吳邵強(qiáng)，劉漢東，梁 浩

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

在集裝箱船舶遠(yuǎn)洋海運(yùn)過(guò)程中，集裝箱一般是以分層堆垛的形式堆放在船艙內(nèi)和甲板上。集裝箱扭鎖是集裝箱在船舶上常用的系固構(gòu)件之一，其主要作用是實(shí)現(xiàn)船舶甲板與集裝箱、箱堆上下層箱角間的連接和鎖緊，以防止集裝箱在海運(yùn)過(guò)程中受惡劣海況和風(fēng)暴侵襲而引起傾覆或滑移[1]。

集裝箱扭鎖雖應(yīng)用廣泛，但其形式千差萬(wàn)別，在集裝箱相關(guān)產(chǎn)業(yè)端(如制造端、船運(yùn)端和碼頭裝卸端等)對(duì)扭鎖的結(jié)構(gòu)和形式設(shè)計(jì)及應(yīng)用領(lǐng)域并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前，至少有超過(guò)百余種固定式連接扭鎖需依賴人工辨識(shí)和完成集裝箱裝卸船過(guò)程中的拆裝作業(yè)，給自動(dòng)化集裝箱碼頭實(shí)現(xiàn)裝卸全環(huán)節(jié)自動(dòng)化和智能化帶來(lái)一定障礙[2]。在對(duì)人-車隔離分流和系統(tǒng)安全性都有較高要求的集裝箱自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，拆裝扭鎖作業(yè)是整個(gè)自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。

本文在分析自動(dòng)化集裝箱碼頭拆裝扭鎖工藝現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，依托廣州港南沙四期工程，針對(duì)采用單小車岸橋的自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)提出了一種新型的移動(dòng)式集中拆裝扭鎖工藝解決方案。該方案不及解決了拆裝扭鎖作業(yè)過(guò)程中的人-車隔離分流問(wèn)題，對(duì)提高裝卸系統(tǒng)安全性、可靠性及碼頭前沿車流周轉(zhuǎn)效率均有一定的積極意義。

1 自動(dòng)化集裝箱碼頭拆裝扭鎖工藝現(xiàn)狀

集裝箱拆裝扭鎖作業(yè)通常在碼頭前沿裝卸船作業(yè)過(guò)程中完成。集裝箱卸船作業(yè)時(shí)，岸橋從船上將帶扭鎖的集裝箱吊至碼頭岸側(cè)后，在岸邊完成集裝箱扭鎖的拆卸和回收；集裝箱裝船作業(yè)時(shí)，岸橋?qū)⒓ɑ蜃詣?dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)載的集裝箱吊至船上前，也在碼頭岸側(cè)完成集裝箱扭鎖的匹配和安裝。

在非自動(dòng)化集裝箱碼頭中，集裝箱扭鎖的拆卸和安裝一般由碼頭工人手動(dòng)操作完成。在自動(dòng)化集裝箱碼頭中，運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備供應(yīng)商在集裝箱扭鎖拆卸及安裝操作機(jī)械化、自動(dòng)化方面進(jìn)行了一些相關(guān)探索，但目前市面上出現(xiàn)的自動(dòng)化拆裝扭鎖裝置(如機(jī)械臂)依然無(wú)法完全適應(yīng)集裝箱扭鎖形式多樣性的特點(diǎn)，因此自動(dòng)化集裝箱碼頭中的扭鎖拆裝操作依然是由人工手動(dòng)操作完成[3]。

從主流全自動(dòng)化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)看，在不同形式岸橋的自動(dòng)化集裝箱碼頭中，集裝箱拆裝扭鎖的作業(yè)模式和工藝方案也大相徑庭。

1.1 自動(dòng)化雙小車岸橋+機(jī)上中轉(zhuǎn)平臺(tái)拆裝扭鎖工藝模式

在采用雙小車岸橋的自動(dòng)化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)箱(除超限箱、危險(xiǎn)貨物集裝箱以外的所有重箱、空箱和冷藏箱)拆裝扭鎖作業(yè)一般在岸橋機(jī)的中轉(zhuǎn)平臺(tái)上進(jìn)行[4]。

