海南洋浦國際集裝箱碼頭信息系統設計研究

汪作凡，呂曉威，鞠進

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

集裝箱運輸是現代物流的主要方式，集裝箱運輸以其安全、優質、運量大、成本低、適合多式聯運，成為國際貿易通用的最優運輸方式。集裝箱碼頭是集裝箱運輸船舶靠泊、裝卸的場所，亦是集裝箱運輸的主要集散地。隨著集裝箱運輸船舶的大型化，集裝箱碼頭的吞吐量也大幅提升，集裝箱專用碼頭的建設也蓬勃發展起來了。集裝箱碼頭由各種設備和系統組成，是一個多環節又相互平行的空間作業系統，要求各種設備、各種系統高度融合，這就需要合理規劃設計，讓其有機組成一個高效作業系統。每個碼頭由于地理位置、商業模式、碼頭規模、操作流程、業務種類的差異，其碼頭規劃設計也具有獨特個性化[1]。集裝箱碼頭信息系統是集裝箱碼頭所有系統的“神經中樞”，直接關系到集裝箱碼頭作業方式和運行效率，尤其是現代化集裝箱碼頭充分利用高效港口裝卸設備以及涵蓋全球的物流網絡，對信息系統依賴更高。只有充分了解集裝箱碼頭特點、作業流程和管理方式，借助“互聯網+”、“大數據”、“人工智能”等前沿科技，利用自動化、智能化等現代信息技術手段，才能建立高效、安全的集裝箱碼頭信息系統，實現精細化、標準化、科學化管理，滿足集裝箱碼頭未來業務需求。本文結合海南洋浦國際集裝箱碼頭工程設計實例，系統研究集裝箱碼頭信息系統設計中的系統需求、系統組成、系統功能及采用的核心技術。重點對集裝箱碼頭管理系統（TOS）和智能閘口系統的作業流程、系統架構及主要功能進行論述，為現代化集裝箱專業碼頭信息系統的設計與建設提供真實工程參考案例。

1 設計概述

1.1 工程簡介

海南洋浦國際集裝箱碼頭工程位于海南自貿區洋浦港洋浦港區小鏟灘作業區，設計3 個5 萬噸級多用途泊位（實際按2 個10 萬噸級集裝箱泊位運行），設計集裝箱吞吐量60 萬TEU/a。遠期設計1 個10 萬噸級集裝箱泊位和5 個5 000 噸級集裝箱泊位，最終集裝箱吞吐量為120 萬TEU/a。堆場平行于碼頭布置，碼頭主要裝卸工藝設備包括：碼頭前沿集裝箱裝卸橋、堆場中電驅動輪胎起重機和平面運輸集卡。碼頭集裝箱主要為外貿進出口箱，海關等相關職能部門對進出貨物按A類卡口進行監管。

1.2 信息系統設計范圍

本工程信息系統設計主要包括：集裝箱碼頭管理系統（TOS）、自動化辦公系統（OA）、設備管理（DMS）、財務管理、網絡系統、計算機系統（含服務器和終端）、智能閘口及信息中心機房工程等。

