無人艇、無人車、無人機…還有無人碼頭︱走近科學

本欄目由 “世界科學”和 “賽先生”聯合出品

本文圍繞2017年度上海市科技進步獎一等獎項目“自動化集裝箱碼頭裝卸系統關鍵技術及應用”展開,該獎項由上海振華重工（集團）股份有限公司嚴雲福領銜的團隊完成。

全世界95%以上的碼頭目前仍是人工操作，但自動化碼頭正以“星星之火”的態勢燎原。目前，碼頭作業正由曾經的勞動密集型逐漸向科技密集型轉變。自2016年荷蘭數百名碼頭工人爲抗議鹿特丹港“Maasvlakte2”自動化碼頭項目而罷工以來，近年因抗議自動化技術搶佔工作而引發的碼頭工人罷工在海外港口已屢見不鮮。某種意義上，這種新舊生產力之間的對峙，有點像工業革命時代的“盧德運動”。

但在1998年起就關注和着手研究自動化集裝箱碼頭設備的上海振華重工集團（簡稱“振華重工”）研發人員看來，自動化碼頭的發展從來都不是要與碼頭工人形成對立，提高碼頭的運轉效率和保障工人的工作權益之間，並不必然是矛盾的。

客觀地看，科技的進步爲碼頭工人提供了更好的工作條件，通過遠程控制，工人可以遠離危險區域，即使發生意外事件或操作失誤，安全事故對工人的直接傷害也會大幅降低。

如果在提升碼頭自動化程度的同時，能夠對工人進行良好的培訓，使原先從事體力作業的碼頭工人轉向中控室管理等其他新型碼頭工作，不僅有可能在提升碼頭運轉效率的同時，實現員工勞動技能的轉型升級，而且可以在工人們更加輕鬆愉快工作的同時，減少碼頭裝卸所需要的資源環境代價。

核心理念：時間利用的最大化

在振華重工參與建設的目前全球單體規模最大、技術也最先進的自動化集裝箱碼頭上海洋山四期自動化碼頭上，從前工人們來來往往、忙忙碌碌三班倒操作橋吊、駕駛集卡、拆集裝箱鎖墊的景象，如今已不復得見。

過去在高空作業的橋吊駕駛員，現在坐在後方帶空調的中控室裡喝着咖啡，就能通過電腦遠程完成複雜的操作；過去堆場上每臺軌道吊都需配備一名駕駛員，現在平均每一位駕駛員能服務6~8臺軌道吊。碼頭上人影稀疏，所有機器卻井然有序地運轉着。

洋山四期全自動化碼頭中控室

“雙小車雙起升岸邊集裝箱起重機”的機架上，一前一後有兩輛小車，每輛小車上都有兩個吊具，可吊起兩個集裝箱。

位於前方的主小車起升高度在40米以上，負責將大型船舶上的集裝箱吊起，轉移到中轉平臺；

位於後方的門架小車起升高度低於15米，負責從中轉平臺上將集裝箱吊起，轉移到地面運輸車或無人駕駛集卡車（AGV）上。

前後小車同時工作，如同兩隻敏捷的大手，將集裝箱快速地吊裝移動。

人們如果看得仔細，就會發現，無論兩個集裝箱是高低不平放置，還是“八”字形放置，抑或是縱向傾斜放置，吊具都可以隨機應變，進行調節後將集裝箱抓起，從而大大提高吊裝的效率。

“過去單小車一個班次工作時間是12小時，工人坐在40米高的小車裡，弓着背，眼睛通過透明的玻璃板看着下方進行操作。由於潮起潮落，水平面上40米高的岸橋起重機吊具的鎖頭要放進集裝箱的鎖孔鎖釦住，需要司機盯着屏幕，憑經驗、憑感覺操作，而且要確保船上解鎖的工人已經離開。這有點像站在一些旅遊景點的透明高空棧道上往下看，恐高的人還幹不了。即使不恐高的人，爲了提高效率，小車的速度要快，司機需要來來回回地倒車，頭也會很暈，工作之前需要至少半年時間的專門培訓。

現在中間懸吊的過程都是自動的，坐在遠程控制塔裡的‘司機’只需在聽到‘嘀嘀’的提示聲後，重點在集裝箱剛起吊和最後降落兩個很短的時間段裡，操作半自動化的主小車，負責從船上提貨或把貨物放到船上。一套專門針對鎖孔的AI視覺識別系統會對吊具進行檢測，確保吊具4個角上的鎖頭正好都對準集裝箱上的鎖孔。這樣一來，操作‘司機’的勞動量就大大減少，勞動強度也大大降低了。”

