金隅平谷智能化物流园平面布置和智能化方案研究

阎美好

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 站场设备设计研究院，北京 102600)

1 概述

随着大数据、人工智能、5G等新一代信息技术在物流行业的深度融合和规模化应用[1]，现代物流业进入了智慧物流、低碳物流时代[2]，作为物流业发展主要载体、供应链链条重要运营环节的物流园，其智慧化、绿色化发展成为必然趋势。

作为国内特大型消费城市和首先提出减量发展的城市，北京对于物流产业的需求有其自身的特殊性，提出构建“安全、高效、智慧、绿色”的物流系统[3]。根据目前北京市公转铁的政策要求，矿建材料成为公转铁的重要目标对象，而平谷区具有向内连接首都消费市场、向外紧邻河北省生产制造腹地及铁路连接天津港、唐山港的区位优势。为满足运输结构调整和首都经济社会发展需要，充分发挥平谷区区位优势，助力京平公转铁综合物流枢纽产业园打造为公铁融合的一级绿色枢纽、服务首都的物资供应基地、辐射京津冀的商贸流通中枢以及具有示范效应的数智物流产业生态，应加快金隅平谷智能化物流园平面布置方案和智能化方案研究。

铁路作为物流运输的主要方式之一，为顺应时代变化、加速向现代物流转型，自动化和智能化成为其当前的主攻方向。目前集装箱场站中智能化水平发展迅猛的当属港口码头，以青岛港为代表的全自动化集装箱码头采用“自动化双小车岸桥+自动导引车+自动化轨道吊”的全自动化装卸工艺，除陆侧对外集卡作业需人工安全确认外，其余均实现自动化，突出表现为集装箱自动化装卸工艺及智能化自动化的控制系统[4]。铁路物流园是铁路提供现代物流服务的重要载体，为实现铁路物流园智慧化转型，近年来，学者们充分借鉴港口码头经验，主要从设施设备、信息平台、运营管理等方面针对铁路货运场站智能化进行了相关研究。易小浪等[5]从发展对策入手，提出铁路智慧化转型应基于智能化技术驱动，将智能化装备和系统融入仓储、运输、配送等各环节，如自动导引运输车、自动分拣系统、智能监控系统、智能门禁系统和智能货运生产系统等，发挥整体合力，实现无人化作业；刘启钢等[6]从信息管理需求入手，重点研究了智慧园区信息管理平台各项关键技术，以实现园区信息互联互通、开放共享；唐浩等[7]从运营管理体系入手，设计出一套基于平台、系统、交互接口、终端感知的铁路物流基地智能化运营管理体系架构，以提升园区运营水平。此外，以义乌西物流基地和太原中鼎物流园为代表的铁路物流园正积极开展园区智能化建设和运营探索，目前主要在龙门吊远程控制等方面取得一定进展。但从整体来看，铁路物流园智能化转型还处于初期探索状态，与货运高质量发展仍然存在一定差距。在理论技术研究层面上，目前的研究成果主要集中在智能化信息平台构建，缺少与智能化技术相适应的园区平面布局方案及实例研究；在实践应用方面，以5G技术、云计算平台、人工智能等为代表的智慧技术还未深入融合铁路物流生产全过程，智能终端还未全面嵌入铁路物流生产各环节，缺少智能技术赋能物流园的工艺流程等相关研究。

研究以金隅平谷智能化物流园为例，统筹考虑园区作业、运营等实际需求，从平面布局方案、智能化平台功能模块、智能化技术赋能物流组织等3方面展开铁路物流园智能化建设方案研究，以期为后续铁路物流园智能化方案设计提供相关借鉴经验。

2 金隅平谷智能化物流园平面布置分析

2.1 功能分区

金隅平谷智能化物流园位于马坊站南场西北侧，依托马坊站南场构建快速物流体系，以实现货物的快速运输及中转。马坊站南场到达矿建材料(集装箱装载形式)分为2个去向：一是通过社会新能源集卡从南场直接运输至企业；二是通过集装箱智能导运车(IGV)或自备电动集卡倒运至金隅平谷智能化物流园暂存，后续通过社会集卡再转运至企业。根据园区功能需要和用地条件，园区规划形成综合服务区、仓储堆存区和设备检修区三大功能区。

（1）综合服务区。包括综合办公区、生活服务区和换电区。该功能区作为园区运营管理中枢，主要提供配套的综合服务、总部办公、商务办公、信息、咨询等功能。综合服务区设生活服务区，包括员工宿舍和食堂，为园区员工提供住宿、餐饮、间休等日常服务；配置换电站，服务新能源集卡绿色运输。

