趙衷彬，劉 偉

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

集裝箱碼頭既是集裝箱貨物的集散中心，也是內(nèi)外貿(mào)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(yùn)交通樞紐，集裝箱碼頭承擔(dān)著貨物裝卸、堆存、照管、中轉(zhuǎn)和進(jìn)出口等多項(xiàng)任務(wù)，為服務(wù)整個(gè)港口經(jīng)濟(jì)腹地的發(fā)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(jī)械、橋下裝卸區(qū)域等組成的前沿作業(yè)區(qū)，由空重箱堆場(chǎng)和場(chǎng)地裝卸機(jī)械等組成的堆場(chǎng)作業(yè)區(qū)，由港內(nèi)集卡、自動(dòng)導(dǎo)引車(automated guided vehicle，AGV)、跨運(yùn)車及其運(yùn)輸線路和緩沖區(qū)等組成的水平運(yùn)輸區(qū)，以及由中控樓、檢查口等組成的后方調(diào)度控制區(qū)。多個(gè)碼頭共同組合形成一個(gè)港口。

經(jīng)濟(jì)全球化和跨國(guó)貿(mào)易的發(fā)展使世界各地的經(jīng)濟(jì)往來(lái)愈加頻繁，貨物流量更大、流速更快。集裝箱由于其標(biāo)準(zhǔn)化、易裝卸的特點(diǎn)，被越來(lái)越多地用于運(yùn)輸食品飲料、服裝鞋帽、日用百貨、家用電器、高科技電子產(chǎn)品和機(jī)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(yàn)。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(gè)建有自動(dòng)化集裝箱碼頭的港口集裝箱吞吐量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1，其中上海港的年吞吐量在2020年已突破4 350萬(wàn)TEU，且呈現(xiàn)繼續(xù)上升的趨勢(shì)。

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(guò)擴(kuò)大陸域和堆場(chǎng)面積或改善裝卸作業(yè)工藝流程、增加搬運(yùn)和裝卸設(shè)備加以解決。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化集裝箱碼頭的發(fā)展成熟，裝卸效率得到一定程度的提升。

有關(guān)自動(dòng)化集裝箱碼頭及堆場(chǎng)效率提升的方法，不少學(xué)者做過(guò)相關(guān)研究。張玉龍等[1]從業(yè)務(wù)流程角度為自動(dòng)化集裝箱碼頭的效率提升和建設(shè)提供決策建議；羅勛杰[2]通過(guò)對(duì)全自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸方式的定性和定量對(duì)比分析，從設(shè)備投資、運(yùn)營(yíng)成本、作業(yè)效率和綠色環(huán)保等方面提出參考建議；張連鋼等[3]提出自動(dòng)化集裝箱碼頭總體布局的流程和方法，為自動(dòng)化碼頭的前期規(guī)劃和設(shè)計(jì)建造提供借鑒；郭文文等[4]分析出口集裝箱裝船過(guò)程中泊位與堆場(chǎng)分配的相互影響，建立泊位與堆場(chǎng)協(xié)調(diào)分配模型和算法；陳蘇敏等[5]針對(duì)堆場(chǎng)翻箱問(wèn)題構(gòu)建翻箱落位與提箱順序在線同步優(yōu)化模型和混合求解算法；付鵬成等[6]提出自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)管理方式和控制策略，在作業(yè)路徑優(yōu)化、翻倒箱、防風(fēng)與用電提出相應(yīng)的措施；Zhao等[7]采用優(yōu)化算法對(duì)集卡預(yù)約信息進(jìn)行管控，提高場(chǎng)地效率。

然而，上述研究所提出的方法建議均無(wú)法徹底解決集裝箱碼頭堆場(chǎng)的頑疾，即翻箱倒箱問(wèn)題。碼頭堆場(chǎng)的翻箱和倒箱不僅增加了場(chǎng)地裝卸機(jī)械的使用成本，還會(huì)影響整個(gè)碼頭的作業(yè)效率和協(xié)調(diào)性?；凇耙粚訄?chǎng)一層箱”的思路，本文設(shè)計(jì)出的新型集裝箱碼頭“零翻箱”立體堆場(chǎng)技術(shù)從根源上解決了翻箱倒箱的問(wèn)題。與此同時(shí)，由于不存在壓箱，同一垂直方向上能堆放彼此作業(yè)不相干擾的9層重箱，提高碼頭堆場(chǎng)土地利用率。

