无人艇、无人车、无人机…还有无人码头︱走近科学

本栏目由 “世界科学”和 “赛先生”联合出品

本文围绕2017年度上海市科技进步奖一等奖项目“自动化集装箱码头装卸系统关键技术及应用”展开,该奖项由上海振华重工（集团）股份有限公司严云福领衔的团队完成。

全世界95%以上的码头目前仍是人工操作，但自动化码头正以“星星之火”的态势燎原。目前，码头作业正由曾经的劳动密集型逐渐向科技密集型转变。自2016年荷兰数百名码头工人为抗议鹿特丹港“Maasvlakte2”自动化码头项目而罢工以来，近年因抗议自动化技术抢占工作而引发的码头工人罢工在海外港口已屡见不鲜。某种意义上，这种新旧生产力之间的对峙，有点像工业革命时代的“卢德运动”。

但在1998年起就关注和着手研究自动化集装箱码头设备的上海振华重工集团（简称“振华重工”）研发人员看来，自动化码头的发展从来都不是要与码头工人形成对立，提高码头的运转效率和保障工人的工作权益之间，并不必然是矛盾的。

客观地看，科技的进步为码头工人提供了更好的工作条件，通过远程控制，工人可以远离危险区域，即使发生意外事件或操作失误，安全事故对工人的直接伤害也会大幅降低。

如果在提升码头自动化程度的同时，能够对工人进行良好的培训，使原先从事体力作业的码头工人转向中控室管理等其他新型码头工作，不仅有可能在提升码头运转效率的同时，实现员工劳动技能的转型升级，而且可以在工人们更加轻松愉快工作的同时，减少码头装卸所需要的资源环境代价。

核心理念：时间利用的最大化

在振华重工参与建设的目前全球单体规模最大、技术也最先进的自动化集装箱码头上海洋山四期自动化码头上，从前工人们来来往往、忙忙碌碌三班倒操作桥吊、驾驶集卡、拆集装箱锁垫的景象，如今已不复得见。

过去在高空作业的桥吊驾驶员，现在坐在后方带空调的中控室里喝着咖啡，就能通过电脑远程完成复杂的操作；过去堆场上每台轨道吊都需配备一名驾驶员，现在平均每一位驾驶员能服务6~8台轨道吊。码头上人影稀疏，所有机器却井然有序地运转着。

洋山四期全自动化码头中控室

“双小车双起升岸边集装箱起重机”的机架上，一前一后有两辆小车，每辆小车上都有两个吊具，可吊起两个集装箱。

位于前方的主小车起升高度在40米以上，负责将大型船舶上的集装箱吊起，转移到中转平台；

位于后方的门架小车起升高度低于15米，负责从中转平台上将集装箱吊起，转移到地面运输车或无人驾驶集卡车（AGV）上。

前后小车同时工作，如同两只敏捷的大手，将集装箱快速地吊装移动。

人们如果看得仔细，就会发现，无论两个集装箱是高低不平放置，还是“八”字形放置，抑或是纵向倾斜放置，吊具都可以随机应变，进行调节后将集装箱抓起，从而大大提高吊装的效率。

“过去单小车一个班次工作时间是12小时，工人坐在40米高的小车里，弓着背，眼睛通过透明的玻璃板看着下方进行操作。由于潮起潮落，水平面上40米高的岸桥起重机吊具的锁头要放进集装箱的锁孔锁扣住，需要司机盯着屏幕，凭经验、凭感觉操作，而且要确保船上解锁的工人已经离开。这有点像站在一些旅游景点的透明高空栈道上往下看，恐高的人还干不了。即使不恐高的人，为了提高效率，小车的速度要快，司机需要来来回回地倒车，头也会很晕，工作之前需要至少半年时间的专门培训。

现在中间悬吊的过程都是自动的，坐在远程控制塔里的‘司机’只需在听到‘嘀嘀’的提示声后，重点在集装箱刚起吊和最后降落两个很短的时间段里，操作半自动化的主小车，负责从船上提货或把货物放到船上。一套专门针对锁孔的AI视觉识别系统会对吊具进行检测，确保吊具4个角上的锁头正好都对准集装箱上的锁孔。这样一来，操作‘司机’的劳动量就大大减少，劳动强度也大大降低了。”