振華重工研究總院副院長葉軍告訴筆者，過去西門子、瑞典通用電氣布朗-博韋裡公司（ABB）都開發了專門培訓小車司機的模擬器，讓學員事先體驗、瞭解那種眩暈的場景和感覺。現在，不必很資深的年輕人都可以操作小車，廈門還有個專門培訓遠程操作開小車的“巾幗班”，參加的都是女司機。

集裝箱碼頭的效率由岸橋決定。據介紹，這一從船上取貨物到岸橋，再從岸橋放貨物到集卡車，或反過來從碼頭裝貨到船上的“自動化雙小車雙起升岸邊集裝箱起重機系統”，由振華重工首創。

相比歐洲的同類系統，振華的系統把整個集裝箱貨物吊裝流程中的自動化區域區分得更清楚，把需要人工操作的步驟進一步優化。在原來單小車從船上取貨物到岸橋，再從岸橋放貨到集卡車，或進行反向操作的過程中，除了吊裝、集卡和集裝箱的4個鎖釦也需要時間進行定位對鎖或解鎖，因此，主小車有較長時間處於空等狀態，而且全過程需要人工操作。

現在，一個工作循環被拆分成了兩段，循環週期變短，主小車的生產作業效率大大提高，門架小車則無須人工控制就能自動在全電動AGV上放、取集裝箱。最早，振華的岸橋起重機一次只能從船上取2個20尺箱子，通過一系列對機械的改進，使單吊具升級爲雙吊具，現在起重機一次能取4個20尺的箱子，或者2個40尺的箱子。

注：20尺集裝箱和40尺集裝箱都是一種行業內的通用說法。20尺集裝箱是一種長20英尺（約6.1米）的制式集裝箱，容積約39立方米；40尺集裝箱則是一種長40英尺（約12.2米）的制式集裝箱，容積約77立方米。

據統計，原來工人一小時可做24個吊裝來回，平均大約2.5分鐘一個來回，改進後的裝卸效率比過去平均提升了30%，但整個系統設計的難度顯然也提升了。

“卡脖子”領域沒有國外經驗可以借鑑，這些全靠振華人自己摸索鑽研，其中機械、電器和軟件的自動控制，都由振華重工自主研發。

“整個振華自動化碼頭系統的研發和運行都圍繞一個核心理念，即時間利用的最大化，用空間、設備和管理方法等換時間。”葉軍總結說。類似的理念和應用場景在振華重工參與建設的其他自動化集裝箱碼頭上都有所體現。

2020年4月15日清晨5時30分許，迎着晨曦，德翔航運的“德翔•佛森堡”輪緩緩靠泊到青島港自動化碼頭105泊位，碼頭岸邊的3臺橋吊嫺熟地伸開臂膀將船上的集裝箱依次吊起，在空中劃過優美的弧線後，落到橋吊下方的AGV上，AGV按照指令分別駛向指定的箱區。

AGV到達箱區後，龍門吊抓取集裝箱平穩地滑向指定的堆放區，貨物在支架上緩存，使AGV的週轉率達到最高。整個作業流程如行雲流水。而這個岸線長1320米、佔地100多萬平方米的港區內竟然看不到人影。當933個集裝箱全部裝卸完畢時，比預計所需時間整整提前2小時10分鐘。

在青島和廈門自動化碼頭系統中，每輛集卡車在進入堆場支架區域裝卸集裝箱的同時，充電臂會自動伸出充電（稱爲“機會充電”），補充的電量如果夠其完成一個作業循環，車輛就不需要再專門花時間等待充電。

洋山四期自動化碼頭採用的則是爲需要補充電量的AGV分配靠近換電站位置的方式，提高車輛的利用率，同時由機器人代替人工爲AGV更換鋰電池。

AGV更換電池全程只需6分鐘，電池充滿電則需2小時，相比充電，換電池大大提高了車輛的利用率，而且整個充電過程零排放，可節省能耗40%左右。大容量鋰電池讓車輛可以在充滿電後持續運行8個小時，從而確保了碼頭上的AGV全天候不間斷行駛。

對於整個碼頭生產運營系統而言，船按時離港的準點性非常重要。對於振華重工而言，裝卸設備遠程控制與調度系統（ECS）能夠更加充分地提高各臺設備在作業時間內的利用率，就是爲尊重甲方的這一意願創造價值。

打造自動化碼頭的“中國芯”

作爲一家產品已覆蓋全球104個國家和地區的港機設備生產商，成立近30年來，振華重工在智能化、無人化集裝箱碼頭領域進行了深入的探索，致力於打造自動化碼頭的“中國芯”。

