洋山港四期全自动化集装箱码头总体布置创新

程泽坤，刘广红，何继红

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海　200032）

洋山港四期全自动化集装箱码头总体布置创新

程泽坤，刘广红，何继红

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

结合洋山港四期工程特点以及全自动化装卸工艺模式，围绕着总体布置中需要解决的关键技术问题，提出了相应的创新方法，为全自动化集装箱码头的总体设计奠定了基础，所提出的创新方法可为自动化集装箱码头的设计及规范编制提供参考。

洋山港四期工程；自动化；集装箱码头；总体布置；全自动化模式

0　引言

自动化码头建设是实现港口转型升级、提高核心竞争力和提升港口形象的重要途径。我国沿海主要集装箱港口如厦门港、上海港、青岛港、天津港等陆续开始建设自动化集装箱码头。洋山港四期拟建设成全自动化码头，经综合对比分析，选用了技术较为成熟的“双小车岸桥+自动导引车（AGV）+自动化轨道吊（ARMG）”全自动化工艺模式[1]。本文结合洋山港四期工程特点以及全自动化工艺模式，围绕着港区总体布置中需要解决的几个与自动化有关的技术问题开展研究，提出了相应的创新方法，为全自动化集装箱码头的总体设计奠定了基础，可供自动化集装箱码头规范编制以及工程设计时参考。

1　洋山港四期工程特点

四期工程位于颗珠山汊道以西、东海大桥港桥连接段以南水域，港区陆域形态如图1所示。码头岸线长2 350 m，建设7个5万～7万吨级泊位，码头结构按靠泊15万吨级集装箱船舶设计，年设计通过能力为630万TEU。该工程与国内外全自动化集装箱码头比较，在总体布置上具有以下特点：

1）多泊位连续布置，一次建成。四期工程与已建港区之间由颗珠山汊道分割成为相对独立港区，港区7个大型集装箱泊位连续布置，一次建成全自动化码头，长度2 350m。对于全自动化集装箱码头各功能区合理布局、保障作业效率和安全使用等要求高。

2）港区陆域纵深小，通过能力要求高。四期工程陆域平面形态呈长条形，纵深约为200～640m，年设计通过能力目标设定为630万TEU，陆域纵深的不足将对码头前方作业带布置、自动化堆场布置、堆存容量安排等形成制约，要求总体设计应统筹考虑。

图1　洋山港四期工程港区陆域形态Fig.1　Land form of the port area in Yangshan Por tphase IV project

3）水—水中转箱比例高。洋山深水港区水—水中转比例高达50%，在港区装卸操作中呈现出堆场作业较为集中的特点，自动化集装箱码头总图布置中必须解决该类箱的装卸效率以及与多泊位连续布置匹配问题。

4）自动化程度要求高。四期工程拟建设成为世界最先进的全自动化集装箱码头，7个大型泊位连续布置，一次建成，整体经营。要求主要装卸环节能力应高效匹配、实现无人化操作，以提高自动化程度、装卸安全和降低人工成本，减少排放等。

2　与自动化有关的总图布置问题

全自动化集装箱码头装卸工艺基本模式主要有“双小车岸桥+自动导引车（AGV）+自动化轨道吊（ARMG）”、“单小车岸桥+自动跨运车+自动化轨道吊（ARMG）”[2]，通过综合对比分析，四期工程选用了技术较为成熟、可靠的“双小车岸桥+自动导引车（AGV）+自动化轨道吊（ARMG）”工艺。结合工程特点，采用该全自动化方案必须解决好以下几个问题。

1）前方作业带布置问题。码头前方作业带是决定装卸船作业效率的关键地带，对于四期工程，集合有关安全管理规定，除超重、超限等特种箱及危险品箱需要通过人工水平运输至专用堆场外，其余箱均通过AGV进入自动化堆场，因此，针对多泊位连续布置自动化集装箱码头需合理布置前方作业地带功能区，避免自动化作业和人工作业相互干扰，提高装卸船效率。

2）自动化堆场工艺布置问题。堆场布置是四期工程总体布置的核心，在陆域纵深不足条件下应扩大堆场规模、实现密集堆垛、提升堆场通过能力、突破陆域狭窄对通过能力的制约。同时，相应的还必须解决多泊位连续布置以及水—水中转比例高等导致的海侧陆侧堆场设备作业量不均衡问题，以及自动化集装箱堆场内冷藏箱区布置问题等。