1 9層錯(cuò)位立體庫(kù)場(chǎng)

本文設(shè)計(jì)的“零翻箱”立體堆場(chǎng)的主體工程為9層錯(cuò)位立體庫(kù)場(chǎng)，該庫(kù)場(chǎng)的每層即為一個(gè)堆場(chǎng)，如圖2所示。

圖2 9層錯(cuò)位立體庫(kù)場(chǎng)

1.1 場(chǎng)地固定式龍門起重機(jī)

立體庫(kù)場(chǎng)的兩端分別連接碼頭前沿作業(yè)區(qū)和后方疏運(yùn)作業(yè)區(qū)，兩端各設(shè)置1輛固定式龍門起重機(jī)用于起吊集裝箱。固定式龍門起重機(jī)設(shè)計(jì)跨距30 m，設(shè)計(jì)高度68 m，配備1臺(tái)40 ft(1 ft約合0.30 m)單吊具小車，即單次最大能起吊1個(gè)40 ft標(biāo)準(zhǔn)箱，也可換裝2個(gè)20 ft吊具用于同時(shí)起吊2個(gè)20 ft標(biāo)準(zhǔn)箱。

1.2 自動(dòng)跨運(yùn)升降車

自動(dòng)跨運(yùn)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(yùn)輸至立體庫(kù)場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)升降通道作業(yè)區(qū)并卸下。ASLV兼具傳統(tǒng)AGV的搬運(yùn)功能和穿梭式子母車(shuttle carrier，SHC)的吊運(yùn)功能，減少了裝卸環(huán)節(jié)和作業(yè)機(jī)械的數(shù)量。

1.3 立體庫(kù)場(chǎng)分層設(shè)計(jì)

1.3.1庫(kù)場(chǎng)中轉(zhuǎn)平臺(tái)

立體庫(kù)場(chǎng)兩端每層均設(shè)有錯(cuò)位中轉(zhuǎn)平臺(tái)，海側(cè)的進(jìn)場(chǎng)中轉(zhuǎn)平臺(tái)用于承接固定式龍門起重機(jī)卸下的集裝箱，陸側(cè)出場(chǎng)中轉(zhuǎn)平臺(tái)則提前備妥計(jì)劃出場(chǎng)的集裝箱以便固定式龍門起重機(jī)吊運(yùn)至下方集卡。

1.3.2庫(kù)場(chǎng)運(yùn)箱軌道與自動(dòng)搬運(yùn)車

每層堆場(chǎng)的中轉(zhuǎn)平臺(tái)均與運(yùn)箱軌道相連，軌道從進(jìn)場(chǎng)中轉(zhuǎn)平臺(tái)到出場(chǎng)中轉(zhuǎn)平臺(tái)貫穿整個(gè)堆場(chǎng)。每條軌道上安排兩輛AGV，分別承擔(dān)集裝箱進(jìn)場(chǎng)入位和離位出場(chǎng)的搬運(yùn)任務(wù)。

1.3.3分層堆場(chǎng)箱區(qū)與箱位

每層堆場(chǎng)劃分為3個(gè)箱區(qū)，箱區(qū)與箱區(qū)之間設(shè)置有承重立柱和檢查工作通道，每層堆場(chǎng)僅堆放1層集裝箱。該堆場(chǎng)庫(kù)場(chǎng)之所以稱為“錯(cuò)位”立體庫(kù)場(chǎng)，是為了滿足建筑體的承重要求。第7和9層堆場(chǎng)平面如圖3所示，在整個(gè)立體庫(kù)場(chǎng)中部設(shè)計(jì)有4根承重柱，同一列每2根承重柱之間間隔3個(gè)橫向箱位，因此在6和7層之間、3和4層之間的中轉(zhuǎn)平臺(tái)與其上及其下的中轉(zhuǎn)平臺(tái)之間會(huì)錯(cuò)開(kāi)一位。錯(cuò)開(kāi)的兩個(gè)中轉(zhuǎn)平臺(tái)位正好形成一個(gè)空隙，稱之為“升降通道”。在海側(cè)可實(shí)現(xiàn)地面集裝箱提升至中轉(zhuǎn)平臺(tái)，在陸側(cè)可實(shí)現(xiàn)庫(kù)場(chǎng)集裝箱下放至集卡上。

