淺析自動化集裝箱碼頭建設與設備運維管理

姚保良

廈門海滄新海達集裝箱碼頭有限公司，福建廈門，361026

0 引言

2019年國家有關部門相繼印發《交通強國綱要》《關于建設世界一流港口的指導意見》等文件，建設智慧、綠色、安全、高效的世界一流港口成為我國港口企業的政策指引和發展方向。中國是世界第一大貿易國，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備大型化、高速化趨勢，人工作業的難度和強度以及集疏港壓力都相應加大，班輪對碼頭作業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業，在我國人口紅利收緊、新一代勞動力就業理念轉變的大背景下，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、智能化方向轉型，建設新的全自動化碼頭或傳統集裝箱碼頭進行升級改造就成為一種必然趨勢。口岸效率、服務質量、綜合物流、科技創新和可持續發展成為港口企業新的競爭力。

1 自動化集裝箱碼頭發展現狀

自動化集裝箱碼頭是指應用自動化作業設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工藝系統，全部或部分替代通常由人工操作的復雜的集裝箱搬運和裝卸作業，使得碼頭現場作業效率更高、人員更少。

自動化集裝箱碼頭首先出現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，歐美等發達國家相繼建成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展迅猛。2015年中國第一個全自動化集裝箱碼頭廈門遠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，成為當時世界上技術最先進、港區規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C段智能化集裝箱碼頭正式投產。粵港澳大灣區首個自動化碼頭—廣州南沙四期自動化集裝箱碼頭開始聯調聯試。全國首個傳統集裝箱碼頭進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和改造外，國內也相繼出現日照港、京唐港、深圳媽灣、天津五洲等多個通過技術改造成為實現裝卸設備遠程操控和堆場自動化裝卸的半自動化集裝箱碼頭。

表1 傳統集裝箱碼頭與自動化集裝箱碼頭的區別

經過近三十年的發展，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，水平運輸是智能導引車（IGV）而不是早期的自動導引車（AGV）。傳統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。碼頭企業可根據自身條件建設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區、水平運輸作業區和堆場作業區(有的細分有海側交換區、陸側交換區）組成，每個作業區選用不同的設備可以得到不同的裝卸工藝流程。如圖1所示。

（1）前沿作業區。前沿裝卸設備岸橋采用遠程半自動化作業，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）水平運輸作業區。自動化集裝箱碼頭水平運輸設備有自動導引車（AGV）、智能無人集卡（IGV）和自動跨運車（ASC），各自特點如表2。

（3）堆場作業區。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行大車精確定位，不存在大車糾偏問題，遠程操控技術相對成熟，整機運行速度快，作業效率高，但造價較高，不能轉場。RTG造價低廉，轉場靈活，在傳統集裝箱碼頭大量應用。隨著衛星、視覺、5G等定位和通信技術的成熟應用，新建或改造的ARTG越來越多，尤其適合傳統集裝箱碼頭進行智能堆場改造[1]。

參照圖1示，自動化集裝箱碼頭依據不同的平面布局與設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備控制系統和管理系統組成，管理系統又由碼頭生產管理系統（TOS）、設備調度與控制系統（ECS）、輔助系統（AS）組成，完全自動化集裝箱碼頭各系統的具體功能組成如表4。

2.3 基本架構

自動化集裝箱碼頭軟硬件組成的基本架構示意簡圖，如圖2所示。

3 傳統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、執行自動化、現場無人化、能源綠色化的特點，集智能、安全、高效、綠色、環保等優點于一體得到碼頭經營企業廣泛青睞。傳統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為傳統集裝箱碼頭進行自動化智能化升級改造提供了新方案。

傳統集裝箱碼頭升級改造主要是以提高裝卸作業自動化、智能化水平，提高作業效率，減少用工成本，降低能源消耗，增強生產安全性為目標[2]。升級改造應充分利用現有設備、設施，結合碼頭平面布置、裝卸工藝、技術狀況和未來發展趨勢綜合論證評估選擇合適的自動化層級目標，制定改造方案。改造可以一次性投資改建完成，也可以根據自身實際情況做好頂層規劃，分層次分階段進行。先實現部分自動化、再實現高度自動化，最終達到完全自動化。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計規劃好的目標方案進行，做好接口和功能升級預留，避免重復建設。具體分步改造的內容可以包括以下幾方面。

3.1 堆場裝卸設備（場橋）遠程操控改造

傳統集裝箱碼頭堆場裝卸設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程操控改造開始，即RMG升級為ARMG或RTG升級為ARTG。技術成熟后再進行大批量改造，實現堆場自動化運行。自動化堆場可提高作業效率，增強安全性，大大減少用工數量，升級改造后可帶來直接的經濟效益。

