基于地下物流的港區(qū)集裝箱轉運技術研究

摘要：我國港口集疏運存在瓶頸，運輸效率較低。為實現(xiàn)港區(qū)集裝箱的高效快速轉運，文章提出一種基于地下物流的技術方案。該方案在港區(qū)內設置地下站點，通過地下主運輸隧道連接至內陸貨運站，實現(xiàn)海陸間的無縫連接。采用自動導向運輸車，設置精密的車體連接結構、定位系統(tǒng)、運輸控制系統(tǒng)，解決裝載運輸?shù)年P鍵技術難題。同時設計了高精度的裝卸對位系統(tǒng)，保證地面吊機與地下車輛的精確對位。該技術方案可實現(xiàn)全天候的集裝箱快速轉運。該研究為我國港口提供了一種新的集疏運技術途徑，具有重要的工程應用前景。關鍵詞：地下物流；集裝箱轉運；自動導向車；精確定位；運輸控制0

引

言隨著全球貿易方式的改變，集裝箱作為現(xiàn)代化貨物運輸?shù)闹饕d體，其運輸量近十年來快速增長。我國沿海主要港口的集裝箱吞吐量也日益增加，據統(tǒng)計，全國港口在2022年全年完成集裝箱吞吐量3.0億標準集裝箱（Twenty-footEquivalentUnit，TEU）[1]。但目前港口集疏運系統(tǒng)中存在瓶頸，許多港區(qū)分散且直接進出的鐵路不便，主要依靠公路運輸將集裝箱從港口輸送到內陸集貨中心或鐵路貨運站[2-3]。這不僅增加了運輸環(huán)節(jié)，也使得運輸效率較低，甚至公路運輸還易受道路條件、交通狀況等外界因素影響。因此，開發(fā)新型的集裝箱轉運方式以實現(xiàn)快速有效的港區(qū)物流運輸，是當前的重要研究課題。地下物流系統(tǒng)作為一種新興的城市貨運方式，自20世紀90年代在歐美等國家興起[4]。該系統(tǒng)充分利用地下空間資源，采用自動導向車，以集裝箱為基本運輸單元，在地下建設軌道和運輸網絡，可實現(xiàn)高密度和全天候不間斷運作的運輸服務[5]。國內外學者也開始嘗試將該技術應用于港區(qū)間的集裝箱快速運輸。王堅[6]結合上海洋山深水港區(qū)東西港區(qū)集裝箱轉運方式分析，提出了地下集裝箱輸送系統(tǒng)的應用案例。孫飛飛等[7]針對上海外高橋至嘉定線的地下物流系統(tǒng)布局方案，建立綜合運輸網絡優(yōu)化模型，分析了在集裝箱港區(qū)實行地下物流系統(tǒng)的合理性。何凌暉等[8]根據上海外高橋港疏港通道的現(xiàn)狀交通特征和未來交通量，分析了建設地下物流系統(tǒng)對疏港通道的經濟、社會效益。Wiegmans等[9]探討了連接荷蘭斯希波爾航空港區(qū)與花卉拍賣市場間的地下物流系統(tǒng)項目。然而，現(xiàn)有研究更多還停留在地下物流系統(tǒng)的整體規(guī)劃和經濟效益分析階段，較少系統(tǒng)考慮將該技術應用于解決集裝箱在港區(qū)的多式聯(lián)運問題，特別是缺少針對地下高效集裝箱運輸技術本身的研究。因此，本研究提出一種基于地下物流的集裝箱轉運技術方案。該方案利用地下通道和自動導向車實現(xiàn)港區(qū)和貨運站之間的高效運輸，并在車體設計、定位組件、控制系統(tǒng)等方面進行設計創(chuàng)新。研究目的在于探討該技術方案能否提高現(xiàn)有多式聯(lián)運的運輸效率，為我國港口集疏運提供一種新的物流解決方案。1

總體設計方案基于地下物流的集裝箱轉運系統(tǒng)的總體設計目標，是實現(xiàn)港區(qū)與內陸貨運站之間的高效運輸。為達到此目標，需解決車輛連接、精確定位和運輸安全等方面的技術問題。經分析，該系統(tǒng)可采用如下技術方案。1.1

系統(tǒng)布局系統(tǒng)在港區(qū)內設置地下站點，以及連接至貨運站的地下主運輸隧道。港口吊機將集裝箱下放至地下站內的運輸車上，車輛沿導向軌道通過主隧道運送至目的地——自動導向車?？奎c進行卸載。1.2

車輛設計采用電力驅動、無人駕駛的自動導向運輸車作為運輸工具。車體兩端設有精密配合的連接結構，實現(xiàn)多節(jié)車廂連接以運送不同規(guī)格長度的集裝箱。車體底部裝有輪軸及剎車裝置，可沿地下物流平穩(wěn)移動。車頂設有高精度的無線定位系統(tǒng)，實現(xiàn)與地面定位系統(tǒng)精確對位，從而引導吊機準確裝卸。車體內部設置鎖止、限位組件，實現(xiàn)對集裝箱的穩(wěn)定固定。1.3

