洋山港四期全自動化集裝箱碼頭總體布置創新

程澤坤，劉廣紅，何繼紅

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上?！?00032）

洋山港四期全自動化集裝箱碼頭總體布置創新

程澤坤，劉廣紅，何繼紅

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

結合洋山港四期工程特點以及全自動化裝卸工藝模式，圍繞著總體布置中需要解決的關鍵技術問題，提出了相應的創新方法，為全自動化集裝箱碼頭的總體設計奠定了基礎，所提出的創新方法可為自動化集裝箱碼頭的設計及規范編制提供參考。

洋山港四期工程；自動化；集裝箱碼頭；總體布置；全自動化模式

0　引言

自動化碼頭建設是實現港口轉型升級、提高核心競爭力和提升港口形象的重要途徑。我國沿海主要集裝箱港口如廈門港、上海港、青島港、天津港等陸續開始建設自動化集裝箱碼頭。洋山港四期擬建設成全自動化碼頭，經綜合對比分析，選用了技術較為成熟的“雙小車岸橋+自動導引車（AGV）+自動化軌道吊（ARMG）”全自動化工藝模式[1]。本文結合洋山港四期工程特點以及全自動化工藝模式，圍繞著港區總體布置中需要解決的幾個與自動化有關的技術問題開展研究，提出了相應的創新方法，為全自動化集裝箱碼頭的總體設計奠定了基礎，可供自動化集裝箱碼頭規范編制以及工程設計時參考。

1　洋山港四期工程特點

四期工程位于顆珠山汊道以西、東海大橋港橋連接段以南水域，港區陸域形態如圖1所示。碼頭岸線長2 350 m，建設7個5萬～7萬噸級泊位，碼頭結構按靠泊15萬噸級集裝箱船舶設計，年設計通過能力為630萬TEU。該工程與國內外全自動化集裝箱碼頭比較，在總體布置上具有以下特點：

1）多泊位連續布置，一次建成。四期工程與已建港區之間由顆珠山汊道分割成為相對獨立港區，港區7個大型集裝箱泊位連續布置，一次建成全自動化碼頭，長度2 350m。對于全自動化集裝箱碼頭各功能區合理布局、保障作業效率和安全使用等要求高。

2）港區陸域縱深小，通過能力要求高。四期工程陸域平面形態呈長條形，縱深約為200～640m，年設計通過能力目標設定為630萬TEU，陸域縱深的不足將對碼頭前方作業帶布置、自動化堆場布置、堆存容量安排等形成制約，要求總體設計應統籌考慮。

圖1　洋山港四期工程港區陸域形態Fig.1　Land form of the port area in Yangshan Por tphase IV project

3）水—水中轉箱比例高。洋山深水港區水—水中轉比例高達50%，在港區裝卸操作中呈現出堆場作業較為集中的特點，自動化集裝箱碼頭總圖布置中必須解決該類箱的裝卸效率以及與多泊位連續布置匹配問題。

4）自動化程度要求高。四期工程擬建設成為世界最先進的全自動化集裝箱碼頭，7個大型泊位連續布置，一次建成，整體經營。要求主要裝卸環節能力應高效匹配、實現無人化操作，以提高自動化程度、裝卸安全和降低人工成本，減少排放等。

2　與自動化有關的總圖布置問題

全自動化集裝箱碼頭裝卸工藝基本模式主要有“雙小車岸橋+自動導引車（AGV）+自動化軌道吊（ARMG）”、“單小車岸橋+自動跨運車+自動化軌道吊（ARMG）”[2]，通過綜合對比分析，四期工程選用了技術較為成熟、可靠的“雙小車岸橋+自動導引車（AGV）+自動化軌道吊（ARMG）”工藝。結合工程特點，采用該全自動化方案必須解決好以下幾個問題。

1）前方作業帶布置問題。碼頭前方作業帶是決定裝卸船作業效率的關鍵地帶，對于四期工程，集合有關安全管理規定，除超重、超限等特種箱及危險品箱需要通過人工水平運輸至專用堆場外，其余箱均通過AGV進入自動化堆場，因此，針對多泊位連續布置自動化集裝箱碼頭需合理布置前方作業地帶功能區，避免自動化作業和人工作業相互干擾，提高裝卸船效率。

2）自動化堆場工藝布置問題。堆場布置是四期工程總體布置的核心，在陸域縱深不足條件下應擴大堆場規模、實現密集堆垛、提升堆場通過能力、突破陸域狹窄對通過能力的制約。同時，相應的還必須解決多泊位連續布置以及水—水中轉比例高等導致的海側陸側堆場設備作業量不均衡問題，以及自動化集裝箱堆場內冷藏箱區布置問題等。