振华重工研究总院副院长叶军告诉笔者，过去西门子、瑞典通用电气布朗-博韦里公司（ABB）都开发了专门培训小车司机的模拟器，让学员事先体验、了解那种眩晕的场景和感觉。现在，不必很资深的年轻人都可以操作小车，厦门还有个专门培训远程操作开小车的“巾帼班”，参加的都是女司机。

集装箱码头的效率由岸桥决定。据介绍，这一从船上取货物到岸桥，再从岸桥放货物到集卡车，或反过来从码头装货到船上的“自动化双小车双起升岸边集装箱起重机系统”，由振华重工首创。

相比欧洲的同类系统，振华的系统把整个集装箱货物吊装流程中的自动化区域区分得更清楚，把需要人工操作的步骤进一步优化。在原来单小车从船上取货物到岸桥，再从岸桥放货到集卡车，或进行反向操作的过程中，除了吊装、集卡和集装箱的4个锁扣也需要时间进行定位对锁或解锁，因此，主小车有较长时间处于空等状态，而且全过程需要人工操作。

现在，一个工作循环被拆分成了两段，循环周期变短，主小车的生产作业效率大大提高，门架小车则无须人工控制就能自动在全电动AGV上放、取集装箱。最早，振华的岸桥起重机一次只能从船上取2个20尺箱子，通过一系列对机械的改进，使单吊具升级为双吊具，现在起重机一次能取4个20尺的箱子，或者2个40尺的箱子。

注：20尺集装箱和40尺集装箱都是一种行业内的通用说法。20尺集装箱是一种长20英尺（约6.1米）的制式集装箱，容积约39立方米；40尺集装箱则是一种长40英尺（约12.2米）的制式集装箱，容积约77立方米。

据统计，原来工人一小时可做24个吊装来回，平均大约2.5分钟一个来回，改进后的装卸效率比过去平均提升了30%，但整个系统设计的难度显然也提升了。

“卡脖子”领域没有国外经验可以借鉴，这些全靠振华人自己摸索钻研，其中机械、电器和软件的自动控制，都由振华重工自主研发。

“整个振华自动化码头系统的研发和运行都围绕一个核心理念，即时间利用的最大化，用空间、设备和管理方法等换时间。”叶军总结说。类似的理念和应用场景在振华重工参与建设的其他自动化集装箱码头上都有所体现。

2020年4月15日清晨5时30分许，迎着晨曦，德翔航运的“德翔•佛森堡”轮缓缓靠泊到青岛港自动化码头105泊位，码头岸边的3台桥吊娴熟地伸开臂膀将船上的集装箱依次吊起，在空中划过优美的弧线后，落到桥吊下方的AGV上，AGV按照指令分别驶向指定的箱区。

AGV到达箱区后，龙门吊抓取集装箱平稳地滑向指定的堆放区，货物在支架上缓存，使AGV的周转率达到最高。整个作业流程如行云流水。而这个岸线长1320米、占地100多万平方米的港区内竟然看不到人影。当933个集装箱全部装卸完毕时，比预计所需时间整整提前2小时10分钟。

在青岛和厦门自动化码头系统中，每辆集卡车在进入堆场支架区域装卸集装箱的同时，充电臂会自动伸出充电（称为“机会充电”），补充的电量如果够其完成一个作业循环，车辆就不需要再专门花时间等待充电。

洋山四期自动化码头采用的则是为需要补充电量的AGV分配靠近换电站位置的方式，提高车辆的利用率，同时由机器人代替人工为AGV更换锂电池。

AGV更换电池全程只需6分钟，电池充满电则需2小时，相比充电，换电池大大提高了车辆的利用率，而且整个充电过程零排放，可节省能耗40%左右。大容量锂电池让车辆可以在充满电后持续运行8个小时，从而确保了码头上的AGV全天候不间断行驶。

对于整个码头生产运营系统而言，船按时离港的准点性非常重要。对于振华重工而言，装卸设备远程控制与调度系统（ECS）能够更加充分地提高各台设备在作业时间内的利用率，就是为尊重甲方的这一意愿创造价值。

打造自动化码头的“中国芯”

作为一家产品已覆盖全球104个国家和地区的港机设备生产商，成立近30年来，振华重工在智能化、无人化集装箱码头领域进行了深入的探索，致力于打造自动化码头的“中国芯”。

