姚保良

廈門海滄新海達(dá)集裝箱碼頭有限公司，福建廈門，361026

0 引言

2019年國家有關(guān)部門相繼印發(fā)《交通強國綱要》《關(guān)于建設(shè)世界一流港口的指導(dǎo)意見》等文件，建設(shè)智慧、綠色、安全、高效的世界一流港口成為我國港口企業(yè)的政策指引和發(fā)展方向。中國是世界第一大貿(mào)易國，也是世界第一大港口國，我國集裝箱港口年吞吐量連續(xù)多年在全球前十大港口集裝箱吞吐量排名榜中占有7席。隨著船舶大型化和港口裝卸設(shè)備大型化、高速化趨勢，人工作業(yè)的難度和強度以及集疏港壓力都相應(yīng)加大，班輪對碼頭作業(yè)效率提出了更高的要求。港口長期以來都是勞動力密集型產(chǎn)業(yè)，在我國人口紅利收緊、新一代勞動力就業(yè)理念轉(zhuǎn)變的大背景下，招工難、用工貴問題也日益突出。為有效化解以上矛盾，集裝箱碼頭向著自動化、智能化方向轉(zhuǎn)型，建設(shè)新的全自動化碼頭或傳統(tǒng)集裝箱碼頭進(jìn)行升級改造就成為一種必然趨勢?？诎缎?、服務(wù)質(zhì)量、綜合物流、科技創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展成為港口企業(yè)新的競爭力。

1 自動化集裝箱碼頭發(fā)展現(xiàn)狀

自動化集裝箱碼頭是指應(yīng)用自動化作業(yè)設(shè)備以及配套的管理控制軟件，形成一個完整的集裝箱裝卸作業(yè)工藝系統(tǒng)，全部或部分替代通常由人工操作的復(fù)雜的集裝箱搬運和裝卸作業(yè)，使得碼頭現(xiàn)場作業(yè)效率更高、人員更少。

自動化集裝箱碼頭首先出現(xiàn)在勞動力成本昂貴和熟練勞動力匱乏的歐洲。自1993年世界上第一個自動化集裝箱碼頭—荷蘭鹿特丹ECT碼頭問世以來，歐美等發(fā)達(dá)國家相繼建成30余個自動化或半自動化集裝箱碼頭。近幾年我國自動化集裝箱碼頭發(fā)展迅猛。2015年中國第一個全自動化集裝箱碼頭廈門遠(yuǎn)海自動化碼頭投入運行，隨后青島新前灣、上海洋山四期碼頭相繼投產(chǎn)，成為當(dāng)時世界上技術(shù)最先進(jìn)、港區(qū)規(guī)模最大的全自動集裝箱碼頭。2021年全球首個“智慧零碳”碼頭—天津港北疆港區(qū)C段智能化集裝箱碼頭正式投產(chǎn)。粵港澳大灣區(qū)首個自動化碼頭—廣州南沙四期自動化集裝箱碼頭開始聯(lián)調(diào)聯(lián)試。全國首個傳統(tǒng)集裝箱碼頭進(jìn)行全智能化改造的廈門海潤碼頭開始試運行。除全自動化集裝箱碼頭建設(shè)和改造外，國內(nèi)也相繼出現(xiàn)日照港、京唐港、深圳媽灣、天津五洲等多個通過技術(shù)改造成為實現(xiàn)裝卸設(shè)備遠(yuǎn)程操控和堆場自動化裝卸的半自動化集裝箱碼頭。

表1 傳統(tǒng)集裝箱碼頭與自動化集裝箱碼頭的區(qū)別

經(jīng)過近三十年的發(fā)展，已形成分別以荷蘭鹿特丹港ECT、德國漢堡港CTA、荷蘭鹿特丹港Euromax、廈門遠(yuǎn)海等為代表的四代自動化集裝箱碼頭。新一代集裝箱碼頭以天津北疆C段碼頭和廣州南沙四期碼頭為代表，主要特征是堆場平行于岸線，水平運輸是智能導(dǎo)引車（IGV）而不是早期的自動導(dǎo)引車（AGV）。傳統(tǒng)集裝箱碼頭與自動化集裝箱碼頭的典型特征如表1。

