自動化集裝箱碼頭U形布局分析

麥宇雄，許鴻貫，覃 杰，王 烽

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著港口設施的建設加速，自動化集裝箱碼頭技術不斷積累、趨于成熟，迄今為止，我國沿海5大港口群均有已建或在建的自動化集裝箱碼頭，規模均居全球首位。國內外已建全自動化集裝箱碼頭大多數采用碼頭前沿自動化雙小車岸橋、堆場高速軌道吊、堆場垂直于碼頭前沿線布置的布局。近幾年國內部分全自動化碼頭結合不同的碼頭運營特點，提出了不同技術路線的自動化定制方案。本文在充分研究國內外自動集裝箱碼頭布局現狀和適應性的基礎上，結合欽州港自動化集裝箱碼頭的特點，提出堆場“U形垂直布置”的總體設計，突破傳統堆場端部裝卸的局限，水平運輸設備均可直接進入堆場作業，具有堆場裝卸點多、能耗低、有效降低堆場操作系數、堆場裝卸設備拓展性好，有利于實現打通海鐵聯運“最后一公里”的目的，并通過仿真技術提供數據支撐，為自動化集裝箱碼頭布局提供一種全新的模式。

1 國內外自動化碼頭布局發展現狀

自動化集裝箱碼頭一般由碼頭前沿作業區、堆場區、水平運輸區、生產輔建區4大部分組成，布局方案差異主要體現在堆場區的布局不同：按集裝箱裝卸方式的不同，自動化集裝箱堆場可分為邊裝卸和端裝卸；按集裝箱堆放方向的不同可分為垂直于碼頭布置和平行于碼頭布置。

1)堆場垂直于碼頭布局。目前大多數自動化集裝箱碼頭均采用垂直布置，為端裝卸方式，由海側交互區、堆箱區和陸側交互區3部分組成，堆場一般采用無懸臂高速軌道吊作業。海側交互區為自動化水平運輸設備與軌道吊的交接區域，陸側交互區為軌道吊與港外集卡的交接區域，這種方式自動化區和非自動化區界面簡單清晰，港外集卡和自動化水平運輸設備行駛的距離較短，易實現全自動化，如荷蘭鹿特丹Euromax碼頭和Maasvlakte Ⅱ碼頭、德國漢堡HHLA-CTA碼頭、美國長灘LBCT碼頭，國內青島前灣自動化碼頭、上海洋山四期自動化碼頭均采用此布局。

2)堆場平行于碼頭布局。這種布局主要適用于水水中轉比例較高的全自動化集裝箱碼頭和以實現堆場自動化為目標但對自動化程度要求不高的半自動化集裝碼頭，近年來國內某些新建自動化碼頭結合運營特點采用平行布置，如廣州港南沙四期自動化碼頭、天津港北疆C段碼頭、深圳海星碼頭和日本名古屋港Tobishima TCB碼頭。

縱觀國內外已建或在建自動化集裝箱碼頭布局和發展趨勢得出：1)自動化集裝箱碼頭主要技術路線的共性為：碼頭前沿采用自動化雙小車岸橋，堆場采用高速軌道吊，堆場垂直于碼頭前沿線布置，港內外交付主要集中在堆場的海側和陸側端部，堆場水平運輸通過高速軌道吊完成。2)隨著自動化碼頭技術的不斷積累完善，國內部分碼頭提出了不同技術路線的自動化定制方案，如裝卸工藝方案碼頭前沿裝卸作業采用自動化單小車岸橋，堆場裝卸作業采用低速自動化軌道吊，水平運輸車輛可直接進入堆場作業，結合運營特點及需求不同，碼頭布局呈現多樣化特征。

2 碼頭特點分析

通過對欽州港自動化集裝箱碼頭大量的現場調研和研究分析，總結出運營碼頭的特點和需求主要包括：

1)須充分挖掘碼頭通過能力，滿足碼頭年設計通過能力260萬TEU的基本要求。堆場的堆存能力、裝卸效率和閘口通過能力等需統籌考慮，確保碼頭的通過能力得到充分的發揮，保證港口的高效運作。

2)陸域縱深大，土地條件優越?，F狀土地縱深約575 m，有利于滿足堆場堆存能力的要求，若采用傳統的“堆場垂直布置+2臺高速軌道吊對稱接力水平運輸”布局，綜合考慮堆場堆存能力和對稱接力對堆場裝卸效率等因素，堆場縱深(含兩端交互區)應在450 m左右為宜，超出的125 m縱深難以發揮作用，對高速軌道吊的接力運輸造成難度，堆場設備拓展性差，對堆場作業效率影響大。因此，采用傳統的堆場垂直的布局無法充分發揮堆場的能力。

3)須適應多種集疏運方式，實現海鐵聯運的自動化無縫銜接。陸路集疏運比例高達60%，外集卡集中到港的特點突出，對堆場裝卸效率要求高。若采用傳統的堆場垂直布局，只集中在堆場海側和陸場端部裝卸，裝卸點少且集中，難以實現海鐵聯運的自動化銜接；若采用南沙四期的布局形式，海陸交互區的規模必將很大。

