考虑混合车流的自动化集装箱码头隔离式车道布置设计

武 彬 吴鹏伟 张 煜 徐 扬

1 天津港第二集装箱码头有限公司 2 武汉理工大学交通与物流工程学院

1 引言

随着我国港口运输的快速发展，ACT(Automated Container Terminal,自动化集装箱码头)凭借智能高效的作业模式引起了越来越多的关注。码头集装箱吞吐量日益增长，加剧了港区内部交通运输压力。合理的车道布局能够实现水平运输设备的流畅通行，加快集装箱运输效率。同时，集疏运效率的提高有利于减少运输设备的数量配置，降低码头建设的资金投入和设备能耗。

目前，国内外学者针对自动化集装箱码头整体布局进行了大量研究。Gupta等利用集成排队网络建模方法研究了不同类型集装箱码头堆场布局，发现采用堆场平行布局方式完成海侧作业所用时间更短[1]。张连钢等对自动化码头总布局进行了研究，给出了堆场垂直布置形式下AGV海侧交换区和陆侧交换区车道布置设计，并利用仿真验证其合理性[2]。王施恩等介绍了洋山深水港四期中堆场垂直布置形式下AGV车道布局，将AGV交接区设置在箱区侧面，降低了共轨ARMG间的干扰[3]。熊玲燕等结合青岛港自动化集装箱码头堆场布局，实现了LAGV(具有举升功能的AGV)交换区的车道设计，降低了运输车辆的等待时间[4]。高延辉等提出了基于双轨轮小车与双回字形平面布置的码头新工艺，减少了双轨轮小车等待时间，实现运输设备高效作业[5]。丁一等仿真评估了一种U型工艺ACT，内设U型车道和直线车道，实现了内外交通分流[6]。以上研究主要涉及自动化集装箱码头的堆场布局，对码头全局车道布置方式研究不够深入，没有考虑在堆场平行码头岸线布置形式下的车道布局问题，不利于自动化集装箱码头交通流的合理组织和车辆路径规划。

现阶段，已投入运营的自动化码头多采用堆场垂直于码头岸线的布置方式，虽然实现了内外车流的分离，但端装卸工艺中ARMG移动距离长、能耗高、互相干扰情况严重，且装卸点少易产生车辆排队拥堵问题，导致码头作业效率低下。堆场平行码头岸线布置常见于传统码头，近些年也出现在自动化集装箱码头，这种布置方式下ARMG移动距离短、能耗低，装卸点多不易堵塞，且有利于传统码头向自动化码头升级改造。

结合中国天津港某在建自动化集装箱码头，提出一种考虑混合车流影响的自动化集装箱码头隔离式车道布置设计。该方式基于堆场平行岸线布置形式，涉及码头前沿、堆场和堆场后方的全局车道布置研究，将码头内外车流进行有效隔离，保证作业安全，提升码头运输作业效率。

2 传统ACT车道布置方式

传统自动化集装箱码头采用“堆场垂直岸线布置+端装卸”工艺，见图1[7]。

图1 传统ACT车道布置方式

AGV作业车道由海侧作业车道、缓冲区车道和陆侧作业车道组成，海侧作业车道为单向车道，供AGV完成与岸桥的运输对接工作；缓冲区车道供AGV转弯、排队等待、让道等；陆侧作业车道为双向车道，间隔布置，供AGV行驶至目标装卸位置。

以卸船模式为例介绍AGV运输作业流程：

(1)AGV沿海侧行驶车道行驶至指定岸桥进行装载作业。

(2)集装箱装载完毕后驶入缓冲区，进行作业次序编排。

(3)依据规划的路径沿AGV陆侧行驶车道行驶至目标位置，进入AGV交换区，完成与ARMG的交接工作。

外集卡作业车道为单向车道，布置在堆场后方。以卸船模式为例说明外集卡作业流程：

(1)外集卡从港区进港闸口驶入，单向行驶至目标装卸区域。

(2)倒车进入外集卡交换区，完成与ARMG的交接工作。

(3)外集卡驶离交换区并沿其作业车道驶离码头。

垂直岸线布置的堆场箱区端部供AGV与外集卡进行装卸作业的位置非常有限，AGV与外集卡均易产生排队拥堵情况，且外集卡倒车进入交换区耗时较长。此外，ARMG移动距离长、能耗高，且同一堆场海侧与陆侧的轨道吊只能在各自区域作业，互相干扰情况严重，影响了自动化码头作业效率。

3 隔离式车道全局布置方式

考虑混合车流影响的自动化集装箱码头隔离式车道布置方式，该种布置方式采用“堆场平行岸线布置+边装卸”工艺(见图2)。

图2 隔离式车道布置方式

港内设置ART(Artificial Intelligence Robot of Transportation，人工智能运输机器人)(见图3)车道和外集卡车道，2种车道分隔，互不干扰。隔离式车道布置形式覆盖码头前沿、堆场和堆场后方3个区域。其中，码头前沿车道由2个部分组成：①岸桥两轨之间作业车道，供ART完成与岸桥的作业对接工作；②非岸桥下作业车道，供ART进行解挂锁、充电、通行和缓冲停车。堆场车道布置分为ART车道和外集卡车道，ART在堆场内沿逆时针方向行驶，外集卡沿顺时针方向行驶，与堆场箱区相邻的车道为作业车道，供ART和外集卡完成与ARMG的交接工作。堆场后方车道为外集卡进港和出港的通行车道。

