順岸式自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)布局設(shè)計(jì)

陳 培 武 彬 張 煜 唐 欣

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院

1 引言

天津港作為我國(guó)北方最大的綜合性主樞紐港之一，自動(dòng)化程度較高，但仍存在集裝箱作業(yè)效率低、堆場(chǎng)布置受限等問(wèn)題。因此，如何優(yōu)化堆場(chǎng)布置、擴(kuò)大堆場(chǎng)容量，是港區(qū)布置需要解決的難點(diǎn)。

縱觀國(guó)內(nèi)外發(fā)展勢(shì)態(tài)較好的自動(dòng)化集裝箱碼頭，堆場(chǎng)布置形式主要包括平行于岸線布置和垂直岸線布置2種形式[1-3]，其中，國(guó)外大部分港口采用堆場(chǎng)垂直于岸線的布置形式，如德國(guó)漢堡CAT集裝箱碼頭[4]、荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭[5]和巴塞羅那BEST碼頭[6]，我國(guó)港口堆場(chǎng)選擇平行于岸線布置形式的居多，如廈門(mén)遠(yuǎn)海自動(dòng)化碼頭、廈門(mén)港海潤(rùn)碼頭、廣州南沙四期碼頭和深圳媽灣港等[7]。2種布置形式各有特點(diǎn)，需根據(jù)港區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。因此，結(jié)合天津港北疆港區(qū)新建C段智能化集裝箱碼頭“大進(jìn)大出”的特點(diǎn)，在比較分析2種自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)布置方案后，確定采用堆場(chǎng)平行于岸線的布置方案。

2 自動(dòng)化堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線布置方案

2.1 工程概述

為更好服務(wù)京津冀協(xié)同發(fā)展和共建“一帶一路”，天津港啟動(dòng)北疆港區(qū)C段智能化集裝箱碼頭工程建設(shè)(見(jiàn)圖1)，工程規(guī)劃C段碼頭岸線總長(zhǎng)1 100 m，碼頭堆場(chǎng)縱深約752 m。

圖1 天津港北疆港區(qū)C段智能化集裝箱碼頭

為合理設(shè)置堆場(chǎng)不同類(lèi)型箱區(qū)比例，在綜合分析近年來(lái)天津港集裝箱進(jìn)出港數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得出不同類(lèi)型集裝箱構(gòu)成情況(見(jiàn)表1)。

表1 集裝箱構(gòu)成比例

2.2 堆場(chǎng)布置

自動(dòng)化堆場(chǎng)呈縱向布置(見(jiàn)圖2)，從距碼頭前沿線114 m處開(kāi)始按集裝箱箱型組成比例布置自動(dòng)化堆場(chǎng)。堆場(chǎng)空、重箱混堆，冷藏箱分4塊區(qū)域集中堆放，共布置29條作業(yè)線，每條作業(yè)線配置2臺(tái)無(wú)懸臂自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASC)，單條作業(yè)線長(zhǎng)度約441.5 m(箱區(qū)長(zhǎng)度48 TEU)。

圖2 堆場(chǎng)垂直岸線布置

自動(dòng)化堆場(chǎng)裝卸設(shè)備采用無(wú)懸臂ASC，軌距28.5 m，海側(cè)ASC起重量61 t，配置29臺(tái)；陸側(cè)ASC起重量41 t，配置29臺(tái)，軌距內(nèi)布置9排箱，堆箱高度“堆6過(guò)7”。每條作業(yè)線兩端設(shè)置海側(cè)集裝箱交換區(qū)、陸側(cè)集疏運(yùn)交換區(qū)以及ASC維修區(qū)，ASC維修區(qū)面積保證一臺(tái)ASC維修或故障停機(jī)時(shí)，不影響另一臺(tái)ASC正常作業(yè)。

裝卸船設(shè)備采用雙小車(chē)雙20 ft岸橋，碼頭與海側(cè)交換區(qū)之間的水平運(yùn)輸設(shè)備采用自動(dòng)跨運(yùn)車(chē)。自動(dòng)化堆場(chǎng)與陸側(cè)集疏運(yùn)交換區(qū)之間的水平運(yùn)輸設(shè)備及陸側(cè)集疏運(yùn)交換區(qū)集裝箱拖掛車(chē)裝卸車(chē)設(shè)備采用ASC。本方案ASC采用軌內(nèi)9排箱的無(wú)懸臂ASC，集裝箱拖掛車(chē)在陸側(cè)集疏運(yùn)交換區(qū)倒車(chē)入位。堆場(chǎng)和無(wú)懸臂ASC行走方向垂直于碼頭岸線布置，組成“雙小車(chē)雙20 ft岸橋+自動(dòng)跨運(yùn)車(chē)+無(wú)懸臂ASC”的垂直端裝卸方案。