3.2 前沿裝卸設備（岸橋）遠程操控改造

岸橋遠程操控改造是通過加裝視頻監控、機構定位、船型掃描、防搖防扭、集卡引導、箱號識別、遠程操作臺等自動化裝置，實現在辦公樓遠控室內遠程半自動化作業。改造后可大大減輕勞動強度，避免職業病發生，降低操作技能要求。結合集卡自動引導系統（CPS）和箱號自動識別系統（OCR）功能，可以實現智能理貨，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置扭鎖拆裝站，可以減少拆裝鎖人員并轉移至安全地點。岸橋遠程操控改造后，可以實現橋下作業無人化，改變過去現場人員多、人機交叉混雜現象，增強安全性，同時減少用工數量，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

隨著技術的進步，基于應用北斗導航、機器視覺、激光雷達、5G通信、人工智能等技術實現無人駕駛的IGV逐步成熟，目前已達到商業化應用程度。IGV的優點是：不需預埋大量磁釘，不必進行大規模的場地改造；價格低廉，投資少；行駛路徑靈活，可以實現進堆場作業，滿足傳統作業工藝需求。

另外，還可以進行智能閘口改造、5G基礎搭建等工作，當碼頭的這些局部改造應用成熟后，可以較為容易地實現碼頭整體的升級改造，使傳統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備運維管理

自動化集裝箱碼頭設備運維管理除傳統集裝箱碼頭常規裝卸設備外，還需管理運維裝卸設備的自動化裝置以及管理與控制系統等內容。

4.1 自動化集裝箱碼頭設備運維管理內容

自動化集裝箱碼頭設備運維應做到以下幾點：①根據自動化設備運行特點和營運管理要求編制運行維護作業指導書。②建立適應自動化集裝箱碼頭的設備運行維護管理制度及安全管理制度，建立運行維護技術檔案。③配備設備狀態智能監控與診斷系統，提高運行維護管理工作的信息化水平，實現設備運維工作的數字化、可視化和科學化。

4.1.1 單機設備運維管理要點

①建立完善的設備維護保養制度，根據設備的使用情況、作業強度和運行頻率等結合生產作業計劃有序地安排設備維護保養。②對裝卸機械單機設備，其自動化控制系統、輪廓掃描系統、定位系統等自動化輔助系統進行定期維護和標定，調整系統運行精度在允許范圍內，確保設備運行安全。③對設備工控系統要加強網絡安全防范措施，保證設備工控系統安全運行。④對視頻監控系統、通信系統等要定期進行維護檢查，保證視頻圖像和通話質量清晰正常無卡頓[4]。

4.1.2 管理與控制系統運維管理要點

①建立信息系統安全管理制度，包括網絡安全、系統安全、數據庫安全及重要業務系統安全的管理制度和安全操作規程，并嚴格執行。②定期巡檢機房的電力、消防、空調等設備的運行狀況，嚴格機房出入管控登記，保證機房數據服務器正常運行。③加強數據歸檔和備份管理，定期進行系統及數據的恢復演練，確保管理與控制系統安全正常運行。

4.2 裝卸設備狀態智能監測與診斷

設備狀態智能監測與診斷系統基于物聯網、5G通信和大數據挖掘技術，利用現場總線和無線傳感器等手段，實時獲得裝卸設備的結構關鍵部位應力、機構運行參數和振動等狀態數據，實現對裝卸設備的鋼結構、減速機、電動機、制動器等關鍵部位和機構運行狀態的實時健康診斷與監測預測管理。

4.2.1 監測范圍

鋼結構監測。在裝卸設備鋼結構中最薄弱、應力集中最大、最易疲勞的節點安裝位移傳感器進行實時監測，實現鋼結構的安全診斷和剩余壽命評估。

機構監測。在裝卸設備起升、小車、大車等機構的傳動裝置如減速箱、電動機、軸承座等相應位置安裝振動、液位、溫度、加速度等傳感器，實時監測機構傳動裝置的運行狀態。

電氣運行監控。通過對裝卸設備電氣參數如電流、電壓、速度給定、速度反饋等參數的采集和數據分析，在線實時監測主要電氣器件如驅動器、電機、制動器等的運行狀態，實現關鍵電氣器件的故障預測和壽命預估。

音頻監測。在機房、司機室等位置安裝音頻采集傳感器，智能監測分析設備運行聲音，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，實現智能監控、智能安防和火災預警。

4.2.2 實現功能

裝卸設備狀態智能監測與診斷系統是自動化集裝箱碼頭的重要組成部分，與TOS、ECS相連，結合GIS地圖用動畫方式直觀展示整個碼頭所有設備的實時狀態，進行系統KPI指標統計，如各類機型的總臺數、在線數、故障數、裝卸箱數等。結合能效管理系統可統計單箱綜合能耗等指標[5]。單機設備的結構、機構、電氣關鍵部件等實時在線智能感知及監控，通過大數據分析給出設備的健康狀態、故障預測和壽命預估。這種預測性的運維管理模式，可減少計劃外停機次數和停機時間，降低設備維修難度和維修成本，實現自動化集裝箱碼頭設備運維的科學管理。

5 結語

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