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精益求精“技术控”——业内顶尖团队出品自动化集装箱码头调研报

2022-05-06 13:25      点击次数:

原标题:精益求精技术控业内顶尖团队出品自动化集装箱码头调研报告|《中国港口》杂志 为深入了解国内沿海典型自动化集装箱码头发展现状,剖析国内自动化集装箱码头快速发展的背景,全球一次性建成规模最大、集成度最高、具有完全自主知识产权的自动化集装箱

  原标题:精益求精“技术控”——业内顶尖团队出品自动化集装箱码头调研报告|《中国港口》杂志

  为深入了解国内沿海典型自动化集装箱码头发展现状,剖析国内自动化集装箱码头快速发展的背景,全球一次性建成规模最大、集成度最高、具有完全自主知识产权的自动化集装箱码头上港集团洋山四期自动化码头运营团队对全国十余家自动化码头进行走访、调研,提出了自动化码头建设关键技术发展趋势,对预判“十四五”我国自动化码头规模增长潜力、关键技术发展方向发挥关键作用

  1993年世界第一个自动化码头ETC-Delta 建成并成功运营逐步掀起了自动化集装箱码头建设的浪潮,但主要集中在欧洲、北美洲等劳动力成本昂贵、技术较发达的地区。直到2016 年,厦门远海码头实现自动化改造并投产,打破了国内自动化集装箱码头发展的空白,国内自动化集装箱码头的发展在开局便驶入快车道,次年青岛港自动化集装箱码头和上港集团洋山四期自动化集装箱码头相继投产。此后,国内沿海自动化集装箱码头建设及传统集装箱码头自动化改造项目像雨后春笋般涌现,并在“十三五”期间形成一定规模,成为全球自动化集装箱码头发展的主力军。剖析推动国内沿海自动化集装箱码头发展的原因,以国内沿海典型自动化集装箱码头发展情况研究为基础,提出关键技术发展趋势,对预判“十四五”我国自动化集装箱码头规模增长潜力、关键技术发展方向发挥关键作用。

  我国是港口大国,2019 年全球港口集装箱吞吐量排名中我国有7 个港口位居前10。为全面提升我国港口发展水平,实现从世界大港向世界一流强港的转变,国家相关部委出台了《交通强国建设纲要》《关于建设世界一流港口的指导意见》《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》等一系列方针政策,为我国港口加强创新驱动,以数字化、网络化、智能化为主线,推进港口自动化、智能化建设提供根本遵循与政策支持。与此同时,我国港口发展在新时代被赋予了新使命,在推动数字化高质量发展的同时打造样板、树立名片、走出国门,在“一带一路”沿线港口建设中发挥更大作用。

  近几年,港口与高校、科研机构、高新技术企业联合开展技术攻关愈加密切,为前沿技术研究成果提供运用场景的同时促进技术持续优化升级,加速人工智能、5G 通信、区块链、大数据、无人驾驶等技术在港口落地运用,推动港口在自动化水平极大提升的同时向智慧港口转变。同时,港口自动化建设成功案例不断增加,高效率、高稳定、高可靠性能凸显,进一步增强了行业自动化发展信心。此外,技术的成熟与发展降低了厂商入市门槛,港口智能装卸装备及系统供应商增加,供应商间的竞争使得自动化集装箱码头建设成本持续降低。

  港口长期以来属于劳动密集型产业,过去人口红利为国内港口的规模及吞吐量发展提供了有力支撑。然而,随着人口红利收紧、新一代劳动力就业理念转变、港口城市生活成本提升,港口招工难、用工贵的问题日益突出。港口设备远程控制技术及自动化技术的运用可改善劳动环境、降低劳动强度、提高生产安全性, 过去只适合男性的岗位实现对女性开放,用工范围扩大,降低劳动力成本压力。

  北部湾港集团广西钦州港大榄坪南建设4 个集装箱泊位,其中7#、8# 泊位利用已建成的2 个7 万吨级多用途泊位进行改造,9#、10# 为新建10 万吨级集装箱泊位,岸线 万TEU,预计2022 年投产。