（2）仓储堆存区。包括集装箱堆存区、仓库及环形道路。该功能区主要承担物流园区货物堆存及装卸功能，是园区的核心作业区。集装箱到达马坊站南场后，通过IGV快速转运至物流园，根据货物品类及去向运至相应堆存区堆存。另设仓库1座提供应急物资等多品类货物储存功能，为首都提供安全可靠的应急物资保障。

（3）设备检修区。主要承担机械设备的养护、暂存及维修功能，以及生产生活设施所需配套电力、给水及消防等功能。

2.2 平面布置原则

物流园平面布置方案是决定基地能否高效、可持续运行的关键要素，布置方案研究一般基于功能区规模、机械装备配置、工艺流线衔接、内外交通组织等内容。由于金隅平谷物流园融入了智能化、绿色化理念，研究园区空间规划布局需统筹各类智能化设施设备作业关联性[8]、货流流线组织及疏导[9]等因素。考虑到目前智能化铁路物流园建设可借鉴的项目较少，需充分借鉴港口码头平面布置经验[10]，以实现功能分区、工艺衔接、设备配置等之间的相互匹配与协调。根据智能化园区规划需求，按照载运工具(新能源集卡和IGV)和装卸设备(轨道式集装箱门式起重机)技术运营特点，结合货流条件、作业流程及作业场地条件要求，着重考虑以下平面布置原则。

（1）门区设置原则：①为保证内部车辆行驶通畅和安全性，应将园区和马坊站南场的集卡门区和IGV门区分开设置；②集卡入口和出口宜分开设置或进出路径分车道，实现集卡单向行驶，尽可能避免进出园区或南场的车流相互干扰；IGV可双向行驶，出入口可合设。

（2）内部通道设计原则：①为提升作业效率，园区道路宜按功能分为走行通道和装卸作业通道，2种车道相互独立设置；②为保证车辆安全行驶，园区道路宜按车型分为集卡通道和IGV通道，实现集卡和IGV通道分隔，减少相互干扰。

2.3 平面布置方案比选

2.3.1 方案说明

（1）方案Ⅰ：装卸作业位于智能门吊边侧作业方案。堆场采用双悬臂龙门吊，两侧悬臂下分别设IGV、集卡装卸作业通道，相邻堆场共用水平运输通道，实现IGV、集卡分区域装卸作业(即集卡从集卡作业侧进入后，沿对应运输通道行驶至龙门吊旁侧的作业点，待装卸作业完成后，沿集卡运输通道驶出；IGV从IGV作业侧进入后，沿IGV直线运输通道行驶至龙门吊旁侧的作业点，待装卸作业完成后，掉头沿直线运输通道原路返回)。方案Ⅰ平面布置示意图如图1所示，方案Ⅰ南北方向剖面示意图如图2所示。

图1 方案I平面布置示意图Fig.1 Plane layout of scheme I

图2 方案I南北方向剖面示意图Fig.2 North-south profile of scheme I

（2）方案Ⅱ：装卸作业位于智能门吊端部作业方案。集装箱堆场两端分别设IGV交换区、集卡交换区，实现IGV、集卡分侧装卸作业(即IGV、集卡到达交换区后，龙门吊在交换区分别完成IGV侧、集卡侧的集装箱装卸作业，从堆场抓取集装箱装载至IGV或集卡上或将集装箱卸载至堆场，实现堆场集装箱分侧装卸作业)，其中IGV交换区负责完成IGV交付或接收集装箱；集卡交换区负责完成集卡交付或接收集装箱。方案Ⅱ平面布置示意图如图3所示。

图3 方案II平面布置示意图Fig.3 Plane layout of scheme II

2.3.2 方案比选

（1）方案Ⅰ优缺点分析。在方案Ⅰ中，集卡、IGV运行距离稍长，但堆场两端集卡、IGV交通分流，且集卡单向行驶、无需倒车，由南侧集卡入口进入行驶至西侧集卡出口离开，交通组织简洁。同时，堆场内双悬臂龙门吊可以为行驶至堆场内两侧车道上的集卡和IGV提供“点到点”双侧装卸服务，有效减少门吊往复移动及门吊间作业冲突，降低门吊作业负载和设备损耗。