雙小車岸橋機(jī)身上設(shè)中轉(zhuǎn)平臺(tái)，其上配置集裝箱擱置基座、具備安全防護(hù)功能的拆裝扭鎖工人候工間以及可吊裝的鎖頭框，在各類安全保護(hù)裝置和聯(lián)鎖裝置處于安全狀態(tài)時(shí)，工人可在平臺(tái)上預(yù)設(shè)的通道上行走。卸船或裝船作業(yè)過(guò)程中，處于安全保護(hù)狀態(tài)下的拆裝扭鎖工人在候工間、集裝箱擱置基座周邊及鎖頭框之間自由行走，手動(dòng)完成集裝箱4個(gè)箱角上扭鎖拆卸、安裝操作、扭鎖的回收和選配工作等，作業(yè)完成后返回候工間待命。該模式集裝箱運(yùn)行路徑見(jiàn)圖1，中轉(zhuǎn)平臺(tái)典型平面布置見(jiàn)圖2。

圖1 集裝箱運(yùn)行路徑

圖2 典型中轉(zhuǎn)平臺(tái)布置

該模式下，拆裝扭鎖工人與集裝箱自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行軌跡在空間上可實(shí)現(xiàn)完全隔離，能避免軌跡交叉存在的交通事故隱患，在集裝箱全自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)安全運(yùn)行方面具有很好的適應(yīng)性。

1.2 單小車岸橋+地面集中拆裝扭鎖工藝模式

在采用單小車岸橋的自動(dòng)化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)中，集裝箱拆裝扭鎖作業(yè)目前最常用的工藝模式是地面固定式集中拆裝扭鎖模式，標(biāo)準(zhǔn)箱拆裝扭鎖作業(yè)均在碼頭前沿或堆場(chǎng)某固定位置的集中拆裝扭鎖區(qū)完成。

固定式集中拆裝扭鎖區(qū)需設(shè)置在自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備作業(yè)循環(huán)的路徑中。作業(yè)區(qū)內(nèi)通常布置多條集裝箱自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備通行車道，每條車道兩側(cè)設(shè)置人工作業(yè)安全區(qū)域，配置必要的安全崗?fù)せ蚪煌ㄒ龑?dǎo)設(shè)施來(lái)保障人員安全，典型工藝平面布置見(jiàn)圖3。卸船或裝船作業(yè)過(guò)程中，所有載有裝船箱或卸船箱的自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備均需行駛至集中拆裝扭鎖區(qū)指定車道，由車道兩側(cè)安全區(qū)域內(nèi)的工人手動(dòng)完成集裝箱4個(gè)箱角上扭鎖拆卸或安裝操作、扭鎖回收或選配工作等。作業(yè)完成后，載箱的自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備駛離集中拆裝扭鎖區(qū)，繼續(xù)執(zhí)行下一任務(wù)。

圖3 地面固定式集中拆裝扭鎖工藝模式典型平面

該作業(yè)模式具有以下特點(diǎn)：1)固定式拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)需布置在集裝箱自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行循環(huán)的路徑中，對(duì)自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備在碼頭前沿作業(yè)地帶或堆場(chǎng)區(qū)的交通組織要求較高，需特別著重拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)與碼頭前沿裝卸作業(yè)區(qū)之間的自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備的交通流設(shè)計(jì)；2)拆裝扭鎖區(qū)附屬設(shè)施和輔助工具(如扭鎖框)及人員的實(shí)時(shí)調(diào)度作業(yè)會(huì)對(duì)自動(dòng)化作業(yè)區(qū)內(nèi)部交通產(chǎn)生一定的干擾，無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)交通隔離，存在一定安全隱患；3)拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)位置相對(duì)固定，要求所有載有裝卸船箱的自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備都需在拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)與碼頭前沿裝卸作業(yè)區(qū)之間進(jìn)行長(zhǎng)距離行駛，在擁有連續(xù)泊位的自動(dòng)化集裝箱碼頭中，這將對(duì)碼頭前沿車流周轉(zhuǎn)效率甚至裝卸船作業(yè)的整體效率產(chǎn)生一定影響。

以上特點(diǎn)表明，在采用單小車岸橋的自動(dòng)化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)中，集裝箱扭鎖的拆裝工藝模式選擇和方案設(shè)計(jì)相對(duì)更為復(fù)雜。

2 工程概況

廣州港南沙四期自動(dòng)化集裝箱碼頭工程擬建設(shè)4個(gè)5～10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱海輪泊位，沿1 460 m直線岸線布置；12個(gè)駁船泊位沿約984 m折線岸線布置。兩岸線總體上呈現(xiàn)出側(cè)面相鄰且具有一定夾角的空間布局。本工程集裝箱以江海聯(lián)運(yùn)集疏運(yùn)為主，公路集疏運(yùn)為輔，江海聯(lián)運(yùn)集裝箱量占碼頭總吞吐量80%以上[5]。