近年來，上海振華重工緻力於爲自動化、智能化碼頭提供系統化、一體化的軟硬件結合解決方案，希望通過數字化變革，實現企業向“裝備+服務”的轉型。

在國內，2012年至2017年間，振華重工先後承擔了廈門遠海、青島前灣、洋山港四期工程3個自動化碼頭的裝卸系統研發和建造。

目前在建的粵港澳大灣區首個自動化碼頭廣州南沙四期，以及國內首個海鐵聯運自動化碼頭廣西北部灣欽州港自動化碼頭，也都使用了振華重工的“一站式”解決方案。

廣州南沙四期自動化碼頭

此外，振華重工還將“中國智造”輸往海外，在阿聯酋、印度、意大利等國家建造自動化碼頭。

由其領銜的科研項目“自動化集裝箱碼頭裝卸系統關鍵技術及應用” 獲得2017年度上海市科技進步獎一等獎。

完整的自動化碼頭裝卸設備與系統由大型自動化岸橋（QC）、無人駕駛集卡車、無人化場橋（ARMG）、裝卸設備遠程控制與調度系統、對接各碼頭生產管理的系統等組成，通過它們實現岸邊裝卸船、水平搬運和堆場存取過程的自動化作業。

其中，碼頭操作系統（TOS）根據現場實時信息和各種複雜數據進行自動配載，指定集裝箱的堆放位置和轉運集裝箱的設備，並將指令下發至岸橋、AGV、軌道吊（即無人化集裝箱場地起重機）等設備控制子系統，子系統接收並執行作業指令，反饋任務執行狀態。

自動裝卸船過程中，智能化岸橋管理系統（QCMS）高速地聯接TOS和自動起重機控制系統（ACCS），執行作業任務並反饋任務執行狀態。

岸橋上配備的船型掃描系統（SPSS）實現岸橋作業過程中起升方向、小車方向及相鄰貝位的障礙物防撞保護和軟着陸功能，最大程度提高岸橋的效率和安全性。

岸橋主小車配備吊具檢測系統（SDS），基於光學原理和圖像處理技術檢測吊具空間位置和姿態，發送給自動起重機控制系統，實現防搖和防扭功能。

智能光學識別系統（OCR）實時智能識別集裝箱箱號、箱型和箱門方向特徵等，目標檢測系統（TDS）對目標實行精確定位，最大限度保障設備安全高效運行。

水平運輸系統（VMS）可以管理百輛以上的AGV，通過AGV實現岸邊與堆場間的集裝箱搬運。AGV配有激光防撞傳感器，頭部裝有導航天線，側身裝有取電裝置，通過敷設於地面上的6萬多個如同路標的磁釘引導，高效、安全、靈活地完成工作。

在碼頭堆場間自由穿梭的AGV在接收指令後實時動態優化路徑，並根據交通情況和作業優先級實現有序通行，遇到障礙時可自動避讓，重新規劃路徑，繼續執行作業任務。這些加上集裝箱全身重量可達70噸的無人駕駛車輛在碼頭上來來回回，彼此卻不會發生碰撞，而且停車位置十分精確，誤差不超過2釐米。

自動化軌道吊堆場管理系統（BMS）實現集裝箱在交互支架的裝卸、堆場中的抓疊和集卡進出箱等操作。自動化軌道吊通過3D激光掃描器獲取目標集裝箱及其相鄰集裝箱的位置信息，並依此調節吊具，進行抓箱、放箱操作。

此外，自動化軌道吊採用磁釘定位系統，實現大車精確定位，同時配備了基於圖像處理技術的吊具檢測系統、目標檢測系統和防撞系統，最大限度保障快速準確定位和設備安全運行。集卡根據指令到達堆場進行集疏箱作業，由自動化軌道吊吊取集裝箱到集卡上，實現對外集卡的自動化作業管理。在間歇時段，軌道吊自動進行理箱作業，將待裝船集裝箱調運到海側區，進口集裝箱調運到陸側區，最大程度提高作業效率。

如果將TOS看作自動化碼頭的大腦，那麼ECS就是自動化碼頭的心臟，振華過去做的港機設備則好比碼頭髮達的四肢。而能否大幅提升碼頭作業效率，主要取決於TOS系統的性能。

邁向智能化引領的第四代自動化碼頭

當前，亞洲、非洲與南美洲的絕大多數港口仍停留在傳統的碼頭作業階段，但自動化碼頭改造熱潮也正在全世界掀起。全球自動化集裝箱碼頭的發展過程大致可分爲3個階段。

第一代自動化集裝箱碼頭以1993年投入運營的荷蘭鹿特丹港ECT碼頭爲代表，特點是岸橋是單小車結構，水平運輸採用的是AGV沿固定圓形路線運行，AGV採用內燃機液壓驅動。