  码头采用“自动化双小车岸桥+ 智能导引车(IGV)+ 自动化轨道吊”的全自动化装卸工艺系统,作业规模为12 台岸桥、84 台IGV、52 台轨道吊。岸桥主小车为自动运行+ 船侧抓放箱远程操作模式,门架小车全自动作业。IGV 通过激光、视觉和卫惯组合的融合技术来进行导航定位,锂电池动力,在箱区海侧端部设置充电设施。堆场采用垂直布局,轨道吊采用双悬臂模式,IGV 和外集卡分别在轨道吊的两侧悬臂下进行装卸作业,并利用围网隔离, 每块箱区配置2 台轨道吊。相邻两块箱区间隔布置外集卡作业通道和IGV 作业通道,首次采用外集卡车道“U”型布置,每隔1 块箱区在轨道吊的轨内布置2 根港外集卡行驶车道,外集卡在轨道吊的一侧悬臂下完成装卸后在海侧端部调头至轨内集卡车道出场。码头管理系统设计全场设备优化调度、智能堆场管理、智能自动配载、自动箱位分配等功能。

  广州港集团广州南沙四期码头规划4 个集装箱干线 万TEU,内外贸业务并存,水水中转比例达80%,预计于2021 年投产。

  码头主要采用“自动化单小车岸桥+ 智能导引车(IGV)+ 自动化轨道吊”的全自动化装卸工艺系统,自动化作业区封闭。配置22 台半自动化岸桥,其中6 台轻型岸桥用于支线作业, 在支线 台集装箱低门架门机。干线泊位IGV 装卸作业通道位于岸桥轨内,轨后布置拆装扭锁辅助通道。堆场与码头平行布局,空箱、重箱分开堆存,采用不同额定载重的自动化单悬臂轨道吊,重箱箱区布置40 台, 采用全自动化作业模式,空箱箱区布置9 台, 箱区侧采用远程手动抓放箱模式,其余自动化作业。设置港内外车辆交接区,外集卡在交接区完成提送箱作业,交接区配备3 台自动化双悬臂轨道吊作业,对外集卡作业采用半自动化作业模式。配置158 台IGV,全电驱动,使用自动臂拔插式固定充电,具备L4 级自动驾驶能力,采用4G/5G 双网冗余通信。码头管理系统设计自动堆存计划、配载、设备调度、理货、闸口、冷藏箱抄温等功能。

  招商局港口集团利用原海星码头1#~4# 散杂货泊位改建全自动化集装箱码头,岸线 万吨级集装箱泊位,设计年通过能力155 万TEU,预计2021 年5 月投产。

  泊位采用“自动化单小车岸桥+ 智能集卡+ 自动化轨道吊”的全自动化工艺系统,自动化设备规模为8 台岸桥、40 台智能集卡、26 台轨道吊。岸桥采用半自动运行,起升高度为52 m。智能集卡使用L4 级无人驾驶技术,纯电驱动,码头车队管理系统负责设备调度及初始路径规划,支持多种无人驾驶拖车混编作业。堆场平行码头布置,重箱堆场采用单悬臂轨道吊,空箱堆场采用双悬臂轨道吊,对人工集卡采用自动运行+ 远程人工抓放箱操作模式,对智能集卡实现全自动作业。相邻两台单悬臂轨道吊对称布置,下方混合布置内外集卡装卸及穿行通道。码头采用自主开发的操作系统CMPort CTOS,除自动化生产、计划、调度等模块外,智能安全管理系统得到有效运用,5G 通信技术在远程控制、理货、无人驾驶等多个场景中使用。