（2）方案Ⅱ优缺点分析。在方案Ⅱ中，集卡、IGV运行距离短，箱区可以将IGV侧装卸作业和集卡侧集疏运作业隔离；但由于集卡和IGV只能行驶至堆场端部，该方案将完全依赖龙门吊往复移动来实现集装箱搬运，门吊负载重、消耗大；另一方面，集卡通过倒车进入门吊端部交换区耗时长且难操作，易对其他通行车辆造成影响；此外，由于共轨运行的2台轨道吊作业的空间相互制约，易发生冲突。

综上所述，方案Ⅰ作业弹性灵活，能够更好地发挥设施设备的作业性能，进一步提升园区作业效率与能力，研究推荐装卸作业位于智能门吊边侧作业方案(方案Ⅰ)。根据园区用地条件及总体布局，综合服务区和堆存区分别位于园区西侧和东侧，其中堆存区分设IGV及集卡作业区，采用U型工艺流线，集卡作业采用分车道单方向循环，IGV作业采用分车道双方向循环，集卡出入口和IGV出入口分开设置，可实现内部交通和外部交通的分隔。

3 金隅平谷智能化物流园智能化方案

3.1 智能化平台功能模块构建

智能化信息平台是决定园区能否自动化、智能化运行的关键要素。通过构建人、机、物、数据全面互联的新型数字化物流基础设施设备网络，打造物流园区智能联通系统，实现对外部环境的全阶段智能响应，达到实时感知、协同交互、智能反馈、智慧运行。考虑到金隅平谷智能化物流园依托马坊站南场构建快速物流体系，因而统筹设计物流园与马坊站南场智能化方案。充分借鉴港口智能化运营经验和本次物流园智能化设施设备选型(载运工具选用新能源集卡和IGV，装卸设备选用轨道式集装箱门式起重机)，针对物流园和马坊站南场搭建一套集装箱场站智能化装卸作业调度指挥系统。该系统对内根据功能需要下设龙门吊远程控制系统、IGV平面运输系统、智能门禁系统、智能监控系统、客户服务APP，对外预留与铁路既有货运管理系统、社会数字物流平台等外部系统的接口，各系统之间通过无线或光纤通信将信息指令传输至调度指挥系统进行综合分析处理[11]，以实现金隅平谷智能化物流园和马坊站南场自动化、智能化运行和管理。金隅平谷智能化物流园智能化平台功能模块框架图如图4所示。

图4 金隅平谷智能化物流园智能化平台功能模块框架图Fig.4 Functional module frame diagram of intelligent platform of Pinggu intelligent logistics park of BBMG

（1）集装箱场站智能化装卸作业调度指挥系统。该系统是园区智能化运营的大脑，负责采集、处理内外系统技术指令，实现列车到发管理(铁路既有系统传递指令)、货物装卸管理、箱场作业调度管理、查询统计管理、数据交换等。该平台具体包含2个功能模块。①集装箱运输管理信息系统。该模块主要实现作业调度指挥，将采集的内部子系统数据和外部铁路既有货运管理系统及社会数字物流平台等数据进行集中储存、分析处理后，下达作业指令，实现对园区和马坊站南场全面动态管理。其具体功能包括作业指令处理及智能分配、集装箱业务预约受理、进出场管理、查询分析、集装箱箱号自动跟踪识别、门吊数据采集、集装箱定位。②智能仓储管理系统。该模块主要实现对园区和马坊站南场货区货位智能检测、图形化展示仓储设施及占用状态、仓储智能作业计划等功能。

（2）龙门吊远程控制系统。该系统由门吊远控和列车定位2个子系统构成。①门吊远控系统。该系统主要可以实现操作司机在控制室内利用远程操作台远程操控龙门吊进行半自动作业，实现装卸现场无人化。②列车定位系统。主要是在粗定位的基础上，根据作业计划在装卸箱时通过门吊激光扫描仪对列车进行精确定位。

（3）IGV平面运输系统。该系统主要实现对园区内IGV自动调度和控制、对车辆和货物数据实时跟踪、车辆故障报警，由自动化无人车辆调度平台和交管执行系统构成。①车辆调度平台。平台通过处理调度指挥系统的指令来调配相关任务和路径规划。整个系统功能包括车辆状态监控、任务调配、路径管理、接口扩展，以及远程控制。②交管执行系统。该系统是为保障IGV在进出不同区域，使用公共道路时的安全运行，通过向区域交通管制执行单元发送命令改变信号和限行设备的状态。

