天津港集装箱码头智能化发展途径探索与实践

天津港集装箱码头智能化发展途径探索与实践王伟随着经济全球化和区域经济一体化进程的发展，全球集装箱运量逐步增长，港口集装箱码头也呈现新的发展趋势：一是绿色化，即更加注重环境保护和人文关怀;二是智能化，即更加注重港口科技创新，将新技术、新工艺、新能源作为港口发展的新动能;三是高效化，即更加注重效率提升和物流成本降低，促进现代供应链优化;四是开放化，即更加注重政策创新和制度创新，推动港口周边区域深度融入集疏运一体化发展;五是协同化，即更加注重协同发展和共生共荣，助力打造港口群、和谐港城和相关产业协同发展新优势。为了在创新发展过程中获得更多的主动权和优势，港口企业纷纷将集装箱码头智能化作为增强核心竞争力的重要举措。本文结合天津港在自动化集装箱码头建设和管理以及传统集装箱码头自动化改造等方面的探索和实践，探讨集装箱码头智能化发展途径，以期为集装箱码头智能化发展提供参考。1天津港集装箱码头智能化发展途径在港口智能化发展浪潮下，天津港（集团）有限公司（以下简称“天津港集团”）根据自身资源特点，提出以运营管理智能化为点、以贸易物流便利化为线、以创新共享生态化为面的点线面相结合的智慧港口建设路径，以及“攻点、连线、拓面”的智慧港口建设目标：“攻点”即提升港口生产调度智能化、设备操作自动化、数据信息可视化水平，构建便捷、高效的港口集疏运体系;“连线”即上线运行国际贸易“单一窗口”，实现供应链相关方互联互通以及口岸物流、信息流、资金流高效运转;“拓面”即持续推进港城融合发展新格局，促使智慧港口产业发展新业态不断涌现，推动北方国际航运物流贸易生态圈基本形成。通过“以点串线、以线促面”，加快打造我国环渤海地区物流供应链服务平台，构建北方国际航运物流贸易生态圈。在上述战略的指导下，天津港集团在集装箱码头智能化发展方面积极开展探索和实践，全面提升集装箱码头生产运营的自动化和智能化水平，进一步提高生产效率和运营能力，切实改善客户体验，有效吸引集疏运物流资源。（1）实现集装箱码头操作系统一体化。2022年4月，天津港集团通过集装箱码头操作系统一体化实现对旗下集装箱码头生产要素的集约化管理。一体化的集装箱码头操作系统具备电子数据收发、陆运协同作业、统一费收结算、船舶自动配载、堆场智能找位和集卡优化调度等功能，能够实现集装箱码头生产的货运一单制、信息一网通和监管一体化，进而实现集装箱码头生产组织流程标准化、调度指挥智能化、资源利用合理化和客户服务便捷化。（2）研制发布智能集卡。2022年4月，由天津港集团与李德毅院士科研团队、中国重型汽车集团有限公司联合研发的无人驾驶电动集卡投入试运行。该智能集卡适用于高强度作业工况和自动化作业环境，其纯电动模式能够实现集装箱码头水平运输的“零排放”。（3）完成传统集装箱码头的自动化改造。建成天津港集装箱码头有限公司北区智能码头远程操控中心，改造全部31台轨道式龙门起重机（以下简称“轨道吊”）和25块集装箱堆场，实现堆场自动化作业全覆盖，提高码头作业效率和堆场利用率。（4）加快推进自动化集装箱码头建设。结合5G、人工智能、物联网等新一代信息技术，创新码头通关、水平运输、自动操控和内集卡调度模式，以建设智能化程度和运营效率最高的自动化集装箱码头为目标，持续创新和优化新一代自动化集装箱码头工艺方案，加快推进工程建设。2天津港自动化集装箱码头建设天津港自动化集装箱码头建设中的工艺创新与实践穿梭搬运车系统虽然自动化轨道吊具有作业稳定性较好、装卸效率较高等优点，但对垂岸式集装箱码头而言，自动化轨道吊作业工艺在堆场水平运输作业方面存在以下缺陷：（1）若堆场仅配置1台自动化轨道吊，则由于该自动化轨道吊既要执行装卸作业任务又要执行集疏运作业任务，需要带箱长距离行走，导致其作业耗日寺较长且能耗较高，往往无法满足码头对堆场作业能力的要求;（2）若堆场配置多台自动化轨道吊，则由于多台自动化轨道吊不能交叉作业，集装箱往往需要经多次转运才能到达指定箱位，导致堆场翻箱率较高;（3）为了限制自动化轨道吊带箱行走距离和集装箱转运次数，确保堆场作业效率，箱区长度一般不得超过300m。