為完成設(shè)計(jì)年吞吐量為250萬(wàn)TEU的堆場(chǎng)作業(yè)任務(wù)，堆場(chǎng)垂直布置方案為碼頭配置58臺(tái)無(wú)懸臂ASC、10臺(tái)雙小車(chē)雙20 ft岸橋和30臺(tái)自動(dòng)跨運(yùn)車(chē)。

2.3 方案缺點(diǎn)

該布置方案在運(yùn)行過(guò)程中存在一些不可忽視的缺陷。垂直端裝卸模式將水平運(yùn)輸裝卸箱及外集卡集疏運(yùn)裝卸點(diǎn)集中，裝卸點(diǎn)相對(duì)少，導(dǎo)致陸側(cè)交通組織較困難。同時(shí)堆場(chǎng)自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)(ARMG)需帶箱長(zhǎng)距離輸送集裝箱，能耗高且海陸側(cè)裝卸作業(yè)及集疏運(yùn)較難以互相支援。

結(jié)合以往研究數(shù)據(jù)，垂直布局下的集裝箱碼頭比水平布局更易產(chǎn)生交通瓶頸，因此在選擇集裝箱碼頭平面布局時(shí)應(yīng)慎重考慮垂直式布局[8]。

3 堆場(chǎng)平行于碼頭岸線布置方案

3.1 堆場(chǎng)布置

自動(dòng)化堆場(chǎng)呈橫向布置(見(jiàn)圖3)，從距碼頭前沿線121 m處開(kāi)始按集裝箱箱型組成比例布置自動(dòng)化堆場(chǎng)。堆場(chǎng)空、重箱混堆，3個(gè)堆場(chǎng)(每個(gè)堆場(chǎng)8條作業(yè)線)共布置24條作業(yè)線，由右至左依次是A場(chǎng)、B場(chǎng)、C場(chǎng)，由上至下依次是作業(yè)線1至8，共組成1A到8C這24個(gè)箱區(qū)，在8A、8B后方各布置1個(gè)預(yù)留堆場(chǎng)，占用陸域縱深441.5 m。其中冷藏箱分3塊區(qū)域分散布置，分別位于8A右側(cè)8AR，7C左側(cè)7CR和8C左側(cè)8CR，并且在1A右側(cè)布置了1個(gè)變電所。箱區(qū)根據(jù)實(shí)際空間布置情況，按不同比例堆垛20 ft、40 ft集裝箱，普通箱區(qū)將40 ft箱放置在箱區(qū)兩端，20 ft箱放置在箱區(qū)中部；冷藏箱區(qū)按1個(gè)貝位40 ft箱，2個(gè)貝位20 ft箱交叉堆垛。不同規(guī)格集裝箱在箱區(qū)的堆垛比例見(jiàn)表2。

圖3 堆場(chǎng)平行岸線布置

表2 不同規(guī)格集裝箱比例

集裝箱堆場(chǎng)區(qū)還包含堆場(chǎng)橫向車(chē)道和縱向車(chē)道，堆場(chǎng)橫向車(chē)道分為內(nèi)集卡橫向車(chē)道和外集卡橫向車(chē)道，兩類(lèi)車(chē)道交替布置在堆場(chǎng)兩側(cè)，以提高內(nèi)外集卡通行效率。堆場(chǎng)縱向車(chē)道布置在堆場(chǎng)兩個(gè)端頭，每個(gè)端頭均布置內(nèi)集卡縱向車(chē)道和外集卡縱向車(chē)道，兩類(lèi)車(chē)道由物理隔網(wǎng)隔開(kāi)。

自動(dòng)化堆場(chǎng)裝卸設(shè)備采用雙懸臂ARMG，軌距34 m，起重量41 t，軌距內(nèi)布置11排箱，堆箱高度“堆6過(guò)7”，共配備42臺(tái)(另外預(yù)留9臺(tái))。ARMG兩側(cè)懸臂下各布置1條作業(yè)車(chē)道及1條超車(chē)道，一側(cè)為外集卡車(chē)道，一側(cè)為ART車(chē)道，2臺(tái)ARMG相鄰車(chē)道所屬同一車(chē)型，布局詳情見(jiàn)圖4。

圖4 雙懸臂ARMG布置方式

3.2 設(shè)備配置

裝卸船設(shè)備采用單小車(chē)雙20 ft岸橋，水平運(yùn)輸設(shè)備采用ART。自動(dòng)化堆場(chǎng)空、重箱混堆，裝卸車(chē)及拆碼垛設(shè)備采用軌內(nèi)11排箱的雙懸臂ARMG。堆場(chǎng)和雙懸臂ARMG走行方向平行于碼頭岸線布置,組成“單小車(chē)雙20 ft岸橋+ART+雙懸臂ARMG”的平行邊裝卸方案。碼頭配備12臺(tái)單小車(chē)雙20 ft岸橋，42臺(tái)雙懸臂ARMG，岸橋、ART配比關(guān)系為1∶6.3，ART配備76臺(tái)。

