自動化集裝箱碼頭拆裝扭鎖工藝設計

吳邵強，劉漢東，梁 浩

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

在集裝箱船舶遠洋海運過程中，集裝箱一般是以分層堆垛的形式堆放在船艙內和甲板上。集裝箱扭鎖是集裝箱在船舶上常用的系固構件之一，其主要作用是實現船舶甲板與集裝箱、箱堆上下層箱角間的連接和鎖緊，以防止集裝箱在海運過程中受惡劣海況和風暴侵襲而引起傾覆或滑移[1]。

集裝箱扭鎖雖應用廣泛，但其形式千差萬別，在集裝箱相關產業端(如制造端、船運端和碼頭裝卸端等)對扭鎖的結構和形式設計及應用領域并沒有形成統一的標準。目前，至少有超過百余種固定式連接扭鎖需依賴人工辨識和完成集裝箱裝卸船過程中的拆裝作業，給自動化集裝箱碼頭實現裝卸全環節自動化和智能化帶來一定障礙[2]。在對人-車隔離分流和系統安全性都有較高要求的集裝箱自動化裝卸工藝系統的設計中，拆裝扭鎖作業是整個自動化裝卸工藝系統設計中需要考慮的主要生產環節之一。

本文在分析自動化集裝箱碼頭拆裝扭鎖工藝現狀的基礎上，依托廣州港南沙四期工程，針對采用單小車岸橋的自動化裝卸工藝系統提出了一種新型的移動式集中拆裝扭鎖工藝解決方案。該方案不及解決了拆裝扭鎖作業過程中的人-車隔離分流問題，對提高裝卸系統安全性、可靠性及碼頭前沿車流周轉效率均有一定的積極意義。

1 自動化集裝箱碼頭拆裝扭鎖工藝現狀

集裝箱拆裝扭鎖作業通常在碼頭前沿裝卸船作業過程中完成。集裝箱卸船作業時，岸橋從船上將帶扭鎖的集裝箱吊至碼頭岸側后，在岸邊完成集裝箱扭鎖的拆卸和回收；集裝箱裝船作業時，岸橋將集卡或自動化水平運輸設備運載的集裝箱吊至船上前，也在碼頭岸側完成集裝箱扭鎖的匹配和安裝。

在非自動化集裝箱碼頭中，集裝箱扭鎖的拆卸和安裝一般由碼頭工人手動操作完成。在自動化集裝箱碼頭中，運營商和設備供應商在集裝箱扭鎖拆卸及安裝操作機械化、自動化方面進行了一些相關探索，但目前市面上出現的自動化拆裝扭鎖裝置(如機械臂)依然無法完全適應集裝箱扭鎖形式多樣性的特點，因此自動化集裝箱碼頭中的扭鎖拆裝操作依然是由人工手動操作完成[3]。

從主流全自動化集裝箱裝卸工藝系統的特點來看，在不同形式岸橋的自動化集裝箱碼頭中，集裝箱拆裝扭鎖的作業模式和工藝方案也大相徑庭。

1.1 自動化雙小車岸橋+機上中轉平臺拆裝扭鎖工藝模式

在采用雙小車岸橋的自動化集裝箱裝卸工藝系統中，標準箱(除超限箱、危險貨物集裝箱以外的所有重箱、空箱和冷藏箱)拆裝扭鎖作業一般在岸橋機的中轉平臺上進行[4]。

雙小車岸橋機身上設中轉平臺，其上配置集裝箱擱置基座、具備安全防護功能的拆裝扭鎖工人候工間以及可吊裝的鎖頭框，在各類安全保護裝置和聯鎖裝置處于安全狀態時，工人可在平臺上預設的通道上行走。卸船或裝船作業過程中，處于安全保護狀態下的拆裝扭鎖工人在候工間、集裝箱擱置基座周邊及鎖頭框之間自由行走，手動完成集裝箱4個箱角上扭鎖拆卸、安裝操作、扭鎖的回收和選配工作等，作業完成后返回候工間待命。該模式集裝箱運行路徑見圖1，中轉平臺典型平面布置見圖2。

圖1 集裝箱運行路徑

圖2 典型中轉平臺布置

該模式下，拆裝扭鎖工人與集裝箱自動化水平運輸設備的運行軌跡在空間上可實現完全隔離，能避免軌跡交叉存在的交通事故隱患，在集裝箱全自動化裝卸系統安全運行方面具有很好的適應性。

1.2 單小車岸橋+地面集中拆裝扭鎖工藝模式

在采用單小車岸橋的自動化集裝箱裝卸工藝系統中，集裝箱拆裝扭鎖作業目前最常用的工藝模式是地面固定式集中拆裝扭鎖模式，標準箱拆裝扭鎖作業均在碼頭前沿或堆場某固定位置的集中拆裝扭鎖區完成。