圖3 第7和9層堆場(chǎng)平面

集裝箱堆放方向垂直于岸線，即與堆場(chǎng)進(jìn)出場(chǎng)方向平行。每層堆場(chǎng)貝位編碼從出場(chǎng)端向進(jìn)場(chǎng)端遞增，20 ft箱為奇數(shù)01，03，…，59共30位，40 ft箱為偶數(shù)02，04，…，30共15位。每層堆場(chǎng)排次編碼為01，02，…，10共10排。每棟立體庫(kù)場(chǎng)冠以大寫英文字母，層數(shù)則以01，02，…，09表示。如箱位號(hào)A090802表示A棟庫(kù)場(chǎng)第9層堆場(chǎng)08貝位第2排的40 ft箱位，箱位號(hào)B030405表示B棟庫(kù)場(chǎng)第3層堆場(chǎng)04貝位第5排的20 ft箱位。每層設(shè)計(jì)300個(gè)TEU箱位，整個(gè)立體庫(kù)場(chǎng)可容納2 700 TEU(不含庫(kù)場(chǎng)頂面可容納的300個(gè)箱位)。20 ft標(biāo)準(zhǔn)箱和40 ft標(biāo)準(zhǔn)箱均高8.5 ft，即2.591 m。考慮堆場(chǎng)內(nèi)懸掛式自動(dòng)導(dǎo)引軌道吊高度、軌道高度等因素，設(shè)計(jì)該立體庫(kù)場(chǎng)每層層高7.2 m，共9層，總計(jì)高度65 m。實(shí)際建設(shè)中，箱區(qū)數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度和間距等應(yīng)綜合考慮碼頭和堆場(chǎng)作業(yè)能力、空間利用率、投資成本等多種因素并由模擬仿真系統(tǒng)驗(yàn)證和測(cè)算[8]。

1.3.4懸掛式自動(dòng)導(dǎo)引軌道吊

懸掛式自動(dòng)導(dǎo)引軌道吊(suspended automatic guide rail crane，SAGC)設(shè)置在每層堆場(chǎng)的頂部，橫跨5個(gè)40 ft箱位，能沿排位方向前后移動(dòng)，沿貝位方向左右移動(dòng)。因每層堆場(chǎng)劃分為3個(gè)箱區(qū)，故設(shè)置3臺(tái)SAGC。以集裝箱從海側(cè)進(jìn)場(chǎng)為例，當(dāng)集裝箱由AGV按指令從中轉(zhuǎn)平臺(tái)沿軌道運(yùn)至對(duì)應(yīng)箱區(qū)時(shí)，每層堆場(chǎng)頂部的懸掛式自動(dòng)引導(dǎo)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(kù)場(chǎng)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(chǎng)，形成“雙吊具四小車橋吊→ASLV→場(chǎng)地固定式龍門起重機(jī)→立體庫(kù)場(chǎng)→AGV→SAGC→集卡”的作業(yè)工藝。自動(dòng)化雙吊具四小車橋吊效率保守計(jì)算假定為傳統(tǒng)雙吊具雙小車岸橋的1.5倍，如圖4所示。其關(guān)鍵的伸距與起升高度可按如下方法計(jì)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(nèi)舷側(cè)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(wěn)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(shí)吃水；d2為船舶輕載時(shí)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(jù)自身泊位水深、高低潮水位、所能?？康淖畲笮图b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(jì)算，也未考慮軌道基距和橫梁凈空高等參數(shù)。碼頭在實(shí)際運(yùn)用時(shí)可參照標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威的計(jì)算方法，也可根據(jù)實(shí)際情況選擇傳統(tǒng)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(gè)泊位，設(shè)計(jì)年吞吐量為200萬(wàn)TEU，最大靠泊載箱量8 000 TEU和15萬(wàn)DWT左右的超巴拿馬型集裝箱船，按照《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]和《自動(dòng)化集裝箱碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]對(duì)泊位設(shè)計(jì)通過(guò)能力進(jìn)行計(jì)算，反推裝卸橋配備數(shù)量n：

