黃瑞達(dá)

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

集裝箱港口大多依城而建，在地理區(qū)位上都與城市高度重疊。目前，由于港口公路運(yùn)輸比例過(guò)高帶來(lái)的地面道路擁堵、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題，以集卡車(chē)為主的貨運(yùn)交通極大地影響了城市道路的服務(wù)水平和通行能力，導(dǎo)致港口城市交通及環(huán)境日益惡化［1］。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者提出了將貨物運(yùn)輸轉(zhuǎn)移至地下，實(shí)現(xiàn)集裝箱專(zhuān)有路權(quán)的一種運(yùn)輸系統(tǒng)，即地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)［2］。

以往地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的研究中，著眼于建設(shè)必要性、需求分析和線路方案研究，對(duì)系統(tǒng)總體運(yùn)輸方案研究較欠缺。從整個(gè)系統(tǒng)上看，不同的制式、運(yùn)輸組織、運(yùn)輸量、建筑與結(jié)構(gòu)形式等均存在較大的不同，這方面的研究尚未開(kāi)展。因此，本文著眼于車(chē)輛制式選型研究，填補(bǔ)之前相關(guān)研究中的空白。

1 地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的總體方案

地下集裝箱貨運(yùn)系統(tǒng)主要有兩大子系統(tǒng)組成，即垂直吊裝運(yùn)輸子系統(tǒng)和自動(dòng)化運(yùn)輸子系統(tǒng)。考慮到港區(qū)用地較一般更為集約，往往無(wú)法使用較長(zhǎng)的展線（敞開(kāi)段）將地面集裝箱送至地下，因此，提出垂直吊裝運(yùn)輸子系統(tǒng)，以節(jié)省港區(qū)用地。為提升集裝箱在地下運(yùn)輸效率和可靠性，同時(shí)提出用于地下的自動(dòng)化運(yùn)輸子系統(tǒng)。地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underground container transportation system

2 研究意義

地下集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的車(chē)輛制式選型的實(shí)質(zhì)是以制式比選為切入點(diǎn)，從整個(gè)系統(tǒng)的角度優(yōu)化整體方案。以本課題依托的上海外高橋—嘉定地下集裝箱運(yùn)輸通道為例，考慮到集裝箱年運(yùn)輸量非常大，如果使用普通的集卡運(yùn)輸，需要發(fā)車(chē)頻率控制在20 s一輛，在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，因此，需要大運(yùn)量的自動(dòng)化軌道車(chē)輛系統(tǒng)。對(duì)于地下工程，減少工程的規(guī)模有利于減少投資，對(duì)于軌道系統(tǒng)，就需要優(yōu)化到發(fā)線的有效長(zhǎng)度以減小開(kāi)口面積、車(chē)輛基地占地（地面還是地下）等諸多問(wèn)題。因此，開(kāi)展運(yùn)輸制式的選型，可進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)節(jié)問(wèn)題，有利于形成更深化和細(xì)化的工程方案。

3 研究成果

研究圍繞調(diào)研、評(píng)估、應(yīng)用展開(kāi)，即聚焦研究地下集裝箱運(yùn)輸裝備在不同條件下的選型，通過(guò)充分調(diào)研適用于本系統(tǒng)的各種制式，建立選型評(píng)估方法，并結(jié)合工程形成方案。

3.1 常見(jiàn)運(yùn)輸制式調(diào)研

地下集裝箱運(yùn)輸裝備分類(lèi)如圖2所示。調(diào)研主要分為道路式和軌道式兩大類(lèi)開(kāi)展，道路式包含卡車(chē)、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（AGV）等，軌道式包含鐵路、傳統(tǒng)城軌、直線電機(jī)城軌、梭車(chē)、磁懸浮等。主要調(diào)研其應(yīng)用場(chǎng)景、特性以及性能指標(biāo)。特性包含起導(dǎo)向形式、驅(qū)動(dòng)方式、成本、壽命、國(guó)產(chǎn)化程度、無(wú)人駕駛可行性、技術(shù)成熟度等；性能指標(biāo)包括運(yùn)行速度、爬坡能力、轉(zhuǎn)彎半徑、載重、運(yùn)行時(shí)距、單位能耗等。在調(diào)研過(guò)程中，考慮到技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)性、國(guó)產(chǎn)化程度、在地下環(huán)境的適應(yīng)性等因素，初步確定卡車(chē)、AGV、城軌（貨運(yùn)地鐵）、梭車(chē)等為評(píng)估對(duì)象。

