中國“智造”在全球自動化碼頭領域的探索與實踐

焦旭 嚴梁 張照雷

近年來，隨著信息技術發展的日新月異，工業互聯網大潮洶涌而至。以德國“工業4.0”、中國制造2025等國家戰略為代表，全球各國都提出了工業制造的新愿景，以實施制造強國戰略，搶占新一輪工業發展的制高點。

在國際市場上，20世紀90年代以來，有一批中國民族制造企業發力狂奔，直追第三次工業革命時期興起的老牌歐洲工業制造強企，并取得了不俗的業績，在強手如林的行業市場藍海占據了一席之地，贏得了競爭對手的尊敬。其中，在全球港口機械市場叱咤風云的上海振華重工（集團）股份有限公司（簡稱“振華重工”）就是一例。20多年來，憑借科技創新這一法寶，振華重工在“世界上只要有集裝箱港口的地方，就要有振華生產的起重機作業”的創業初心的引領下，在港口機械領域創造了一個中國奇跡，連續28年占據全球市場份額第一，其中岸橋產品全球市場占有率達70%以上。

表1 全球典型自動化碼頭

從中國制造到中國“智造”

近年來，隨著全球進出口貿易的增長，作為國際貿易運輸樞紐的港口之間的競爭日趨白熱化。大型化船舶的運輸成本上升、裝卸成本增加，同時，國際航運業的環保標準提高帶來了能耗標準的提升……這些要求的變化讓全球各大港務局及國際港口運營巨頭開始把視線聚焦在港口設備技術的提升上。因此，在全球港口機械制造行業，裝備的發展需要根據這些要求進行技術研發和升級創新。

振華重工作為中國制造業的“百年老店”和民族制造業的旗幟，立足于發展先進制造業，邁向高端化、智能化、服務化，推動中國“制造”走向中國“智造”。多年來，振華重工一直致力于向“中國智造”轉型，特別是在自動化碼頭的智能設計與研發方面取得了驕人的成績。

全球范圍來看，自動化碼頭的發展脈絡大致被幾個具有典型意義的自動化項目勾勒而出。第一階段以1993年投入運營的荷蘭鹿特丹港歐洲集裝箱碼頭公司（ECT）的碼頭為代表，第二階段以2002年投入運營的德國漢堡港阿爾滕韋爾德集裝箱碼頭公司（CTA）的碼頭為代表，第三階段以2008年投入運營的荷蘭鹿特丹港EUROMAX碼頭為代表，第四個階段則以振華重工近年來在全球打造的一系列自動化碼頭作為代表。

1998年，振華重工作為全球最大的港口機械制造商，開始關注和著手研究自動化集裝箱碼頭設備。2000年，振華重工參與德國漢堡港阿爾滕韋爾德集裝箱碼頭公司（CTA）自動化碼頭建設，并研制出第一代自動化引導小車（AGV）的原型機。此后，振華重工持續發力，美國、德國、韓國、中國臺灣等多個國家和地區在建設自動化碼頭時均向振華重工采購了自動化單機設備。2007年，振華重工在上海長興生產基地制造了一個自動化碼頭示范線，按照1：1的比例建設而成，是世界上第一個立體軌道式自動化碼頭示范線，它具有安全高效、低碳環保的顯著特點，前來參觀的全球各大港口管理層絡繹不絕。

21世紀以來，振華重工開始由單一設備供應商向系統化、一體化解決方案供應商角色轉變。2015年，振華重工為廈門遠海自動化碼頭提供了自主研發的全自動化碼頭裝卸系統的所有設備及碼頭設備控制系統（ECS）；2018年3月，正式運營即將滿一周年的青島港自動化碼頭被《人民日報海外版》稱贊是“‘一帶一路上的未來港”。