第二代自動化集裝箱碼頭以2002年投入運營的德國漢堡港CTA碼頭爲代表，特點是岸橋是雙小車結構，水平運輸採用的是AGV沿靈活路線運行，碼頭的路徑規劃設計和設備調度採用計算機模擬技術。AGV起初採用內燃機液壓驅動，後來採用柴油發電機供電的電力驅動，2009年逐步升級爲動力電池供電的電力驅動。

第三代自動化集裝箱碼頭以2008年投入運營的荷蘭鹿特丹港Euromax碼頭爲代表，AGV採用柴油發電機電力驅動。

我國自動化碼頭建設起步較晚，但追趕得快。2015年，廈門率先建成我國第一個全自動化集裝箱碼頭，青島規劃建設自動化集裝箱碼頭。

青島港全自動化碼頭

2017年12月，上海洋山深水港四期 （簡稱洋山港四期） 開港試運營，TOS系統和ECS系統在其中互相配合，每個岸橋上都有一個軟件管理系統控制諸如“去哪裡取箱子？”“取回後放到哪裡？”“小車什麼時候開過來、什麼時候開走？”等操作，共同完成無停歇、不“落幕”作業的系統調度，標誌着我國港口業在運營模式、技術應用以及裝備製造上實現了跨越升級與重大變革。

洋山四期全自動化碼頭

無論是平行於岸線的自動化碼頭堆場佈局、AGV隨機充電模式，還是橋吊的雙小車雙吊具作業和一次抓取雙箱的作業模式，在全球都屬首創。由振華重工提出的以“智能化”爲引領的第四代自動化碼頭正在開創更安全、更綠色、更高效率、更全功能、更低成本的全新碼頭運作模式。

它們的特徵爲：全部電驅動；多目標柔性調度系統使岸橋遠程司機操作更安全和方便；單機上安裝獨立、可植性較高的自動起重機控制系統，更便於傳統碼頭的自動化改造；ECS結合了自己的設備、電控軟件進行優化，使碼頭作業功能控制更加一體化。

不過，至此，碼頭建設採用的仍是分系統、多平臺解決方案，如碼頭生產調度計劃依賴TOS平臺，底層設備控制依賴ECS平臺，內外集卡管理依賴TMS平臺，生產任務的執行依賴多個平臺的數據轉發與決策，導致自動化碼頭的運營效率難以滿足實際需要。爲此，在未來，以主數據管理爲核心，打通不同平臺之間的數據與業務壁壘，實現跨平臺、跨系統的資源整合，是實現自動化碼頭高效運行的關鍵，也是未來第五代自動化碼頭技術發展的必然趨勢。

近年來，振華重工參與研發和建設的自動化碼頭幾乎都是用振華的ECS對接不同廠家的TOS，有的通過數據庫的方式對接，有的通過接口對接，有的通過WEB服務對接。

對振華而言，由於不同廠家TOS產品的界面不同，它們與 ECS之間的信息交互通信標準也不同，因此，振華的ECS需要與這些廠家的TOS進一步融合，制定相對標準的接口。

另外，國際知名TOS供應商都來自美國和韓國，供貨隨時可能受到制裁影響。TOS定製費用高昂且週期較長。碼頭系統層次過多，界面和接口複雜容易產生問題且用戶體驗感較差。

爲此，振華重工近年來也在自主研發自動化碼頭的“大腦”TOS，使TOS和ECS更加和諧地互相配合，通過跨平臺、跨系統的整合，實現自動化碼頭的高效運行，以及系統集成更完整地向智慧碼頭方向發展，該系統已在其最新簽訂的中谷欽州項目上首次上線。

眼下，振華重工軟件開發團隊已擁有150人的規模，其正在開發的TOS系統包含兩個顯著特徵：一是計劃和調度的一體化；二是在採取智能計劃和調度優化算法基礎上，通過大數據挖掘和預測，協助用戶進行決策，減輕中控操作人員操作難度，降低碼頭運營成本。

振華重工與微軟、紅帽（RedHat）、思愛普（SAP）等國際著名軟件企業在互聯網領域開展的合作，也正爲企業後續的碼頭服務和市場發展打下基礎。

注：“洋山四期超大型自動化集裝箱碼頭關鍵技術研究與應用”項目獲得2020年度上海市科技進步獎特等獎。

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