綜上，目前常規的自動化集裝箱碼頭堆場布局均難以完全適應欽州港自動化集裝箱碼頭的特點。

3 碼頭U形布局設計

根據上述特點，綜合考慮 “碼頭通過能力大、集疏運方式多、陸路集疏運比例高、集中到港突出”等特點，提出了一種適應欽州港自動化集裝箱碼頭特點的自動碼頭U形布局模式[1]，裝卸工藝方案為“雙小車岸橋+智能導引運輸車(IGV)+低速雙懸臂軌道吊”，實現港外集卡和港內IGV水平運輸車輛可直接進入堆場作業，見圖1。

圖1 自動碼頭U形布局模式

“U形”是指外集卡車輛進入堆場作業及通行的通道形狀呈U形，可實現港內IGV進入堆場作業，港外集卡U形通道與IGV通道間隔布置，見圖2。

圖2 U形港外集卡通道

3.1 U形布局確定原則

1)適宜性。確定的布局形式要切實可行，從通過能力需求、工藝模式和設備選型、海鐵聯運等集疏運方式特點和港區土地利用條件等客觀條件出發，與碼頭的特點和需求相適應。

2)安全性。安全可靠運行是自動化碼頭技術路線確定的最重要指標，包括自動化和非自動化區域的裝卸作業全過程的安全、人員在自動化區域的設備檢修維護及冷藏箱插拔電作業等，平面布局的確定需完善的作業流程支撐。

3)高效性。確保整個裝卸工藝系統流程順暢和相互協調，最大程度發揮碼頭的通過能力和作業效率，提高服務水平。

4)經濟性。在滿足使用功能[2-3]的情況下，盡量節省工程建設投資和運營成本，傳統堆場垂直布置端裝卸高速軌道吊、對稱接力進行堆場集裝箱水平運輸的能耗居高不下、設備投資大、配套土建工程要求高引起投資增加等突出矛盾備受關注。

3.2 碼頭前沿作業區

考慮通過能力、易實現自動化區域和非自動化分離、轉載平臺直接完成拆裝鎖銷作業、解決岸橋和水平運輸設備耦合等問題，裝卸設備采用常見的雙小車岸橋，岸橋軌后裝卸作業區從海側往后依次布置：碼頭前沿線至岸橋海側軌中心之間的距離、岸橋軌距、岸橋軌后裝卸作業車道、水平運輸設備緩沖區、水平運輸設備快速通行車道。岸橋軌距35 m，軌內屬于非自動化區域，布置艙蓋板區和2道特殊箱通道。軌后自動化裝卸運輸區布置6條車道，包括裝卸作業車道和穿行車道，其中裝卸作業車道3條；集裝箱裝卸橋后布置6條裝卸運輸車道，第2、4、5車道(以海側第1條車道起算)為裝卸作業車道，第1、3、6車道為穿行車道。自動化裝卸運輸區單條車道寬度不小于4 m，集裝箱裝卸橋配置雙吊具時，裝卸車道應成對布置。緩沖區布置在自動化裝卸運輸車道和自動化水平運輸設備快速行駛區之間，緩沖區尺寸應根據IGV軌跡模擬確定，滿足自動導引運輸車進出和垂直停放的要求，縱向長度應不小于24 m；自動化水平運輸設備快速行駛區布置4條車道，寬度不宜小于4 m，見圖3。

圖3 碼頭前沿作業區斷面(單位：m)

3.3 堆場區

集裝箱堆場是集裝箱運輸過程中十分重要的組成部分，本工程堆場布局與重箱空箱吞吐量、堆存期、季節性變化堆存需求等因素有關，除了滿足碼頭年通過能力不小于260萬TEU外，還要較好地適應陸路運輸比例高達60%、集中到港突出、自動化海鐵聯運無縫銜接的特點，并重點解決傳統垂直布置高速軌道吊能耗居高不下、維護成本高和港外集卡裝卸點集中等突出問題。

考慮本工程陸路運輸比例高達60%，廣州港南沙四期自動化碼頭(水水中轉比例高達80%)采用的“堆場水平布置+海陸交互區”的布局無法適用。結合碼頭特點和需求，在傳統全自動化堆場垂直布局[4]的基礎上，創新性提出自動碼頭堆場U形布局模式：堆場垂直碼頭前沿線布置，堆場縱深575 m，共布置21條箱區，編號為01～21，采用軌距37 m的雙懸臂自動化低速軌道吊，在布置2條港外集卡返回車道的軌內布置9排箱，其余箱區布置12排箱。每條箱區配置2臺軌道吊，滿足堆場港外集卡和IGV邊裝卸的作業要求，見圖4。