3）閘口布局與交通組織問題。本工程陸域長條形特征以及港區裝卸作業還存在外集卡和內集卡的水平運輸設備運行，因此必須解決好進出港閘口布置、非自動化集裝箱堆場布置、自動化堆場與集卡的交換區布置和交通組織問題。

4）AGV相關設施布置問題。AGV是四期工程的自動化水平運輸設備，負責自動化堆場與岸橋之間的水平運輸，相關設施布置包括提升式AGV與自動化堆場間交換區的布置，以及AGV維修、測試和AGV電池更換站的布置等問題。

3　洋山港四期工程總體布置

四期工程港區主要功能區包括：泊位、碼頭前方作業地帶、自動化集裝箱堆場和特殊箱堆場、生產及生活輔助區、閘口區、港外輔助區等功能區。受陸域條件的制約，設計以盡可能擴大自動化集裝箱堆場的規模為原則[3]，結合港區總體布置需要面對的幾個與自動化有關的問題，經反復論證，設計的港區總體布置詳見圖2。

3.1碼頭前方作業帶

四期工程除部分超限箱等特種箱和危險品箱采用人工進行裝卸外，其余箱均采用自動化裝卸，碼頭前方作業帶應劃分為自動化作業和人工作業區，以避免自動化作業和人工作業相互干擾。碼頭采用雙小車岸橋，前小車采用人工確認方式裝卸船，后小車為自動化完成平臺與AGV之間的集裝箱垂直運輸，因此，設計以岸橋陸側軌道為界，陸側軌后方為自動化作業區，依次布置裝卸區、緩沖區和行駛區。

圖2　港區主要功能區布置Fig.2　M ain functional region layoutof the port

裝卸區車道成對布置，相互之間布置1條穿越車道；行駛區車道采用雙向間隔布置，位于陸側1條車道寬度需滿足AGV轉向進入堆場的空間需要；AGV在裝卸區完成裝卸后經穿越車道轉彎進入緩沖區排隊，然后根據控制系統的指令進入相應的行駛車道和指定箱區。岸橋軌內為人工作業區，布置艙蓋板和人工車輛通道，實現特種箱的裝卸船作業。碼頭前方作業地帶寬度確定為120m，其余參數見圖3。該前方作業帶布置形式交通順暢，裝卸安全。

圖3　碼頭前方作業地帶布置斷面圖Fig.3　C ross-section layoutof thework area in frontof term inal

3.2自動化集裝箱堆場

自動化集裝箱堆場用于堆放普通空箱、重箱、冷藏箱和13.7 m箱（45 ft箱），占到港區箱總量的95%以上。堆場垂直碼頭布置，每條箱區ARMG雙機配置，海側ARMG主要負責與裝卸船流程相關的作業，陸側ARMG主要負責與港外集卡提送箱相關的作業。按照“盡可能擴大自動化集裝箱堆場的規?！币约啊岸褕鱿鋮^布置應使海側設備能力與岸橋能力匹配”的原則，共布置61條箱區，其中懸臂箱區20個，無懸臂箱區41個，軌距為31 m，軌內布置10列箱，地面箱位達 28 241 TEU，懸臂箱區箱位約占自動化堆場總箱位1/3。該布置較好地解決了堆場容量最大化以及海側設備能力匹配的問題，通過能力滿足630萬TEU需求。

1）基于水—水中轉比例高達50%的特點，四期工程自動化堆場對陸側和對海側作業將呈現明顯的不均衡性。因此，自動化堆場采用了無懸臂、單側懸臂ARMG箱區混合布置的方式，自動化集裝箱堆場平面布置見圖4。無懸臂箱區僅有海側ARMG可實現對海側作業，而單側懸臂箱區因AGV可進入箱區內部，故海、陸側ARMG均可實現對海側作業，從而適應了海、陸側作業量不均衡的難題。

圖4　自動化集裝箱堆場平面布置圖Fig.4　Layout of the autom ated container yard

2）AGV交換區的布置滿足“海側ARMG檢修+陸側ARMG對AGV作業”的需要，長度為39.3m，區域內并排設置5個AGV支架。AGV交換區布置詳見圖5。

3）陸側交換區的布置滿足“陸側ARMG檢修+海側ARMG對集卡作業”的需要，同時滿足集卡倒車入停車位的空間距離需要。無懸臂箱區集卡交換區長度為41.3m，區域內并排布置5個集卡停車位。單側懸臂箱區ARMG軌內布置2個集卡停車位，交換區的長度取41.3 m；在懸臂下布置1個集卡停車位，交換區取54.3 m，當陸側ARMG在交換區端部檢修位時，可由海側ARMG通過懸臂下的停車位完成作業。詳見圖6。

