文/大連海事大學交通運輸管理學院 趙越超

高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)的設計與特性分析

文/大連海事大學交通運輸管理學院 趙越超

介紹高架橋式集裝箱系統(tǒng)的結構、運行模式、特性和優(yōu)缺點以及其缺點的彌補方法?，F(xiàn)代集裝箱碼頭的發(fā)展趨勢決定了傳統(tǒng)模式的局限性，本系統(tǒng)的開發(fā)與應用具有廣闊的發(fā)展空間。

高架橋式；集裝箱系統(tǒng)；裝卸；結構

一、背景

目前，對于集裝箱的裝卸、處理大多數港口采用岸橋對船作業(yè)，堆場上多采用集卡和場橋配合作業(yè)的龍門吊系統(tǒng)，也有的港口采用跨運車方式。只有極少數港口使用自動導引車系統(tǒng)，效率雖有大幅提高，但仍未擺脫傳統(tǒng)模式的束縛，港口的布置和各種作業(yè)方式也都沒有多大改觀。尤其在土地日益減少、深水岸線難得的現(xiàn)狀下，迫切需要一種裝卸速度快、堆場利用率高的新型裝卸系統(tǒng)。本文介紹一種正在設計中的集裝箱裝卸系統(tǒng)——高架橋式裝卸系統(tǒng)。

二、結構及運行方式

1. 系統(tǒng)結構

高架橋式裝卸系統(tǒng)的整體俯視效果如圖1所示。此系統(tǒng)采用架設與碼頭岸線方向垂直的高架軌道的方式，形成對堆場和泊位的全覆蓋。高架軌道側視效果如圖2所示。每列高架軌道上運行一定數量的大車橋，類似橋式起重機。小車則在大車橋上運行，也可以由大車橋攜帶運行。大車橋上可以設置多于一條的單軌道，這樣就可以攜帶兩臺或者更多的小車，從而使得小車與大車橋的數量匹配更靈活。同時，這樣的大車橋只需要一套行走機構，顯然會降低初始投資。當兩列軌道間的大車橋運行到一條直線上時，其上的小車就可以沿著接軌的單軌道由一個大車橋移動到另一個大車橋上，實現(xiàn)小車的跨軌運行。高架軌道、大車橋和小車的連接關系及小車的跨軌動作如圖3所示。當所有軌道上都有一個大車橋位于這條直線上時，一條平行于碼頭岸線的臨時軌道就建立起來了。這樣的臨時軌道可以建立多條，也可以分段建立，且可以移動，從而實現(xiàn)小車對堆場的無縫全覆蓋。高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)整體效果如圖4所示。

2.運行方式

高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)的小車宜采用“團隊”化作業(yè)方式，即小車總是三五成群地運動，盡量保持動作步調一致。當有船舶到港時，大車橋帶動小車攜帶吊具直接移動到船舶的上方卸下集裝箱，再通過軌道移動到堆場，小車在建立的臨時軌道上跨軌運行，集裝箱便可以到達堆場的任意位置進行堆載。此時小車可以原路返回船舶上方，也可以直接向船舶方向移動（只要不影響此高架軌道上其他小車運行即可），至此便完成了一個工作循環(huán)。在整個系統(tǒng)對船舶進行全覆蓋作業(yè)時，可以建立多個相鄰的小車運行回路，類似臨時的自動導引車的運行軌道，上面運行始終朝一個方向做循環(huán)周期運動的多個大車橋及小車。每兩個相鄰的運行回路共用一條中間高架軌道，兩回路逆向運行，解決了小車跨軌運行后大車橋的重新歸位問題。小車沿大車橋建立的臨時單軌道跨軌運行離開了攜帶其到達臨時軌道的大車橋后，相鄰回路中的小車由于共用高架軌道，就會運動到這個大車橋上，并由其攜帶運動到大車橋的原出發(fā)地點，同時也達到了大車橋回位的目的，如圖3所示。

3. 相適應的堆場平面布置

鑒于系統(tǒng)的結構特點和運行方式完全突破了傳統(tǒng)的集裝箱碼頭的固有模式，其堆場的布局規(guī)劃也相應作了適當調整。高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)下的碼頭堆場按照泊位數劃分為相對應的幾個部分。每個部分都以碼頭岸線為起點，沿高架軌道的平行方向劃分。例如，將從碼頭岸線到后方堆場系統(tǒng)所能覆蓋的區(qū)域依次劃分為出口重箱區(qū)、中轉箱區(qū)、進口重箱區(qū)、冷藏箱區(qū)、特種箱區(qū)、空箱區(qū)。其中，出口重箱區(qū)又可細分為A船出口箱、B船出口箱、C船出口箱等，也可沿著高架軌道的方向依次排列。同樣，出口箱區(qū)和空箱區(qū)等其他箱區(qū)也可以按此方式劃分。

