地下集装箱运输系统车辆制式选型研究

黄瑞达

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

集装箱港口大多依城而建，在地理区位上都与城市高度重叠。目前，由于港口公路运输比例过高带来的地面道路拥堵、环境污染等一系列问题，以集卡车为主的货运交通极大地影响了城市道路的服务水平和通行能力，导致港口城市交通及环境日益恶化［1］。针对上述问题，笔者提出了将货物运输转移至地下，实现集装箱专有路权的一种运输系统，即地下集装箱运输系统［2］。

以往地下集装箱运输系统的研究中，着眼于建设必要性、需求分析和线路方案研究，对系统总体运输方案研究较欠缺。从整个系统上看，不同的制式、运输组织、运输量、建筑与结构形式等均存在较大的不同，这方面的研究尚未开展。因此，本文着眼于车辆制式选型研究，填补之前相关研究中的空白。

1 地下集装箱运输系统的总体方案

地下集装箱货运系统主要有两大子系统组成，即垂直吊装运输子系统和自动化运输子系统。考虑到港区用地较一般更为集约，往往无法使用较长的展线（敞开段）将地面集装箱送至地下，因此，提出垂直吊装运输子系统，以节省港区用地。为提升集装箱在地下运输效率和可靠性，同时提出用于地下的自动化运输子系统。地下集装箱运输系统如图1所示。

图1 地下集装箱运输系统示意图Fig.1 Schematic diagram of underground container transportation system

2 研究意义

地下集装箱运输系统的车辆制式选型的实质是以制式比选为切入点，从整个系统的角度优化整体方案。以本课题依托的上海外高桥—嘉定地下集装箱运输通道为例，考虑到集装箱年运输量非常大，如果使用普通的集卡运输，需要发车频率控制在20 s一辆，在实际中难以实现，因此，需要大运量的自动化轨道车辆系统。对于地下工程，减少工程的规模有利于减少投资，对于轨道系统，就需要优化到发线的有效长度以减小开口面积、车辆基地占地（地面还是地下）等诸多问题。因此，开展运输制式的选型，可进一步优化细节问题，有利于形成更深化和细化的工程方案。

3 研究成果

研究围绕调研、评估、应用展开，即聚焦研究地下集装箱运输装备在不同条件下的选型，通过充分调研适用于本系统的各种制式，建立选型评估方法，并结合工程形成方案。

3.1 常见运输制式调研

地下集装箱运输装备分类如图2所示。调研主要分为道路式和轨道式两大类开展，道路式包含卡车、自动导引运输车（AGV）等，轨道式包含铁路、传统城轨、直线电机城轨、梭车、磁悬浮等。主要调研其应用场景、特性以及性能指标。特性包含起导向形式、驱动方式、成本、寿命、国产化程度、无人驾驶可行性、技术成熟度等；性能指标包括运行速度、爬坡能力、转弯半径、载重、运行时距、单位能耗等。在调研过程中，考虑到技术成熟度、经济性、国产化程度、在地下环境的适应性等因素，初步确定卡车、AGV、城轨（货运地铁）、梭车等为评估对象。

图2 地下集装箱运输装备分类Fig.2 Classification of Underground Container Transportation System vehicle

（1）自动驾驶卡车是在传统卡车基础上增加自动化控制系统，采用车对外界的信息交换（V2X）技术，实现对车辆的远程控制以及车辆与车辆之间的通信控制，同时也能满足在人工驾驶的工况。

自动驾驶卡车能够有效避免两端的垂直吊装和货运转运问题，同时又能避免人进入隧道的问题，可减少土建投资以减少运维成本，同时增加运输灵活性。目前阶段的自动驾驶卡车是传统集卡与完全自动驾驶卡车之间的发展阶段，技术成熟可行。尤其在短距离隧道密闭环境中，干扰较少情况下，控制技术可靠性更为保证。用于地下环境的自动驾驶卡车如图3所示。

图3 用于地下环境的自动驾驶卡车Fig.3 Auto pilot truck in underground environment

（2）集装箱AGV是一种自动化设备，具有无人驾驶、自动导航、定位精确、路径优化以及安全避障等智能化特征，在许多自动化领域得到广泛应用，如图4所示。近年来，AGV技术逐渐成熟，已在我国青岛港、洋山港四期码头中应用［3］。

图4 集装箱自动导引车Fig.4 Container AGV

（3）货运地铁是属于轨道制式，用于集装箱货运的运输，其具有技术成熟、速度高、运量大、自动化成熟、全天候、运费低、节能环保等综合优势，如图5所示。

图5 货运地铁Fig.5 Container subway

货运地铁类似于城市轨道交通的系统，必须考虑折返以及车辆基地的选址。折返线及车辆基地位于车站敞开区域后方，为暗埋区域。为提高折返效率，货运地铁的折返形式设计为站后折返，折返能力可提升至30对/h，夜间可兼作停车线。同时，为节约地面空间，避免设置展线，车辆基地可设置于地下。车辆基地设有临修线、月检线、镟轮线、机车停车线、辅跨、堆场等区域。

（4）梭车采用低速、长距离运行的梭车搬运系统同自动化固定吊相配合形成一种新型半自动化码头装卸工艺系统，可大幅提高码头运输作业的自动化程度及操作效率。梭车在节能减排、降低噪声污染等方面将有显著的效果，特别适用于点对点的长距离集装箱运输作业。然而，相对于货运地铁经道岔折返的折返线，由于梭车无法经过道岔，只能通过灯泡线折返，因此，其弊端为折返线较长、占地面积大［4］。梭车实验线如图6所示。