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

(7)

p=np1K1K2(1-K3)K4

(8)

式中：Pt為碼頭泊位設(shè)計(jì)通過(guò)能力，為200萬(wàn)TEU；Ty為泊位年運(yùn)營(yíng)天數(shù)取360 d(我國(guó)大部分碼頭是全年作業(yè)，但不排除某些年份因特殊事件停止作業(yè)的時(shí)間，如2020上半年疫情高峰時(shí)期，保守取360 d。本文未考慮國(guó)外港口年運(yùn)營(yíng)天數(shù)，因不同國(guó)家碼頭作業(yè)和休息時(shí)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(gè)；p為設(shè)計(jì)船的效率；tg為晝夜裝卸作業(yè)時(shí)間，取24 h；tf船舶裝卸輔助作業(yè)及靠離泊時(shí)間之和，取4 h；td為晝夜小時(shí)數(shù)，取24 h；n為集裝箱裝卸橋配備數(shù)量；p1為岸橋效率基準(zhǔn)值，取40自然箱/h；K1為標(biāo)準(zhǔn)箱折算系數(shù)，取1.5；K2為岸橋同時(shí)作業(yè)率，取80%；K3為裝卸船作業(yè)倒箱率，取5%；K4為雙吊具雙小車岸橋船時(shí)效率提高系數(shù)，取1.5。

經(jīng)計(jì)算，要滿足3個(gè)泊位200萬(wàn)TEU的設(shè)計(jì)年吞吐量，總共至少需要12.8臺(tái)效率達(dá)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(tái)，每個(gè)泊位配備3臺(tái)雙吊具四小車岸橋，共計(jì)9臺(tái)，另可安排2臺(tái)待用。要滿足200萬(wàn)TEU的年堆存能力，可按下式計(jì)算[12]：

S=Q′t/TC

(9)

式中：S為所需的庫(kù)場(chǎng)箱容量；Q′為庫(kù)場(chǎng)年通過(guò)箱量，為200萬(wàn)TEU；t為集裝箱在港平均堆存天數(shù)，取4 d；T為庫(kù)場(chǎng)年?duì)I運(yùn)天數(shù)，取360 d；C為庫(kù)場(chǎng)箱位利用系數(shù)，取較高值0.85。經(jīng)計(jì)算，庫(kù)場(chǎng)總計(jì)需要配置2.614 4萬(wàn)個(gè)標(biāo)箱位。將危險(xiǎn)品箱、冷藏箱、液罐箱、高箱、開(kāi)頂箱和框架箱等特殊箱的數(shù)量做扣減，同時(shí)考慮扣除以下吞吐量：1)計(jì)為出口吞吐量的補(bǔ)給船舶的燃、物料和淡水；2)計(jì)為進(jìn)口吞吐量的由水運(yùn)運(yùn)進(jìn)港區(qū)的建港物資和防汛物資等；3)分別按進(jìn)口或出口計(jì)為吞吐量的由水運(yùn)運(yùn)進(jìn)、運(yùn)出港區(qū)的郵件、行李、包裹(上述貨物以每10 t換算為1TEU計(jì)入集裝箱吞吐量)。實(shí)際配置箱位數(shù)假設(shè)為2.3萬(wàn)個(gè)，則本方案共設(shè)置8個(gè)立體庫(kù)場(chǎng)，考慮庫(kù)頂容量后共計(jì)2.4萬(wàn)個(gè)標(biāo)箱位，如圖5所示。