每個泊位的箱區(qū)劃分不一定都相同，要根據泊位靠船的情況和箱子數量、箱型的比例具體劃分。這樣的劃分方式有利于整個系統(tǒng)的控制軟件設計和高架軌道上的大車橋迅速自動定位，大大減少了小車的跨軌運行，為整個系統(tǒng)的自動化和高效化奠定了基礎。

三、特性分析

1.高效率

高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)的這種結構特點和作業(yè)方式決定了它的作業(yè)空間非常廣闊，可以容納多個小車同時作業(yè)。當在船舶上方建立多條由大車橋形成的臨時單軌道時，合理規(guī)劃小車的運行路線，同一時間內的作業(yè)小車數量可以遠遠超過傳統(tǒng)的多岸橋作業(yè)時的小車數量，實現(xiàn)對船舶的“全覆蓋作業(yè)”，因此效率可以成倍提高。

其次，高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)采用的是單機作業(yè)，每個集裝箱從起吊點到目的地只經過一次吊具對位和裝卸過程，大大減少了傳統(tǒng)集裝箱碼頭作業(yè)所需要的銜接環(huán)節(jié)，既增強了安全性又節(jié)省了裝卸時間，提高了效率。

2. 精確定位，自動化程度高

高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)的另一大特點是精確的坐標定位系統(tǒng)。由于高架軌道是固定不動的，所以很容易在其覆蓋的范圍內建立精確的二維平面及三維立體坐標，其精確度可以到毫米。這樣的精確度對于集裝箱吊具的對位來說已經足夠了，也使得集裝箱吊具的對位變得十分容易。如此便可以真正實現(xiàn)集裝箱碼頭的整體無人操作，而且三維的立體坐標還可以根據集裝箱箱位的高度合理控制吊具的收放速度，以保證效率和安全。綜上所述，使用本系統(tǒng)將大大降低勞動力的使用量，加快吊具的對位速度，優(yōu)化吊具的收放速度，提高整體效率。

3. 翻箱、倒垛便捷

高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)在堆場的集裝箱倒垛、翻箱作業(yè)上有著得天獨厚的優(yōu)勢。傳統(tǒng)場橋或者其他堆場作業(yè)機械只能一個一個地將箱子取出后依次放于他處，將要提取的箱子提走后再依次把其他箱子取回。這其中包含了大量的場橋移動、吊具的對位起吊和放置。而本系統(tǒng)可以多個小車同時上陣，起吊后隨大車橋沿高架軌道移動一段距離后停止不動，其他小車依次動作。最后一個小車提走箱子后，之前的各小車再依次返回。這樣就省去了很多步驟，減少了對位過程，大大提高了效率。

4. 提高堆場的利用率和通過能力

在堆場的利用率上，采用本系統(tǒng)的集裝箱碼頭取消了碼頭前沿的岸橋運行空間和大部分集卡車道，堆場內部只需要很少的集卡通道以備不時之需。實際上可以讓集卡在閘門口直接卸箱由高架橋系統(tǒng)上的小車運送到箱位。但為了作業(yè)更靈活，可以預留少量的集卡通道。傳統(tǒng)場橋運行需要相當大的安全空間，這樣就節(jié)省出來用來設置箱位。堆場內的機構設置可以省去大部分的集卡停車場，可以大大減小維修車間、加油點等的規(guī)模。加之系統(tǒng)在翻箱上存在無可比擬的優(yōu)勢，并且高架軌道的高度很高，所以堆場內的集裝箱可以適當地增加層數。通過這兩方面的改進，堆場的通過能力也會大幅提高。堆場利用率得到了很可觀的提高，就可以在碼頭規(guī)劃時減少面積，節(jié)省投資。

5. 運行成本低

沒有了前方堆場，在裝卸船時就必須由小車直接提箱。這雖對集裝箱的堆場配積載計劃提出了更高的要求，但也避免了將集裝箱提前提取到前方堆場再進行裝船的二次操作，節(jié)省了大量時間和成本。而且由于系統(tǒng)本身裝卸效率高，翻箱簡易，在船舶上方的裝船順序及位置都很靈活，因此可降低配積載的難度。

6. 技術成熟實用

高架橋式裝卸系統(tǒng)雖然突破了傳統(tǒng)運行模式，采用了全新的裝卸工藝，但大部分機械原理和技術都借鑒現(xiàn)有技術，極少有科研和工程上的難題，所以很容易實現(xiàn)。例如，系統(tǒng)采用市網供電，借鑒現(xiàn)在的電車供電體系技術和輪胎式龍門吊的“油改電”經驗，建設軌道時借鑒的現(xiàn)代大跨度的斜拉橋工程技術、高大建筑物的防雷擊技術等，都是現(xiàn)成的成熟技術，可操作性和實用性都很強。