本文主要論述集裝箱碼頭管理系統（TOS）、信息網絡系統、計算機系統和智能閘口等方面的設計內容[2]。

1.3 信息系統設計原則

1）實用性

信息系統設計應更好滿足工程的實際需求。采取成熟的技術和可靠的并經過市場驗證的產品，合理選用系統設備和系統軟件。

2）先進性

在滿足實用性的基礎上，結合在類似項目上的經驗，根據信息技術發展趨勢，保障所選用產品在相當一段時間內保持先進水平，以適應客戶進一步管理發展的需要[3]。

3）開放性

在信息系統的總體設計中，采用開放式、模塊化的體系結構，使系統易于擴充，為系統今后的擴展提供保證。

4）經濟性

本信息系統將根據客戶的實際需求及實際情況，在保障一定技術先進性基礎上，力爭做到低投入、高產出，使經濟效益最大化。

5）可管理性

本信息系統較為復雜，設備種類繁多，所選產品應具有良好的可管理性和可維護性。

6）易用性

本信息系統設計要求提供友好、易用用戶界面，并根據業界的使用習慣、慣例進行開發，盡量采用較為直觀的圖形化操作模式。

2 集裝箱碼頭管理系統

2.1 基本需求

建立以中控室為核心的生產實時調度控制體系，以網絡中心為核心的信息處理、交換、共享、存儲系統，以優質服務為宗旨的客戶服務體系和以科學統計分析為依據的經營決策體系[4]。在信息交換方面，碼頭與船公司（船代）、貨主（貨代）、海關、檢驗部門、理貨公司之間有密切聯系。系統產生各種電子報文或統計報表，滿足船公司和貨主的需求，達到口岸單位之間數據共享的目的。滿足整個集裝箱碼頭集裝箱吞吐量120 萬TEU/a處理能力要求。

2.2 主要業務流程

1）卸船流程

碼頭單證員接收船公司（船代）發送的船舶進口相關單證，驗證導入系統。

碼頭計劃員根據單證信息編制卸船作業計劃，包括卸船作業線分配、堆場堆存計劃、卸船翻搗計劃、直取卸船計劃、過駁計劃等[5-6]。

中控員根據卸船計劃和碼頭機械情況，編制卸船資源計劃，通知機械司機和理貨人員到作業區待命；打印船舶總圖、分貝圖、特種箱清單、作業指導書等紙面單證。

2）裝船流程

碼頭單證員接收船公司（船代）發送的船舶出口相關單證，驗證導入系統。

碼頭計劃員根據單證信息編制裝船作業計劃，包括裝船作業線分配、裝船翻搗計劃等。

中控員根據裝船計劃和碼頭機械情況，編制裝船資源計劃，通知機械司機和理貨人員到作業區待命；打印船舶總圖、分貝圖、特種箱清單、作業指導書等紙面單證。

3）進口提箱流程

客戶持提貨單到碼頭辦單大廳辦理提箱業務，碼頭辦單員進行進口提箱預約，打印碼頭作業單。

大廳財務人員對提箱業務進行財務審核，月結客戶直接加蓋作業章，備用金客戶進行計費后，做賬戶抵減處理，即結客戶則先進行預收款，待作業完畢后進行結算。財務審核處理完畢后在碼頭作業單上加蓋碼頭作業章。

司機持設備交接單、碼頭作業單等相關單據進閘提箱，閘口文員進行車輛進閘作業處理，并打印碼頭作業指南。

車輛進閘后，堆場機械終端會自動顯示提箱作業指令，司機根據指令進行提箱放箱操作。

拖車拖箱到出閘口，閘口文員根據作業單據、車載箱和系統數據進行一致性核對，若無誤，則進行出閘確認；若有異常，則根據實際情況選擇退箱、換箱操作。

4）進口拆箱提貨流程

客戶持提貨單到碼頭辦單大廳進行進口拆箱預約，碼頭辦單人員接受預約，打印碼頭拆箱作業單。

大廳財務人員進行財務審核，在作業單上加蓋財務審核章。

客戶持加蓋公章的作業單到碼頭集裝箱貨運站（以下簡稱CFS）計劃室申請作業。

CFS 計劃員安排并確認計劃，系統產生堆場內移箱申請。計劃員通知中控員開始進行移箱作業。

移箱完成后，計劃員安排現場作業人員進行拆箱作業，CFS 理貨員使用無線手持系統對拆箱作業進行記錄。

根據拆箱類型，拆出的貨物可選擇入庫或直接提走。

拆箱完成后，系統自動產生回移申請，中控員根據移箱申請安排空箱回場作業。

入庫的貨物若客戶需要提走，則要到辦單大廳辦理提貨申請。經財務審核后可直接到倉庫提貨，貨物出檢查口時需出示經倉庫管理員確認的出口作業單。

5）送箱流程

客戶填制集裝箱貨物訂艙單，訂艙后完成報關手續，提取合適空箱并在海關人員監督下完成貨物裝箱。根據碼頭船舶班期和預約時間，將集裝箱運送至碼頭，碼頭閘口對進場集裝箱進行檢查，滿足要求后進場，并按照閘口要求送至指定位置等待裝船[7]。