在充分考慮岸線布置形態(tài)、集裝箱集疏運(yùn)特點(diǎn)和自動(dòng)化裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)等因素的基礎(chǔ)上，該工程采用了“自動(dòng)化單小車岸橋+智能導(dǎo)引運(yùn)輸車(IGV)+自動(dòng)化集裝箱軌道龍門吊”的自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)。為節(jié)省工程造價(jià)，碼頭集裝箱裝卸船作業(yè)選用的是單價(jià)相對(duì)較低、對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)承載力要求也較低的自動(dòng)化單小車岸橋；自動(dòng)化集裝箱水平運(yùn)輸作業(yè)選用多傳感器融合定位方式的IGV，在5G無(wú)線通信模式下，可實(shí)現(xiàn)智能化導(dǎo)航和精準(zhǔn)定位。

自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)在碼頭前沿作業(yè)地帶的工藝布置見(jiàn)圖4。

圖4 碼頭前沿集裝箱自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)斷面

3 新型拆裝扭鎖工藝模式及方案設(shè)計(jì)

3.1 工藝模式

針對(duì)廣州港南沙四期工程碼頭岸線長(zhǎng)、連續(xù)布置泊位數(shù)量多、自動(dòng)化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)采用自動(dòng)化單小車岸橋等特點(diǎn)，結(jié)合前文對(duì)常規(guī)地面固定式集中拆裝扭鎖模式存在問(wèn)題的分析，最終確定采用一種以“地面集中拆裝扭鎖”為基礎(chǔ)，充分利用其特有的自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備智能調(diào)度和電子鎖閉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人-車時(shí)間隔離分流的新型移動(dòng)式拆裝扭鎖作業(yè)模式。

3.2 工藝平面布置

根據(jù)碼頭總平面布置和集裝箱自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，在綜合考量拆裝扭鎖作業(yè)場(chǎng)地寬度要求、輔助設(shè)施調(diào)度便利性、人機(jī)安全性、交通組織合理性等因素的情況下，集裝箱拆裝扭鎖區(qū)域選擇布置在岸橋陸側(cè)軌后方(見(jiàn)圖5)。整個(gè)集裝箱拆裝扭鎖區(qū)域覆蓋了IGV可進(jìn)出碼頭前沿岸橋軌內(nèi)自動(dòng)化裝卸作業(yè)車道的所有必經(jīng)之路，能在水平運(yùn)輸設(shè)備最短運(yùn)行距離內(nèi)完成裝船或卸船流程中所有集裝箱扭鎖的拆卸或安裝作業(yè)。

圖5 碼頭前沿拆裝扭鎖區(qū)域位置

在沿碼頭岸線方向上，整個(gè)拆裝扭鎖區(qū)域長(zhǎng)1 434.75 m；在垂直于碼頭岸線上，整個(gè)拆裝扭鎖區(qū)域?qū)?6 m。為便于IGV能順利從集裝箱拆裝扭鎖區(qū)域順利轉(zhuǎn)入岸橋軌內(nèi)任意自動(dòng)化裝卸作業(yè)車道，或從岸橋軌內(nèi)任意自動(dòng)化裝卸作業(yè)車道轉(zhuǎn)入到集裝箱拆裝扭鎖區(qū)，在結(jié)合IGV運(yùn)行軌跡模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，拆裝扭鎖區(qū)域與岸橋陸側(cè)軌間的距離設(shè)為5 m。

整個(gè)拆裝扭鎖區(qū)域內(nèi)共布置274個(gè)連續(xù)排列的標(biāo)線式安全島，內(nèi)設(shè)移動(dòng)式工人安全操作崗?fù)ぜ跋嚓P(guān)輔助設(shè)施(如扭鎖框)。標(biāo)線式安全島垂直于岸橋軌道，其長(zhǎng)度根據(jù)IGV車身尺寸、2個(gè)20′或1個(gè)40′/45′(1′=0.305 m)集裝箱拆裝扭鎖操作要求等因素確定，與整個(gè)拆裝扭鎖區(qū)域?qū)挾认嗟?，?6 m；其寬度根據(jù)最大輔助設(shè)施(如安全操作崗?fù)ぁ㈡i頭框等)外形尺寸確定，為1.5 m。每個(gè)安全島兩端均設(shè)置識(shí)別編號(hào)。相鄰標(biāo)線式安全島間均設(shè)1條IGV通行作業(yè)車道，車道寬度在綜合考量IGV車身寬度、安全距離以及工人操作距離等因素的基礎(chǔ)上確定為3.75 m。拆裝扭鎖區(qū)域標(biāo)線式安全島及編號(hào)、安全島范圍內(nèi)附屬設(shè)施平面布置見(jiàn)圖6。