圖5 AGV交換區布置圖Fig.5　Connection area layout of AGV

圖6　集卡交換區布置圖Fig.6　Connection area layout of container truck

4）冷藏箱采用“相對集中”布置，位于懸臂箱區，在ARMG跨內列位方向冷藏箱與普通箱混合布置，考慮了作業效率、裝卸箱的集中度，解決了自動化堆場為無人化作業、而冷藏箱裝卸過程中需要有人員進入箱區進行電源插拔操作的問題，確保了人員安全。見圖7。

3.3非自動化箱區布置

考慮港區交通組織以及場地情況，在自動化堆場北側東部不規則地塊布置2塊超限箱堆場，采用電纜卷筒供電方式的ERTG作業，用于堆放超高、超寬、超長及超重貨物的平板箱、框架箱等特種箱。利用自動化堆場西側地塊布置危險品箱堆場，遠離人員集中的生產管理區，并處于生產管理區夏季常風向的下游。危險品箱堆場采用電纜卷筒供電方式的ERTG作業。非自動化箱區的布置與港區集卡單向流入一致。

3.4閘口布局及交通組織

四期工程陸域狹窄，后方緊貼東海大橋，進、出港閘口采用分開布置，分別布置于港區陸域的東、西兩端，采用了“東進西出”的進、出港閘口布置，適應場地條狀特點，外集卡與內集卡港區內逆時針流向一致，在港內單向行駛，與封閉的自動化集裝箱堆場陸側提、送箱流程也一致，道路占地面積小，港區內外交通組織簡單順暢。

進港閘口總體布置采用“預檢、分流和放行”三級進港智能閘口布置方式，一級道口為門架式結構，位于進港輔道中部，用于讀取車輛信息；二級、三級道口聯合布置，根據一級道口識別信息，二級道口對進港車輛進行分流處理，一部分由第三級道口進入港區，另一部分進入港外停車場臨時等待或補錄信息。進港閘口布置詳見圖8。港外集卡停車場可對進港車輛形成緩沖，當突遇進港車輛集中到港時可作為進港車輛的蓄車池，以減少進港閘口的通行壓力和車輛排隊對東海大橋通行的影響。同時，港外集卡停車場內設置1座管理站，可對信息不全的進港車輛進行相關處理，處理完后再進港。

港內交通采用單向大循環的組織方案，交通流為同向交匯，沖突點少。應用德國PTV公司的VISSIM仿真軟件平臺，對港區范圍內的路網交通運行狀況進行模擬，結果表明，四期工程港外交通流線清晰，車均延誤時間較短，平均停車次數較少，交通狀況良好；港內交通順暢，交通狀況優良。

圖8　進港閘口及港外停車場布置示意圖Fig.8　Layoutof theentrancegate in the portand the parking area outside the port

3.5AGV相關設施布置

AGV修理棚、測試區、電池更換間等相關設施布置需要與自動化作業區無縫銜接，布置在港區東側臨近自動化堆場。AGV可自動行駛至AGV電池更換站進行電池更換，布置上采用穿堂式布置，可解決大型自動化集裝箱碼頭AGV電池更換站交通流量集中的問題，大幅減少AGV排隊的等待時間，提高AGV的電池更換效率，減少對碼頭前方作業地帶的交通影響。

機修區布置詳見圖9。

圖9　機修區布置示意圖Fig.9　Layoutof themechanical repair area

AGV故障車行駛至AGV修理棚西側交互區，再轉至人工遙控模式行駛至AGV修理棚進行修理。完成修理后，AGV進入測試區進行測試，合格后再進入自動化作業區正常作業。對于故障較為嚴重、無法自動駕駛的AGV，將由工人通過正面吊吊裝至平板車，由平板車運輸至機修區進行修理。機修區內設置吊具轉運支架，海側ARMG的故障吊具由AGV運送至機修區的吊具轉運支架，再由工人通過正面吊將支架上的吊具取下后送至機修車間進行修理。通過在3個區域的交接處設置“交互區”，實現了AGV測試區、維修區和機修區集約化的聯合布局，便于AGV在不同功能區間的運行方式切換，簡化了工作流程，最大程度地集約化利用場地，適應安全管控要求。

4　洋山港四期工程總體布置創新

1）基于“雙小車岸橋+自動導引車+自動化軌道吊”全自動化工藝模式，碼頭前方作業地帶的人工作業區安排在岸橋陸側軌道前方區域，將自動化作業區安排在岸橋陸側軌道后方區域，避免二者作業相互干擾，即適應自動化封閉作業的安全要求，同時港區交通組織順暢，作業效率高，所提出的布置方式可供類似工程設計時參考。