固定式集中拆裝扭鎖區需設置在自動化水平運輸設備作業循環的路徑中。作業區內通常布置多條集裝箱自動化水平運輸設備通行車道，每條車道兩側設置人工作業安全區域，配置必要的安全崗亭或交通引導設施來保障人員安全，典型工藝平面布置見圖3。卸船或裝船作業過程中，所有載有裝船箱或卸船箱的自動化水平運輸設備均需行駛至集中拆裝扭鎖區指定車道，由車道兩側安全區域內的工人手動完成集裝箱4個箱角上扭鎖拆卸或安裝操作、扭鎖回收或選配工作等。作業完成后，載箱的自動化水平運輸設備駛離集中拆裝扭鎖區，繼續執行下一任務。

圖3 地面固定式集中拆裝扭鎖工藝模式典型平面

該作業模式具有以下特點：1)固定式拆裝扭鎖作業區需布置在集裝箱自動化水平運輸設備運行循環的路徑中，對自動化水平運輸設備在碼頭前沿作業地帶或堆場區的交通組織要求較高，需特別著重拆裝扭鎖作業區與碼頭前沿裝卸作業區之間的自動化水平運輸設備的交通流設計；2)拆裝扭鎖區附屬設施和輔助工具(如扭鎖框)及人員的實時調度作業會對自動化作業區內部交通產生一定的干擾，無法完全實現交通隔離，存在一定安全隱患；3)拆裝扭鎖作業區位置相對固定，要求所有載有裝卸船箱的自動化水平運輸設備都需在拆裝扭鎖作業區與碼頭前沿裝卸作業區之間進行長距離行駛，在擁有連續泊位的自動化集裝箱碼頭中，這將對碼頭前沿車流周轉效率甚至裝卸船作業的整體效率產生一定影響。

以上特點表明，在采用單小車岸橋的自動化集裝箱裝卸工藝系統中，集裝箱扭鎖的拆裝工藝模式選擇和方案設計相對更為復雜。

2 工程概況

廣州港南沙四期自動化集裝箱碼頭工程擬建設4個5～10萬噸級集裝箱海輪泊位，沿1 460 m直線岸線布置；12個駁船泊位沿約984 m折線岸線布置。兩岸線總體上呈現出側面相鄰且具有一定夾角的空間布局。本工程集裝箱以江海聯運集疏運為主，公路集疏運為輔，江海聯運集裝箱量占碼頭總吞吐量80%以上[5]。

在充分考慮岸線布置形態、集裝箱集疏運特點和自動化裝備技術發展現狀及趨勢等因素的基礎上，該工程采用了“自動化單小車岸橋+智能導引運輸車(IGV)+自動化集裝箱軌道龍門吊”的自動化裝卸工藝系統。為節省工程造價，碼頭集裝箱裝卸船作業選用的是單價相對較低、對碼頭結構承載力要求也較低的自動化單小車岸橋；自動化集裝箱水平運輸作業選用多傳感器融合定位方式的IGV，在5G無線通信模式下，可實現智能化導航和精準定位。

自動化裝卸工藝系統在碼頭前沿作業地帶的工藝布置見圖4。

圖4 碼頭前沿集裝箱自動化裝卸工藝系統斷面

3 新型拆裝扭鎖工藝模式及方案設計

3.1 工藝模式

針對廣州港南沙四期工程碼頭岸線長、連續布置泊位數量多、自動化集裝箱裝卸工藝系統采用自動化單小車岸橋等特點，結合前文對常規地面固定式集中拆裝扭鎖模式存在問題的分析，最終確定采用一種以“地面集中拆裝扭鎖”為基礎，充分利用其特有的自動化水平運輸設備智能調度和電子鎖閉技術，實現人-車時間隔離分流的新型移動式拆裝扭鎖作業模式。

3.2 工藝平面布置

根據碼頭總平面布置和集裝箱自動化裝卸工藝系統總體設計方案，在綜合考量拆裝扭鎖作業場地寬度要求、輔助設施調度便利性、人機安全性、交通組織合理性等因素的情況下，集裝箱拆裝扭鎖區域選擇布置在岸橋陸側軌后方(見圖5)。整個集裝箱拆裝扭鎖區域覆蓋了IGV可進出碼頭前沿岸橋軌內自動化裝卸作業車道的所有必經之路，能在水平運輸設備最短運行距離內完成裝船或卸船流程中所有集裝箱扭鎖的拆卸或安裝作業。