  中远海运港口集团厦门远海自动化码头2016 年投产,是对原有厦门港海沧港区14# 泊位和15# 泊位做改造,岸线 个集装箱泊位,设计年吞吐能力95 万TEU。

  码头采用“自动化双小车岸桥+ 自动导引车(AGV)+ 自动化轨道吊”的全自动化工艺系统,自动化设备规模为3 台岸桥、18 台AGV、16 台轨道吊。岸桥采用自动运行+ 船侧抓放箱远程操作模式,支持自动化岸桥、传统岸桥同船混合作业。堆场平行岸线布局,采用端部作业模式:箱区西端为集卡交接区,包括人工集卡和智能集卡;箱区东端为AGV 交接区, 配置无悬臂轨道吊。AGV 通过磁钉定位,电力驱动,箱区交互区车道配置1 台AGV 伴侣,支持AGV 充电同时可暂落集装箱。智能集卡目前处于测试阶段。5G 在设备远程控制、智能集卡、理货等多个场景实现探索性运用。

  上港集团洋山四期自动化码头2017 年12 月投产, 总面积达223万m2, 码头总长度2 350 m,建设7 个集装箱深水泊位、61 块自动化箱区,设计吞吐能力630 万TEU。

  码头采用“自动化双小车岸桥+自动导引车(AGV)+自动化轨道吊” 的全自动化装卸工艺系统,到2021 年将配备26 台岸桥、135 台AGV、119 台轨道吊,堆场及自动导引车自动化作业区封闭。岸桥主小车除船侧抓放箱需远程操作外,其余自动运行,配备双吊具作业工艺,门架小车全自动作业。堆场采用垂直布局模式,采用无悬臂、单悬臂、双悬臂等3 种形式轨道吊提升海侧作业能力,除了对陆侧外集卡作业需安全确认外,均实现自动化作业, 每块箱区固定布置2 台,海侧轨道吊以装卸船作业为主、具备双箱吊作业能力,陆侧轨道吊以集卡进提箱作业为主。AGV通过磁钉导航定位,采用锂电池驱动,全自动换电,在箱区海侧与轨道吊交互,配备顶升功能,配合支架解决堆场衔接“解耦”问题,同时可驶入悬臂轨道吊下方作业。智能集卡处于类商业化运作阶段,在陆侧与人工集卡混线作业。码头管理系统TOS,自动化堆存计划、配置、岸桥作业路计划、发箱等模块全面运用,同时配备智能理货、智能闸口、大数据业务分析等系统。

  宁波舟山港集团梅山港区二期规划建设3 个15 万吨级、2 个20 万吨级集装箱泊位,岸线 万TEU,6#、7# 泊位于2020 年投产。

  码头布局与1#~5# 传统泊位保持一致,堆场与码头平行,采用“自动化单小车岸桥+ 集卡+ 自动化轮胎吊”的半自动化工艺系统,智能集卡目前处于测试阶段。作业规模为22 台岸桥、66 台轮胎吊。岸桥在船侧及水平运输设备抓放箱需远程人工操作,其余实现自动运行, 起升高度升级至52 m。轮胎吊除大车运行,对人工集卡抓放箱,对底层箱作业需人工远程安全确认外,其余环节实现自动化。智能集卡通过北斗、GPS、激光雷达等融合导航技术,采用电力驱动,使用充电枪对设备直充。人工集卡与智能集卡混线作业,安全管控及交通组织复杂度高,尤其是在箱区内单车道作业,前期采取分时段作业的方式解决,逐步推进混线作业。码头采用自主研发的n-TOS 系统,基本实现理货、道口等环节自动化,5G 通信技术在轮胎吊上探索性运用。

  山东省港口集团日照港在石臼港区西9#、10# 泊位后方原散杂货堆场E、F 区做自动化集装箱堆场改造,工程分3 期,采用“本地单小车岸桥+ 集卡+ 自动化轨道吊”的半自动化工艺系统。一期、二期工程分别于2019 年、2020 年投产,规划7 块箱区20 万m2,箱区与码头平行,配备14 台自动化双悬臂轨道吊,吊具对集卡作业时在下降到安全高度后由人工远程操作,其余实现自动化。三期工程将进一步扩大自动化改造范围,引入智能集卡及自动化单小车岸桥,形成“自动化单小车岸桥+ 智能集卡+ 自动化轨道吊”全自动化工艺系统。码头操作系统目前基本采用人工决策,后续计划自主研发实现自动化操作。

