关于传统集装箱码头全智能化改造的思考

摘要

随着全球经济发展，世界海运集装箱量呈现不断增长的态势，集装箱船舶也向着大型化方向发展。稳定高效、节能环保和低成本的集装箱装卸已成为港口经营者关注的重点。集装箱码头作业的自动化乃至智能化是未来港口发展的必然趋势，也是传统集装箱码头升级改造实现高质量发展的必由之路。

一、背景

集装箱是公路、铁路、水路和航空运输等多种运输方式的良好载运工具。在新冠肺炎疫情蔓延的情况下，集装箱具有封闭、风险可控的运输特点，更能充分发挥其集中运输的优势。21世纪，世界经济发展的总趋势依然有利于集装箱运输的发展;智能化技术的长足发展，使集装箱运输实现更高技术水准、更高智能水平和更广阔的应用空间在现阶段成为可能。如何在可行的经济条件下满足客户的需求是集装箱码头运营商应思考的问题之一，如何借助科技的手段实现提质增效、巩固优势、提高效率则更是港口人在特定技术发展阶段需要深入思考的重点。

自动化集装箱码头起源于20世纪90年代，近几年随着科学技术的不断进步，集装箱码头自动化发展速度愈发加快，并在部分领域实现了局域智能化发展。目前全球已建成自动化集装箱码头超过40个，其中图1所示的已建的全自动化集装箱码头超过了10个(见表1)。自动化集装箱码头在提升作业效率、提高安全性、降低码头人力成本、提高港口通过能力、提升港口品牌形象等方面发挥了重要作用，是当前智慧港口建设的重要组成部分。然而，上述全自动化集装箱码头以新建为主，从基础设施布局到码头详细规划和建设，均可以充分地利用陆域、水域自然条件，采用最可靠、最先进的技术，以“一张白纸绘蓝图”式完成自动化集装箱码头的建造。

对国内占比最大的传统集装箱码头而言，自动化码头巨大的投资费用和较长的建设周期无法复制到传统码头的改造。因而，如何充分利用码头已有条件实现传统集装箱码头的智能化改造，对于解决现阶段集装箱码头的转型升级具有重要指导和示范意义。

本文将结合厦门集装箱码头全智能化改造工程，分析国内传统集装箱码头智能化改造存在的挑战与机遇;针对传统集装箱码头智能化改造存在的难点问题，着重提出厦门集装箱码头智能化改造的技术方案。

二、传统集装箱码头发展中面临的挑战及机遇

(一)传统集装箱码头发展中面临的挑战

传统集装箱码头在相当长的时期内为我国集装箱的发展做出了极大贡献。随着科技进步，传统集装箱码头也在探索进行局部自动化改造。总体而言，我国传统集装箱码头因受业务流程、工艺及装备限制等因素影响，生产调度、装卸过程还是以人工操作模式为主，对操作人员的能力和经验要求较高，劳动强度很大，生产作业受昼夜和气候等自然环境因素影响较大，不仅效率不稳定，成本高，同时安全性也得不到根本保障。

港口通常是区域的物流枢纽，它的发展必然带动水水联运、水铁联运和水空联运等多式联运的蓬勃发展，复杂多样的物流路径要求码头提高各种物流数据的快速智能决策能力，实现货物高效的集疏港。

港口行业对劳动力的吸引力已不复存在。实际上，近年来国内沿海港口行业劳动力日益短缺，招工难已成为经营者必须考量的因素。

(二)传统集装箱码头升级改造的最佳机遇

 1.国家政策

中共中央、国务院2019年9月发布的《交通强国建设纲要》中指出“打造具有全球竞争力的国际海港枢纽;推进装备技术升级。广泛应用智能航运，自动化码头等新型装备设施，开发新一代智能交通管理系统;大力发展智慧交通。推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合。”结合《关于建设世界一流港口的指导意见》《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》《关于推进港口转型升级的指导意见》等规划文件，为集装箱码头的智能化发展指明了方向。

 2.自动化技术成熟

近年来，港口自动化相关技术日渐成熟，装备成本逐步下降。集装箱码头自动化在经历了几代更迭发展之后设备的自动化技术已经相当可靠。随着虚拟现实和增强现实视频技术、5G网络及传输技术、人工智能技术的不断发展，港口装备实现智能化运行的手段和措施越来越多，也越来越成熟。各项新兴智能技术的发展为码头智能化升级改造加入了“助推剂”。全智能化是科技发展到一定程度后实现集装箱码头发展的必然趋势。

  3.港城深度融合的需要

港口与城市有紧密的联系。放眼全球许多城市因港而生，因港而繁华。正所谓港口兴，则城市兴，经济兴。码头作为社会物流链的重要节点和枢纽，港城之间的交互正经历着前所未有的变化，通过智慧港口建设促进全社会物流效率提高是各级政府的要求也是港口经营者应有的担当。智能化集装箱码头利用先进的技术助力港口与城市的深度融合问题。同时在港口智能化改造过程中，还可紧密结合当地招商引资政策，做到引进一家企业，带动一个产业，壮大一个集群，带动当地企业的发展。