圖6 標(biāo)線式安全島及作業(yè)車道布置

3.3 工藝流程

新型拆裝扭鎖工藝模式下，靠泊位置不同的集裝箱船舶對(duì)應(yīng)的拆裝扭鎖區(qū)均不相同。拆裝扭鎖附屬設(shè)施和人員的調(diào)度一般是在集裝箱船舶裝卸船作業(yè)流程開(kāi)始前完成的。當(dāng)集裝箱船靠泊碼頭后，當(dāng)前船舶拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)在沿岸線長(zhǎng)度方向上的位置將根據(jù)集裝箱船舶掃描和識(shí)別所獲取的船頭、船尾位置信息實(shí)時(shí)規(guī)劃確定(見(jiàn)圖7)。系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前船舶裝卸作業(yè)線的數(shù)量確定拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)內(nèi)標(biāo)線式安全島和IGV通行車道數(shù)量(一般4～6條)。

圖7 集裝箱船舶靠泊后拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)

拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)位置和內(nèi)部規(guī)劃信息確定后，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員將根據(jù)手持終端接收到的拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)位置信息、標(biāo)線式安全島編號(hào)信息及系統(tǒng)規(guī)劃的設(shè)施調(diào)度路徑，完成集裝箱扭鎖框和安全崗?fù)さ雀綄僭O(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度和擺放。整個(gè)設(shè)施調(diào)度過(guò)程中，中控將對(duì)規(guī)劃好的設(shè)施調(diào)度路徑實(shí)施電子鎖閉，暫時(shí)禁止IGV穿行。配套設(shè)施調(diào)度和擺放完成后，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員通過(guò)手持終端向中控反饋實(shí)時(shí)狀態(tài)，中控取消IGV電子鎖閉禁行區(qū)。船舶裝卸船作業(yè)流程啟動(dòng)后，IGV載箱通過(guò)作業(yè)車道時(shí)，在標(biāo)線式安全島操作崗?fù)?nèi)候工的操作工人根據(jù)生產(chǎn)指令完成集裝箱各箱角扭鎖的拆卸或安裝作業(yè)，與IGV的運(yùn)行軌跡不產(chǎn)生交叉。

4 新型拆裝扭鎖工藝模式適應(yīng)性分析

新型集裝箱拆裝扭鎖工藝模式在采用單小車岸橋的自動(dòng)化裝卸工藝系統(tǒng)中具有良好的適應(yīng)性，具體表現(xiàn)在：

1)充分利用集裝箱裝卸船作業(yè)流程中不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)可錯(cuò)時(shí)完成的特點(diǎn)，采用智能調(diào)度和電子鎖閉技術(shù)手段對(duì)自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備實(shí)施交通管控，給拆裝扭鎖作業(yè)附屬設(shè)施調(diào)度及人員調(diào)度的準(zhǔn)備和完成留出空間，在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)了人員和附屬設(shè)施調(diào)度與自動(dòng)化水平運(yùn)輸車輛隔離分流，安全性能好。

2)對(duì)碼頭岸線長(zhǎng)、連續(xù)布置泊位數(shù)量多的自動(dòng)化集裝箱碼頭來(lái)說(shuō)，針對(duì)不同靠泊位置的集裝箱船舶規(guī)劃移動(dòng)式的船頭和船尾拆裝扭鎖作業(yè)區(qū)，能大幅度減少裝卸船箱水平運(yùn)輸設(shè)備在拆裝扭鎖作業(yè)環(huán)節(jié)中的運(yùn)輸距離，有利于加快碼頭車流周轉(zhuǎn)效率和裝卸船作業(yè)效率，也能很好地與每條船舶所對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備交通組織相適應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)新型作業(yè)模式實(shí)現(xiàn)了拆裝扭鎖工人與自動(dòng)化水平運(yùn)輸設(shè)備在時(shí)間上的隔離分流，增強(qiáng)了整個(gè)自動(dòng)化集裝箱裝卸工藝系統(tǒng)的安全性和可靠性；

2)新型作業(yè)模式能很好地適應(yīng)自動(dòng)化集裝箱水平運(yùn)輸設(shè)備在碼頭前沿作業(yè)地帶原有的交通流向，交通組織簡(jiǎn)單、易行、可操作性強(qiáng)；

3)與固定式集中作業(yè)模式相比，通過(guò)人員和設(shè)施調(diào)度實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式集中作業(yè)，能有效減少自動(dòng)化集裝箱水平運(yùn)輸車輛平均運(yùn)距，提高碼頭前沿車流周轉(zhuǎn)效率和裝卸船生產(chǎn)效率。