運輸控制在地下站點及主隧道內設置精準的無線定位系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輛運動狀態(tài)的實時監(jiān)控。運輸過程通過地面控制中心的無人駕駛系統(tǒng)進行控制，可實現(xiàn)車隊組織調度、速度控制等功能。同時設置傳感器監(jiān)測車內集裝箱狀態(tài)，如發(fā)生異常及時制動防止損壞。1.4

裝卸系統(tǒng)地面站點設置基于多點紅外的精密定位系統(tǒng)。吊機吊具裝有配套的定位裝置，實現(xiàn)與地下車輛高精度對位，進行快速裝卸。設置緩沖減震裝置，保證裝卸過程的穩(wěn)定性及安全性。1.5

運輸效率相比公路運輸，地下運輸不受地面交通影響，全天候運轉，運輸速度更快。有效載荷率高，單車可承載1～2個TEU，且多車可編組運行。無人駕駛可實現(xiàn)車隊高密度運輸，可在不增加車輛的前提下大幅提高系統(tǒng)運輸頻次及效率。該總體設計方案可實現(xiàn)自動化、精確化的高效集裝箱地下快速轉運。車輛連接解決了運輸不同規(guī)格長度集裝箱的技術問題；精密定位系統(tǒng)及控制方案保證了裝卸和運輸過程的安全性及效率。該設計可有效利用地下空間資源，大幅提升港區(qū)的集裝箱快速流通能力。2

關鍵模塊功能設計2.1

車體設計根據地下集裝箱轉運的工作環(huán)境和運輸需求，本研究設計了一種新型連接自動導向運輸車體。該車體長度可根據實際需要確定，一般可承載1～2個TEU。車體主要由車架、連接結構、驅動輪軸組成，并設置精密的無線定位系統(tǒng)、集裝箱限位組件等，如圖1所示。2.1.1

車體材質選用考慮隧道受力情況及運輸安全需求，車體材質選用高強度鋼材，表面進行防腐處理。底盤采用箱形焊接結構，確保承載力及剛性。車體顏色考慮周邊環(huán)境設計，便于故障檢測。2.1.2

連接結構設計車體前后兩端對稱設置連接結構，包括連接頭和連接槽。連接頭為鋼制圓柱體。連接槽內設置電動伸縮鎖止機構，實現(xiàn)對連接頭的精確鎖緊。通過連接結構可實現(xiàn)多節(jié)車廂連接，延長有效運輸長度，用于長集裝箱的輸送。2.1.3

驅動輪軸系統(tǒng)車底部前后對稱設置兩個驅動輪軸，每個輪軸裝有兩側獨立驅動的橡膠驅動輪。輪軸通過懸掛系統(tǒng)連接車體，可根據地下軌道微地形進行自適應調節(jié)。輪軸兩端設有電子反饋剎車裝置，實現(xiàn)精準定位?？?。2.1.4

無線定位系統(tǒng)車頂均勻設置多個無線定位天線，實現(xiàn)與地面定位系統(tǒng)的高精度對位。精度可達毫米級，有效解決裝卸時的精確定位問題。無線信號采用專用編碼，避免干擾。2.1.5

集裝箱限位組件在車內頂部設置多個氣動或電磁鎖止裝置，實現(xiàn)對集裝箱的自動鎖緊。同時設置壓力和位移傳感器，監(jiān)測集裝箱在運輸過程中的狀態(tài)，如發(fā)生異?？闪⒓粗苿臃乐苟螕p壞。該車體設計實現(xiàn)了地下環(huán)境中集裝箱的安全穩(wěn)定運輸。車體連接結構可根據集裝箱長度實現(xiàn)靈活組合；精密定位系統(tǒng)和限位組件保證了運輸過程的安全。2.2

定位組件設計精確的定位系統(tǒng)是保證地下集裝箱轉運系統(tǒng)安全高效運作的關鍵。本研究設計了一個基于多點紅外線高精度定位的裝卸對位系統(tǒng)（如圖2所示）。該系統(tǒng)確保了地面吊機與地下運輸車輛的精確對位，其具體設計方案如下。2.2.1

定位原理利用紅外線傳感器的高方向性設計定位系統(tǒng)。在車頂四角設置四個紅外線接收模塊，對應地面吊機吊具設置四個紅外線發(fā)送模塊。當四點紅外線對位時實現(xiàn)精確定位。2.2.2

紅外線接收模塊接收模塊采用聚焦式設計，有效過濾環(huán)境光干擾。設置精密光電轉換芯片，輸出定位信號。加入溫度補償電路，提高工作穩(wěn)定性。采用圓形陣列布置，優(yōu)化信號捕獲面。2.2.3