口针对自动化轨道吊作业工艺在堆场水平运输作业方面存在的不足之处，天津港在现有自动化轨道吊作业工艺的基础上，引入立体轨道式分配系统的工艺思路，将堆场作业分为水平运输作业和装卸作业，其中：水平运输作业由穿梭搬运车（地面轨道式小车）完成，装卸作业由自动化轨道吊完成。仿真结果显示，自动化轨道吊与穿梭搬运车相结合的作业工艺具有以下优点：（1）穿梭搬运车可替代自动化轨道吊带箱长距离行走，适用于箱区较长的堆场，有利于码头扩展堆存空间和降低作业能耗;（2）穿梭搬运车能够带箱直接到达指定箱位，从而有效降低堆场整体翻箱率，增强堆场计划的灵活性;（3）对自动化轨道吊带箱行走速度的要求降低，从而减少设备“啃轨”现象，提高设备运行稳定性;（4）能够有效平衡堆场自动化轨道吊的作业效率，提高堆场作业能力。顺岸式边装卸工艺方案国内外现有的自动化集装箱码头大多采用垂岸式布局形式。在垂岸式布局形式下，堆场垂直于岸线布置，堆场两端分别为海侧集装箱交换区和陆侧集装箱交换区，水平运输作业主要由自动导引车和自动跨运车完成。虽然垂岸式端装卸工艺方案具有内外物理隔离、运行安全可靠的优点，但也存在一些弊端：（1）海侧与陆侧的自动化轨道吊无法相互支援，难以平衡海侧与陆侧的作业压力，容易出现作业瓶颈;（2）海侧与陆侧之间的集装箱水平运输需要经过自动化轨道吊多次接力，导致作业能耗和成本较高;（3）自动导引车和自动跨运车需要预埋磁钉，投资成本较高且后期维护难度较大;（4）自动化轨道吊需要带箱高速行走，对设备自身和轨道基础的技术要求较高。与垂岸式端装卸工艺方案相比，顺岸式边装卸工艺方案能够有效减少作业瓶颈，提高作业效率，但存在以下技术难点：（1）自动化轨道吊的作业区域位于堆场贝位，需要设置相应的交换和缓冲逻辑，以防止作业拥堵;（2）需要根据堆场布局和作业要求的变化调整作业逻辑，以确保作业流畅和安全;（3）需要调整计划和调度逻辑，以适应作业要求的变化。为了避免垂岸式端装卸工艺方案的弊端，天津港集团在综合考虑各项因素的基础上，最终采用顺岸式边装卸工艺方案。天津港集装箱码头有限公司北区智能码头会同天津港信息技术发展有限公司对自动化堆场控制模块实施140余项改进，以解决其对顺岸式边装卸工艺方案的适应性难题，重点涉及以下三方面。第一，按贝位设置交换区。在顺岸式边装卸工艺方案下，自动化轨道吊与集卡在堆场贝位内交互。为此，自动化堆场控制模块改变传统的交换区布局，使每个贝位都能设置为独立的交换区。第二，沿车道行进方向派发指令。在顺岸式边装卸工艺方案下，集卡必须沿车道行进方向行驶;如果同车双箱的指令派发顺序不当，很容易引起倒车和二次入场，导致作业效率下降。为此，自动化堆场控制模块明确装、卸、集、提等四大作业类型的指令派发规则，总体上按照“先低贝位后高贝位、先前位后后位、同车同贝位连续做”的规则派发指令。第三，在限定范围内自动翻箱。在顺岸式边装卸工艺方案下，水平运输主要由水平运输工具来完成，必须将翻箱作业控制在相应贝位或限定范围内。为此，消除自动化堆场控制模块的自动接力翻箱功能，增加翻箱范围设置功能，使其能够就近寻找翻箱箱位，并降低系统故障及延迟概率。对天津港自动化集装箱码头建设的若干思考自动化集装箱码头建设重点和难点与传统集装箱码头相比，自动化集装箱码头能够实现装卸作业实时控制和动态调度，从而提高装卸作业效率，缩短车船在港停留时间。