度對(duì)位。精度可達(dá)毫米級(jí)，有效解決裝卸時(shí)的精確定位問(wèn)題。無(wú)線信號(hào)采用專用編碼，避免干擾。

2.1.5? ? 集裝箱限位組件

在車(chē)內(nèi)頂部設(shè)置多個(gè)氣動(dòng)或電磁鎖止裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱的自動(dòng)鎖緊。同時(shí)設(shè)置壓力和位移傳感器，監(jiān)測(cè)集裝箱在運(yùn)輸過(guò)程中的狀態(tài)，如發(fā)生異常可立即制動(dòng)防止二次損壞。

該車(chē)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(chē)體連接結(jié)構(gòu)可根據(jù)集裝箱長(zhǎng)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(guò)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(gè)基于多點(diǎn)紅外線高精度定位的裝卸對(duì)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(chē)輛的精確對(duì)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(chē)頂四角設(shè)置四個(gè)紅外線接收模塊，對(duì)應(yīng)地面吊機(jī)吊具設(shè)置四個(gè)紅外線發(fā)送模塊。當(dāng)四點(diǎn)紅外線對(duì)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(guò)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(hào)。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(hào)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(hào)。設(shè)計(jì)緊湊型環(huán)形結(jié)構(gòu)，確保多點(diǎn)發(fā)射信號(hào)精確正交。輸出頻率穩(wěn)定，不受環(huán)境影響。

2.2.4? ? 信號(hào)處理與控制

車(chē)載定位模塊通過(guò)信號(hào)處理電路實(shí)時(shí)檢測(cè)多點(diǎn)紅外線接收情況，輸出定位狀態(tài)信號(hào)。地面吊機(jī)通過(guò)PID控制算法，根據(jù)定位信號(hào)進(jìn)行三維精確控制，實(shí)現(xiàn)與車(chē)輛的對(duì)位。

2.2.5? ? 系統(tǒng)精度

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

該紅外線多點(diǎn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)程中的對(duì)位問(wèn)題，提高了轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的自動(dòng)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(duì)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(chē)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(chē)載監(jiān)控設(shè)備

在每節(jié)車(chē)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(chē)載數(shù)據(jù)，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至云服務(wù)器。傳感器監(jiān)測(cè)車(chē)廂環(huán)境及集裝箱狀態(tài)參數(shù)。攝像頭實(shí)時(shí)傳回車(chē)廂圖像。

2.3.2? ? 站點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備

在裝卸站點(diǎn)及停靠點(diǎn)布置電子定位裝置、站點(diǎn)攝像頭等。定位系統(tǒng)向車(chē)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(chē)隊(duì)。云服務(wù)器接收各監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)處理。運(yùn)維人員通過(guò)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chē)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(guò)程安全穩(wěn)定。

2.3.5? ? 控制方式

平時(shí)車(chē)輛按預(yù)設(shè)路線和時(shí)間自主運(yùn)輸；針對(duì)異常情況，人工遠(yuǎn)程控制車(chē)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(duì)地下快運(yùn)系統(tǒng)的全面監(jiān)控管理，車(chē)載、站點(diǎn)及控制中心通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，為地下無(wú)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(píng)價(jià)

本研究對(duì)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(píng)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(píng)價(jià)了該方案的優(yōu)勢(shì)及效果。

3.1? ? 轉(zhuǎn)運(yùn)效率分析

以上海東海大橋?yàn)槔浜Ｉ现鳂蚨伍L(zhǎng)度為25km。現(xiàn)行道路自動(dòng)駕駛集卡車(chē)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(chē)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(chē)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。可見(jiàn)，本方案可有效抵御惡劣天氣對(duì)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(duì)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(wú)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(chē)輛的高精度自動(dòng)對(duì)位。若定位偏差過(guò)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(dòng)對(duì)位的技術(shù)需求[10]。通過(guò)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(wú)人自動(dòng)集裝箱運(yùn)輸順利實(shí)施的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

4? ? 結(jié)? ? 語(yǔ)

本研究針對(duì)當(dāng)前我國(guó)港口集疏運(yùn)系統(tǒng)存在運(yùn)輸效率較低的問(wèn)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(dòng)導(dǎo)向運(yùn)輸車(chē)體設(shè)計(jì)、基于多點(diǎn)紅外線的高精度裝卸對(duì)位系統(tǒng)、車(chē)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(wú)法目視等困難，實(shí)現(xiàn)地面與地下的精確對(duì)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(guó)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(lái)將繼續(xù)推動(dòng)該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，并選擇適宜的港區(qū)開(kāi)展工程示范。

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