新型双层集装箱列车铁水联运同步装卸技术

New-typed Synchronized Handling Technology for Double-stack Container Trains in Rail-Water Intermodal Transportation

摘要

双层集装箱铁水联运具有运量大、单位运输成本低、运输持续稳定等优势，因此近3年来我国在宁波舟山港积极推进双层集装箱铁水联运的创新试点。然而，普通双层集装箱列车在传统码头的装卸作业受配载计划、装卸设备、车辆调度等限制，不利于实现港口集装箱快速集散。本研究提出一项新型双层集装箱列车同步装卸方案，以提升铁水联运码头作业效率。具体而言，在硬件装备上，创新设计出一款兼具装卸功能的自动导引运输车(AGVH)和新型双层集装箱运输专用平车；在堆场布局上，提出在集装箱码头和货运站新建或改造双层箱堆场(含立体堆场)；在作业流程上，设计了集装箱从班轮运至内陆货运站的系统过程，并对列车在码头分别应用新型双层箱同步装卸方案和传统装卸工艺的效果进行对比测算和灵敏性分析；在方案评估上，研究了在现行配载规则、运输限界和重心高度要求下，各双层箱堆叠形式的可行性。研究证明了新型双层集装箱列车同步装卸技术在减少集装箱装卸时间和作业成本方面具有显著优势，同时丰富了双层箱的装载形式以降低配载计划复杂度和不同类型箱源组织难度，有助于推动港口集疏运系统降本增效。

Abstract

The rail-water intermodal transportation of double-stack container trains (RITDCT) has advantages such as large capacity, low unit transportation costs, and being consistently stable. Therefore, over the past three years, RITDCT has been actively promoted in Zhoushan Port of Ningbo as an innovative trial site. However, traditional handling operation for double-stack container trains at traditional container terminals faces constraints such as loading plans, handling equipment, and vehicle scheduling, which impede the quick collection and distribution of containers in ports. Therefore, this study proposed a novel synchronized handling scheme for double-stack container trains to improve the efficiency of terminal operation for rail-water intermodal transportation. Specifically, the proposed scheme encompasses four improvements. In terms of equipment, this paper innovatively designed an automatically guided vehicle with a handling function (AGVH) and a new-typed flat car specifically used for double-stack container transportation. Regarding the layout of the storage yard, it was proposed to newly construct or renovate new storage yards for double-stack containers (including three-dimensional storage yards). In terms of the operational process, a systematic procedure for container transportation from liners to inland depots was designed. Moreover, a comparative measurement and sensitivity analysis were conducted to assess the performance of trains employing the new-typed synchronized handling scheme and the traditional handling process at the terminal, respectively. In terms of the scheme evaluation, the feasibility of each double-stack form was examined in light of the current loading rules, transportation limits, and center-of-gravity height requirements. The research proves that the new-typed synchronized handling technology for double-stack container trains has significant advantages in terms of reducing container handling time and operating costs. Meanwhile, it enriches the loading forms of double-stack containers to reduce the complexity of the loading plans and the organization difficulties of different types of containers. Ultimately, this technology is conducive to promoting cost reduction and efficiency increase for the port transportation system.

Graphical abstract

关键词

双层集装箱列车 / 同步装卸 / 铁水联运 / 集装箱码头 / 港口集疏运

Key words

Double-stack Container Trains / Synchronized Handling / Rail-water Intermodal Transportation / Container Terminals / Port Collection, Distribution and Transportation

0　引言

伴随着后疫情时代全球经济回暖和船舶大型化带来的装卸箱量增加，集装箱码头面临的集疏运压力越来越大。集装箱码头铁水联运体系的构建和双层集装箱列车的开行对于增加列车货运量、降低单位运输成本、发挥规模经济优势等方面大有裨益。正因如此，包括美国、加拿大、印度和澳大利亚等在内的不少国家也在积极开行双层集装箱列车并开展相关问题的研究。但受国情等因素影响，我国双层集装箱铁水联运虽经历10多年的发展却始终未能普及，全国规模以上港口完成集装箱铁水联运量情况如图1所示，近6年来铁水联运箱量占全国规模以上港口集装箱吞吐量的比重仅在3%以下。