2017年12月，振華重工聯合上港集團打造的洋山港四期全自動化碼頭開港，放眼全球，規模如此之大的自動化碼頭，一次性建成投運是史無前例的，洋山四期也成為截至目前世界上單體最大的自動化碼頭。洋山港四期智能碼頭有兩個重要系統，一是指揮調度系統（TOS），被稱為碼頭的“大腦”；二是設備控制系統（ECS），被稱為碼頭的“心臟”。TOS系統和ECS系統互相配合，共同完成“魔鬼碼頭”無休止作業的系統調度。

不僅在國內，中國制造的自動化碼頭也在全球各地開花結果。2017年12月，振華重工與印度Adani集團簽訂自動化碼頭系統總承包項目，該項目是印度的第一個自動化碼頭，振華重工為該集團Vizhinjam港提供8臺岸橋、24臺軌道吊的自動化設備以及系統總承包服務，建成后年吞吐量將達到600萬TEU。

2019年12月，振華重工打造的意大利首座自動化港口Vado港隆重開港，這是歐洲第一個由振華重工提供全生命周期備件及維保服務的港口。

此外，振華重工還為和黃集團的泰國爛菜幫碼頭提供了全部的自動化設備及系統，該碼頭是全球首個同時擁有自動化岸橋與自動化輪胎吊的集裝箱碼頭。目前，振華重工正在為唐山港、寧波港、南沙四期等打造自動化碼頭。

全自動化碼頭投產后，原先的工人密集型作業團隊逐漸被智能化的知識型團隊所取代，碼頭實現全智能決策與全系統管理，在新一輪科技和產業革命中重新闡釋了“中國智造”的新高度。

振華重工作為全球自動化碼頭發展過程中的一名參與者，從最開始提供單機設備、控制軟件，到目前發展為可為港口提供一體化總承包方案的自動化碼頭系統集成商，全世界范圍內70%以上自動化碼頭的建設過程都有振華重工的深度參與。

技術創新，中國港機標準走向國際

習近平總書記強調，“推進供給側改革，必須牢固樹立創新發展理念，推動新技術、新產業、新業態蓬勃發展，為經濟持續健康發展提供源源不斷的內生動力。”振華重工在自動化碼頭領域的成果正是來自于源源不斷的技術創新。

自動化集裝箱碼頭系統包含眾多港機設備。其中，硬件方面主要包括岸邊集裝箱起重機、AGV、軌道吊等設備；軟件方面主要包括碼頭操作系統和碼頭設備控制管理系統。多年來，振華重工一直以自主創新作為“殺手锏”，積累提升在自動化碼頭系統領域的競爭力，逐步站穩了全球“領頭羊”的行業地位。從技術創新、系統創新、思維創新等各個角度，振華重工的工程師秉承著“敢為人先”的振華精神，勇敢嘗試，取得了一系列突破性技術成果，以此作為基礎，由中國企業制定的產品標準也得到全球各大港口的認可。

表2 自動化集裝箱碼頭特點對比

首先，在港機技術創新方面，振華重工的工程師們實現多個世界首創。例如，在建設廈門遠海自動化碼頭一期項目時，創新性采用了鋰電池作為18臺自動化引導小車動力方式，該革新屬世界首創。此后，在2017年5月投入運營的青島港全自動化碼頭項目中振華重工進一步對自動化引導小車進行革新，可自行提升集裝箱。與此同時，振華重工還對鋰電池動力的自動化引導小車進行了進一步完善，在不影響運行效率的前提下，解決了其電池充電續航問題。在上海洋山港四期項目中，振華重工研發出雙箱自動化軌道吊設備，一次可同時起吊兩個集裝箱，又是世界首創。同時沿襲了振華重工世界首創的雙40英尺箱岸橋的設計思路，使得堆場作業效率可提高一倍。