  山东港口集团青岛港前湾四期自动化码头2017 年5 月投产,岸线 个自动化箱区,设计年吞吐量520 万TEU。

  码头采用“自动化双小车岸桥+ 自动导引车(AGV)+ 自动化轨道吊”的全自动化装卸工艺,目前配备16 台岸桥、83 台AGV、76 台轨道吊。岸桥主小车为半自动模式,门架小车全自动作业。堆场采用垂直布局模式,轨道吊采用无悬臂形式,除陆侧对外集卡作业需人工安全确认外,其余实现自动化,海侧以作业AGV 装卸船为主、配备双箱吊,陆侧以作业外集卡进提箱为主。自动导引车通过磁钉导航定位,采用锂电池驱动,配备顶升功能。近期,码头启动建设空轨集疏运体系建设,打通铁路港站到堆场运输。码头生产使用NAVIS-N4 系统,具备自动生产组织、计划调度等功能,同时在闸口及理货等环节实现自动化。

  天津港集团北疆港区C 段规划建设全自动化集装箱码头,预计2021 年投产,岸线 万吨级集装箱泊位,设计年吞吐量250 万TEU。

  码头采用“自动化单小车岸桥+ 智能集卡+ 自动化轨道吊”的全自动化工艺系统,形成12 台岸桥、42 台轨道吊、76 台智能集卡的生产规模。自动化堆场平行于码头前沿,布置9 个箱区,采用双悬臂自动化轨道吊,悬臂下布置4 根集卡车道。港内外集卡采用“空间+ 时间” 的隔离方式,在内外集卡平面交叉处设置道闸。

  唐山港集团京唐港区21#~25# 泊位是自动化改造项目,规划建设4 个10 万吨级和1 个3 万吨级集装箱泊位,设计年吞吐量为230 万TEU,以内贸为主,21#、22# 泊位2018 年改造完成并投产。

  码头采用“自动化单小车岸桥+ 集卡+ 自动化轨道吊”的半自动化工艺系统,设备规模为10 台岸桥、20 台轨道吊,智能集卡处于测试阶段,未来将升级为全自动化工艺。堆场与码头前沿平行布局,重箱堆场采用自动化无悬臂式轨道吊作业,对集卡采用自动运行+ 远程人工抓放箱模式,轨内布置2 根集卡作业车道, 重箱及空箱堆存分离,空箱堆场目前采用堆高机作业。智能集卡处于测试阶段,搭配融合导航技术,使用5G 信息传输技术,具备自动避让及路径规划功能。码头生产使用NAVIS 系统,生产、计划基本通过人工操作。

  在外部利好政策及技术刺激、内部变革需求双向驱动下,国内自动化集装箱码头的发展在开局便驶入快车道,除上述项目外,盐田、大连、南通、威海等多个地区的港口也开展了新建自动化码头或码头自动化改造的实践。据不完全统计,“十三五”期间投产的自动化集装箱码头近10个,预计到“十四五”我国沿海自动化集装箱码头投产规模将近20 个,整体自动化水平将进一步提升,向智慧港口迈进。国内沿海典型自动化集装箱码头建设及关键技术总体情况详见表1。

  堆场布局模式是自动化集装箱码头平面布局的重点,堆场一般分为垂直码头及平行码头布局两种形式。国内率先建设的全自动化集装箱码头新建项目基本采用堆场垂直码头的模式,自动化水平运输设备衔接码头与堆场作业,缩短箱区到码头前沿运输距离、简化行驶路径。装卸设备布局及出箱点相对固定,海侧负责装卸船作业,陆侧负责集卡进提箱作业,将人工驾驶集卡与自动化机械隔离,保证人机安全,降低堆场交通组织安全管控风险,但对作业任务在时间及空间上的均衡性提出较高要求。随着集装箱船舶大型化发展,单艘次作业量持续增加,此外,海运周期长、影响要素多,船期存在不确定性,实际靠泊位置与计划靠泊位置可能存在偏差,箱区冲突无法避免,加之外集卡进提箱业务量不均衡,多要素叠加对箱区出箱能力的要求持续提高,箱区布局及装卸工艺的选择在结合场地条件、堆存密度等要素的同时向具备更加灵活及弹性作业能力发展,悬臂式轨道吊在垂直式堆场布局中得到进一步推广,提升该布局中堆场的出箱能力。