（4）智能门禁系统。该系统主要实现对进入园区的集卡或IGV进行车牌号识别、集装箱号识别、人员身份信息自动识别、电子道闸自动控制、LED显示等功能，通过自动化手段快速、准确地采集箱、车、人的出入信息并上传至系统服务器，实现快速通行和自动出入控制。

（5）智慧监控系统。该系统主要对园区内人员、设施、车辆、道路、建筑、集装箱场等单位进行监控。

（6）客户服务APP。为客户提供多种线上货运服务，APP通过与多个子系统模块数据互动，完成客户从提报需求至货物签收的全流程货运服务，有效节约客户成本，提升物流园区服务质量，提高货运生产作业效率。

3.2 智能化技术赋能物流组织

以集装箱班列抵达马坊站南场，集装箱通过自备集卡或IGV运输至金隅平谷智能化物流园暂存，最终通过集卡转运离开的流程为例，对智能化技术赋能物流组织进行流程详述。智能化技术赋能金隅平谷智能化物流园和马坊站南场物流组织示意图如图5所示。

图5 智能化技术赋能金隅平谷智能化物流园和马坊站南场物流组织示意图Fig.5 Intelligent technology-enabled logistics organization of the Pinggu intelligent logistics park of BBMG and the south yard of Mafang station

（1）列车到站：集装箱运输管理信息系统根据铁路系统提供的数据确定大致列车定位、列车车厢信息、集装箱信息等，将集装箱到站信息发送至自备集卡/IGV。

（2）集装箱卸载：列车停稳后，列车定位系统根据铁路既有列车调度指挥系统中采集的列车粗定位信息、装车信息和作业计划，传输至集装箱运输管理信息系统，通过龙门吊远程控制系统操控龙门吊走行至相应位置，安装于门吊主梁上的激光扫描仪扫描集装箱轮廓信息进行列车集装箱精确定位，确定集装箱在场站的具体点位坐标，将待卸箱坐标信息反馈至集装箱运输管理信息系统。

（3）门区扫描进场集卡/IGV信息：智能门禁系统通过“射频识别+视频识别”方式通过车牌识别装置扫描自备集卡/IGV车牌号或相应信息与系统后台数据进行比对，门卫系统数据比对成功道闸自动放行，并将需要取送的箱位信息及路线通过引导屏或给集卡车辆卡片，指引集卡去往箱场指定位置取箱；IGV小车接收车辆调度平台的指挥，通过北斗惯导及三维激光雷达进行高精度定位，在转运过程中根据预先输入的地理信息系统坐标地图，结合激光同步定位与地图构建技术，自主规划路线，高精度停车。

（4）集装箱装载至集卡：IGV小车行驶至相应位置后，反馈定位信息至车辆调度平台；集卡行驶至相应位置后，安装于门吊横梁上的激光扫描仪扫描集卡轮廓信息，进行集卡高精度定位。结合定位信息，集装箱运输管理信息系统发送作业指令至龙门吊远程控制系统进行具体点位的装卸，装卸完成后将集装箱作业数据更新至智能仓储管理系统中，完成作业。

（5）门区扫描出场集卡/IGV信息：放箱完成后，吊具上升到安全高度，提示集卡/IGV离开，门禁识别离场集卡/IGV车辆和所取货物信息，并上传至系统比对正确后放行。

（6）门区扫描入园自备集卡/IGV信息：系统流程思路同步骤(3)。

（7）集装箱卸载至堆场：系统流程思路同步骤(4)，集装箱运输管理信息系统将集装箱到园信息发送至收货人。

（8）门区扫描出园自备集卡/IGV信息：系统流程思路同步骤(5)。

（9）司机预约进园取货时间：由司机或企业在APP上预约进园取货时间，集装箱运输管理信息系统处理预约信息，确认后发送给司机。

（10）门区扫描入园社会集卡信息：系统流程思路同步骤(3)。

（11）集装箱装载至社会集卡：系统流程思路同步骤(4)。

（12）门区扫描出园社会集卡信息：系统流程思路同步骤(5)。

4 结束语

金隅平谷智能化物流园基于智能化技术驱动实现园区智慧运行，园区建成后，将成为服务于平谷区及首都副中心建材需求的智慧型铁路港和北京区域建材产品区域配送的交通运输结构调整示范基地，对提升北京现代物流服务水平、实现物流领域转型升级、促进矿建等行业高质量发展进而带动区域经济产业发展具有重要意义，园区建设方案也为后续铁路智慧物流园设计提供重要参考价值。