考慮混合車流的自動化集裝箱碼頭隔離式車道布置設計

武 彬 吳鵬偉 張 煜 徐 揚

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學交通與物流工程學院

1 引言

隨著我國港口運輸的快速發展，ACT(Automated Container Terminal,自動化集裝箱碼頭)憑借智能高效的作業模式引起了越來越多的關注。碼頭集裝箱吞吐量日益增長，加劇了港區內部交通運輸壓力。合理的車道布局能夠實現水平運輸設備的流暢通行，加快集裝箱運輸效率。同時，集疏運效率的提高有利于減少運輸設備的數量配置，降低碼頭建設的資金投入和設備能耗。

目前，國內外學者針對自動化集裝箱碼頭整體布局進行了大量研究。Gupta等利用集成排隊網絡建模方法研究了不同類型集裝箱碼頭堆場布局，發現采用堆場平行布局方式完成海側作業所用時間更短[1]。張連鋼等對自動化碼頭總布局進行了研究，給出了堆場垂直布置形式下AGV海側交換區和陸側交換區車道布置設計，并利用仿真驗證其合理性[2]。王施恩等介紹了洋山深水港四期中堆場垂直布置形式下AGV車道布局，將AGV交接區設置在箱區側面，降低了共軌ARMG間的干擾[3]。熊玲燕等結合青島港自動化集裝箱碼頭堆場布局，實現了LAGV(具有舉升功能的AGV)交換區的車道設計，降低了運輸車輛的等待時間[4]。高延輝等提出了基于雙軌輪小車與雙回字形平面布置的碼頭新工藝，減少了雙軌輪小車等待時間，實現運輸設備高效作業[5]。丁一等仿真評估了一種U型工藝ACT，內設U型車道和直線車道，實現了內外交通分流[6]。以上研究主要涉及自動化集裝箱碼頭的堆場布局，對碼頭全局車道布置方式研究不夠深入，沒有考慮在堆場平行碼頭岸線布置形式下的車道布局問題，不利于自動化集裝箱碼頭交通流的合理組織和車輛路徑規劃。

現階段，已投入運營的自動化碼頭多采用堆場垂直于碼頭岸線的布置方式，雖然實現了內外車流的分離，但端裝卸工藝中ARMG移動距離長、能耗高、互相干擾情況嚴重，且裝卸點少易產生車輛排隊擁堵問題，導致碼頭作業效率低下。堆場平行碼頭岸線布置常見于傳統碼頭，近些年也出現在自動化集裝箱碼頭，這種布置方式下ARMG移動距離短、能耗低，裝卸點多不易堵塞，且有利于傳統碼頭向自動化碼頭升級改造。

結合中國天津港某在建自動化集裝箱碼頭，提出一種考慮混合車流影響的自動化集裝箱碼頭隔離式車道布置設計。該方式基于堆場平行岸線布置形式，涉及碼頭前沿、堆場和堆場后方的全局車道布置研究，將碼頭內外車流進行有效隔離，保證作業安全，提升碼頭運輸作業效率。

2 傳統ACT車道布置方式

傳統自動化集裝箱碼頭采用“堆場垂直岸線布置+端裝卸”工藝，見圖1[7]。

圖1 傳統ACT車道布置方式

AGV作業車道由海側作業車道、緩沖區車道和陸側作業車道組成，海側作業車道為單向車道，供AGV完成與岸橋的運輸對接工作；緩沖區車道供AGV轉彎、排隊等待、讓道等；陸側作業車道為雙向車道，間隔布置，供AGV行駛至目標裝卸位置。