其次，在系統創新方面，振華重工創新研制了遠程智能調度系統，該系統綜合運用了人工智能、運籌學決策和系統工程的理論，根據碼頭集裝箱的數據信息，可以智能控制整個龐大碼頭幾乎所有設備的管理操作，從而完成集裝箱的堆存計劃，并合理分配設計船舶配載作業計劃。一套ECS系統，即可取代碼頭大量繁瑣的人工信息統計和計算，進行任務的選擇、設備的分配調度、指令的執行、信息的采集，更準確地進行碼頭設備的調度和管理，實現集裝箱作業過程自動化，大大降低碼頭作業和管理人員的勞動強度，減少人員數量、人工作業差錯率，降低對人員安全的威脅以及設備維護保養成本。目前，振華重工的ECS系統已成功應用于廈門遠海自動化碼頭項目、青島港全自動化碼頭項目和上海洋山四期自動化碼頭項目。

再次，在思維創新方面，振華重工勇于顛覆傳統思維，提供優質解決方案。常規自動化碼頭普遍采用堆場垂直布置的方案，堆場布局與岸線保持垂直角度。而廈門遠海碼頭一期項目包括兩個泊位，原有基建為碼頭后方集裝箱堆場與岸線平行布置。若按照常規思路建設廈門遠海自動化碼頭，則需要將該碼頭堆場布局全部清零重建。為替碼頭運營方節約改造成本，振華重工打破常規，根據廈門遠海碼頭的實地情況，在不改變原有基建布置的基礎上，將碼頭建設為堆場布局與岸線平行的角度，作出碼頭自動化改造升級的新嘗試，對目前國內港口普遍采用的垂直布局的堆場碼頭改造升級提供了“范本”。

在自動化碼頭領域取得累累碩果的同時，振華重工在港口機械的行業標準方面也逐步獲取了很大的話語權。為國內港機制造業津津樂道的一個例子是，2017年9月，振華重工成功交付新加坡港務集團的自動化軌道吊項目，該項目包含72臺設備。項目工程師介紹，“這些設備是行業巨頭新加坡港務集團向振華重工采購的130臺自動化軌道吊的先期項目，也是當時全球最大的自動化軌道吊項目”。在該項目中，為更好適應港區情況，發揮設備最大功效，振華重工換位思考，靠前服務，站在業主角度，主動提出了一系列改進意見建議，形成了自動化軌道吊的“振華標準”。經過認真分析研判，新加坡港務集團完全認可該標準，這大大縮短了雙方“磨合期”，迅速完成了相關設備的設計及制造工作。振華的工程師不無自豪地總結：“該項目實現了創紀錄的交付速度：每個月交付6臺機、12個月不間斷連續交付的業內紀錄，最終提前1.5個月完成交貨。”當我們去仔細考量而這一中國速度的背后起作用的因素，“振華標準”帶來的標準化生產效率的提升，必定是其中一個重要因素。

隨著振華重工的產品在全球越來越多的國家和地區贏得客戶的信任，振華重工制造港機設備的標準也在越來越多的國家得到認可。國際航運界諸多巨鱷，如馬士基、DPW等在采購集裝箱設備時，均會優先考慮向振華重工采購。馬士基集團已累計向振華重工采購了約620臺港口機械設備，由中國的遠洋運輸輪裝載跨海越洋送往全球各地碼頭。而這些訂單中的港機設備均采用了“振華標準”，體現了對中國標準的充分認可和尊重。

港口工業互聯時代的來臨

20世紀50年代，集裝箱化海洋運輸開始發展，各集裝箱港口一直以來都高度關注如何進一步提高港口裝卸效率。21世紀之后，全球化進程加快，港口集裝箱裝卸的需求范圍也更為廣泛，在裝卸效率更高需求的前提下，港口運營也更為關注作業安全、設備運行環保、設備智能化等內容。傳統港口如何順應科技發展的新潮流？如何進一步實現港口無人化、智能化、低污染？這些議題成為港口界關注的焦點。

5G通信技術時代的來臨更是加快了港口信息化、遠程化、智能化的發展進程。如何利用“5G+港口”跨界融合產生的“火花”，賦能港口建設和運行中的應用場景，成為現階段港口行業的研究課題。