3）闸口布局与交通组织问题。本工程陆域长条形特征以及港区装卸作业还存在外集卡和内集卡的水平运输设备运行，因此必须解决好进出港闸口布置、非自动化集装箱堆场布置、自动化堆场与集卡的交换区布置和交通组织问题。

4）AGV相关设施布置问题。AGV是四期工程的自动化水平运输设备，负责自动化堆场与岸桥之间的水平运输，相关设施布置包括提升式AGV与自动化堆场间交换区的布置，以及AGV维修、测试和AGV电池更换站的布置等问题。

3　洋山港四期工程总体布置

四期工程港区主要功能区包括：泊位、码头前方作业地带、自动化集装箱堆场和特殊箱堆场、生产及生活辅助区、闸口区、港外辅助区等功能区。受陆域条件的制约，设计以尽可能扩大自动化集装箱堆场的规模为原则[3]，结合港区总体布置需要面对的几个与自动化有关的问题，经反复论证，设计的港区总体布置详见图2。

3.1码头前方作业带

四期工程除部分超限箱等特种箱和危险品箱采用人工进行装卸外，其余箱均采用自动化装卸，码头前方作业带应划分为自动化作业和人工作业区，以避免自动化作业和人工作业相互干扰。码头采用双小车岸桥，前小车采用人工确认方式装卸船，后小车为自动化完成平台与AGV之间的集装箱垂直运输，因此，设计以岸桥陆侧轨道为界，陆侧轨后方为自动化作业区，依次布置装卸区、缓冲区和行驶区。

图2　港区主要功能区布置Fig.2　M ain functional region layoutof the port

装卸区车道成对布置，相互之间布置1条穿越车道；行驶区车道采用双向间隔布置，位于陆侧1条车道宽度需满足AGV转向进入堆场的空间需要；AGV在装卸区完成装卸后经穿越车道转弯进入缓冲区排队，然后根据控制系统的指令进入相应的行驶车道和指定箱区。岸桥轨内为人工作业区，布置舱盖板和人工车辆通道，实现特种箱的装卸船作业。码头前方作业地带宽度确定为120m，其余参数见图3。该前方作业带布置形式交通顺畅，装卸安全。

图3　码头前方作业地带布置断面图Fig.3　C ross-section layoutof thework area in frontof term inal

3.2自动化集装箱堆场

自动化集装箱堆场用于堆放普通空箱、重箱、冷藏箱和13.7 m箱（45 ft箱），占到港区箱总量的95%以上。堆场垂直码头布置，每条箱区ARMG双机配置，海侧ARMG主要负责与装卸船流程相关的作业，陆侧ARMG主要负责与港外集卡提送箱相关的作业。按照“尽可能扩大自动化集装箱堆场的规模”以及“堆场箱区布置应使海侧设备能力与岸桥能力匹配”的原则，共布置61条箱区，其中悬臂箱区20个，无悬臂箱区41个，轨距为31 m，轨内布置10列箱，地面箱位达 28 241 TEU，悬臂箱区箱位约占自动化堆场总箱位1/3。该布置较好地解决了堆场容量最大化以及海侧设备能力匹配的问题，通过能力满足630万TEU需求。

1）基于水—水中转比例高达50%的特点，四期工程自动化堆场对陆侧和对海侧作业将呈现明显的不均衡性。因此，自动化堆场采用了无悬臂、单侧悬臂ARMG箱区混合布置的方式，自动化集装箱堆场平面布置见图4。无悬臂箱区仅有海侧ARMG可实现对海侧作业，而单侧悬臂箱区因AGV可进入箱区内部，故海、陆侧ARMG均可实现对海侧作业，从而适应了海、陆侧作业量不均衡的难题。

图4　自动化集装箱堆场平面布置图Fig.4　Layout of the autom ated container yard

2）AGV交换区的布置满足“海侧ARMG检修+陆侧ARMG对AGV作业”的需要，长度为39.3m，区域内并排设置5个AGV支架。AGV交换区布置详见图5。

3）陆侧交换区的布置满足“陆侧ARMG检修+海侧ARMG对集卡作业”的需要，同时满足集卡倒车入停车位的空间距离需要。无悬臂箱区集卡交换区长度为41.3m，区域内并排布置5个集卡停车位。单侧悬臂箱区ARMG轨内布置2个集卡停车位，交换区的长度取41.3 m；在悬臂下布置1个集卡停车位，交换区取54.3 m，当陆侧ARMG在交换区端部检修位时，可由海侧ARMG通过悬臂下的停车位完成作业。详见图6。