7. 初始投資成本高

本系統(tǒng)的最大缺點是初始投資成本較高，因此必須合理設置高架軌道間的距離。距離太大雖然會減少大車橋的數量，節(jié)省初始投資，但也會增加大車橋的長度，降低運行速度，進而影響整體的運行效率。同時，也要根據港口的不同情況合理安排小車的數量，使設備的整體利用率達到最優(yōu)化。

8. 間接節(jié)省大量投資

雖然本系統(tǒng)初始投資較高，但采用本系統(tǒng)作為集裝箱碼頭的裝卸系統(tǒng)后，碼頭前沿及堆場在建設時就不再需要考慮高輪壓的破壞作用而刻意加大地面強度了。這樣一來，碼頭的建設成本就會降低很多。加之上文所述堆場面積的節(jié)省，碼頭的初期投資會有一個很可觀的折扣。

采用本系統(tǒng)后，人力資源的減少、全電力驅動的節(jié)能環(huán)保也會減少碼頭以后的運營成本。由于本系統(tǒng)是單一機械系統(tǒng)，涵蓋了對場內所有的操作流程，基本不需要或很少需要其他種類機械的配合，因此在整機購買時會比單獨分別購買和更新岸橋、場橋、集卡、跨運車、堆高機、自動導引車等更有利一些，而且可以避免單獨更新造成的各種機械種類之間的通過能力的不匹配，避免多機種聯(lián)合作業(yè)難以協(xié)調一致 、容易一環(huán)不暢全盤卡死的問題。同時，單一機種的維護保養(yǎng)也比多機種聯(lián)合保養(yǎng)維修要容易得多，人力、維修車間的成本都會大幅降低。

四、發(fā)展的必要性及存在的問題

（1）現(xiàn)代集裝箱船舶大型化趨勢已是不可否認的事實，這一方面要求港口的裝卸能力要適應船舶大型化和班輪航線高速運營、班期密度加大、在港停泊時間有限的現(xiàn)狀；另一方面，越來越大的集裝箱船舶也有了凈空高度愈來愈高的特點。

由于本系統(tǒng)取代了岸橋的功能，直接覆蓋船舶進行裝卸作業(yè)，因此本系統(tǒng)的軌道架設高度一定要足夠高，以適應集裝箱船舶大型化的趨勢。軌道架設高度不是什么難題，從工程角度分析完全有能力做到架設軌道至60 m以上的高度。如此，堆場上空的可利用空間就大大增加了。就現(xiàn)有條件來說，堆場內的集裝箱高度雖可以加大，層數可以加多，但是遠不會達到如此之高。所以小車在高速運行和停止時就要克服吊具搖擺的問題。本系統(tǒng)采用液壓油耗散減搖和電子防搖裝置的雙重減搖措施，同時加以吊具和小車減搖鋼柱抵緊的運行方式來解決這個難題。高度的增加也會給防雷擊措施帶來更高的要求，但目前很多工程都有此問題，現(xiàn)有的技術已完全可以解決，故設施的安全運行還是可以保證的。

（2）為提高裝卸效率，充分發(fā)揮系統(tǒng)作業(yè)空間大的優(yōu)勢，系統(tǒng)的小車及大車橋數量較多，這會給各機構運行路線的設計及優(yōu)化帶來一定的困難。一旦處理不好，就會直接導致系統(tǒng)的運行效率大大下降，達不到預期效果。所以，一定要慎重合理地規(guī)劃設計小車和大車橋的數量配置比例，優(yōu)化運行路線，為實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和高效化鋪平道路。

五、結 論

高架橋式集裝箱裝卸系統(tǒng)非常適用于集裝箱吞吐量大、水水中轉箱比例高、班輪發(fā)班密度高、航線眾多而碼頭縱深又十分有限的現(xiàn)代化碼頭。它有初始投資高和高度高的不足，但更有裝卸效率高、定位坐標系統(tǒng)設定精確、無人操作、翻箱高效簡易、堆場利用率高、對碼頭地面要求低、運營成本低、維護保養(yǎng)方便等眾多顯著優(yōu)勢。所以，可以斷定，在未來的集裝箱碼頭上一定會有高架橋式裝卸系統(tǒng)的用武之地。

[1]楊茅甄.國際集裝箱港口管理實務[M].北京:人民交通出版社, 2007.

[2]中交水運規(guī)劃設計院.現(xiàn)代集裝箱港區(qū)規(guī)劃設計與研究[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]包起帆,羅文斌. 現(xiàn)代集裝箱碼頭的建設與營運技術[M]. 上海:上?？茖W技術出版社,2006.

Analysis on viaduct container handling system

ZHAO Yue-chao