近年来，上海振华重工致力于为自动化、智能化码头提供系统化、一体化的软硬件结合解决方案，希望通过数字化变革，实现企业向“装备+服务”的转型。

在国内，2012年至2017年间，振华重工先后承担了厦门远海、青岛前湾、洋山港四期工程3个自动化码头的装卸系统研发和建造。

目前在建的粤港澳大湾区首个自动化码头广州南沙四期，以及国内首个海铁联运自动化码头广西北部湾钦州港自动化码头，也都使用了振华重工的“一站式”解决方案。

广州南沙四期自动化码头

此外，振华重工还将“中国智造”输往海外，在阿联酋、印度、意大利等国家建造自动化码头。

由其领衔的科研项目“自动化集装箱码头装卸系统关键技术及应用” 获得2017年度上海市科技进步奖一等奖。

完整的自动化码头装卸设备与系统由大型自动化岸桥（QC）、无人驾驶集卡车、无人化场桥（ARMG）、装卸设备远程控制与调度系统、对接各码头生产管理的系统等组成，通过它们实现岸边装卸船、水平搬运和堆场存取过程的自动化作业。

其中，码头操作系统（TOS）根据现场实时信息和各种复杂数据进行自动配载，指定集装箱的堆放位置和转运集装箱的设备，并将指令下发至岸桥、AGV、轨道吊（即无人化集装箱场地起重机）等设备控制子系统，子系统接收并执行作业指令，反馈任务执行状态。

自动装卸船过程中，智能化岸桥管理系统（QCMS）高速地联接TOS和自动起重机控制系统（ACCS），执行作业任务并反馈任务执行状态。

岸桥上配备的船型扫描系统（SPSS）实现岸桥作业过程中起升方向、小车方向及相邻贝位的障碍物防撞保护和软着陆功能，最大程度提高岸桥的效率和安全性。

岸桥主小车配备吊具检测系统（SDS），基于光学原理和图像处理技术检测吊具空间位置和姿态，发送给自动起重机控制系统，实现防摇和防扭功能。

智能光学识别系统（OCR）实时智能识别集装箱箱号、箱型和箱门方向特征等，目标检测系统（TDS）对目标实行精确定位，最大限度保障设备安全高效运行。

水平运输系统（VMS）可以管理百辆以上的AGV，通过AGV实现岸边与堆场间的集装箱搬运。AGV配有激光防撞传感器，头部装有导航天线，侧身装有取电装置，通过敷设于地面上的6万多个如同路标的磁钉引导，高效、安全、灵活地完成工作。

在码头堆场间自由穿梭的AGV在接收指令后实时动态优化路径，并根据交通情况和作业优先级实现有序通行，遇到障碍时可自动避让，重新规划路径，继续执行作业任务。这些加上集装箱全身重量可达70吨的无人驾驶车辆在码头上来来回回，彼此却不会发生碰撞，而且停车位置十分精确，误差不超过2厘米。

自动化轨道吊堆场管理系统（BMS）实现集装箱在交互支架的装卸、堆场中的抓叠和集卡进出箱等操作。自动化轨道吊通过3D激光扫描器获取目标集装箱及其相邻集装箱的位置信息，并依此调节吊具，进行抓箱、放箱操作。

此外，自动化轨道吊采用磁钉定位系统，实现大车精确定位，同时配备了基于图像处理技术的吊具检测系统、目标检测系统和防撞系统，最大限度保障快速准确定位和设备安全运行。集卡根据指令到达堆场进行集疏箱作业，由自动化轨道吊吊取集装箱到集卡上，实现对外集卡的自动化作业管理。在间歇时段，轨道吊自动进行理箱作业，将待装船集装箱调运到海侧区，进口集装箱调运到陆侧区，最大程度提高作业效率。

如果将TOS看作自动化码头的大脑，那么ECS就是自动化码头的心脏，振华过去做的港机设备则好比码头发达的四肢。而能否大幅提升码头作业效率，主要取决于TOS系统的性能。