图5 AGV交换区布置图Fig.5　Connection area layout of AGV

图6　集卡交换区布置图Fig.6　Connection area layout of container truck

4）冷藏箱采用“相对集中”布置，位于悬臂箱区，在ARMG跨内列位方向冷藏箱与普通箱混合布置，考虑了作业效率、装卸箱的集中度，解决了自动化堆场为无人化作业、而冷藏箱装卸过程中需要有人员进入箱区进行电源插拔操作的问题，确保了人员安全。见图7。

3.3非自动化箱区布置

考虑港区交通组织以及场地情况，在自动化堆场北侧东部不规则地块布置2块超限箱堆场，采用电缆卷筒供电方式的ERTG作业，用于堆放超高、超宽、超长及超重货物的平板箱、框架箱等特种箱。利用自动化堆场西侧地块布置危险品箱堆场，远离人员集中的生产管理区，并处于生产管理区夏季常风向的下游。危险品箱堆场采用电缆卷筒供电方式的ERTG作业。非自动化箱区的布置与港区集卡单向流入一致。

3.4闸口布局及交通组织

四期工程陆域狭窄，后方紧贴东海大桥，进、出港闸口采用分开布置，分别布置于港区陆域的东、西两端，采用了“东进西出”的进、出港闸口布置，适应场地条状特点，外集卡与内集卡港区内逆时针流向一致，在港内单向行驶，与封闭的自动化集装箱堆场陆侧提、送箱流程也一致，道路占地面积小，港区内外交通组织简单顺畅。

进港闸口总体布置采用“预检、分流和放行”三级进港智能闸口布置方式，一级道口为门架式结构，位于进港辅道中部，用于读取车辆信息；二级、三级道口联合布置，根据一级道口识别信息，二级道口对进港车辆进行分流处理，一部分由第三级道口进入港区，另一部分进入港外停车场临时等待或补录信息。进港闸口布置详见图8。港外集卡停车场可对进港车辆形成缓冲，当突遇进港车辆集中到港时可作为进港车辆的蓄车池，以减少进港闸口的通行压力和车辆排队对东海大桥通行的影响。同时，港外集卡停车场内设置1座管理站，可对信息不全的进港车辆进行相关处理，处理完后再进港。

港内交通采用单向大循环的组织方案，交通流为同向交汇，冲突点少。应用德国PTV公司的VISSIM仿真软件平台，对港区范围内的路网交通运行状况进行模拟，结果表明，四期工程港外交通流线清晰，车均延误时间较短，平均停车次数较少，交通状况良好；港内交通顺畅，交通状况优良。

图8　进港闸口及港外停车场布置示意图Fig.8　Layoutof theentrancegate in the portand the parking area outside the port

3.5AGV相关设施布置

AGV修理棚、测试区、电池更换间等相关设施布置需要与自动化作业区无缝衔接，布置在港区东侧临近自动化堆场。AGV可自动行驶至AGV电池更换站进行电池更换，布置上采用穿堂式布置，可解决大型自动化集装箱码头AGV电池更换站交通流量集中的问题，大幅减少AGV排队的等待时间，提高AGV的电池更换效率，减少对码头前方作业地带的交通影响。

机修区布置详见图9。

图9　机修区布置示意图Fig.9　Layoutof themechanical repair area

AGV故障车行驶至AGV修理棚西侧交互区，再转至人工遥控模式行驶至AGV修理棚进行修理。完成修理后，AGV进入测试区进行测试，合格后再进入自动化作业区正常作业。对于故障较为严重、无法自动驾驶的AGV，将由工人通过正面吊吊装至平板车，由平板车运输至机修区进行修理。机修区内设置吊具转运支架，海侧ARMG的故障吊具由AGV运送至机修区的吊具转运支架，再由工人通过正面吊将支架上的吊具取下后送至机修车间进行修理。通过在3个区域的交接处设置“交互区”，实现了AGV测试区、维修区和机修区集约化的联合布局，便于AGV在不同功能区间的运行方式切换，简化了工作流程，最大程度地集约化利用场地，适应安全管控要求。

4　洋山港四期工程总体布置创新

1）基于“双小车岸桥+自动导引车+自动化轨道吊”全自动化工艺模式，码头前方作业地带的人工作业区安排在岸桥陆侧轨道前方区域，将自动化作业区安排在岸桥陆侧轨道后方区域，避免二者作业相互干扰，即适应自动化封闭作业的安全要求，同时港区交通组织顺畅，作业效率高，所提出的布置方式可供类似工程设计时参考。