自動化集裝箱碼頭按自動化程度分為部分自動化、高度自動化和完全自動化三個層級。碼頭企業(yè)可根據(jù)自身條件建設(shè)不同層級的自動化集裝箱碼頭。

2 自動化集裝箱碼頭的組成

從平面布局及裝卸工藝、功能分類、基本架構(gòu)三方面簡述自動化集裝箱碼頭的組成。

2.1 平面布局及裝卸工藝

自動化集裝箱碼頭平面布局由前沿作業(yè)區(qū)、水平運輸作業(yè)區(qū)和堆場作業(yè)區(qū)(有的細(xì)分有海側(cè)交換區(qū)、陸側(cè)交換區(qū)）組成，每個作業(yè)區(qū)選用不同的設(shè)備可以得到不同的裝卸工藝流程。如圖1所示。

（1）前沿作業(yè)區(qū)。前沿裝卸設(shè)備岸橋采用遠(yuǎn)程半自動化作業(yè)，岸橋種類有單小車單起升岸橋、單小車雙起升岸橋和雙小車岸橋。目前，自動化集裝箱碼頭前沿裝卸設(shè)備多為雙小車單起升雙吊具岸橋和單小車單起升雙吊具岸橋。

（2）水平運輸作業(yè)區(qū)。自動化集裝箱碼頭水平運輸設(shè)備有自動導(dǎo)引車（AGV）、智能無人集卡（IGV）和自動跨運車（ASC），各自特點如表2。

（3）堆場作業(yè)區(qū)。自動化集裝箱碼頭堆場使用自動化軌道吊（ARMG）和自動化輪胎吊（ARTG）。ARMG采用磁釘和編碼器等方式進(jìn)行大車精確定位，不存在大車糾偏問題，遠(yuǎn)程操控技術(shù)相對成熟，整機運行速度快，作業(yè)效率高，但造價較高，不能轉(zhuǎn)場。RTG造價低廉，轉(zhuǎn)場靈活，在傳統(tǒng)集裝箱碼頭大量應(yīng)用。隨著衛(wèi)星、視覺、5G等定位和通信技術(shù)的成熟應(yīng)用，新建或改造的ARTG越來越多，尤其適合傳統(tǒng)集裝箱碼頭進(jìn)行智能堆場改造[1]。

參照圖1示，自動化集裝箱碼頭依據(jù)不同的平面布局與設(shè)備選用可以有不同的工藝流程方案，適合我國自動化集裝箱碼頭建設(shè)或改造的裝卸工藝流程主要有以下幾種，特點如表3。

2.2 功能組成

自動化集裝箱碼頭按功能分由單機設(shè)備控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成，管理系統(tǒng)又由碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)（TOS）、設(shè)備調(diào)度與控制系統(tǒng)（ECS）、輔助系統(tǒng)（AS）組成，完全自動化集裝箱碼頭各系統(tǒng)的具體功能組成如表4。

2.3 基本架構(gòu)

自動化集裝箱碼頭軟硬件組成的基本架構(gòu)示意簡圖，如圖2所示。

3 傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化智能化升級改造

自動化集裝箱碼頭以工藝流程化、決策智能化、執(zhí)行自動化、現(xiàn)場無人化、能源綠色化的特點，集智能、安全、高效、綠色、環(huán)保等優(yōu)點于一體得到碼頭經(jīng)營企業(yè)廣泛青睞。傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動化升級改造成為新趨勢。廈門港海潤碼頭全智能化改造成功投產(chǎn)為傳統(tǒng)集裝箱碼頭進(jìn)行自動化智能化升級改造提供了新方案。

傳統(tǒng)集裝箱碼頭升級改造主要是以提高裝卸作業(yè)自動化、智能化水平，提高作業(yè)效率，減少用工成本，降低能源消耗，增強生產(chǎn)安全性為目標(biāo)[2]。升級改造應(yīng)充分利用現(xiàn)有設(shè)備、設(shè)施，結(jié)合碼頭平面布置、裝卸工藝、技術(shù)狀況和未來發(fā)展趨勢綜合論證評估選擇合適的自動化層級目標(biāo)，制定改造方案。改造可以一次性投資改建完成，也可以根據(jù)自身實際情況做好頂層規(guī)劃，分層次分階段進(jìn)行。先實現(xiàn)部分自動化、再實現(xiàn)高度自動化，最終達(dá)到完全自動化。需要注意的是升級改造過程中的每一期改造項目都要圍繞著頂層設(shè)計規(guī)劃好的目標(biāo)方案進(jìn)行，做好接口和功能升級預(yù)留，避免重復(fù)建設(shè)。具體分步改造的內(nèi)容可以包括以下幾方面。