2）針對大型集裝箱樞紐港水—水中轉比例高、干支線船舶混合作業、海側陸側作業量不均衡等因素，設計了自動化集裝箱堆場無懸臂、單側懸臂自動化軌道吊混合布局模式。該模式與國外典型自動化堆場所采用的單一軌道吊堆場布局模式相比，根據水—水中轉比例，合理布置2種形式軌道吊的不同比例的混合布局，解決了堆場海陸側軌道吊作業量的不平衡、海側裝卸系統效率對船舶大型化的適應性差等問題。該布局模式可通過各式軌道吊的比例調整，應用于不同特點的全自動化集裝箱碼頭，具有廣泛的推廣前景。特別適合于多泊位連續布置、水—水中轉比例高、干支線船舶混合作業、海側陸側作業量不均衡等自動化集裝箱碼頭的堆場布局。

3）結合陸域及港外交通條件，提出了“東進西出”的分離式閘口布局，減少港外集卡在港內行程，與港內集卡流向一致，交通組織簡單、順暢，用地省。基于全自動化集裝箱碼頭作業對外來車輛的信息質量要求高、自動化堆場蓄車能力低的特點，設計了“預檢、分流和放行”三級進港智能閘口布置新模式，并在分流閘口和放行閘口之間設置具有車輛調峰、調箱門、稱重及冷藏箱預檢等功能的港外集卡緩沖停車場，加強了進港車輛的管理，大大緩解了港內交通壓力，提高了港區對外服務質量和作業效率。

4）根據無人駕駛的AGV有關的自動化運行區、維修區和測試區的運行方式不同的特點，設計通過在3個區域的交接處設置“交互區”，實現了AGV測試區、維修區和機修區的聯合布局，解決了人機混合作業、自動與非自動運行模式轉換的安全問題，更好地滿足安全管控要求。針對大型自動化集裝箱碼頭AGV電池更換站交通流量集中的特點，設計的穿越式AGV電池更換站布置模式，大幅減少AGV排隊的等待時間，提高了AGV的電池更換效率，減少了對碼頭前方作業地帶的交通影響。

5）針對位于自動化堆場內的冷藏箱箱區布置，設計了一種軌道吊跨內列位方向冷藏箱與普通箱混合布置形式，具有布置相對集中，兼顧海、陸側作業效率和輔助作業人員進出便利的特點，尤其適應于多泊位連續布置，可有效解決自動化程度、作業安全、管理效率和交通組織等問題。

5　結語

結合洋山港四期多泊位連續布置一次建成要求，以及全自動化工藝模式、集裝箱水—水中轉比例高等特點，圍繞著自動化集裝箱港口總體功能布局、碼頭前方作業帶、自動化堆場、冷藏箱箱區布置、與AGV設備有關的功能區布置以及閘口和港區交通組織等與自動化碼頭總體布置有密切關系的問題開展研究，設計所提出的創新思想和創新技術可供制定集裝箱自動化碼頭設計規范以及類似工程設計時參考。

[1]中交第三航務工程勘察設計院有限公司，洋山深水港區四期工程建設指揮部.上海國際航運中心洋山深水港區四期工程全自動化集裝箱碼頭總體布置研究[R].2016. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Directorate for Construction of Yangshan Deepwater Port Phase IV Project.Research on general layout of fully-automated container terminal of Yangshan deepwater port phase IV project in Shanghai international shipping center[R].2016.

[2]中交第三航務工程勘察設計院有限公司，洋山深水港區四期工程建設指揮部.全自動化集裝箱港口總體布局模式研究[R]. 2016. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Directorate for Construction of Yangshan Deepwater Port Phase IV Project.Research on general layoutmode of fully-automated container port[R].2016.

[3]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.洋山深水港區四期工程初步設計[R].2014. CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.Primary design of Yangshan deepwater portphase IV project[R].2014.

Innovation on general layout of fully-automated container term inal in Yangshan Port phase IV project

CHENG Ze-kun,LIUGuang-hong,HE Ji-hong
（CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Based on the characteristics of Yangshan Port phase IV project and the mode of fully-automated handling technology,we developed some innovationmethods to dealwith the key technicalproblemson the general layoutof this project, which laid a foundation for the general design of fully-automated container term inal.The innovation methods can provide the references for the design and code compilation of fully-automated container terminals.

Yangshan Port phase IV project;automatization;container terminal;general layout;fully-automated mode

U652.72；U656.135

A

2095-7874（2016）10-0001-07

10.7640/zggw js201610001

2016-07-01

2016-08-24

程澤坤（1966—)，男，安徽六安市人，博士，教授級高級工程師，總工程師，從事港口與航道工程設計、咨詢、科研和技術管理工作。E-mail：chengzk@theidi.com