迈向智能化引领的第四代自动化码头

当前，亚洲、非洲与南美洲的绝大多数港口仍停留在传统的码头作业阶段，但自动化码头改造热潮也正在全世界掀起。全球自动化集装箱码头的发展过程大致可分为3个阶段。

第一代自动化集装箱码头以1993年投入运营的荷兰鹿特丹港ECT码头为代表，特点是岸桥是单小车结构，水平运输采用的是AGV沿固定圆形路线运行，AGV采用内燃机液压驱动。

第二代自动化集装箱码头以2002年投入运营的德国汉堡港CTA码头为代表，特点是岸桥是双小车结构，水平运输采用的是AGV沿灵活路线运行，码头的路径规划设计和设备调度采用计算机模拟技术。AGV起初采用内燃机液压驱动，后来采用柴油发电机供电的电力驱动，2009年逐步升级为动力电池供电的电力驱动。

第三代自动化集装箱码头以2008年投入运营的荷兰鹿特丹港Euromax码头为代表，AGV采用柴油发电机电力驱动。

我国自动化码头建设起步较晚，但追赶得快。2015年，厦门率先建成我国第一个全自动化集装箱码头，青岛规划建设自动化集装箱码头。

青岛港全自动化码头

2017年12月，上海洋山深水港四期 （简称洋山港四期） 开港试运营，TOS系统和ECS系统在其中互相配合，每个岸桥上都有一个软件管理系统控制诸如“去哪里取箱子？”“取回后放到哪里？”“小车什么时候开过来、什么时候开走？”等操作，共同完成无停歇、不“落幕”作业的系统调度，标志着我国港口业在运营模式、技术应用以及装备制造上实现了跨越升级与重大变革。

洋山四期全自动化码头

无论是平行于岸线的自动化码头堆场布局、AGV随机充电模式，还是桥吊的双小车双吊具作业和一次抓取双箱的作业模式，在全球都属首创。由振华重工提出的以“智能化”为引领的第四代自动化码头正在开创更安全、更绿色、更高效率、更全功能、更低成本的全新码头运作模式。

它们的特征为：全部电驱动；多目标柔性调度系统使岸桥远程司机操作更安全和方便；单机上安装独立、可植性较高的自动起重机控制系统，更便于传统码头的自动化改造；ECS结合了自己的设备、电控软件进行优化，使码头作业功能控制更加一体化。

不过，至此，码头建设采用的仍是分系统、多平台解决方案，如码头生产调度计划依赖TOS平台，底层设备控制依赖ECS平台，内外集卡管理依赖TMS平台，生产任务的执行依赖多个平台的数据转发与决策，导致自动化码头的运营效率难以满足实际需要。为此，在未来，以主数据管理为核心，打通不同平台之间的数据与业务壁垒，实现跨平台、跨系统的资源整合，是实现自动化码头高效运行的关键，也是未来第五代自动化码头技术发展的必然趋势。

近年来，振华重工参与研发和建设的自动化码头几乎都是用振华的ECS对接不同厂家的TOS，有的通过数据库的方式对接，有的通过接口对接，有的通过WEB服务对接。

对振华而言，由于不同厂家TOS产品的界面不同，它们与 ECS之间的信息交互通信标准也不同，因此，振华的ECS需要与这些厂家的TOS进一步融合，制定相对标准的接口。

另外，国际知名TOS供应商都来自美国和韩国，供货随时可能受到制裁影响。TOS定制费用高昂且周期较长。码头系统层次过多，界面和接口复杂容易产生问题且用户体验感较差。

为此，振华重工近年来也在自主研发自动化码头的“大脑”TOS，使TOS和ECS更加和谐地互相配合，通过跨平台、跨系统的整合，实现自动化码头的高效运行，以及系统集成更完整地向智慧码头方向发展，该系统已在其最新签订的中谷钦州项目上首次上线。

眼下，振华重工软件开发团队已拥有150人的规模，其正在开发的TOS系统包含两个显著特征：一是计划和调度的一体化；二是在采取智能计划和调度优化算法基础上，通过大数据挖掘和预测，协助用户进行决策，减轻中控操作人员操作难度，降低码头运营成本。

振华重工与微软、红帽（RedHat）、思爱普（SAP）等国际著名软件企业在互联网领域开展的合作，也正为企业后续的码头服务和市场发展打下基础。

注：“洋山四期超大型自动化集装箱码头关键技术研究与应用”项目获得2020年度上海市科技进步奖特等奖。

END