为改善这一局面，2020年12月，交通运输部印发《关于宁波市开展双层集装箱铁水联运创新等交通强国建设试点工作的意见》，同意在宁波开展双层集装箱铁水联运创新试点。到2023年5月底，甬金铁路(云龙—义乌)双层高箱集装箱列车运行试验路段已铺轨贯通。甬金铁路全线通车后，金华义乌至宁波舟山港间将开行双层集装箱班列。这一举措有望推动双层箱运输标准的设计变更、运输适应性改造和装卸办理等相关技术研究，为我国双层集装箱铁水联运的发展创新积累经验。2023年3月，交通运输部等5部门联合印发《推进铁水联运高质量发展行动方案》，要求到2025年，全国港口集装箱铁水联运量达1 400万TEU，年均增长率超过15%。同期，上海港等地推出的“陆改水”和“公转铁”服务模式也在很大程度上刺激双层箱铁水联运的发展。在此背景下，本研究致力于从设施装备创新和作业流程优化2方面研究双层集装箱列车同步装卸问题，以期助力铁水联运发展创新和新时代交通强国建设。

1　文献综述

双层集装箱铁水联运是在业界较受关注的探讨话题，而经查阅，现有研究大多是与双层集装箱列车开行有关的设施设备优化改造和适应性分析^[1-3]，或从宏观层面分析铁路双层集装箱运输存在的问题并提出对策建议^[4-6]。但针对双层集装箱铁水联运过程中集装箱装卸和配载问题的既有研究十分有限，且多仅着眼于装载计划的模型优化。其中在国内，杨广全^[7]建立了一种可求解生成双层集装箱配载方案的配载模型，该模型有助于实现双层集装箱装车配载的智能化，提升集装箱装车效率和双层集装箱运输的安全性。郎茂祥等^[8]建立了一种降低重车重心高和均衡车辆转向架负重差的双层集装箱列车装载问题多目标优化模型，并证明该方法能够在保证列车集装箱装载量最大的条件下降低平车在装箱后的重心高，并减少其转向架负重差。为确定双层集装箱列车在铁路场站中的最佳装卸作业资源配置方案，唐昊^[9]建立了装卸时间和成本双目标优化模型，并提出不同目标追求下装卸设备的选择配置。然而，由于当前国内既有箱型比例与双层集装箱班列所需的箱型配比不完全契合，同时受限界和轴重的限制，双层集装箱列车配载难度大，装卸时间长^[10]。

国际上，相关学者也在现有条件的基础上优化双层集装箱列车的装卸过程。Ng等^[11]提出了一个可以实现码头双层集装箱列车高利用率的装载优化模型，其通过案例研究结果表明该模型能够在重构条件下找到普通双层集装箱列车的最优装载方案。Upadhyay等^[12]考虑到不同类型、重量和高度的集装箱，以及满足实际约束的装载组合，从而建立起一种可使运输成本降低3%左右的新型双层集装箱列车装载优化模型，基于该模型的决策支持系统已在印度某大型列车运营商部署。Mantovani等^[13]针对车辆重量和重心约束、堆叠规则、集装箱类型和装载技术限制提出一项适用于匹配单层或双层集装箱列车与特定集装箱的整数线性规划模型，以使得列车装载成本最小化。另外，Hu等^[14]和Schulz等^[15]还研究了集装箱在铁水联运码头内部港区和铁路货运站之间的运输规划问题，以提升码头作业的协调性和集装箱列车装载效率。

不难发现，上述研究均是在现有技术手段、铁路线及相关基础设施、双层箱专用平车、场站装卸设备和管理规则等约束下，从软件角度提出双层集装箱铁水联运未来的发展建议或关于装载问题的优化模型和方法。但遗憾的是，在运载工具、装卸设备和配套设施等硬件层面，以及装卸效率、方案等技术层面均未有明显突破。关于对双层集装箱列车上下两层集装箱开展同步装卸的技术研究仍属空白。