圖2 地下集裝箱運(yùn)輸裝備分類(lèi)Fig.2 Classification of Underground Container Transportation System vehicle

（1）自動(dòng)駕駛卡車(chē)是在傳統(tǒng)卡車(chē)基礎(chǔ)上增加自動(dòng)化控制系統(tǒng)，采用車(chē)對(duì)外界的信息交換（V2X）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的遠(yuǎn)程控制以及車(chē)輛與車(chē)輛之間的通信控制，同時(shí)也能滿(mǎn)足在人工駕駛的工況。

自動(dòng)駕駛卡車(chē)能夠有效避免兩端的垂直吊裝和貨運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題，同時(shí)又能避免人進(jìn)入隧道的問(wèn)題，可減少土建投資以減少運(yùn)維成本，同時(shí)增加運(yùn)輸靈活性。目前階段的自動(dòng)駕駛卡車(chē)是傳統(tǒng)集卡與完全自動(dòng)駕駛卡車(chē)之間的發(fā)展階段，技術(shù)成熟可行。尤其在短距離隧道密閉環(huán)境中，干擾較少情況下，控制技術(shù)可靠性更為保證。用于地下環(huán)境的自動(dòng)駕駛卡車(chē)如圖3所示。

圖3 用于地下環(huán)境的自動(dòng)駕駛卡車(chē)Fig.3 Auto pilot truck in underground environment

（2）集裝箱AGV是一種自動(dòng)化設(shè)備，具有無(wú)人駕駛、自動(dòng)導(dǎo)航、定位精確、路徑優(yōu)化以及安全避障等智能化特征，在許多自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如圖4所示。近年來(lái)，AGV技術(shù)逐漸成熟，已在我國(guó)青島港、洋山港四期碼頭中應(yīng)用［3］。

圖4 集裝箱自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)Fig.4 Container AGV

（3）貨運(yùn)地鐵是屬于軌道制式，用于集裝箱貨運(yùn)的運(yùn)輸，其具有技術(shù)成熟、速度高、運(yùn)量大、自動(dòng)化成熟、全天候、運(yùn)費(fèi)低、節(jié)能環(huán)保等綜合優(yōu)勢(shì)，如圖5所示。

圖5 貨運(yùn)地鐵Fig.5 Container subway

貨運(yùn)地鐵類(lèi)似于城市軌道交通的系統(tǒng)，必須考慮折返以及車(chē)輛基地的選址。折返線及車(chē)輛基地位于車(chē)站敞開(kāi)區(qū)域后方，為暗埋區(qū)域。為提高折返效率，貨運(yùn)地鐵的折返形式設(shè)計(jì)為站后折返，折返能力可提升至30對(duì)/h，夜間可兼作停車(chē)線。同時(shí)，為節(jié)約地面空間，避免設(shè)置展線，車(chē)輛基地可設(shè)置于地下。車(chē)輛基地設(shè)有臨修線、月檢線、鏇輪線、機(jī)車(chē)停車(chē)線、輔跨、堆場(chǎng)等區(qū)域。

（4）梭車(chē)采用低速、長(zhǎng)距離運(yùn)行的梭車(chē)搬運(yùn)系統(tǒng)同自動(dòng)化固定吊相配合形成一種新型半自動(dòng)化碼頭裝卸工藝系統(tǒng)，可大幅提高碼頭運(yùn)輸作業(yè)的自動(dòng)化程度及操作效率。梭車(chē)在節(jié)能減排、降低噪聲污染等方面將有顯著的效果，特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的長(zhǎng)距離集裝箱運(yùn)輸作業(yè)。然而，相對(duì)于貨運(yùn)地鐵經(jīng)道岔折返的折返線，由于梭車(chē)無(wú)法經(jīng)過(guò)道岔，只能通過(guò)燈泡線折返，因此，其弊端為折返線較長(zhǎng)、占地面積大［4］。梭車(chē)實(shí)驗(yàn)線如圖6所示。

圖6 梭車(chē)實(shí)驗(yàn)線Fig.6 Experimental site of container shuttle

3.2 各類(lèi)制式適應(yīng)性評(píng)估

根據(jù)實(shí)際情況，如運(yùn)量、運(yùn)輸距離、場(chǎng)地條件、裝備匹配性等因素，都會(huì)對(duì)選型產(chǎn)生影響。