自动化集装箱码头高效率、低成本、高可靠性、节能环保等优势依赖于高新技术的综合应用，码头机械设备的自动化水平、码头操作系统的智能化程度、大容量数据通信速率等均会影响自动化集装箱码头的运行效果;因此，相关技术的协同应用是自动化集装箱码头建设的重点和难点。此外，港口发展需要兼顾效益效率和投资回报;因此，在建设自动化集装箱码头之前，应当对自动化集装箱码头建设的必要性和可行性开展深入研究和论证。自动化集装箱码头经济性分析投资回报麦肯锡对自动化集装箱码头投资回报情况的调研结果显示，自动化集装箱码头的实际收益与预期收益之间存在较大差距：自动化集装箱码头项目建成投产后，码头运营成本预期将下降25%〜55%,作业效率将提高10%〜35%;但实际上，码头运营成本仅下降15%〜35%,作业效率不升反降7%。据分析，自动化集装箱码头只有在以下情况下才能取得较好的投资回报：（1）运营成本比传统集装箱码头下降25%;（2）运营成本比传统集装箱码头下降10%,并且作业效率比传统集装箱码头提高30%。根据天津港集团对不同自动化程度的集装箱码头投资回报情况的对比分析：就岸线长、纵深的标准规模的集装箱码头而言,在设备使用寿命为25年且人工成本不变的条件下,全自动化集装箱码头的投资回报情况不如半自动化集装箱码头,半自动化集装箱码头的投资回报情况与传统集装箱码头相当（见表1）。全自动化集装箱码头要取得比半自动化和传统集装箱码头更好的投资回报，年集装箱吞吐量必须超过1000万TEU,这对标准规模的集装箱码头来说显然是不可能实现的。综上所述：麦肯锡对自动化集装箱码头投资回报情况的悲观论断主要针对全自动化集装箱码头;而半自动化集装箱码头在实际运营过程中大多表现出良好的经济性,如釜山港和迪拜港的半自动化集装箱码头以及天津港五洲国际集装箱码头等。单箱能耗能耗成本是码头运营成本的重要组成部分。在传统集装箱码头运营成本中,能耗成本约占9%;在自动化集装箱码头运营成本中,能耗成本约占7%。为了保证集装箱码头的经济性,能耗水平是集装箱码头工艺方案选择过程中需要重点考虑的因素。由表2可见：与采用垂岸式端装卸工艺方案的全自动化集装箱码头相比,采用顺岸式边装卸工艺方案的天津港自动化集装箱码头在单箱能耗方面的表现较优。假设某自动化集装箱码头年集装箱吞吐量为250万TEU,则顺岸式边装卸工艺方案的年能耗约为2175万kWh,垂岸式端装卸工艺方案的年能耗约为3625万kWh,前者比后者每年节约能耗约kWh，节约能耗成本约1500万元。口3天津港自动化集装箱码头管理集装箱码头要实现真正意义上的自动化和智能化,不仅需要配备智能化的硬件设备,而且需要智能化的软件支持。天津港集装箱码头有限公司北区智能码头在建设过程中,充分运用自动化和信息化技术,并结合自身的管理经验和需求,在智能化方面积极开展创新实践。（1）智能场地策划和调度。随着分散策划工艺的应用,航运与陆运作业资源之间以及不同船舶作业资源之间的界限不再像过去那样清晰,作业资源调配也不再相互独立。针对这一变化,天津港集装箱码头有限公司北区智能码头调整生产组织模式,由原先以单船作业为导向转变为以资源优化配置为导向,通过码头操作系统的统一计算和调度,把原本相互割裂的各类作业资源整合为相互配合的整体,使码头作业均衡度以及设备对作业指令的响应度达到最优。（2）优化自动配载功能。码头操作系统大多具有自动配载功能,能够利用人工智能算法模拟码头配载员的思路和方法,在综合考虑资源配置、任务分布、堆存状态等因素的基础上,根据预配船图、船舶适航要求和码头作业要求等,为出口集装箱自动分配船舶箱位。虽然码头操作系统的自动配载功能能够有效提高配载效率和质量,并降低码头配载员的工作强度,但并非每次自动配载都能达到理想状态。天津港集装箱码头有限公司北区智能码头采用自主编译的ReCap软件，不断调整和优化码头操作系统的自动配载结果,直至达到最优状态。（3）创新应用智能定位系统。