圖5 碼頭前沿拆裝扭鎖區域位置

在沿碼頭岸線方向上，整個拆裝扭鎖區域長1 434.75 m；在垂直于碼頭岸線上，整個拆裝扭鎖區域寬16 m。為便于IGV能順利從集裝箱拆裝扭鎖區域順利轉入岸橋軌內任意自動化裝卸作業車道，或從岸橋軌內任意自動化裝卸作業車道轉入到集裝箱拆裝扭鎖區，在結合IGV運行軌跡模擬結果的基礎上，拆裝扭鎖區域與岸橋陸側軌間的距離設為5 m。

整個拆裝扭鎖區域內共布置274個連續排列的標線式安全島，內設移動式工人安全操作崗亭及相關輔助設施(如扭鎖框)。標線式安全島垂直于岸橋軌道，其長度根據IGV車身尺寸、2個20′或1個40′/45′(1′=0.305 m)集裝箱拆裝扭鎖操作要求等因素確定，與整個拆裝扭鎖區域寬度相等，為16 m；其寬度根據最大輔助設施(如安全操作崗亭、鎖頭框等)外形尺寸確定，為1.5 m。每個安全島兩端均設置識別編號。相鄰標線式安全島間均設1條IGV通行作業車道，車道寬度在綜合考量IGV車身寬度、安全距離以及工人操作距離等因素的基礎上確定為3.75 m。拆裝扭鎖區域標線式安全島及編號、安全島范圍內附屬設施平面布置見圖6。

圖6 標線式安全島及作業車道布置

3.3 工藝流程

新型拆裝扭鎖工藝模式下，靠泊位置不同的集裝箱船舶對應的拆裝扭鎖區均不相同。拆裝扭鎖附屬設施和人員的調度一般是在集裝箱船舶裝卸船作業流程開始前完成的。當集裝箱船靠泊碼頭后，當前船舶拆裝扭鎖作業區在沿岸線長度方向上的位置將根據集裝箱船舶掃描和識別所獲取的船頭、船尾位置信息實時規劃確定(見圖7)。系統將根據當前船舶裝卸作業線的數量確定拆裝扭鎖作業區內標線式安全島和IGV通行車道數量(一般4～6條)。

圖7 集裝箱船舶靠泊后拆裝扭鎖作業區

拆裝扭鎖作業區位置和內部規劃信息確定后，現場作業人員將根據手持終端接收到的拆裝扭鎖作業區位置信息、標線式安全島編號信息及系統規劃的設施調度路徑，完成集裝箱扭鎖框和安全崗亭等附屬設施的現場調度和擺放。整個設施調度過程中，中控將對規劃好的設施調度路徑實施電子鎖閉，暫時禁止IGV穿行。配套設施調度和擺放完成后，現場作業人員通過手持終端向中控反饋實時狀態，中控取消IGV電子鎖閉禁行區。船舶裝卸船作業流程啟動后，IGV載箱通過作業車道時，在標線式安全島操作崗亭內候工的操作工人根據生產指令完成集裝箱各箱角扭鎖的拆卸或安裝作業，與IGV的運行軌跡不產生交叉。

4 新型拆裝扭鎖工藝模式適應性分析

新型集裝箱拆裝扭鎖工藝模式在采用單小車岸橋的自動化裝卸工藝系統中具有良好的適應性，具體表現在：

1)充分利用集裝箱裝卸船作業流程中不同生產環節可錯時完成的特點，采用智能調度和電子鎖閉技術手段對自動化水平運輸設備實施交通管控，給拆裝扭鎖作業附屬設施調度及人員調度的準備和完成留出空間，在時間上實現了人員和附屬設施調度與自動化水平運輸車輛隔離分流，安全性能好。

2)對碼頭岸線長、連續布置泊位數量多的自動化集裝箱碼頭來說，針對不同靠泊位置的集裝箱船舶規劃移動式的船頭和船尾拆裝扭鎖作業區，能大幅度減少裝卸船箱水平運輸設備在拆裝扭鎖作業環節中的運輸距離，有利于加快碼頭車流周轉效率和裝卸船作業效率，也能很好地與每條船舶所對應的自動化水平運輸設備交通組織相適應。

5 結語

1)新型作業模式實現了拆裝扭鎖工人與自動化水平運輸設備在時間上的隔離分流，增強了整個自動化集裝箱裝卸工藝系統的安全性和可靠性；

2)新型作業模式能很好地適應自動化集裝箱水平運輸設備在碼頭前沿作業地帶原有的交通流向，交通組織簡單、易行、可操作性強；

3)與固定式集中作業模式相比，通過人員和設施調度實現移動式集中作業，能有效減少自動化集裝箱水平運輸車輛平均運距，提高碼頭前沿車流周轉效率和裝卸船生產效率。