2018年，振華重工開始關注5G技術。我們聯合港口用戶、通信運營商以及通信設備供應商等，先后在上海洋山港等碼頭逐步展開以技術論證、場景論證和場景耐久試投產為目標的、有步驟的新技術應用嘗試。結合豐富的自動化碼頭系統總集成及港機設備遠程操控技術經驗，振華重工陸續探索5G技術在新建自動化碼頭和傳統碼頭改造中的應用。

2019年10月，振華重工聯合中國移動、沃達豐和華為在第十屆全球移動寬帶論壇上發布了《5G智慧港口白皮書》，旨在加快5G在港口的應用研究及項目落地。經過調研和分析，振華重工篩選出對于無線通信具有潛在需求、最具典型代表意義的信息化港口港口應用場景，包括龍門吊、岸橋遠程實時控制、AGV集卡跨運車自動化控制及視頻監控與AI識別，并陸續在這些場景中展開論證與測試。

2020年6月，在寧波港多臺5G輪胎吊耐久測試的完成，階段性標志著該5G智慧港口應用示范項目已經完成了輪胎吊遠程控制的首批可行性驗證。“這次驗證成功證明了5G確定性網絡能夠滿足港口輪胎吊遠程控制場景的基本需求，未來有望徹底替代有線網絡或其他需要大量土建改造建設支持的通信方式。”項目小組的技術人員表示。實現輪胎吊遠程控制后，人機比例可由原來一名司機只能控制一臺設備提升至同時控制多臺設備，并且工作環境得到大大改善，綜合人力成本有望大幅降低。

圖1 起重機遠程操作5G網絡結構圖

在5G港口應用方面，振華重工的探索也逐步發力。2019年1月，振華重工5G項目團隊在青島港新前灣自動化碼頭開啟基于5G連接的起重機控制的技術論證，驗證了5G技術可以在遠程操作與自動化控制中的技術兼容可行性；2019年4月，在寧波舟山港的一臺商用型輪胎吊上，將業務通信由光纜切換到5G網絡，驗證了5G輪胎吊這一港口應用場景的可行性；同月，項目團隊配合廈門遠海碼頭AGV上搭載5G技術進行常態化運轉的測試；2020年5月，在寧波舟山港實際運營中的6臺輪胎吊上搭載5G技術，助力舟山港成為全球首個完成5G輪胎吊批量遠程操控驗證并常態化試投產的港口。

2020年5月，振華重工聯合相關方簽訂智慧港口5G聯合應用創新合作意向書，計劃將廣州南沙港區四期工程打造成粵港澳大灣區首個全自動化碼頭和全國5G應用示范工程，更加系統的針對5G在港口商業運營落地展開相關具體的工作。在“5G+港口”的探索道路上又邁出堅實一步。

5G如何打通港口“經脈”？

無線通信技術是限制傳統自動化碼頭改造的一個重要瓶頸，這個瓶頸不僅僅存在于技術層面，還存在于建設門檻、日常運維、設備技術保障、產品升級迭代等方面。

5G的到來將破解這個困境。港口的部分應用場景是基于視頻進行相應操作，以往，港口主要采用光纖或WIFI網絡，光纖網絡在現有碼頭的部署改造難度高，且不具備移動性；WIFI網絡有覆蓋能力弱、安全性與可靠性差、干擾嚴重、日后的升級維護標準混亂等問題；而4G則存在基礎性能差、構架模式還處于民用市場結構、不能局部性能化部署等局限，這就提高了新建港口數字化建設的門檻，給傳統港口轉型升級帶來了阻礙。5G具有“高帶寬、低時延、高連接密度、切片化部署”的特性，可以讓智慧港口的許多場景成為現實。