天津港集装箱码头有限公司北区智能码头轨道吊下的集卡车道设置在门腿之间,集卡只能在轨道吊轨距以内通行，而不能借用轨道以外的道路，导致车流、车序的控制难度较大。为此，天津港集装箱码头有限公司北区智能码头创新应用智能定位系统，通过智能定位系统收集集卡到达信息，并根据目标位置的占用情况，适时向码豆真操作系统推送集卡到达信息，从而帮助码头操作系统顺利派发作业指令，并实现对集卡车流、车序的有效管理。4天津港传统集装箱码头自动化改造4.1传统集装箱码头实施自动化改造的意义（1）突破作业效率瓶颈。虽然传统集装箱码头的作业工艺较为成熟，但受作业资源配置和生产组织模式等因素的制约，其操作能力、作业效率和服务水平难以满足日益增长的作业需求。通过实施自动化改造，传统集装箱码头能够实现转型升级，其操作能力、作业效率和服务水平将得到有效提升。（2）解决招工难、用工难问题。近年来，传统集装箱码头招工难、用工难问题日益突出：一方面，装卸操作岗位的吸引力下降，轨道吊司机流失情况不容忽视;另一方面，人工成本不断上涨，码头成本压力持续增大。自动化改造能够提升传统集装箱码头的自动化和智能化水平，减轻装卸操作岗位的工作强度，减少相关岗位的人员配置需求，从而帮助传统集装箱码头破解招工难、用工难问题。（3）提高码头经济效益和社会效益。一方面，自动化改造能够推动传统集装箱码头实现降本增效，从而提高码头经济效益;另一方面，自动化改造有助于传统集装箱码头实现安全、环保、节能、高效的运营目标，从而提高码头社会效益。4.2天津港传统集装箱码头自动化改造中的工艺创新与实践顺岸式边装卸工艺方案天津港集装箱码头有限公司北区智能码头的自动化堆场采用顺岸式边装卸工艺方案，该工艺方案有以下优点：（1）作业区内的机械设备具有可替代性，并可根据需求增加机械设备;（2）堆场起重设备无须承担水平运输作业，能耗成本较低;（3）堆场翻箱率和设备损耗成本较低。此外，天津港集装箱码头有限公司北区智能码头创新应用码头操作系统驱动作业指令的模式，由码头操作系统派发作业指令，从而实现堆场作业自动化。智能水平运输系统在顺岸式边装卸工艺方案下，自动化堆场大多采用外悬臂式轨道吊，并设置公共车道，从而在实现内集卡车道与外集卡车道分离的同时，确保较高的通行度;而天津港集装箱码头有限公司北区智能码头轨道吊下的集卡车道设置在门腿之间，集卡只能在轨道吊轨距以内通行，容易导致交通堵塞。经过仿真研究，天津港集装箱码头有限公司北区智能码头最终采用内跨式单侧双车道布局形式，通过设置超车道来满足集卡在堆场内的通行要求。顺岸式边装卸的工艺方案意味着内集卡与外集卡需要在堆场内混行，导致车流和车序控制成为作业组织难点。为了解决顺岸式边装卸工艺方案下的水平运输难题，天津港集装箱码头有限公司北区智能码头采用智能水平运输系统，系统主要功能包括：（1）通过堆场入口处设置的无线射频识别装置识别内集卡和外集卡;（2）收集并过滤集卡到达信息;（3）根据交换区占用情况适时推送集卡到达信息;（4）对集卡到达信息进行补发、回退、置顶等时序控制和纠正;（5）连接码头操作系统和设备控制接口，针对指令顺序错误的情况执行换车操作;（6）自动记录和管理无线射频识别装置识别失败的原因;（7）分场地控制切换内集卡手动和自动确认到达方式;（8）监控外集卡滞场状态。基于智能感知和智能协同技术的分散策划工艺传统集装箱码头堆场大多采用集中策划工艺，即：按照一定的比例配置岸边作业设备和堆场作业设备，并把进出口集装箱集中在连续贝位区域，使堆场作业设备以最短的移动距离和移动时间，逐层逐排连续作业。近年来，随着天津港集装箱吞吐量的持续增长，传统的集中策划工艺面临诸多挑战，越来越不适应港口发展需求：一是难以应对作业高峰;二是难以挖掘和提升堆场作业设备的整体效能;三是难以适应口岸政