2）针对大型集装箱枢纽港水—水中转比例高、干支线船舶混合作业、海侧陆侧作业量不均衡等因素，设计了自动化集装箱堆场无悬臂、单侧悬臂自动化轨道吊混合布局模式。该模式与国外典型自动化堆场所采用的单一轨道吊堆场布局模式相比，根据水—水中转比例，合理布置2种形式轨道吊的不同比例的混合布局，解决了堆场海陆侧轨道吊作业量的不平衡、海侧装卸系统效率对船舶大型化的适应性差等问题。该布局模式可通过各式轨道吊的比例调整，应用于不同特点的全自动化集装箱码头，具有广泛的推广前景。特别适合于多泊位连续布置、水—水中转比例高、干支线船舶混合作业、海侧陆侧作业量不均衡等自动化集装箱码头的堆场布局。

3）结合陆域及港外交通条件，提出了“东进西出”的分离式闸口布局，减少港外集卡在港内行程，与港内集卡流向一致，交通组织简单、顺畅，用地省。基于全自动化集装箱码头作业对外来车辆的信息质量要求高、自动化堆场蓄车能力低的特点，设计了“预检、分流和放行”三级进港智能闸口布置新模式，并在分流闸口和放行闸口之间设置具有车辆调峰、调箱门、称重及冷藏箱预检等功能的港外集卡缓冲停车场，加强了进港车辆的管理，大大缓解了港内交通压力，提高了港区对外服务质量和作业效率。

4）根据无人驾驶的AGV有关的自动化运行区、维修区和测试区的运行方式不同的特点，设计通过在3个区域的交接处设置“交互区”，实现了AGV测试区、维修区和机修区的联合布局，解决了人机混合作业、自动与非自动运行模式转换的安全问题，更好地满足安全管控要求。针对大型自动化集装箱码头AGV电池更换站交通流量集中的特点，设计的穿越式AGV电池更换站布置模式，大幅减少AGV排队的等待时间，提高了AGV的电池更换效率，减少了对码头前方作业地带的交通影响。

5）针对位于自动化堆场内的冷藏箱箱区布置，设计了一种轨道吊跨内列位方向冷藏箱与普通箱混合布置形式，具有布置相对集中，兼顾海、陆侧作业效率和辅助作业人员进出便利的特点，尤其适应于多泊位连续布置，可有效解决自动化程度、作业安全、管理效率和交通组织等问题。

5　结语

结合洋山港四期多泊位连续布置一次建成要求，以及全自动化工艺模式、集装箱水—水中转比例高等特点，围绕着自动化集装箱港口总体功能布局、码头前方作业带、自动化堆场、冷藏箱箱区布置、与AGV设备有关的功能区布置以及闸口和港区交通组织等与自动化码头总体布置有密切关系的问题开展研究，设计所提出的创新思想和创新技术可供制定集装箱自动化码头设计规范以及类似工程设计时参考。

[1]中交第三航务工程勘察设计院有限公司，洋山深水港区四期工程建设指挥部.上海国际航运中心洋山深水港区四期工程全自动化集装箱码头总体布置研究[R].2016. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Directorate for Construction of Yangshan Deepwater Port Phase IV Project.Research on general layout of fully-automated container terminal of Yangshan deepwater port phase IV project in Shanghai international shipping center[R].2016.

[2]中交第三航务工程勘察设计院有限公司，洋山深水港区四期工程建设指挥部.全自动化集装箱港口总体布局模式研究[R]. 2016. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Directorate for Construction of Yangshan Deepwater Port Phase IV Project.Research on general layoutmode of fully-automated container port[R].2016.

[3]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.洋山深水港区四期工程初步设计[R].2014. CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.Primary design of Yangshan deepwater portphase IV project[R].2014.

Innovation on general layout of fully-automated container term inal in Yangshan Port phase IV project

CHENG Ze-kun,LIUGuang-hong,HE Ji-hong
（CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

Based on the characteristics of Yangshan Port phase IV project and the mode of fully-automated handling technology,we developed some innovationmethods to dealwith the key technicalproblemson the general layoutof this project, which laid a foundation for the general design of fully-automated container term inal.The innovation methods can provide the references for the design and code compilation of fully-automated container terminals.

Yangshan Port phase IV project;automatization;container terminal;general layout;fully-automated mode

U652.72；U656.135

A

2095-7874（2016）10-0001-07

10.7640/zggw js201610001

2016-07-01

2016-08-24

程泽坤（1966—)，男，安徽六安市人，博士，教授级高级工程师，总工程师，从事港口与航道工程设计、咨询、科研和技术管理工作。E-mail：chengzk@theidi.com