例如，輪胎吊上的視頻回傳需要巨大的上行帶寬，按照平均每臺輪胎吊安裝8-20臺攝像機，分辨率為1080P來計算，單臺輪胎吊需要大約每秒10-30兆比特的上行帶寬，按照中國目前的5G技術測試結果，單扇區上行帶寬可達每秒160兆比特，今后更有望突破每秒300兆比特，可在400米單扇區覆蓋范圍內滿足5-15臺輪胎吊同時遠程操作的運行需求。從通訊時延的需求看，輪胎吊式起重機網絡端到端平均時延要求不能超過15毫秒，最大延時不能超過200毫秒，一旦出現通信延時超時，就會導致司機操作不適或觸發通信異常，導致設備被停止工作，而4G網絡的平均時延一般都在30毫秒以上。

“高連接密度”是5G的重要特性，一個港口可能有幾十萬個集裝箱，還有大量的攝像頭、車輛和人，接入的終端形態和數量較多，只有5G技術才能支撐每立方幾萬個甚至幾十萬個連接，海量物聯網的場景由此才能成立。隨著技術的不斷成熟，未來港口各個環節的智能設備都可以加入5G技術。

除此之外，5G技術的差異化、專屬性和自助性，可為港口打造可預期、可規劃、可驗證、有確定能力的移動專網，更好地匹配港口數字化轉型的需求。為了確保數據的安全性，5G MEC（多接入邊緣計算）還實現了視頻流、控制指令等業務的本地卸載，滿足了“數據不出港口園區”的安全需求。未來，港口運營將繼續朝著設備操作自動化、港口調度智能化、信息數據可視化發展，可以預見，5G技術將促進傳統碼頭全面自動化改造，實現智慧港口的無限可能。

振華重工對于5G的探索，不僅停留在港口信息化和自動化改造中的應用，還延伸到公司生產基地的信息化調試及生產制造中。目前，振華重工已經建立上海長興基地岸線的5G通信覆蓋，調試工程師可同時為多個項目提供遠程實時技術指導。此外，還探索了智慧工廠在重型倉儲物流、加工制造、檢測監管等方面應用5G的可能性。在新興業務中，立體停車庫、智慧安防和光伏電站等搭載5G通信的應用也吸引了振華團隊的目光。

5G在港口的應用是一個系統性工程，不會一蹴而就。構建完整健康的生態體系，需要從技術落地、商務實現到規范和標準制定形成閉環，“我們才剛剛完成技術實現的第一步。我們希望通過在港口行業中的應用，為整個5G產業在工業乃至社會發展提供啟示與借鑒。”振華重工5G項目團隊負責人表示。

5G技術如同一個巨大的“觸角”，讓人與人之間的連接延伸到萬物互聯，將無線通信由原來傳遞信息發展到可以傳遞行為，在全球自動化碼頭領域，這一技術也將助推工業互聯網技術的進一步革新與應用，以上海振華重工為代表的港口設備制造商也可以借助它進一步開拓智慧港口的打造與實踐。

從全球視角來看，現階段正處于智慧港口理論探索和建設發展的初期。全球范圍內多樣化“智慧港口”的實踐案例提供了剖析智慧港口概念內涵和實質的新視角。目前全球各大港口運營情況顯示，自動化碼頭不受雨雪天氣變化的影響，幾乎可以24小時作業，同時具備安全高效、環保節能、減少成本等特點。可以斷定，在全球范圍內，自動化集裝箱碼頭的發展必將迎來新一輪高潮。在這個自動化、智慧化的過程中，碼頭自動化水平也必將迎來新的突破，智慧港口更是港口行業新歷史發展階段的應有之義。

智慧港口充分借助了物聯網、云計算、大數據及移動互聯網、智能感知、人工智能等新一代信息技術對港口進行透徹感知、廣泛互聯以及信息深度挖掘，實現港口各類資源要素的無縫連接和各功能模塊的協同聯動，并最終實現智能、高效、安全、便捷、綠色發展的現代化港口形態。智慧港口是智慧技術在港口領域的深度應用，是港口發展的終極形態，中國以振華重工為代表的港機制造企業也必將迎著5G浪潮乘風破浪，去探索和創造這一新的領域。