三、传统集装箱码头改造的难点与解决方案

(一)难点问题

传统集装箱码头智能化改造是内外因素综合作用的结果。然而，在传统集装箱智能化改造过程中，存在着总平面改造弹性小、工艺流程固化、装卸设备陈旧、改造环境复杂、改造环节驳杂等“先天性”难点问题。在空间上，传统集装箱码头改造涉及到码头前沿装卸、水平运输、及堆场装卸这三个主要方面问题(见图2);在技术上，主要涉及采用什么路径实现由人工为主导的生产作业工艺向以机械智能、系统智能为主的自动化、智能化深度转变的问题;在生产上，主要涉及到系统融合问题，如码头内部系统与外部系统的融合问题，各工艺环节和生产环境的智能融合问题等。

(二)主要技术方案

针对传统集装箱码头改造的难点问题，结合厦门集装箱码头智能化改造项目的实际进展，关键要做好“141”，即1个平面规划、4个关键节点工程，1套智能TOS系统。其中:

 1.一个平面规划，即工艺总平面

工艺总平面布置是关键，其决定了该码头的装卸系统形式、码头前方区布置，设计中应结合项目的具体条件、建设目标、投资和营运成本等因素综合考虑。在厦门集装箱码头全智能化改造过程中通过对作业路径、RTG作业行程、改造对港区现有生产系统的影响、工程建设投资以及交通组织适应性等方面综合分析，工艺总平面维持现有布局模式不变，通过对现有RTG轨道梁、道路和堆场进行优化处置以达到满足智能化码头对场地的要求，从而尽可能兼顾工程实施和港区现有生产。

 2.四个关键节点工程，即船舶装卸智能化、堆场装卸自动化、平面运输无人化及智能配套工程。

(1)船舶装卸智能化

应用岸桥远程控制、智能理货、智能装/解锁技术，实现船舶装卸的智能化、少人化乃至无人化。将实现司机远程操作，并在“陆侧自动作业”“船侧舱面上自动作业”“船上舱位自动识别”“大车自动换贝”等方面实现创新技术应用，提高岸桥自动化程度及作业效率。

(2)堆场装卸自动化

堆场装卸智能化改造，实现箱区自动作业，内拖车远程监控下的自动作业，外拖车远程操作，大车自动行走等功能，实现信息实时自动校验，整个装卸环节无缝衔接，远程“多对多”作业，将大幅降低人工配置数量，提升堆场的作业效率与安全。

(3)平面运输无人化

内拖车应用环境感知及高精地图，外拖车应用智能APP，实现高精定位，结合智能操作系统，实现内、外拖车按作业顺序的精确运行。应用环境感知、高精地图、高精定位及自动驾驶技术实现内拖车的无人驾驶。通过应用智能APP、高精定位，地图导引，实现外拖车在系统控制下的精确运行。目前，如何解决内外拖车的智能运行及管控在传统集装箱码头改造过程中尚未见成熟的案例。厦门港集装箱码头将利用智能化改造探索内拖车与外拖车的运行问题，为其他码头的水平运输方案选择提供了技术支撑。 

(4)智能化配套工程

智能化配套工程主要包括网络、道路、供电照明等配套设施。

智能化改造使得设备、车辆等作业资源升级为智能化控制，大量数据从码头现场的各个地点发生、汇聚并传回数据中心。大量数据的传输对网络的综合应用提出了非常高的要求。在厦门港的智能化改造过程中搭建5G无线通讯与有线通讯融合的通讯网络，实现双网热备，提高系统可靠性，并按照网络安全等级保护2.0要求，开展工控信息安全建设 ，确保系统安全、网络安全、软硬件安全。

对堆场内道路进行改造以满足平面运输智能化设备作业需求。

在充分考虑节能的前提下，合理完善供电、照明系统为码头生产提供支撑。

 3.一套系统，即TOS系统

TOS系统是集装箱码头的指挥中枢，负责整个码头的生产作业计划编排，并调度机械设备按计划完成作业。智能TOS系统主要包括岸桥管理系统(QCMS)、堆场管理系统(BMS)和车辆管理系统(VMS)，并与ECS系统深度融合，利用大数据和人工智能等先进技术，与生产作业计划紧密结合，交换设备信息与生产信息，制定最优设备调度管理，实现码头内所有货物与设备的智能给位和调度。

在自动化码头建设过程中，TOS的开发具有很强的定制性和特殊性。无论是国外的TOS系统还是集装箱码头利用自身技术力量进行开发，该过程与码头现场作业人员、管理人员的经验是密不可分的，需要将上述人员的经验融入其中。

在传统集装箱码头智能化改造过程中，工艺总平面为基础，TOS系统是核心，4个关键节点为手段。通过推动船舶作业智能化、堆场作业自动化、平面运输无人化及智能化配套工程，实现码头智能TOS系统与集装箱智慧物流平台高度融合，构建开放共享、互联互通、智慧协同的港口物流生态圈，建成港口生产智能化、客户服务无纸化、决策指挥可视化的智慧型港口，综合提升港口竞争力。

四、总结

自动化是传统集装箱码头技术升级的必然趋势，以现代信息技术为支撑的智能化是其终极目标。随着社会经济发展，劳动者对美好生活的追求不断提高，智慧港口、绿色港口建设的不断推进，智能化改造在我国传统集装箱码头升级换代中具有广阔的应用前景。与新建码头不同，传统集装箱码头智能化改造的关键在于要充分利用码头的各自特点，因“港”制宜，探索创新，走出适合自身的码头智能化之路。随着国内港口智慧化进程的不断深入，如何总结各港的成功经验、分析各自技术优势和特点、提炼共性关键技术，形成可复制的技术乃至标准为行业服务，是当前摆在业界的现实任务之一。

作者：张攀攀 丁敏 周家海