圖5 碼頭總體布局

2.2 交通流緩沖區(qū)與運(yùn)輸線路

立體堆庫(kù)場(chǎng)區(qū)與進(jìn)港閘口之間設(shè)有集卡緩沖等待區(qū)，其規(guī)?？砂凑铡蹲詣?dòng)化集裝箱碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的公式計(jì)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(chǎng)所需車位數(shù)量；PHV為進(jìn)港閘口高峰小時(shí)交通量；Pa為堆場(chǎng)每小時(shí)裝卸集卡數(shù)量；tc為高峰持續(xù)時(shí)間，取4 h；m為港內(nèi)集卡停車位總數(shù)取0(港內(nèi)水平運(yùn)輸由ASLV承擔(dān)，無(wú)需內(nèi)集卡)；Qh為碼頭年運(yùn)量，取200萬(wàn)TEU；Kb為碼頭內(nèi)鐵路中轉(zhuǎn)、拆裝箱和水水中轉(zhuǎn)的箱量之和占碼頭年運(yùn)營(yíng)量的百分比，取0%；KBV為集卡到港不平衡系數(shù)，取1.6；Tyk為堆場(chǎng)年工作天數(shù)，取360 d；Td為閘口工作時(shí)間，取24 h；qc為車輛平均載箱量取1.6 TEU/輛；p為堆場(chǎng)裝卸設(shè)備平均小時(shí)有效操作量，取30次/h；Ka為20 ft箱占年運(yùn)量的百分比，取35%；n為堆場(chǎng)裝卸設(shè)備作業(yè)線數(shù)量，取8條。經(jīng)計(jì)算，停車場(chǎng)所需車位數(shù)量為134個(gè)，每個(gè)集卡緩沖等待區(qū)分?jǐn)?7個(gè)車位。

整個(gè)碼頭的主干車道數(shù)量須根據(jù)交通流計(jì)算得知，單向不宜少于2車道，并增設(shè)寬度為7.5 m的倒車道。根據(jù)碼頭布置模式、交通流量、檢查口位置等確定交通組織形勢(shì)，生產(chǎn)車流與非生產(chǎn)車流應(yīng)當(dāng)分離。碼頭內(nèi)交通標(biāo)志應(yīng)符合國(guó)家《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》[13]及《港口道路與堆場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]的相關(guān)要求。

2.3 閘口車道數(shù)量

將本文中碼頭定位為進(jìn)出口型集裝箱碼頭，則閘口車道數(shù)量可按下式計(jì)算[15]：

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

(13)

式中：N為閘口車道數(shù)量；Q為碼頭集裝箱年吞吐量，為200萬(wàn)TEU；Kb為不經(jīng)過(guò)閘口集裝箱占年吞吐箱量的比例，取10%(中轉(zhuǎn)型集裝箱碼頭則可取較高值)；KBV為集卡到港不平衡系數(shù)，取1.6；X為每小時(shí)通過(guò)閘口的集卡數(shù)量，取40輛/h；P為集卡平均標(biāo)準(zhǔn)箱載箱量，取1.5；Ty為閘口年?duì)I運(yùn)天數(shù)，取360 d；Td為閘口每日工作時(shí)間，取24 h。經(jīng)計(jì)算，N=5.56條，取整為6條。可考慮將閘口進(jìn)出通道分離，分別設(shè)置普通重箱進(jìn)港通道2條，還空箱進(jìn)港通道與危險(xiǎn)品箱進(jìn)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(xiǎn)品箱出港通道1條；另設(shè)非生產(chǎn)車輛雙向通道1條，共計(jì)7條。

以上是對(duì)于無(wú)歷史參考數(shù)據(jù)的閘口車道計(jì)算方法，對(duì)于有實(shí)踐數(shù)據(jù)的現(xiàn)有港口可采用下式計(jì)算：

N=TM/Th

(14)

(15)

(16)

(17)

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

2.4 配套設(shè)施

除基礎(chǔ)作業(yè)機(jī)械和堆場(chǎng)外，碼頭還設(shè)置了相應(yīng)的配套設(shè)施。

1)綜合服務(wù)大樓。它是整個(gè)碼頭作業(yè)的指揮調(diào)度中心，負(fù)責(zé)碼頭日常運(yùn)營(yíng)，內(nèi)設(shè)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(guān)三檢。主要承擔(dān)碼頭與船方、碼頭與貨方、碼頭與海關(guān)和海事等政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)、碼頭與物流運(yùn)輸企業(yè)等的信息交流與協(xié)調(diào)工作。

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

3)綜合物流作業(yè)區(qū)。在立體庫(kù)場(chǎng)后方設(shè)置有綜合物流區(qū)，作業(yè)區(qū)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)貨物的簡(jiǎn)單加工處理、短期存儲(chǔ)、集拼箱和直接越庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)等功能。也可設(shè)置鐵路港站對(duì)接水鐵聯(lián)運(yùn)，加快集裝箱和貨物周轉(zhuǎn)速度。這樣豐富了碼頭的服務(wù)功能，有利于實(shí)現(xiàn)碼頭多元化經(jīng)營(yíng)、增加碼頭收入來(lái)源。