图6 梭车实验线Fig.6 Experimental site of container shuttle

3.2 各类制式适应性评估

根据实际情况，如运量、运输距离、场地条件、装备匹配性等因素，都会对选型产生影响。

（1）运量。不同运输制式由于其自身特点的不同，例如运行速度、运行间隔、编组能力、路口（道岔）通过能力等均会对运量造成影响。在之前国内外的研究中，往往推荐轨道制式应对大运量，对于中小运量，可根据实际情况，选择道路制式。根据计算，自动驾驶卡车考虑其运行速度、行车间隔、单日运行时间等，最大年运量可达86万TEU，而货运地铁以8节编组为例，最大年运量可达315万TEU，而且随着信号技术的发展，可进一步压缩行车间隔，运量可进一步提升。AGV、梭车运行方式与自动驾驶卡车、货运地铁类似，但由于其运行速度较慢，实际运量会进一步降低。

（2）运输距离。大量研究和实际经验表明，在长距离封闭环境内驾驶卡车，容易造成驾驶员疲劳。即使自动驾驶得到了应用，较长距离的封闭环境对通防灾十分不利。另外，若采用传统以柴油为原料的卡车，地下通道内通风很难实现；若采用新能源（如电力驱动）卡车，无法实现连续供电。AGV同样面临连续供电技术不够成熟的问题。以上4点为制约卡车、AGV等道路式车辆单次运输距离的主要因素。根据经验，推荐将单次运输距离5 km作为阈值。单次运输距离超过5 km时，推荐选用货运地铁或梭车；单次小于5 km时，可根据其他条件进行设备选型。

（3）场地条件。在港区内部用地紧张，无法设置长距离敞开段供车辆进出。为解决这个问题，笔者提出了集装箱的垂直升降，通过吊机将集装箱在地面及地下间运输。然而，自动运行车辆行驶过程中在横向和纵向上会产生误差。纵向（车辆运行方向）的误差可以控制在2 cm内，而道路式横向（车辆运行垂直方向）的误差约为15 cm。轨道式由于车辆受到轨道的限制，不存在误差。对于需要通过吊机垂直升降的方案，推荐选用轨道式的货运地铁或梭车。货运地铁由于经道岔折返，折返区域相对集约，而梭车只能通过灯泡线折返，因此，折返线线路长、占地大，造成其地下开挖面积大。若码头用地较宽裕，可以设置敞开段供车辆进出时，推荐道路式，以节约轨道敷设占用的空间。

（4）装备匹配性。青岛港和洋山四期码头开港标志着自动化码头技术日趋成熟，未来将广泛应用。在此背景下，如果自动化码头有条件设置敞开段供地下运输车辆进出，必将面临地下运输车辆与地面接驳车辆在系统调度层面的冲突。因此，在自动化码头中，最适合AGV，推荐自动化集卡，并纳入码头调度系统中，便于统一管理。

各类制式适应性汇总如表1所示。

表1 各制式适应性汇总Tab.1 Summary of adaptability of each type of vehicle

3.3 相关工程应用

（1）上海外高桥—嘉定地下集装箱物流通道。

外高桥港区位于上海市浦东新区北部，在港区的不断发展过程中产生了一系列问题，港城矛盾问题尤为突出，包括交通拥堵、环境污染与土地使用问题等。为解决上述问题，规划的外高桥—嘉定地下集装箱物流系统，始于外高桥二期码头，终于嘉定西北物流园，全长约30 km。主要特点为距离长、运量大、港区场地有限（无法设置长距离敞开段供车辆进出）。根据预测，到远期2035年，地下集装箱物流通道集装箱的运量可达300万TEU。

经过比选，发现卡车无法适应连续30 km的地下封闭环境，AGV及梭车运行速度无法支撑运量需求，推荐采用货运地铁作为运载工具。该项工程创新点如下：折返线中，地面设置双台吊机，将集装箱装与卸分开操作，折返能力提升至30对/h，以满足大运量需求。

（2）深圳盐田港中东作业区连接通道工程。

现状盐田港运营中的中作业区和规划筹建中的东作业区之间由宽度为850 m的海域隔开，两者之间需建设一条连接通道，以实现盐田港区统筹经营、国际航线中转箱和流机设备的共享。该通道主要特点为距离短（3 km）、运量小（年运量75万TEU）、港区场地较充足。由于新建东作业区为自动化码头，需尽量排除人工干扰因素。

经过比选，发现AGV造价较高，梭车方案折返线开挖量较大，货运地铁及梭车造价高且无法设置车辆基地。自动驾驶卡车方案在工程经济方面具有显著优势，建设成本以及运营成本最低，且能较好地同时适应传统码头和自动化码头，因此推荐。创新点在于推荐的自动驾驶卡车为人工/自动驾驶双模式卡车，同时在港区设置人工与自动驾驶转换区。经测算，工程总投资可减少约2.5亿元（25%）。

4 结语

本文通过调研、评估，充分，梳理了适用于地下集装箱物流的各种制式装备，并结合工程案例，重点研究了其中卡车、AGV、货运地铁以及梭车的适应性。研究表明：轨道制式更适合长距离、大运量的运输，自动驾驶卡车适合短距离、小运量运输，同时可以大幅降低设施建设规模。后续的研究将紧密围绕初步成果进一步开展，例如进一步通过量化指标，明确各种制式适应范围。