3.1 堆場裝卸設(shè)備（場橋）遠(yuǎn)程操控改造

傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場裝卸設(shè)備主要是軌道式門式起重機（RMG）和輪胎式門式起重機（RTG），自動化改造可先從少量單機遠(yuǎn)程操控改造開始，即RMG升級為ARMG或RTG升級為ARTG。技術(shù)成熟后再進(jìn)行大批量改造，實現(xiàn)堆場自動化運行。自動化堆場可提高作業(yè)效率，增強安全性，大大減少用工數(shù)量，升級改造后可帶來直接的經(jīng)濟效益。

3.2 前沿裝卸設(shè)備（岸橋）遠(yuǎn)程操控改造

岸橋遠(yuǎn)程操控改造是通過加裝視頻監(jiān)控、機構(gòu)定位、船型掃描、防搖防扭、集卡引導(dǎo)、箱號識別、遠(yuǎn)程操作臺等自動化裝置，實現(xiàn)在辦公樓遠(yuǎn)控室內(nèi)遠(yuǎn)程半自動化作業(yè)。改造后可大大減輕勞動強度，避免職業(yè)病發(fā)生，降低操作技能要求。結(jié)合集卡自動引導(dǎo)系統(tǒng)（CPS）和箱號自動識別系統(tǒng)（OCR）功能，可以實現(xiàn)智能理貨，減少理貨人員并后撤至后方控制室[3]。通過在合適位置集中設(shè)置扭鎖拆裝站，可以減少拆裝鎖人員并轉(zhuǎn)移至安全地點。岸橋遠(yuǎn)程操控改造后，可以實現(xiàn)橋下作業(yè)無人化，改變過去現(xiàn)場人員多、人機交叉混雜現(xiàn)象，增強安全性，同時減少用工數(shù)量，降低用工成本。

表4 完全自動化集裝箱碼頭功能分類組成

3.3 有人駕駛集卡升級為智能無人集卡（IGV）改造

隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于應(yīng)用北斗導(dǎo)航、機器視覺、激光雷達(dá)、5G通信、人工智能等技術(shù)實現(xiàn)無人駕駛的IGV逐步成熟，目前已達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用程度。IGV的優(yōu)點是：不需預(yù)埋大量磁釘，不必進(jìn)行大規(guī)模的場地改造；價格低廉，投資少；行駛路徑靈活，可以實現(xiàn)進(jìn)堆場作業(yè)，滿足傳統(tǒng)作業(yè)工藝需求。

另外，還可以進(jìn)行智能閘口改造、5G基礎(chǔ)搭建等工作，當(dāng)碼頭的這些局部改造應(yīng)用成熟后，可以較為容易地實現(xiàn)碼頭整體的升級改造，使傳統(tǒng)集裝箱碼頭以最低的投資逐步升級改造為全自動化集裝箱碼頭。

4 自動化集裝箱碼頭設(shè)備運維管理

自動化集裝箱碼頭設(shè)備運維管理除傳統(tǒng)集裝箱碼頭常規(guī)裝卸設(shè)備外，還需管理運維裝卸設(shè)備的自動化裝置以及管理與控制系統(tǒng)等內(nèi)容。

4.1 自動化集裝箱碼頭設(shè)備運維管理內(nèi)容

自動化集裝箱碼頭設(shè)備運維應(yīng)做到以下幾點：①根據(jù)自動化設(shè)備運行特點和營運管理要求編制運行維護(hù)作業(yè)指導(dǎo)書。②建立適應(yīng)自動化集裝箱碼頭的設(shè)備運行維護(hù)管理制度及安全管理制度，建立運行維護(hù)技術(shù)檔案。③配備設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)控與診斷系統(tǒng)，提高運行維護(hù)管理工作的信息化水平，實現(xiàn)設(shè)備運維工作的數(shù)字化、可視化和科學(xué)化。