4)電力保障中心。本方案考慮整個(gè)碼頭均是使用電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，用電量巨大，為滿足港口用電負(fù)荷，須設(shè)置專門的電力保障中心。

5)空箱堆場(chǎng)。用于存放和保管內(nèi)貿(mào)和進(jìn)、出口的空箱，方便貨主提、還空箱和船公司調(diào)運(yùn)。受碼頭土地面積限制，空箱堆場(chǎng)可適當(dāng)轉(zhuǎn)移到內(nèi)陸場(chǎng)站。

6)此外還設(shè)計(jì)有機(jī)械設(shè)備及車輛維修中心、消防應(yīng)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(yīng)品和零配件補(bǔ)充中心，以及船舶污染物處理服務(wù)中心等設(shè)施。

3 作業(yè)流程

3.1 進(jìn)口普通箱入場(chǎng)作業(yè)與出口普通箱出場(chǎng)作業(yè)

由圖6所示，當(dāng)集裝箱船靠泊后，首先由四小車岸壁集裝箱裝卸橋進(jìn)行卸箱作業(yè)。兩輛雙吊具主小車一次性分別最大可起吊2個(gè)40 ft標(biāo)準(zhǔn)箱，將雙40 ft集裝箱吊運(yùn)至岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)1和中轉(zhuǎn)平臺(tái)2。對(duì)于橋吊與堆場(chǎng)分離的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，兩輛單吊具副小車可分別從兩個(gè)中轉(zhuǎn)平臺(tái)起吊一個(gè)集裝箱降運(yùn)至地面(前橋作業(yè)區(qū)和后橋作業(yè)區(qū))，再由地面上兼具起吊和運(yùn)輸功能的自動(dòng)跨運(yùn)升降小車ASLV運(yùn)至立體庫(kù)場(chǎng)的升降通道作業(yè)區(qū)卸下(若此時(shí)前方正有ASLV在升降通道進(jìn)行裝卸作業(yè)，則可先進(jìn)入ASLV緩沖區(qū)等待)。

圖6 碼頭生產(chǎn)性區(qū)域

立體庫(kù)場(chǎng)外固定式龍門起重機(jī)接到指令后起吊升降通道作業(yè)區(qū)內(nèi)的集裝箱，升至其按計(jì)劃箱號(hào)對(duì)應(yīng)的堆層，再放置于等待在堆層前場(chǎng)中轉(zhuǎn)平臺(tái)上的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV上卸下。每層中轉(zhuǎn)平臺(tái)與堆場(chǎng)內(nèi)均設(shè)計(jì)有一條固定的水平運(yùn)輸軌道，前場(chǎng)AGV負(fù)責(zé)將集裝箱經(jīng)由軌道運(yùn)至計(jì)劃箱號(hào)對(duì)應(yīng)的堆場(chǎng)分區(qū)。此時(shí)每層堆場(chǎng)內(nèi)頂部的懸掛式自動(dòng)引導(dǎo)軌道吊SAGC起吊箱子移至指定箱位，完成進(jìn)口普通箱入場(chǎng)作業(yè)。出口普通箱出場(chǎng)作業(yè)與進(jìn)口普通箱入場(chǎng)作業(yè)流程相反。碼頭作業(yè)流程見(jiàn)圖7。

圖7 碼頭作業(yè)流程

3.2 進(jìn)口普通箱出場(chǎng)作業(yè)與出口普通箱入場(chǎng)作業(yè)

進(jìn)口普通箱出場(chǎng)作業(yè)時(shí)，懸掛式自動(dòng)引導(dǎo)軌道吊SAGC收到出場(chǎng)指令后起吊箱移至AGV小車上，由AGV運(yùn)至后場(chǎng)中轉(zhuǎn)平臺(tái)上。后場(chǎng)固定式龍門起重機(jī)吊起箱子經(jīng)由升降通道下放至等待區(qū)內(nèi)的集卡上，由集卡運(yùn)至綜合物流作業(yè)區(qū)或通過(guò)智能通關(guān)檢查口離開(kāi)碼頭，最終完成進(jìn)口普通箱出場(chǎng)作業(yè)。出口普通箱入場(chǎng)作業(yè)與進(jìn)口普通箱出場(chǎng)作業(yè)流程相反。