圖4 堆場平面布置

考慮堆場資源調度靈活性、吞吐量季節適應性強和防臺等因素，采用重箱在外、空箱在內的堆存方式，重空箱堆高6層，冷藏箱堆高5層。冷藏箱堆場相對集中布置在04、05、14、15堆場箱區陸側端部，方便輔助作業人員進出，降低對自動化生產的影響。充電樁布置在堆場海側端部，滿足IGV充電需求，在不影響效率情況下，IGV可在空閑時前往充電，電量較低時必須充電，保證任何時刻電量不低于20%。

該布局突破了傳統自動化集裝箱堆場港內外水平運輸設備僅能在堆場海側端和陸側端集中作業的限制，達到以下目標：

1)易實現自動化區域和非自動化區域的物理隔離，為實現全自動化提供了條件。

2)U形布局的邊裝卸方式使得港外集卡不需倒車，司機體驗感更好。

3)水平運輸設備可直接進入堆場作業，實現了由傳統的端部裝卸轉為邊裝卸，堆場操作系數可降低50%～60%，裝卸點由點變成了線，極大提高了堆場裝卸點的數量。

4)采用低速自動化軌道吊，不再需要利用高速軌道吊進行集裝箱在堆場區的對稱接力作業，解決了高速軌道吊能耗居高不下的突出問題，且低速軌道吊技術成熟穩定，降低了對基礎設施的要求，節省工程費用和運營維護成本。

5)U形布局拓展性好，不受每條堆場只能配置2臺低速軌道吊的限制，可根據實際裝卸作業需求適時增加。

6)有利于遠期采用智能空軌系統進入堆場進行無縫銜接，解決自動化海鐵聯運“最后一公里”的問題。

3.4 堆場水平運輸區

港外集卡和港內IGV的水平運輸設備裝卸的作業車道均布置在雙懸臂低速軌道吊懸臂下，其中港外集卡進入堆場作業車道的相鄰箱區間兩軌中心距為18.5 m，共布置3條車道，作業后離開堆場，布置2條返回車道，寬7 m；IGV車道的相鄰箱區間兩軌中心距為20 m，布置4條車道，其中中間2條車道為超車道或返回車道，見圖5。

圖5 堆場及水平運輸區斷面(單位：m)

3.5 虛擬仿真技術的應用

在碼頭平面布局確定后，進行了仿真技術模擬的反復驗證并提出了優化建議，研究內容包括設計目標和基準數據確定、泊位能力模擬、碼頭靜態能力和布局分析、堆場細節模擬和交通量預測模擬等，結論為布局和設備配置科學，無突出交通擁堵，為本項目設計提供了有效的數據支撐。

1)通過對整個碼頭TOS系統、岸橋、交通設備、堆場、陸側集卡裝卸等納入整體模擬得出，在峰值情況下，堆存及裝卸能力、設備配置數量指標均能滿足碼頭設計通過能力的要求。

2)在碼頭水平運輸區域，沒有出現某個區域車輛通過十分集中的情況。一般而言，自動駕駛車流量低于200臺/h可不受影響地通過某一區域，最大一組岸橋附近的交通車道IGV流量較大，低于100輛/h；進出港閘口與橫二路交匯處的集中集卡流量相對較大，研究流量下均可控。

3)通過模擬可知，堆場重箱7 d堆存期情況下，要求堆場密度為66%，能很好地滿足260萬TEU的堆存需求，堆場42臺軌道吊(即每個箱區2臺)能支撐海側和陸側峰值操作要求。

4)根據交通量模擬可知，在峰值裝卸情況下，碼頭海側使用96臺IGV，并在陸側處理220自然箱/h的裝卸效率時，未出現突出的交通擁堵問題，區域占用率熱力圖見圖6。

圖6 區域占用率熱力圖

4 結論

1)結合碼頭特點和功能需求，在欽州港自動化集裝箱碼頭布局中提出堆場“U形垂直布置”的總體設計，突破了傳統布局的約束，實現水平運輸設備均可直接進入堆場作業，為自動化集裝箱碼頭布局提供一種全新的模式。

2)欽州港自動化集裝箱碼頭U形布局充分考慮了集疏運方式多、陸路集疏運比例高、集中到港等特點，解決了傳統自動化碼頭堆場垂直布置利用高速軌道吊進行集裝箱在堆場區的對稱接力作業能耗高、端部裝卸點集中的突出矛盾，在適應集疏運方式多、堆場裝卸點需求大、堆場操作系數高、海鐵聯運實現全自動化無縫銜接、節省工程費用和運營維護成本等多方面表現出較明顯的優勢。

3)欽州港自動化集裝箱碼頭U形布局與港區后方鐵路集裝箱辦理站之間的海鐵聯運統籌考慮，遠近結合，有利于遠期采用智能空軌系統進入堆場進行無縫銜接，可實現碼頭和鐵路的“零環繞”，能有效解決集裝箱運輸樞紐之間“臨而不接、連而不暢”的運輸桎梏[5]。