另外还存在2个问题：一是双层集装箱堆叠形式单一，在2018年新修订的现行《铁路双层集装箱运输管理办法》中规定当双层运输时，专用平车下层限装2个20 ft普箱，上层限装1个40 ft普箱/高箱，堆叠形式的选择十分有限，这增加了制定装载计划和箱型匹配的难度。二是铁水联运箱型不平衡的问题，张戎等^[16]经调研发现绍兴—宁波舟山港铁水联运区段内86%以上的集装箱均为40 ft高箱，这无疑会增加箱源组织难度，同时也不利于双层集装箱铁水联运的推广促进。这项调查也印证了此前魏昌辛等^[10]的观点。承担世界贸易量80%以上的水上运输区段更多使用的是20 ft普箱和40 ft普箱。需要说明的是，并非高箱箱源丰富导致当前铁路运输区段高箱的高占比，而是在目前的软硬件条件下，高箱走铁路不论在经济上(运费、单位租箱成本分摊、箱容等)还是技术上(运输限界、X_2K/X_2H型专用平车装载要求、限重等)都更适宜。

本研究聚焦双层集装箱列车装卸和转运问题，致力于提升铁水联运集装箱码头集疏运效率。后续研究内容涵盖4个模块。第2部分从装备创新、布局优化和流程设计3方面提出新型双层集装箱列车同步装卸方案。第3部分在现行的配载规则、运输限界和重心高度要求下对双层箱列车同步装卸方案进行可行性评估。在第4部分仿真案例中，对列车在码头分别应用新型双层箱同步装卸方案和传统集装箱装卸工艺的效果进行对比讨论和灵敏性分析。最后将总结本研究的主要贡献(创新点)和不足之处，并提出下一步的研究工作。

2　双层集装箱列车同步装卸技术优化设计

铁水联运码头双层集装箱列车上下层集装箱同步装卸作业需要硬件装备支撑、堆场布局优化，以及配套流程设计得以实现。具体而言，在硬件装备方面，本研究创新设计出一款概念性的AGVH(Automatic Guided Vehicle with Handling Function)和新型双层集装箱运输专用平车；在堆场布局方面，提出在集装箱码头和货运站新建或改造双层箱(立体)堆场；配套作业流程方面，在某布局双层箱堆场的码头基础上，以进口集装箱疏港作业为例，规划了双层集装箱列车从码头装箱到更换车头，再到某内陆铁路集装箱货运站卸箱的全过程。本部分将根据上述3方面内容分小节依次详细介绍。

2.1　装备创新设计

2.1.1　AGVH优化设计

为实现集装箱的装卸车作业而替代正面吊、轮胎吊、轨道吊或叉车，本方案在传统自动导引运输车(仅运输)的基础上做出改进升级，设计了一种兼具装卸功能的AGVH。AGVH示意图如图2所示，AGVH由8个自动钮锁、4条滑轨、4条装卸轨、4个装卸钩索和车辆主体部分组成，整车的运输和装卸作业均由电力驱动。其中，自动钮锁用于固定从桥吊/场吊/列车装至AGVH上的集装箱。滑轨上设置有滑轮，用于引导和利于集装箱移动，辅之以装卸轨、装卸钩索及电机驱动集装箱装卸。在这个过程中，装卸钩索与集装箱上的角件对接固定，同时装卸钩索是可拆卸更换的，当仅面向40 ft箱作业时，车辆中部的自动钮锁和装卸轨可停止工作，当同时面向2个20 ft箱作业时，4条装卸轨和4个装卸钩索则同步工作，如图2下方所示，左、右分别表示处于装载40 ft普箱和卸下双20 ft普箱的状态下的AGVH。多辆AGVH可同时于列车两侧上下层月台实施装卸任务。