图3 ART

在隔离式车道布置方式下，港区内外车流实现了有效隔离，集装箱装卸点数量增多，缓解了港区拥堵状况。同时，ARMG移动距离缩短，改善了彼此间互相干扰的问题，提高了装卸作业效率，降低了码头能耗和碳排放。

4 隔离式车道局部布置方式

4.1 码头前沿车道布置方式

码头前沿车道布置方式见图4。

图4 码头前沿车道布置方式

码头前沿岸桥两轨之间作业车道，由海侧向陆侧依次布置1条行政通道、2条超限箱作业车道、5条ART车道，行政通道宽3.25 m，其余所有车道宽3.75 m，均为单向车道。超限箱作业车道用于放置危险品箱、超限箱等，与其他类集装箱分开放置，能够加速危险品箱与超限箱的周转过程并保证安全；超限箱作业车道为外集卡通行作业区，并与相邻的ART作业车道用围栏隔离，保证作业安全。ART装卸作业车道(3条)与超车道(2条)间隔布置，能够加快ART通行效率，降低ART与岸桥的对接时间，此外，ART装卸作业车道与堆场ART纵向车道直接相连，便于ART在岸桥下与堆场区作业的快速衔接。

非岸桥下作业车道，从海侧至陆侧依次布置1条多用途车道、1条解挂锁作业车道、6条解挂锁缓冲车道、4条ART通行车道和1条ART充电车道。其中，多用途车道宽4 m，解挂锁车道宽6.5 m，解挂锁缓冲车道宽4 m，ART通行车道宽3.75 m，ART充电车道宽4 m。

多用途车道用于岸桥的检修、更换吊具或冷藏箱吊箱门时作为逆向车道。

解挂锁作业车道用于进行集装箱解挂锁作业。6条解挂锁缓冲车道由解挂锁超车道(第1、4条)和解挂锁等待车道(第2、3、5、6条)组成，当解挂锁等待车道有ART停车等待时，其他ART可由超车道行驶至合适等待位置，上述解挂锁作业车道、超车道、等待车道的设计能够保证解挂锁作业有序进行，提高作业效率，减少拥堵情况。

4条ART通行车道中，第1、2条车道与第3、4条车道通行方向相反，ART可根据实际情况选择行驶车道；ART充电车道上布置有智能充电桩，供ART进行充电作业。

4.2 堆场车道布置方式

堆场内所有横向车道均为单向行驶，ART与外集卡横向车道通过双悬臂ARMG进行隔离，在堆场内间隔布置。两箱区之间的横向车道布置4条，其中与箱区相邻的2条为作业车道，宽3.5 m，中间2条为超车道，宽3.75 m。堆场内部的纵向车道均为双向车道，每列箱区左、右两侧分别布置4条行驶车道，其中，与箱区相邻的2条车道为ART行驶车道，边缘2条为外集卡行驶车道，宽度均为3.75 m。在堆场内部，ART沿逆时针方向行驶，外集卡沿顺时针方向行驶，不共用车道，实现了内外交通分流，极大提高了各自通行效率。此外，内外交通流的交叉路口设置智能闸口，利用车路协同技术，保证ART的绝对优先通行，同时实现了ART与外集卡的有效隔离(见图5)。

图5 堆场车道布置方式

以ART卸货作业为例，ART在堆场内的通行过程具体为：

(1)ART进入堆场区域后，沿上方2条横向行驶车道行驶，行驶至与目标卸货箱区左侧相邻的通行交汇处。

(2)驶入ART纵向行车道。

(3)由ART纵向行车道驶入ART横向超车道中，靠近指定卸货位时转入内侧作业车道，在作业位上停下并完成集装箱卸载作业。

(4)完成作业后，驶入横向车道外侧的ART超车道，进而驶入所在箱区右侧的ART纵向行车道。

(5)沿ART纵向行车道驶入堆场最上方2条ART横向行车道，并从ART出口驶离堆场区域。

外集卡进入堆场的出入口设置3个，在堆场内部沿顺时针方向行驶，其行驶过程与ART类似。

4.3 堆场后方车道布置方式

堆场后方车道均为外集卡车道，双向行驶，中间以围栏隔开。堆场后方上侧布置1条外集卡行驶车道；围栏上方布置2条出港预车道，之后扩展至4条出港主车道(统称进港车道)，分别设有出港预/主闸口；围栏下方布置3条进港预车道，之后扩至5条进港主车道(统称出港车道)，分别设有进港预/主闸口；在堆场后方左侧区域布置2条车道，分别为外集卡离开码头的出口车道和进入码头的入口车道(见图6)。进/出港预车道和预闸口的设置，便于对外集卡进行登记检查与相关作业手续的交付等；进/出港主车道和主闸口的设置，减少了车辆排队等待时间，加速外集卡进/出港的效率。

图6 堆场后方车道布置方式

外集卡在码头后方行驶过程为：

(1)外集卡通过码头出/入口进入码头，沿进港车道行驶。

(2)驶入最上侧行驶车道后，选择距离目标作业箱区最近的堆场入口，完成堆场相关作业，并从堆场出口离开。

(3)外集卡沿出港车道驶离码头。

5 结语

通过对传统自动化集装箱码头车道布置方式进行分析，在堆场平行岸线布置的基础上，提出考虑混合车流影响的自动化集装箱码头隔离式车道布置方法，详细描述了自动化码头不同区域的车道布置方案，结合图例阐述了ART与外集卡通行过程。由于传统码头堆场大都平行岸线布置，因此隔离式车道布置方式同样适用于传统码头的升级改造。该方法实现了内外车流的有效隔离，可保障作业安全，提高车辆通行效率，降低能耗与碳排放，符合国家建设绿色智能港口的要求。