以卸船模式為例介紹AGV運輸作業流程：

(1)AGV沿海側行駛車道行駛至指定岸橋進行裝載作業。

(2)集裝箱裝載完畢后駛入緩沖區，進行作業次序編排。

(3)依據規劃的路徑沿AGV陸側行駛車道行駛至目標位置，進入AGV交換區，完成與ARMG的交接工作。

外集卡作業車道為單向車道，布置在堆場后方。以卸船模式為例說明外集卡作業流程：

(1)外集卡從港區進港閘口駛入，單向行駛至目標裝卸區域。

(2)倒車進入外集卡交換區，完成與ARMG的交接工作。

(3)外集卡駛離交換區并沿其作業車道駛離碼頭。

垂直岸線布置的堆場箱區端部供AGV與外集卡進行裝卸作業的位置非常有限，AGV與外集卡均易產生排隊擁堵情況，且外集卡倒車進入交換區耗時較長。此外，ARMG移動距離長、能耗高，且同一堆場海側與陸側的軌道吊只能在各自區域作業，互相干擾情況嚴重，影響了自動化碼頭作業效率。

3 隔離式車道全局布置方式

考慮混合車流影響的自動化集裝箱碼頭隔離式車道布置方式，該種布置方式采用“堆場平行岸線布置+邊裝卸”工藝(見圖2)。

圖2 隔離式車道布置方式

港內設置ART(Artificial Intelligence Robot of Transportation，人工智能運輸機器人)(見圖3)車道和外集卡車道，2種車道分隔，互不干擾。隔離式車道布置形式覆蓋碼頭前沿、堆場和堆場后方3個區域。其中，碼頭前沿車道由2個部分組成：①岸橋兩軌之間作業車道，供ART完成與岸橋的作業對接工作；②非岸橋下作業車道，供ART進行解掛鎖、充電、通行和緩沖停車。堆場車道布置分為ART車道和外集卡車道，ART在堆場內沿逆時針方向行駛，外集卡沿順時針方向行駛，與堆場箱區相鄰的車道為作業車道，供ART和外集卡完成與ARMG的交接工作。堆場后方車道為外集卡進港和出港的通行車道。

圖3 ART

在隔離式車道布置方式下，港區內外車流實現了有效隔離，集裝箱裝卸點數量增多，緩解了港區擁堵狀況。同時，ARMG移動距離縮短，改善了彼此間互相干擾的問題，提高了裝卸作業效率，降低了碼頭能耗和碳排放。

4 隔離式車道局部布置方式

4.1 碼頭前沿車道布置方式

碼頭前沿車道布置方式見圖4。

圖4 碼頭前沿車道布置方式

碼頭前沿岸橋兩軌之間作業車道，由海側向陸側依次布置1條行政通道、2條超限箱作業車道、5條ART車道，行政通道寬3.25 m，其余所有車道寬3.75 m，均為單向車道。超限箱作業車道用于放置危險品箱、超限箱等，與其他類集裝箱分開放置，能夠加速危險品箱與超限箱的周轉過程并保證安全；超限箱作業車道為外集卡通行作業區，并與相鄰的ART作業車道用圍欄隔離，保證作業安全。ART裝卸作業車道(3條)與超車道(2條)間隔布置，能夠加快ART通行效率，降低ART與岸橋的對接時間，此外，ART裝卸作業車道與堆場ART縱向車道直接相連，便于ART在岸橋下與堆場區作業的快速銜接。

非岸橋下作業車道，從海側至陸側依次布置1條多用途車道、1條解掛鎖作業車道、6條解掛鎖緩沖車道、4條ART通行車道和1條ART充電車道。其中，多用途車道寬4 m，解掛鎖車道寬6.5 m，解掛鎖緩沖車道寬4 m，ART通行車道寬3.75 m，ART充電車道寬4 m。

多用途車道用于岸橋的檢修、更換吊具或冷藏箱吊箱門時作為逆向車道。

解掛鎖作業車道用于進行集裝箱解掛鎖作業。6條解掛鎖緩沖車道由解掛鎖超車道(第1、4條)和解掛鎖等待車道(第2、3、5、6條)組成，當解掛鎖等待車道有ART停車等待時，其他ART可由超車道行駛至合適等待位置，上述解掛鎖作業車道、超車道、等待車道的設計能夠保證解掛鎖作業有序進行，提高作業效率，減少擁堵情況。