3.3 進(jìn)口特殊箱出港作業(yè)與出口特殊箱裝船作業(yè)

對(duì)于危險(xiǎn)品箱、液罐箱、冷藏箱、框架箱等特種集裝箱的出港作業(yè)，副小車將箱子從中轉(zhuǎn)平臺(tái)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(yùn)至港內(nèi)特定堆存區(qū)或港外目的地。出口特殊箱裝船時(shí)則直接由集卡運(yùn)至橋吊下等待副小車起吊升運(yùn)至中轉(zhuǎn)平臺(tái)，再由主小車從中轉(zhuǎn)平臺(tái)吊運(yùn)至指定船箱位，最終完成出口特殊箱裝船作業(yè)。

4 結(jié)論

1)立體堆場(chǎng)技術(shù)方案搭配雙吊具四小車橋吊和ASLV自動(dòng)跨運(yùn)升降車有利于提升碼頭作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益，提高吞吐能力，以更好地服務(wù)于國(guó)際國(guó)內(nèi)水上貨物運(yùn)輸，充分發(fā)揮碼頭作為起點(diǎn)和終點(diǎn)集散中心的服務(wù)作用。

2)基于“一層堆場(chǎng)一層箱”的設(shè)計(jì)理念，即整個(gè)立體庫(kù)場(chǎng)內(nèi)每層堆場(chǎng)僅堆放一層重箱，集裝箱進(jìn)入立體堆場(chǎng)指定箱位后不用翻箱和倒箱，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“零翻箱”。同時(shí)，相比傳統(tǒng)的堆場(chǎng)僅可堆高5層左右的重箱，本文的立體堆場(chǎng)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(kù)場(chǎng)容量和堆存能力也相應(yīng)提高。

3)除港外集卡外的所有機(jī)械設(shè)備均使用電力驅(qū)動(dòng)，由ASLV代替?zhèn)鹘y(tǒng)港內(nèi)集卡承擔(dān)水平運(yùn)輸任務(wù)并兼具起降地面集裝箱的功能，去除了港內(nèi)集卡的碳排放，實(shí)現(xiàn)“零CO2”；由固定式龍門起重機(jī)組合SAGC代替輪胎吊、軌道吊、正面吊、堆垛機(jī)等承擔(dān)場(chǎng)地裝卸、堆垛和歸并轉(zhuǎn)任務(wù)，減少了機(jī)械設(shè)備的配備、操作和能源成本。應(yīng)注意，本工藝流程中所述之AGV僅在該層堆場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)箱軌道上做單一往返運(yùn)動(dòng)，所涉及的路徑規(guī)劃和算法問(wèn)題相較于通常的自動(dòng)化碼頭AGV簡(jiǎn)單許多，可減少該情景下AGV的研發(fā)、生產(chǎn)和磁釘鋪設(shè)等成本。同時(shí)，由于是利用固定式龍門起重機(jī)起吊集裝箱至相應(yīng)堆層、裝箱至港外集卡，無(wú)需考慮胎壓對(duì)碼頭路面鋪設(shè)的影響，節(jié)省了碼頭地基、路面和軌道的建設(shè)成本。

4)本方案在實(shí)現(xiàn)碼頭和堆場(chǎng)高效化和綠色化的同時(shí)也存在一定不足，如增加了立體庫(kù)場(chǎng)的投資建設(shè)成本和相關(guān)機(jī)械設(shè)備與配套設(shè)施的改造成本。盡管前期固定投資大，但建成后的變動(dòng)成本將大幅降低，折舊年限長(zhǎng)。

5)本文僅設(shè)計(jì)了高65 m的9層庫(kù)內(nèi)堆場(chǎng)+1層庫(kù)頂堆場(chǎng)，不同碼頭在保證建筑安全性和可靠性的前提下，可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)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(diào)整立體堆場(chǎng)的層數(shù)和箱位設(shè)置，因地制宜規(guī)劃建造。雖然本方案是在理論設(shè)計(jì)層面提出的，并未以某個(gè)實(shí)際碼頭為例，但這對(duì)岸線資源短缺和堆場(chǎng)面積有限的碼頭以及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也能提供參考。