紅外線發(fā)送模塊發(fā)送模塊采用高功率紅外線發(fā)光二極管并加入聚光發(fā)射透鏡，形成高方向性的紅外線信號。設計緊湊型環(huán)形結構，確保多點發(fā)射信號精確正交。輸出頻率穩(wěn)定，不受環(huán)境影響。2.2.4

信號處理與控制車載定位模塊通過信號處理電路實時檢測多點紅外線接收情況，輸出定位狀態(tài)信號。地面吊機通過PID控制算法，根據定位信號進行三維精確控制，實現(xiàn)與車輛的對位。2.2.5

系統(tǒng)精度經仿真測試，該定位系統(tǒng)在正常工作環(huán)境下，動態(tài)定位精度可達±30mm，滿足高精度自動裝卸需求。系統(tǒng)反應時間<100ms，基本無延遲。該紅外線多點定位系統(tǒng)結構簡單可靠，精度高、穩(wěn)定性強，可適應地下環(huán)境運用。該系統(tǒng)的應用可有效解決集裝箱地下快運過程中的對位問題，提高了轉運系統(tǒng)的自動化水平及工作效率。2.3

數(shù)據采集和控制系統(tǒng)為實現(xiàn)對地下集裝箱轉運系統(tǒng)的監(jiān)控和運輸控制，本研究設計了一套基于智能化技術的數(shù)據采集和遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括車載監(jiān)控設備、站點監(jiān)控設備、運輸控制中心三部分。2.3.1

車載監(jiān)控設備在每節(jié)車廂內設置工控機、傳感器、攝像頭等設備。工控機采集各項車載數(shù)據，通過4G網絡實時傳輸至云服務器。傳感器監(jiān)測車廂環(huán)境及集裝箱狀態(tài)參數(shù)。攝像頭實時傳回車廂圖像。2.3.2

站點監(jiān)控設備在裝卸站點及?？奎c布置電子定位裝置、站點攝像頭等。定位系統(tǒng)向車載設備發(fā)送定位數(shù)據。攝像頭實時監(jiān)控站點作業(yè)情況。所有數(shù)據匯總上傳至云服務器。2.3.3

運輸控制中心建立包括云服務器、運維終端等控制中心，在地面指揮調度運輸車隊。云服務器接收各監(jiān)控數(shù)據，進行存儲處理。運維人員通過終端實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，并下達控制指令。2.3.4

網絡系統(tǒng)利用4G網絡與光纖網絡，建立車載設備與控制中心之間的高速數(shù)據交換通道。數(shù)據傳輸加密，確保運輸過程安全穩(wěn)定。2.3.5

控制方式平時車輛按預設路線和時間自主運輸；針對異常情況，人工遠程控制車輛調度、速度控制等，實現(xiàn)快速響應。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對地下快運系統(tǒng)的全面監(jiān)控管理，車載、站點及控制中心通過高速網絡進行信息交互，為地下無人駕駛集裝箱運輸提供了重要技術保障。3

性能分析評價本研究對所提出的地下集裝箱快速轉運系統(tǒng)進行了多方面分析評價，主要從轉運效率、運輸安全兩方面進行了討論，評價了該方案的優(yōu)勢及效果。3.1

轉運效率分析以上海東海大橋為例，其海上主橋段長度為25km?，F(xiàn)行道路自動駕駛集卡車在該橋段行駛時速可達80km/h，但在惡劣天氣情況下將被限制至30km/h。相比之下，本研究所提出的地下物流運輸系統(tǒng)可設置車速同為80km/h，且不受外界氣候影響，始終保持限速不變。因此，在正常氣候下，兩種運輸方式車輛耗時相近，約為19min；但極端氣候情況下，道路運輸耗時增加至50min，增幅167%，而地下物流運輸耗時保持穩(wěn)定?？梢姡痉桨缚捎行У钟鶒毫犹鞖鈱\輸時間的負面影響，提高系統(tǒng)運轉穩(wěn)定性，這對于保障港口物流的持續(xù)高效運行具有重要意義。3.2

運輸安全性分析地下環(huán)境無法目視裝卸操作，完全依賴定位系統(tǒng)實現(xiàn)集裝箱和運輸車輛的高精度自動對位。若定位偏差過大，將直接導致集裝箱裝卸失敗，影響運轉效率。因此，定位系統(tǒng)精度需要控制在±30mm以內，滿足集裝箱自動對位的技術需求[10]。通過精準定位系統(tǒng)的有效設計和應用，可大幅提升地下快速轉運的整體安全性和可靠性。這是保障地下無人自動集裝箱運輸順利實施的重要技術基礎。4

結

語本研究針對當前我國港口集疏運系統(tǒng)存在運輸效率較低的問題，設計出了一整套系統(tǒng)化的基于地下物流的集裝箱快速轉運技術方案。該方案