4條ART通行車道中，第1、2條車道與第3、4條車道通行方向相反，ART可根據實際情況選擇行駛車道；ART充電車道上布置有智能充電樁，供ART進行充電作業。

4.2 堆場車道布置方式

堆場內所有橫向車道均為單向行駛，ART與外集卡橫向車道通過雙懸臂ARMG進行隔離，在堆場內間隔布置。兩箱區之間的橫向車道布置4條，其中與箱區相鄰的2條為作業車道，寬3.5 m，中間2條為超車道，寬3.75 m。堆場內部的縱向車道均為雙向車道，每列箱區左、右兩側分別布置4條行駛車道，其中，與箱區相鄰的2條車道為ART行駛車道，邊緣2條為外集卡行駛車道，寬度均為3.75 m。在堆場內部，ART沿逆時針方向行駛，外集卡沿順時針方向行駛，不共用車道，實現了內外交通分流，極大提高了各自通行效率。此外，內外交通流的交叉路口設置智能閘口，利用車路協同技術，保證ART的絕對優先通行，同時實現了ART與外集卡的有效隔離(見圖5)。

圖5 堆場車道布置方式

以ART卸貨作業為例，ART在堆場內的通行過程具體為：

(1)ART進入堆場區域后，沿上方2條橫向行駛車道行駛，行駛至與目標卸貨箱區左側相鄰的通行交匯處。

(2)駛入ART縱向行車道。

(3)由ART縱向行車道駛入ART橫向超車道中，靠近指定卸貨位時轉入內側作業車道，在作業位上停下并完成集裝箱卸載作業。

(4)完成作業后，駛入橫向車道外側的ART超車道，進而駛入所在箱區右側的ART縱向行車道。

(5)沿ART縱向行車道駛入堆場最上方2條ART橫向行車道，并從ART出口駛離堆場區域。

外集卡進入堆場的出入口設置3個，在堆場內部沿順時針方向行駛，其行駛過程與ART類似。

4.3 堆場后方車道布置方式

堆場后方車道均為外集卡車道，雙向行駛，中間以圍欄隔開。堆場后方上側布置1條外集卡行駛車道；圍欄上方布置2條出港預車道，之后擴展至4條出港主車道(統稱進港車道)，分別設有出港預/主閘口；圍欄下方布置3條進港預車道，之后擴至5條進港主車道(統稱出港車道)，分別設有進港預/主閘口；在堆場后方左側區域布置2條車道，分別為外集卡離開碼頭的出口車道和進入碼頭的入口車道(見圖6)。進/出港預車道和預閘口的設置，便于對外集卡進行登記檢查與相關作業手續的交付等；進/出港主車道和主閘口的設置，減少了車輛排隊等待時間，加速外集卡進/出港的效率。

圖6 堆場后方車道布置方式

外集卡在碼頭后方行駛過程為：

(1)外集卡通過碼頭出/入口進入碼頭，沿進港車道行駛。

(2)駛入最上側行駛車道后，選擇距離目標作業箱區最近的堆場入口，完成堆場相關作業，并從堆場出口離開。

(3)外集卡沿出港車道駛離碼頭。

5 結語

通過對傳統自動化集裝箱碼頭車道布置方式進行分析，在堆場平行岸線布置的基礎上，提出考慮混合車流影響的自動化集裝箱碼頭隔離式車道布置方法，詳細描述了自動化碼頭不同區域的車道布置方案，結合圖例闡述了ART與外集卡通行過程。由于傳統碼頭堆場大都平行岸線布置，因此隔離式車道布置方式同樣適用于傳統碼頭的升級改造。該方法實現了內外車流的有效隔離，可保障作業安全，提高車輛通行效率，降低能耗與碳排放，符合國家建設綠色智能港口的要求。