2.1.2　新型双层集装箱专用平车优化设计

为承载可同步装卸的上下两层集装箱，本研究在传统X_2K型平车的基础上优化设计了一种新型双层集装箱运输专用平车，新型双层集装箱运输专用平车构造图如图3所示。该新型双层箱专用平车最大的特点在于安装了上下两层集装箱承载平台、液压升降支撑柱和辅助架，不再受“重不压轻，小不压大”规则的约束，同时在上下两层承载平台均设置了滑轨和自动钮锁，以便对接从AGVH装上列车的集装箱或将集装箱卸至AGVH。新型双层集装箱运输专用平车采用凹底结构设计，且其二层承载平台为高强度钢制框架式镂空设计，可在降低集装箱承载面和整车重心高的同时，增强平车车辆的承载强度。当上下两层集装箱分别装上一、二层承载平台后，下层集装箱在液压升降器的辅助下自动降入平车车体内，集装箱底部角件与平车凹底内的辅助定位锥对接固定；上层集装箱在液压升降支撑柱的辅助下，随下层集装箱一起下降，直至上层承载平台的底锁最终与下层集装箱的角件贴合，此时辅之以自动锁连接固定上下两层集装箱，以确保双层集装箱在运输途中的安全稳固。该专用平车可互不影响地同时装载或卸载集装箱，但需确保下层集装箱的总重不得超过上层所载集装箱总重，当同一层承载平台装载2个20 ft箱时还需使得2个箱重量差不超过10 t。设计自重23 t，标记载重78 t，空车重心高700 mm，滑轨和自动钮锁高30 mm，一层承载平台最大可容纳1个40 ft高箱，二层承载平台高50 mm。其余参数包括车辆长度、宽度、定距、车体最低点距轨面高度等均初步设计与X_2K型专用平车一致。

2.2　场区与码头布局优化

2.2.1　双层堆场区设计

为配合双层集装箱的同步装卸，本研究提出了一层堆场区和二层堆场区的概念，双层集装箱堆场剖面图如图4所示，整个码头堆场区域被划分为若干个一层堆场区和二层堆场区，每两两相邻的一层堆场区和二层堆场区之间即为共用的列车轨道区。以集装箱装车过程为例，双层集装箱同步装卸车示意图如图5所示，需装载到列车的上下两层集装箱分别由AGVH从二层堆场区和一层堆场区运抵列车轨道区边界的装卸月台，在准位泊车器配合下自动准确停靠并对接双层集装箱专用平车上下层承载平台(AGVH的滑轨承载面高度与双层箱专用平车的滑轨承载面高度齐平)。AGVH上的装卸钩索连接固定住集装箱底部的角件后，在装卸轨及电机的驱动下经由AGVH和专用平车两层承载平台上的滑轨逐渐移动至准确位置，紧接着承载平台上的自动钮锁对接固定箱底的4个角件。下层集装箱由液压升降器沉入平车内部锁定车底面底锁，上层集装箱亦随二层承载平台降至下层集装箱箱顶高度与角件对接固定。完成装车后AGVH自动驶离去往码头前沿或堆场执行下一任务指令。

上述双层堆场区设计适用于新建的铁水联运集装箱码头堆场，考虑到传统码头堆场改造难度大，为实现传统铁水联运码头堆场对本方案新型双层集装箱专用平车的通用性，宜采用堆场轨道吊装卸专用平车的上层集装箱，在地面同时配合使用正面吊或叉车装卸下层集装箱，以此亦可实现上下两层承载平台互不影响地同时装卸。此外，可考虑立体堆场的概念^[17]，在二层露天堆场区下方设计一层堆场，主要用于堆存20 ft或40 ft普箱，而在二层露天堆场则可存放40 ft高箱，考虑立体堆场概念的双层集装箱堆场剖面图如图6所示。

2.2.2　码头总体布局与作业流程优化

结合以上2项装备创新和堆场分区设计，对集装箱码头进行总体布局优化，码头总体布局图如图7所示，整个码头沿海岸延伸布局，堆场内集装箱摆放朝向垂直于海岸线。AGVH承担集装箱在码头堆场与桥吊之间、码头堆场与列车装卸月台之间或码头前沿直达装卸月台的水平运输任务，以及集装箱装上和卸下列车的作业任务。集卡承担集装箱在港外目的地与桥吊之间(车船直取)和港外目的地与码头堆场之间的运输任务。场地轨道吊则承担集装箱的进、出场和“归、并、转”任务。列车轨道线设计直通港外铁路，双层箱列车在进入港区装卸箱前需要更换为内燃机车牵引，离开港区后再换回电力机车牵引。此项布局有助于减少传统机械设备的配备，简化作业流程。