2.3 功能架構

集裝箱碼頭管理系統功能架構圖見圖1。

圖1 集裝箱碼頭管理系統功能架構圖Fig.1 Functional architecture of container terminal management system

從圖1 可以看出，該系統由對外Web 和對內業務服務層以及一個技術支撐平臺組成，其中業務層為系統核心，技術支撐平臺為基礎，Web 為企業窗口，為集裝箱碼頭提供全方位的信息交換與管理。

集裝箱碼頭管理系統主要需求和功能如下：

1）碼頭泊位、堆場代碼設定

對碼頭泊位編號、堆場區域劃分進行設置。碼頭管理者可以根據自身碼頭的具體情況，任意定義碼頭泊位編號和堆場區域，通過簡單的參數調整，定義自己的操作規則。

2）船舶設定

對進入集裝箱碼頭的船舶的屬性、船圖及貝位圖等進行設置。主要包括船舶基本資料的維護，船舶結構維護，船舶裝載要求維護，船舶水尺、靜水力曲線參數、吃水差等參數設定，打印艙位圖等。

3）系統參數設定

對系統運行的各項參數進行設置，并可對系統運行日志、操作員操作日志進行跟蹤和分析。

4）系統基礎代碼設置

對船舶航線、客戶資料、集裝箱屬性、機械設備等各種系統基礎代碼進行設定。

5）商務管理

對與集裝箱碼頭有進出口業務關系的單位（貨主、貨代、船公司及其代理）的客戶資料及協議進行管理，對商務結算業務進行處理。為客戶提供協議查詢、商務結算項目查詢、原始收費憑證的查詢等。

6）計劃管理

船舶計劃：船舶計劃主要是滿足船舶配載，船舶計劃應具有單船作業計劃功能，船舶配載功能，船舶穩定計算功能，船舶資料編輯功能，同時支持船圖、倉單等信息的自動導入和手動錄入功能。

堆場計劃：堆場計劃主要對進入碼頭堆場的集裝箱進行堆位規劃安排，堆場計劃系統應符合智能性、便利性、直觀性、可控性要求，具有友好的數據圖示化操作界面，具有成熟、優化的進出場、裝卸船配位規則的進出場算法，具有管理各家船公司箱子的箱務管理能力。可通過與外部數據交換使用以支持堆場計劃安排，以圖形化方式顯示堆場示意圖，可以方便進行整體和局部堆場信息及計劃查詢，實現計劃界面與實際界面、監控界面的合成，提供系統對工作量控制和配位邏輯的智能化考慮，進行堆場未來作業量及密度預測。

泊位計劃：提供圖形化的泊位計劃功能，可以根據船舶的靠港、離港時間及碼頭目前的船舶作業情況安排泊位計劃。系統根據合理利用泊位，滿足船期、堆場集裝箱堆放等原則，自動提供泊位計劃方案。

機械與派工計劃：主要是進行碼頭橋吊、輪胎吊、鏟車、集卡等機械的出勤安排和機械司機的安排，完成碼頭生產作業，便于機械司機作業量的統計。

7）進出口單證管理

處理船舶的進口單證（進口船圖、進口艙單等）及出口單證（出口清單、出口空箱清單、出口預配圖等）。

8）堆場箱務管理

主要對堆場的集裝箱進行管理，包括集裝箱屬性的編輯、內部移箱作業、海關查驗作業、集裝箱預冷記錄等功能。

9）拆裝箱庫（CFS）管理

系統主要進行貨運站內收發貨、拆裝箱全部業務的控制管理。管理人員可以定義CFS 倉庫和貨位的位置，通過圖形方式查看貨物堆放信息。支持以箱代倉、倉庫外定義堆場等特殊業務。

10）Web 客服系統

建立公司網站。包含公司介紹、碼頭資源狀況、碼頭新聞、信息發布、服務指南、用戶驗證等。提供互聯網服務；船公司可以在網上登錄服務航線、錄入船期停泊信息；貨主可通過互聯網直接在網上預約、網上出口預配、網上預錄裝箱信息、查詢船舶及集裝箱信息，了解裝卸情況，通過互聯網實現遠程登記辦單、下載等功能。該系統為碼頭周邊單位和客戶提供信息服務，是集裝箱碼頭宣傳形象窗口。