  智能集卡在许多港口实现探索性测试或运用,随着无人驾驶及智能识别、车路协同等技术发展,智能集卡与人工驾驶集卡混线运行水平将进一步提升,堆场水平码头布局模式中复杂的交通组织问题将得到解决,堆场与码头平行的布局模式在机械灵活调度、快速提高局部箱区收发箱作业能力降低堆场计划决策难度的优势将逐步发挥,将进一步在传统码头自动化改造及新建小型自动化集装箱码头中得到推广。与此同时,随着港口规模化运营理念的发展,堆场平行码头的布局模式在新建的多泊位自动化集装箱码头中也将进一步得到运用,以保持港口整体布局统一性,为未来码头规模化运营提供支撑。

  近几年,我国持续加大环境保护力度,推动多式联运发展,大力推动一系列突破性政策利好出台、铁路场站及网络加快建设、内河码头及河道加快发展、江海联运船舶研究及运用,大量港口加速布局腹地多式联运交通网络,也逐步加强码头多式联运交通布局及自动化装卸工艺探索。铁路将逐步铺设到码头内部,通过自动化水平运输模式,突破“最后一公里”的转运问题。支线作业重要性日益突出,单独设立支线泊位的布局模式将被更多港口采用,同时将配备轻型自动化岸桥,进一步降低投资成本。

  双小车岸桥在效率提升、自动化程度、降低劳动强度等方面具备优势,但随着智能驾驶设备的推广,改变了人、机作业环境隔离的传统理念,加之单小车岸桥在成本、能耗、场地要求等方面优势突出,单小车岸桥将进一步推广运用。

  目前岸桥的主要技术壁垒在于船侧自动化和自动拆装锁钮等技术上。船上集装箱精确检测技术是岸边装卸设备实现海侧自动化的关键,推动船侧自动化还处于深耕发展阶段,未来有望实现远程控制员一对多作业。目前,自动拆装锁钮暂未实现全自动化稳定作业,集装箱锁孔精确定位和锁钮拆装夹具自动更换技术是主要研究方向。

  使用多传感器融合定位技术的智能导引车在导航技术、路径规划逻辑、车架设计等方面进行了提升和改良,相较于早期的自动导引车, 单机设备智能化程度更高,为未来自动导引车实现向智能、低成本发展提供发展方向。与此同时,智能集卡在大量自动化码头建设及改造项目中运用,但处于调试或初步探索阶段,高精度的车辆定位技术、周围环境感知技术、车辆路径规划导航控制技术和车队调度与控制系统存在很大发展空间,目前通常使用空间或时间隔离方式将人工集卡与智能集卡分开作业,同时探索通过发放定位设备、安装定位软件等手段将外集卡、现场作业人员纳入码头整体规划及管控,减少人机混合作业不确定性。随着技术的成熟,智能集卡运用范围将进一步扩大,混线作业可靠性进一步提升,助力半自动化码头实现全自动升级。

  为掌握核心技术、数字化转型的主动权, 各港口对数字化转型工作越来越重视,码头生产管控系统自主研发成为重点突破方向。自动化集装箱码头的生产管控系统主要包括码头操作系统(TOS)和设备管控系统(ECS)。TOS自主研发南方港口起步较早,总体应用情况良好,主要代表有上海港的TOPS 和ITOS、宁波舟山港的N-TOS、招商局港口的C-TOS。另外广州南沙四期、厦门远海、日照港等也采用国内华东电子的TOS。从长远来看,体量大的港口会朝着自主研发TOS 的方向推进,技术力量相对薄弱的港口则与专业软件公司联合开发。