以进口普通箱集疏港流程为例，进口箱集疏港作业流程图如图8所示，当集装箱由桥吊从班轮上卸至AGVH后，AGVH按照指令和路径运输至对应箱区的轨道吊下由轨道吊起吊移至指定箱位堆存。当双层集装箱运输列车到港后，轨道吊起吊集装箱装上AGVH，再由AGVH运至装卸月台对应所需装载节次的双层箱专用平车处装车即可，待所有平车装箱完毕后即由内燃机车牵引出港。列车离开港区驶入后方双层集装箱货列通用铁路网使用电力机车牵引，直至抵达内陆铁路集装箱货运站。对于即将新建的铁路集装箱货运站可参考2.2.1中双层堆场区的设计布局，以配套地使用AGVH参与装卸作业提升效率。对于既有的传统铁路集装箱货运场站，亦可于轨道列车两侧(双侧装卸站台条件均允许时)分别使用集装箱叉车装卸一层集装箱、正面吊装卸二层集装箱，空箱则可使用堆高机；或者在轨道列车装卸站台的一侧(仅一侧装卸站台条件允许)依次使用正面吊先吊运上层集装箱，在正面吊搬运离开的时间窗口紧接着再使用集装箱叉车装卸下层集装箱。

3　方案应用

3.1　场景描述与实验准备

参照Bruns等^[18]和Ambrosino等^[19]的研究，比较2种不同的双层集装箱装卸工艺，即传统码头双层箱列车的装卸方案(采用“堆四过五”操作流程，即集装箱堆场可堆放4层集装箱，并留有第5层的空间以保证轮胎吊正常工作)和新型双层箱列车同步装卸方案(采用“堆六过七”操作流程，即集装箱堆场可堆放6层集装箱，并留有第7层的空间以保证轨道吊正常工作)。在不考虑资本成本(设备购置费、场地投资、改造费、折旧费、利息等)和运行成本(工人工资、日常机械维护费、保险费等)的情况下，根据当前市场信息和相关设备技术参数进行成本效益分析。码头装卸作业实验参数取值主要数据来源于宁波港北仑第三集装箱码头有限公司、国家电网有限公司、中国石油化工股份有限公司，数据截至2023年3月。AGVH运行能耗取值参照传统AGV能耗并加入其装卸过程产生的能耗(根据场桥能耗换算)，属于综合修正概念值。

码头前沿岸桥装卸区到堆场的运输距离设定为300 m，堆场到铁路月台的距离为200 m，码头前沿岸桥装卸区到铁路月台的直线距离设定为500 m。根据宁波北仑第三集装箱码头官网的集装箱吞吐量数据，估计该码头的年吞吐量约为1 000万TEU。电力公司提供给码头的电价为0.85元/(kW·h)，港口内集卡所需的零号柴油价格约7.25元/L。

3.2　分组设置与实验过程

由于每辆新型双层箱专用平车最多可以装载2个40 ft集装箱或4个20 ft集装箱，或2个20 ft集装箱加1个40 ft集装箱，双层集装箱列车装载状态示意图如图9所示。因此，实验设置了3个装卸作业单元组：实验组①为双40 ft集装箱作业单元；实验组②为4个20 ft集装箱作业单元；实验组③为双20 ft集装箱+单40 ft集装箱作业单元。划分的3个实验组涵盖了9类堆叠形式，双层箱同步装卸方案与传统装卸方案单位作业时间对比如表1所示，可使计算结果更科学，更接近实际情况。表1中，作业流程1*+2*+6*代表在班轮和列车之间直接转运集装箱，即车船直取模式。作业流程1至6表示集装箱必须通过堆场堆存后再行转运，即普通模式。作业时间对比中，修正时间是指在运输路径规划、交通控制、车辆调度以及岸桥和堆场轨道吊、轮胎吊之间的协作差异影响下的时间偏差，按照码头经验取剩余系数为1.3。