3 智能閘口系統

閘口作為集裝箱碼頭集裝箱集、疏港主要通道，對港口作業正常運轉起著關鍵作用。為了滿足閘口通行效率和海關等監管部門要求，本工程4 條超寬車道（進、出口各2 條）按B 類卡口設計，其余14 條車道（進口8 條、出口6 條）按A 類卡口設計。

3.1 系統組成

海南洋浦國際集裝箱碼頭智能閘口系統主要包括：集裝箱箱號識別系統、箱體殘損檢驗系統、電子車牌識別系統、司機身份識別系統、自動稱重系統、車輛交通控制系統等。

智能閘口系統對通過閘口通道的運載集裝箱的貨車自動進行重量采集、箱號識別（OCR）、電子車牌及司機身份（RFID）等數據采集，并將所有記錄的數據和相關圖像存入本機，然后將采集到的數據與口岸和業主相關區域信息平臺進行比對，系統根據返回的比對結果確認是否放行，由車輛交通控制系統控制車輛通行，從而實現閘口通道貨運進出的有效監管[5-6]。

3.2 關鍵技術應用

1）箱號自動識別（OCR）

通過視頻圖像抓拍，利用計算機模式識別技術，從抓拍圖像中獲取集裝箱代碼。通過測量控制技術自動檢測集裝箱拖車上單、雙箱，并抓拍箱號圖片。箱號自動識別系統具有識別率高（95%），識別速度快、不停車識別等特點。

2）車牌及司機身份識別（RFID）

采用無線射頻技術（RFID），通過車道車輛識別裝置（雷達或地感線圈）喚醒讀卡設備，讀取車載電子標簽，獲取存儲在電子標簽中的車牌及司機身份等信息。RFID 具有識別距離遠（最遠超過10 m），方向性好，不產生相互干擾，讀寫速率快（小于30 ms/byte）等優點。

3）箱體殘損檢測

箱體殘損檢測與箱號識別工作原理基本相同，通過視頻系統抓拍箱體5 個箱面圖像，再經過圖像模式識別技術識別箱體表面的凸、凹、割傷、破損等情況。

3.3 系統結構

智能閘口系統結構圖見圖2。

圖2 智能閘口系統結構圖Fig.2 Architecture diagram of intelligent gate system

3.4 管理功能

智能閘口要求采用先進有效的辦法，用于管理拖車和集裝箱進/出碼頭閘口，盡量縮短閘口處理時間。

主要功能包括：支持聯檢單位電子閘口、閘口監管的需要。支持閘口預約功能，并根據預約號提供最優提箱，減少翻箱。閘口能記錄違規車輛的違規記錄并限制和提示違規車輛。閘口能自動記錄車輛、集裝箱及其貨物稱重數據并可以打印磅單。閘口能自動記錄進出閘口車輛、集裝箱流量并可統計分析閘口作業效率。支持閘口使用手持機操作、入閘送箱或提箱、拖車提箱出閘或空車出閘、取消作業、拖車檢查、集裝箱檢查及箱況信息錄入、處理特殊箱（如電子資料不符、超重、殘損等）進出場、堆存計劃預控提示、提取空箱規則提示、緩沖區管理優化與堆場作業控制和計劃的聯動、打印設備交接單或作業便條、查詢集裝箱或拖車、作業流量統計和報表、打印閘口運轉日志、預配入閘等。