（1）運(yùn)量。不同運(yùn)輸制式由于其自身特點(diǎn)的不同，例如運(yùn)行速度、運(yùn)行間隔、編組能力、路口（道岔）通過(guò)能力等均會(huì)對(duì)運(yùn)量造成影響。在之前國(guó)內(nèi)外的研究中，往往推薦軌道制式應(yīng)對(duì)大運(yùn)量，對(duì)于中小運(yùn)量，可根據(jù)實(shí)際情況，選擇道路制式。根據(jù)計(jì)算，自動(dòng)駕駛卡車(chē)考慮其運(yùn)行速度、行車(chē)間隔、單日運(yùn)行時(shí)間等，最大年運(yùn)量可達(dá)86萬(wàn)TEU，而貨運(yùn)地鐵以8節(jié)編組為例，最大年運(yùn)量可達(dá)315萬(wàn)TEU，而且隨著信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，可進(jìn)一步壓縮行車(chē)間隔，運(yùn)量可進(jìn)一步提升。AGV、梭車(chē)運(yùn)行方式與自動(dòng)駕駛卡車(chē)、貨運(yùn)地鐵類(lèi)似，但由于其運(yùn)行速度較慢，實(shí)際運(yùn)量會(huì)進(jìn)一步降低。

（2）運(yùn)輸距離。大量研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，在長(zhǎng)距離封閉環(huán)境內(nèi)駕駛卡車(chē)，容易造成駕駛員疲勞。即使自動(dòng)駕駛得到了應(yīng)用，較長(zhǎng)距離的封閉環(huán)境對(duì)通防災(zāi)十分不利。另外，若采用傳統(tǒng)以柴油為原料的卡車(chē)，地下通道內(nèi)通風(fēng)很難實(shí)現(xiàn)；若采用新能源（如電力驅(qū)動(dòng)）卡車(chē)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電。AGV同樣面臨連續(xù)供電技術(shù)不夠成熟的問(wèn)題。以上4點(diǎn)為制約卡車(chē)、AGV等道路式車(chē)輛單次運(yùn)輸距離的主要因素。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，推薦將單次運(yùn)輸距離5 km作為閾值。單次運(yùn)輸距離超過(guò)5 km時(shí)，推薦選用貨運(yùn)地鐵或梭車(chē)；單次小于5 km時(shí)，可根據(jù)其他條件進(jìn)行設(shè)備選型。

（3）場(chǎng)地條件。在港區(qū)內(nèi)部用地緊張，無(wú)法設(shè)置長(zhǎng)距離敞開(kāi)段供車(chē)輛進(jìn)出。為解決這個(gè)問(wèn)題，筆者提出了集裝箱的垂直升降，通過(guò)吊機(jī)將集裝箱在地面及地下間運(yùn)輸。然而，自動(dòng)運(yùn)行車(chē)輛行駛過(guò)程中在橫向和縱向上會(huì)產(chǎn)生誤差?？v向（車(chē)輛運(yùn)行方向）的誤差可以控制在2 cm內(nèi)，而道路式橫向（車(chē)輛運(yùn)行垂直方向）的誤差約為15 cm。軌道式由于車(chē)輛受到軌道的限制，不存在誤差。對(duì)于需要通過(guò)吊機(jī)垂直升降的方案，推薦選用軌道式的貨運(yùn)地鐵或梭車(chē)。貨運(yùn)地鐵由于經(jīng)道岔折返，折返區(qū)域相對(duì)集約，而梭車(chē)只能通過(guò)燈泡線折返，因此，折返線線路長(zhǎng)、占地大，造成其地下開(kāi)挖面積大。若碼頭用地較寬裕，可以設(shè)置敞開(kāi)段供車(chē)輛進(jìn)出時(shí)，推薦道路式，以節(jié)約軌道敷設(shè)占用的空間。

（4）裝備匹配性。青島港和洋山四期碼頭開(kāi)港標(biāo)志著自動(dòng)化碼頭技術(shù)日趨成熟，未來(lái)將廣泛應(yīng)用。在此背景下，如果自動(dòng)化碼頭有條件設(shè)置敞開(kāi)段供地下運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)出，必將面臨地下運(yùn)輸車(chē)輛與地面接駁車(chē)輛在系統(tǒng)調(diào)度層面的沖突。因此，在自動(dòng)化碼頭中，最適合AGV，推薦自動(dòng)化集卡，并納入碼頭調(diào)度系統(tǒng)中，便于統(tǒng)一管理。