双层箱同步装卸方案与传统装卸方案单位作业成本对比如表2所示，计算了3个实验组分别应用双层箱同步装卸方案与传统装卸方案的每单位作业成本。考虑到码头1 000万TEU的年吞吐量，假设75%的集装箱以普通模式转运(集装箱需暂存于堆场)，25%的集装箱经车船直取模式转运(集装箱无须暂存于堆场)。同时，设定20 ft和40 ft集装箱(包括40 ft普箱和高箱)分别占比60%(600万TEU)和40%(即200万FEU，折合400万TEU)。在第①组的计算中，普通模式有75万个作业单元(1 000×75%×40%/2/2=75万units)，车船直取模式有25万个作业单元(1 000×25%×40%/2/2=25万units)；第②组中，普通模式有112.5万个作业单元(1 000×75%×60%/4=112.5万units)，车船直取模式有37.5万个作业单元(1 000×25%×60%/4=37.5万units)；第③组中，普通模式有150万个作业单元(1 000×75%×40%/2=150万units)，车船直取模式有50万个作业单元(1 000×25%×40%/2=50万units)。考虑码头年吞吐量的2个方案单位时间和单位成本对比如表3所示。计算出3个实验组在考虑码头年吞吐量时应用新装卸方案较传统方案的单位作业时间和成本减少量，其中考虑码头年吞吐量的新装卸方案较传统方案单位时间减少量如表4所示，考虑码头年吞吐量的新装卸方案较传统方案单位成本减少量如表5所示。考虑码头年吞吐量的2个方案总成本对比如表6所示，考虑码头年吞吐量的新装卸方案较传统方案总成本减少量如表7所示。

3.3　实验结果讨论

从表4可以看出，相比于传统双层集装箱列车装卸工艺，采用新型双层集装箱同步装卸方案可在第①组的普通模式中减少成本11.77万元(15.25%)，在车船直取模式中减少成本约5.58万元(39.53%)，总成本减少约17.35万元(19.01%)。在第②组的运营中，普通模式的费用减少约40.03万元(17.49%)，车船直取模式的费用减少约18.32万元(44.16%)，总费用减少约58.35万元(21.58%)。在第③组中，普通模式的成本减少约38.46万元(16.74%)，而车船直取模式的成本减少约17.79万元(42.60%)。新型双层集装箱同步装卸方案的应用可使得最终总成本减少约56.25万元(20.72%)。由此可见，新型双层集装箱列车同步装卸工艺的应用使得3个实验组在车船直取模式和普通模式中均表现出较出色的时间和成本优势。此外，仅从定性分析的角度看，在相同待运集装箱数量且该箱量足够时，相较于传统单层集装箱运输方案，挂载相同车节数的新型双层集装箱铁水联运集疏港方案完成全部货运任务的时间和成本将节省约一半，规模经济效益有望翻倍。在本研究的后续计算中还需考虑双层集装箱列车与传统单层集装箱列车的能耗和速度/限速对比，两车由于装卸流程和所用工具的不同导致的装卸用时差异等因素，并利用仿真软件模拟测算。

3.4　灵敏性分析

运输距离、剩余系数、生产效率变动的灵敏性分析如图10所示，讨论了运输距离、剩余系数、生产效率分别增加10%对表3和表4计算结果的影响程度，即此3项参数分别变化和综合变动时，新型双层集装箱列车同步装卸方案较传统双层箱列车装卸工艺的时间和成本优势将如何变化。发现码头前沿到堆场之间，以及堆场到双层箱列车装卸月台之间的运输距离增加会导致其在2种模式中的单位成本和总成本比较优势轻微缩小，但单位作业时间优势有小幅增加(图10a)。剩余系数增大(反映了码头在运输路径规划、交通控制、车辆调配以及岸桥和堆场轨道吊、轮胎吊之间的协同调度难度和拥堵状况增加)将使得该比较优势在各项指标中有一定程度扩大(超过10%)，且实验组①的优势增加最为明显(图10b)。若各物流设备的作业效率改进提升，可能会使该比较优势缩小9.4%以内(图10c)。当3项参数同时增加10%时，2种模式中的单位装卸时间比较优势会有微小增加，但普通模式中单位装卸成本和总成本的比较优势(>26.9%)以及全码头装卸总成本的比较优势(>21.5%)将有较大增加(变化程度排序：实验组①>实验组③>实验组②)，而3个实验组在车船直取模式中的单位装卸成本和总成本比较优势均有一定程度扩大(超过9.7%)，如图10d所示。综上，码头经营人在实际运营中需考虑双层堆场布局过程中的通道设置，以及应对恶劣天气和港口拥堵的措施。