3.5 業務流程及通道布置

智能閘口業務流程如圖3 所示，單通道布置如圖4 所示。

圖3 智能閘口業務流程圖Fig.3 Business process diagram of intelligent gate

圖4 智能閘口單通道布置圖Fig.4 Single channel layout diagram of intelligent gate

4 集裝箱碼頭信息系統網絡設計

4.1 網絡系統拓撲

本工程信息網絡系統采用快速交換式以太網絡結構，主干鏈路采用冗余配置。設有1 個核心交換區、2 個匯聚交換區和若干個接入交換區，其網絡拓撲結構圖見圖5。

圖5 信息系統網絡拓撲結構圖Fig.5 Network topological diagram of information system

核心交換區配置2 臺模塊化核心交換機，互為冗余。匯聚交換區分別配置2 臺固定式交換機，互為備份。接入交換區配置固定端口交換機[8]。

4.2 網絡安全設計

1）防火墻

在網絡中心配備2 臺防火墻，做雙機熱備用于保護港區內網。防火墻通過千兆端口與核心交換機連接。

2）入侵檢測

在核心交換機與服務器間設置1 臺防入侵傳感器（IPS），防止網絡中的間諜軟件、木馬、惡意軟件等其他新型攻擊[9]。

4.3 網絡管理

本工程設計使用基于Windows 的網絡管理工具，網絡管理人員通過易于使用的界面集中配置、更新、監測網絡設備并進行故障排除。網絡管理人員可以配置模板策略，自動響應來自各方的網絡事件。結合插件模塊一起使用時可通過簡單且直觀的界面動態管理用戶訪問、設備和流量。

實現對網絡設備的快速實時監測和故障告警，支持100 個管理對象監控。

4.4 無線通信

為保障集裝箱碼頭流動作業機械及調度管理人員通信要求，本工程設計1 套無線通信系統，無線通信系統采用第四代蜂窩通信技術TD-LTE（4G），更好地滿足數據、語音應用。這是LTE（4G）網絡較早在實際工程中的應用實例。

LTE（4G）無線通信系統包括：LTE 基站系統、LTE 核心網系統、LTE 調度系統、LTE 基站配套設備及終端設備。無線通信系統結構見圖6。

圖6 無線通信系統結構圖Fig.6 Architecture diagram of wireless communication system

其中eBBU（1 套）是基帶控制單元，安裝在機房，主要完成相關傳輸協議棧的處理、上下行基帶信號的處理和整個基站系統的集中管理。

eRRU（共3 套）為遠端射頻單元，安裝在室外，直接連接天線。主要完成基帶信號和射頻信號的發射、調制解調、數據處理、合/分路等。

LTE（4G）通信技術對比傳統WIFI 通信技術具有高可靠、低延時、無縫漫游、抗干擾能力強、覆蓋面廣、數據加密安全等多種優勢，大大減少現場無線基站AP（ACCESS POINT）數量。

5 集裝箱碼頭計算機系統設計

5.1 服務器

1）業務需求

海南洋浦國際集裝箱碼頭工程服務器系統主要用于搭建生產、管理、運營各系統的物理平臺以及各個系統的數據處理，包括了應用服務器、數據庫系統服務器。

2）系統設計

服務器拓撲圖如圖7 所示。

圖7 服務器拓撲圖Fig.7 Topology diagram of server

從本服務器拓撲圖中可以看出整個工程服務器系統包括集裝箱管理系統和其他輔助系統，而集裝箱管理系統為本工程重點設計內容。下面僅對集裝箱管理系統服務器進行介紹。在集裝箱管理系統硬件的搭建上，采用前端應用和后臺數據庫分離設計，前端應用和后臺數據庫均為雙機熱備。

5.2 存儲系統

存儲系統采用SAN 存儲架構，由磁盤陣列、光纖交換機和磁帶庫系統組成。所有服務器接入存儲系統中統一存儲，通過磁帶庫系統進行備份。SAN 系統結構圖見圖8。

圖8 SAN 系統結構圖Fig.8 SAN system architecture diagram

6 結語

通過海南洋浦國際集裝箱碼頭工程設計實例研究，總結了集裝箱碼頭信息系統設計過程中所涉及的范圍和內容，由于集裝箱碼頭的“個性化”特性，在集裝箱碼頭信息系統設計中需要特別關注集裝箱碼頭作業流程和信息管理需求，只有在充分調研基礎上才能規劃設計出適合集裝箱碼頭工程的信息管理系統。隨著新技術發展和產業變革，只有不斷引入互聯網、人工智能、4G/5G 通信等先進技術，才能更好地滿足集裝箱碼頭信息系統工程設計、建設和營運管理要求。該碼頭工程自2016 年通過驗收并投入運行以來，整個信息系統運行狀態良好，為其他集裝箱碼頭工程的信息系統設計和建設提供參考和借鑒。