  新建全自动化集装箱码头主要采用强TOS 模式,把任务分配、设备调度和过程控制集中在TOS,这种模式实现集中决策,有利于码头三大机种的高效协同,便于过程动态调整。该模式有进一步加强的趋势,上海港以色列海法新港项目将岸桥管理系统(QCMS)功能整合至TOS,TOS 直接与岸桥自动化系统(ACCS)对接, 后续TOS 将会完全整合ECS 系统功能,成为自动化集装箱码头生产管控的核心。传统码头自动化改造项目主要采用强ECS 模式,原TOS 不做大规模改造,自动化作业模式相关功能被聚焦到ECS 系统,部分港口联合设备供应商共同研发ECS 系统。

  当前各码头主要聚焦于设备自动化和智能化,对生产管控系统中计划、调度模块的智能化发展关注度欠缺,而这是评判码头智能化水平的关键要素。目前自动化堆场选位、配载及设备调度等模块已在部分港口得到使用,随着人工智能的进步,智能化水平还有较大提升空间,开展基于大数据分析和机器学习驱动的码头作业协同优化与智能决策方法的研究,进一步完善智能管控系统功能,提升生产组织和过程控制的智能化水平,打造全流程智慧集装箱码头是未来发展方向。

  上海洋山四期自动化码头、深圳妈湾港等少数港口启动了大数据分析和数字孪生系统探索及尝试。现阶段大数据作业分析系统已具备汇集自动化集装箱码头全过程作业海量数据,构建智能决策大数据知识库的能力,但在实际运用方面也仅停留在船舶完工后的数据采集、相关指标的汇总及展示,实现事前作业预测、资源配置指导、作业方案优化、即时智能决策等核心功能是未来发展趋势。

  目前数字孪生系统处于探索阶段,主要是采用实际场景与模型的映射方法,孪生模型与数据的虚实融合机制可对生产过程信息进行全面检测和分析,提高生产效率,降低生产成本。

  部分港口通过人脸识别、人体行为识别、车辆识别等技术建立智慧安全系统,对作业区域内的作业人员、车辆的行为进行监控,自动识别安全隐患,并主动报警,与无人机结合运用,实现全域无死角监控。后续随着人工智能技术的持续突破,特别是计算机视觉、语音识别和深度学习等技术,可提升安全管控系统智能化水平,成为智慧码头重要的组成部分。

  随着5G 商业化运用落地,大量自动化集装箱码头在装卸设备远程控制、智能集卡、理货等场景开展启动探索性运用,充分利用5G 通信低网络延时、高带宽的特点,支持大量高清视频及图片高速回传。同时,5G 为传统码头设备自动化改造带来新的路径,替代光缆铺设,降低工程量。5G 优势将会在5G 生态相对成熟、工业控制终端产品日趋丰富、基站建设成本下降后进一步凸显。对于全新采购自动化设备、业务流程重构的码头,通常选用多种通信方式互补的方案,在探索性部署5G 的同时, 保留岸边、堆场装卸设备有线网络方案,自动化水平运输设备、理货等采用双网冗余无线网络,确保指令传输稳定性。

  随着数字化发展,数据价值持续提升,港口网络安全重视度持续加强,码头往往通过专网建设筑牢网络安全屏障,构建符合等保标准的工控系统安全防护平台是发展趋势。

  近几年,国内沿海港口深入推进自动化集装箱码头建设及码头自动化改造项目,投产规模快速增大,且具备较强的发展势头。码头平面布局、装卸工艺、设备选型、系统及网络建设是自动化集装箱码头建设决策及向智能化发展的关键,各港口结合发展实际形成各具特色的自动化、智能化建设方案,但逐步实现全域、全流程智能化及无人化是各项技术整体发展的大趋势。

  本文将在《中国港口》2021年第1期刊登, 敬请关注!返回搜狐,查看更多

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