各類(lèi)制式適應(yīng)性匯總?cè)绫?所示。

表1 各制式適應(yīng)性匯總Tab.1 Summary of adaptability of each type of vehicle

3.3 相關(guān)工程應(yīng)用

（1）上海外高橋—嘉定地下集裝箱物流通道。

外高橋港區(qū)位于上海市浦東新區(qū)北部，在港區(qū)的不斷發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生了一系列問(wèn)題，港城矛盾問(wèn)題尤為突出，包括交通擁堵、環(huán)境污染與土地使用問(wèn)題等。為解決上述問(wèn)題，規(guī)劃的外高橋—嘉定地下集裝箱物流系統(tǒng)，始于外高橋二期碼頭，終于嘉定西北物流園，全長(zhǎng)約30 km。主要特點(diǎn)為距離長(zhǎng)、運(yùn)量大、港區(qū)場(chǎng)地有限（無(wú)法設(shè)置長(zhǎng)距離敞開(kāi)段供車(chē)輛進(jìn)出）。根據(jù)預(yù)測(cè)，到遠(yuǎn)期2035年，地下集裝箱物流通道集裝箱的運(yùn)量可達(dá)300萬(wàn)TEU。

經(jīng)過(guò)比選，發(fā)現(xiàn)卡車(chē)無(wú)法適應(yīng)連續(xù)30 km的地下封閉環(huán)境，AGV及梭車(chē)運(yùn)行速度無(wú)法支撐運(yùn)量需求，推薦采用貨運(yùn)地鐵作為運(yùn)載工具。該項(xiàng)工程創(chuàng)新點(diǎn)如下：折返線中，地面設(shè)置雙臺(tái)吊機(jī)，將集裝箱裝與卸分開(kāi)操作，折返能力提升至30對(duì)/h，以滿(mǎn)足大運(yùn)量需求。

（2）深圳鹽田港中東作業(yè)區(qū)連接通道工程。

現(xiàn)狀鹽田港運(yùn)營(yíng)中的中作業(yè)區(qū)和規(guī)劃籌建中的東作業(yè)區(qū)之間由寬度為850 m的海域隔開(kāi)，兩者之間需建設(shè)一條連接通道，以實(shí)現(xiàn)鹽田港區(qū)統(tǒng)籌經(jīng)營(yíng)、國(guó)際航線中轉(zhuǎn)箱和流機(jī)設(shè)備的共享。該通道主要特點(diǎn)為距離短（3 km）、運(yùn)量?。赀\(yùn)量75萬(wàn)TEU）、港區(qū)場(chǎng)地較充足。由于新建東作業(yè)區(qū)為自動(dòng)化碼頭，需盡量排除人工干擾因素。

經(jīng)過(guò)比選，發(fā)現(xiàn)AGV造價(jià)較高，梭車(chē)方案折返線開(kāi)挖量較大，貨運(yùn)地鐵及梭車(chē)造價(jià)高且無(wú)法設(shè)置車(chē)輛基地。自動(dòng)駕駛卡車(chē)方案在工程經(jīng)濟(jì)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，建設(shè)成本以及運(yùn)營(yíng)成本最低，且能較好地同時(shí)適應(yīng)傳統(tǒng)碼頭和自動(dòng)化碼頭，因此推薦。創(chuàng)新點(diǎn)在于推薦的自動(dòng)駕駛卡車(chē)為人工/自動(dòng)駕駛雙模式卡車(chē)，同時(shí)在港區(qū)設(shè)置人工與自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)換區(qū)。經(jīng)測(cè)算，工程總投資可減少約2.5億元（25%）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)調(diào)研、評(píng)估，充分，梳理了適用于地下集裝箱物流的各種制式裝備，并結(jié)合工程案例，重點(diǎn)研究了其中卡車(chē)、AGV、貨運(yùn)地鐵以及梭車(chē)的適應(yīng)性。研究表明：軌道制式更適合長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的運(yùn)輸，自動(dòng)駕駛卡車(chē)適合短距離、小運(yùn)量運(yùn)輸，同時(shí)可以大幅降低設(shè)施建設(shè)規(guī)模。后續(xù)的研究將緊密?chē)@初步成果進(jìn)一步開(kāi)展，例如進(jìn)一步通過(guò)量化指標(biāo)，明確各種制式適應(yīng)范圍。