4.1.1 單機設(shè)備運維管理要點

①建立完善的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)制度，根據(jù)設(shè)備的使用情況、作業(yè)強度和運行頻率等結(jié)合生產(chǎn)作業(yè)計劃有序地安排設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)。②對裝卸機械單機設(shè)備，其自動化控制系統(tǒng)、輪廓掃描系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等自動化輔助系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)和標(biāo)定，調(diào)整系統(tǒng)運行精度在允許范圍內(nèi)，確保設(shè)備運行安全。③對設(shè)備工控系統(tǒng)要加強網(wǎng)絡(luò)安全防范措施，保證設(shè)備工控系統(tǒng)安全運行。④對視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等要定期進(jìn)行維護(hù)檢查，保證視頻圖像和通話質(zhì)量清晰正常無卡頓[4]。

4.1.2 管理與控制系統(tǒng)運維管理要點

①建立信息系統(tǒng)安全管理制度，包括網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)庫安全及重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全的管理制度和安全操作規(guī)程，并嚴(yán)格執(zhí)行。②定期巡檢機房的電力、消防、空調(diào)等設(shè)備的運行狀況，嚴(yán)格機房出入管控登記，保證機房數(shù)據(jù)服務(wù)器正常運行。③加強數(shù)據(jù)歸檔和備份管理，定期進(jìn)行系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的恢復(fù)演練，確保管理與控制系統(tǒng)安全正常運行。

4.2 裝卸設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測與診斷

設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、5G通信和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，利用現(xiàn)場總線和無線傳感器等手段，實時獲得裝卸設(shè)備的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力、機構(gòu)運行參數(shù)和振動等狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對裝卸設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)、減速機、電動機、制動器等關(guān)鍵部位和機構(gòu)運行狀態(tài)的實時健康診斷與監(jiān)測預(yù)測管理。

4.2.1 監(jiān)測范圍

鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測。在裝卸設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)中最薄弱、應(yīng)力集中最大、最易疲勞的節(jié)點安裝位移傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的安全診斷和剩余壽命評估。

機構(gòu)監(jiān)測。在裝卸設(shè)備起升、小車、大車等機構(gòu)的傳動裝置如減速箱、電動機、軸承座等相應(yīng)位置安裝振動、液位、溫度、加速度等傳感器，實時監(jiān)測機構(gòu)傳動裝置的運行狀態(tài)。

電氣運行監(jiān)控。通過對裝卸設(shè)備電氣參數(shù)如電流、電壓、速度給定、速度反饋等參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)分析，在線實時監(jiān)測主要電氣器件如驅(qū)動器、電機、制動器等的運行狀態(tài)，實現(xiàn)關(guān)鍵電氣器件的故障預(yù)測和壽命預(yù)估。

音頻監(jiān)測。在機房、司機室等位置安裝音頻采集傳感器，智能監(jiān)測分析設(shè)備運行聲音，異常情況給出報警、故障診斷和分析判斷。

視頻監(jiān)測。在機房、電氣房、司機室等重要位置安裝高清攝像頭或熱成像攝像頭，實現(xiàn)智能監(jiān)控、智能安防和火災(zāi)預(yù)警。

4.2.2 實現(xiàn)功能

裝卸設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)是自動化集裝箱碼頭的重要組成部分，與TOS、ECS相連，結(jié)合GIS地圖用動畫方式直觀展示整個碼頭所有設(shè)備的實時狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)KPI指標(biāo)統(tǒng)計，如各類機型的總臺數(shù)、在線數(shù)、故障數(shù)、裝卸箱數(shù)等。結(jié)合能效管理系統(tǒng)可統(tǒng)計單箱綜合能耗等指標(biāo)[5]。單機設(shè)備的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)、電氣關(guān)鍵部件等實時在線智能感知及監(jiān)控，通過大數(shù)據(jù)分析給出設(shè)備的健康狀態(tài)、故障預(yù)測和壽命預(yù)估。這種預(yù)測性的運維管理模式，可減少計劃外停機次數(shù)和停機時間，降低設(shè)備維修難度和維修成本，實現(xiàn)自動化集裝箱碼頭設(shè)備運維的科學(xué)管理。

5 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，近年來我國自動化集裝箱碼頭發(fā)展迅猛，不論是新建集裝箱碼頭還是傳統(tǒng)集裝箱碼頭改造都向著自動化、智能化方向發(fā)展，港口作業(yè)由勞動密集型向科技密集型方向轉(zhuǎn)變。以自動化裝卸、智能化管理、智慧化服務(wù)為主要特征的自動化集裝箱碼頭大力發(fā)展成為中國推動智慧綠色港口建設(shè)、創(chuàng)新港口發(fā)展的新模式。