集装箱吞吐量、普通模式占比、20 ft箱占比变动的灵敏性分析如图11所示，讨论了码头集装箱吞吐量、普通模式集装箱占比、20 ft箱占比分别增加10%对表4计算结果的影响程度。发现集装箱吞吐量的增加比例与新型双层集装箱列车同步装卸方案较传统双层箱列车装卸工艺的总成本优势扩大比例一致(10%)，如图11a所示。如果将普通模式转运的集装箱量占比从75%增加到82.5%，则3个实验组在普通模式中的总成本优势同时相应增加10%，但在车船直取模式中的总成本优势将同等缩小30%。若将20 ft箱的总占比从60%扩大到66%，那么实验组①和③的总成本优势将降低15%，而实验组②的总成本优势可增加10%(图11b)。当此3项参数均增长10%，普通模式中实验组②的优势增加最大达33.10%，其余2组均仅增长2.85%(图11c)；车船直取模式中，实验组①和③的总成本优势均大幅削弱34.55%，实验组②减少15.30%；最终，实验组①和③在全码头集装箱装卸总成本优势方面分别降低9.18%和8.98%，实验组②的优势增加17.91%(图11d)。由此可见，码头运营商应当综合考量集装箱总作业量、箱型比例和作业模式变化对实际运营的影响。

4　结论

在宁波北仑港区双层集装箱铁水联运创新试点并打通首条双层高箱铁路运输试验线的背景下，研究针对双层集装箱列车在传统码头装卸效率有限而难以实现港口集装箱快速集散的问题，基于硬件装备创新、堆场布局优化和配套流程设计3方面，提出一项新型双层集装箱列车同步装卸方案。本研究主要贡献总结如下。

（1）开发出一种新型双层集装箱运输专用平车，可同时在平车上、下层装卸集装箱而互不干扰，并有利于不同箱型的混合装载以降低制定装载计划和箱源组织的难度。

（2）在传统AGV的基础上，设计出一种兼具水平运输与装卸功能的AGVH。其不仅能在堆场与岸桥之间、堆场与铁路月台之间、岸桥与铁路装卸月台之间运输集装箱，还可在不借助轨道吊、轮胎吊、正面吊等传统装卸设备条件下将集装箱装至或卸下新型平车。

（3）为配合AGVH和新型双层箱专用平车的工作，提出一种适用于集装箱码头和内陆铁路货运站/中心站的双层集装箱堆场和双层立体堆场的新设计理念，以提高集装箱堆场的利用率，并便于集装箱在双层集装箱列车的装卸作业。

（4）详细设计了集装箱从班轮运至内陆铁路集装箱货运站的系统过程，并证明新型双层集装箱列车同步装卸技术有助于减少在港装卸时间和作业成本。

总体而言，该项新型双层集装箱同步装卸方案的落地应用将有助于提升码头集疏运能力，缓解港口拥堵的压力。本研究为集装箱联运企业、科研机构等提供了新视野和参考。然而，此项技术也有一定的局限。一是为实现双层集装箱的同步装卸而将码头堆场划分为一层堆场区、二层堆场区、地下堆场区和轨道装卸区，随之而来的是新建或改造码头/铁路集装箱货运站堆场产生的高成本，需进行项目投资回收期等财务分析考量。二是新型双层集装箱运输专用平车和AGVH的机械性能、承重能力、强度和力学属性尚待更多实验数据支撑，仍需通过研发推动其从理念创新迈向实践应用。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(71272219)