4 方案對(duì)比

國(guó)內(nèi)外各港口在布局安排和設(shè)備等方面技術(shù)均已趨于成熟，在天津港C段碼頭設(shè)計(jì)背景下，通過(guò)比較通過(guò)能力、設(shè)備配置數(shù)量、裝卸作業(yè)人員數(shù)量、智能化程度、可靠性、碳排放量、創(chuàng)新性等因素綜合分析兩種布置方案。

4.1 通過(guò)能力

在天津港C段智能化碼頭布置的24個(gè)箱區(qū)中，共設(shè)計(jì)普通重箱箱位23 205 TEU，空箱箱位17 500 TEU，冷藏箱箱位650 TEU，超限箱箱位107 TEU。集裝箱碼頭年通過(guò)能力按公式(1)和(2)計(jì)算。

(1)

p=np1K1K2(1-K3)K4

(2)

式中，Pt為集裝箱碼頭設(shè)計(jì)通過(guò)能力，TEU/a；Ty為泊位年可營(yíng)運(yùn)天數(shù)，d；Aρ為泊位有效利用率，%；ρ為設(shè)計(jì)船時(shí)效率TEU/h；Q為集裝箱船單船裝卸箱量，TEU；tg為晝夜裝卸作業(yè)時(shí)間，h；tf為船舶的裝卸輔助作業(yè)及船舶靠泊、離泊時(shí)間之和，h；td為晝夜小時(shí)數(shù)，h；n為集裝箱裝卸橋配備臺(tái)數(shù)；p1為集裝箱裝卸橋臺(tái)時(shí)效率基準(zhǔn)值，自然箱/h；K1為集裝箱標(biāo)準(zhǔn)箱折算系數(shù)；K2為集裝箱裝卸橋同時(shí)作業(yè)率，%；K3為裝卸船作業(yè)倒箱率，%；K4為可吊雙箱和雙小車(chē)集裝箱裝卸橋的新型高效集裝箱裝卸橋船時(shí)效率提高系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算可知，垂直布置方案的碼頭通過(guò)能力為251.8萬(wàn)TEU/a，滿足工程泊位設(shè)計(jì)吞吐量250萬(wàn)TEU/a的要求。

平行布置方案的碼頭通過(guò)能力262萬(wàn)TEU/a，滿足工程泊位設(shè)計(jì)吞吐量250萬(wàn)TEU/a的要求，且在此基礎(chǔ)上預(yù)留約5%的上升空間。

4.2 其他指標(biāo)對(duì)比

除通過(guò)能力外，設(shè)備配置數(shù)量、裝卸作業(yè)人員數(shù)量、智能化程度、可靠性、碳排放量、創(chuàng)新性等6個(gè)因素在衡量方案性能時(shí)也是不可忽略的。將這7個(gè)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果匯總，綜合比較了2種布置方案優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方案對(duì)比

綜上，平行布置方案優(yōu)勢(shì)明顯。雖然2種布置形式均能滿足天津港C段自動(dòng)化碼頭設(shè)計(jì)年吞吐量250萬(wàn)TEU的要求，但平行布置方案可為碼頭通過(guò)能力預(yù)留5%的上升空間，效率更高。同時(shí)，平行布置方案首次使用全球首創(chuàng)的ART，在技術(shù)層面和創(chuàng)新性層面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，不僅可擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴，還實(shí)現(xiàn)了碼頭全電力供能零排放，提高了天津港的創(chuàng)新能力，增加了碼頭的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

在天津港C段自動(dòng)化碼頭應(yīng)用背景下，堆場(chǎng)平行布置時(shí)碼頭通過(guò)能力更高，更適用于全球集裝箱運(yùn)輸量持續(xù)增加的趨勢(shì)。堆場(chǎng)平行布置方案使用ART實(shí)現(xiàn)集裝箱水平運(yùn)輸，ART自帶的智能駕駛系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭全自動(dòng)化作業(yè)，為打造智慧港口提供支撐。同時(shí)，ART動(dòng)力由電力提供，可大幅減少作業(yè)全程碳排放量，為發(fā)展綠色港口做出重大貢獻(xiàn)。堆場(chǎng)平行布置方案因地制宜，更好適應(yīng)天津港集裝箱運(yùn)輸“大進(jìn)大出”的物流特點(diǎn)，選用雙懸臂ARMG的邊裝卸作業(yè)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)海陸側(cè)分開(kāi)作業(yè)。同時(shí)利于車(chē)序控制和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理，整個(gè)碼頭裝卸工藝系統(tǒng)的智能化程度高、效率高、節(jié)能環(huán)保效果優(yōu)。

綜上所述，考慮碼頭通過(guò)能力、環(huán)保、智能化水平、創(chuàng)新性等因素，天津港C段智能化集裝箱碼頭采用堆場(chǎng)平行岸線布置方案是最優(yōu)的選擇。