太倉港四期智慧港口建設分析

趙強

（張家港港務集團有限公司，江蘇蘇州 215600）

1 太倉港四期建設概況

4 個5 萬噸級集裝箱泊位（水工結構按10 萬噸級設計）及相應配套設施，泊位總長度1292m，年設計吞吐量為200 萬標箱。港區(qū)總用地面積約120.6 萬m2，項目概算總投資約40.27 億元，工程建設期3 年。

太倉港區(qū)四期工程為棧橋式碼頭，碼頭前沿采用遠控岸橋作業(yè)，并在原有光纖通信的基礎上嘗試使用5G 通信技術實現(xiàn)遠程控制岸橋作業(yè)。堆場平行碼頭前沿布置，采用雙懸臂自動化軌道吊，海側內集卡全自動，陸側外集卡半自動的模式。水平運輸與堆場的作業(yè)交接前期采用有人集卡作業(yè)并進行無人集卡試驗，后期將有人集卡全部替換成無人集卡作業(yè)模式，實現(xiàn)真正意義上的集裝箱水平搬運無人化。太倉四期自動化項目在現(xiàn)有自動化軌道吊技術的基礎上，加強RFID 識別率、集卡引導、防打保齡、集卡防吊起等方面研究，以提高作業(yè)效率和作業(yè)安全性，進一步完善和提升自動化軌道吊相關技術，形成自動化軌道吊的成套關鍵技術。

2 太倉港四期智慧港口建設內容

智慧港口建設是借助于物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、云計算、決策分析優(yōu)化等智慧技術手段，實現(xiàn)港口供應鏈上各種資源和各個參與方之間無縫連接與協(xié)調聯(lián)動，從而對港口管理運作做出智慧響應，形成信息化、智能化、最優(yōu)化的現(xiàn)代港口。

根據(jù)太倉港四期集裝箱碼頭的運營管理需要，結合信息化建設的一體化要求，整個碼頭主要包括以下建設內容。

一是裝卸設備：自動化軌道吊、遠控岸橋、電動集卡（包括無人集卡）、正面吊、堆高機等。二是應用系統(tǒng)：集裝箱碼頭生產系統(tǒng)（TOS）、自動化堆場作業(yè)調度系統(tǒng)、智能閘口系統(tǒng)、岸邊智能理貨系統(tǒng)、冷藏箱監(jiān)控系統(tǒng)、集卡智能調度系統(tǒng)及大型設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)等。三是自動控制系統(tǒng)：岸橋遠控操作系統(tǒng)、軌道吊設備控制系統(tǒng)、中央控制室系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)等。四是通信系統(tǒng)方面，包括基礎設施和信息服務設施兩個方面?；A設施：機房設施、建筑設備管理設施和公共安全設施等；信息服務設施：無線對講系統(tǒng)、電話系統(tǒng)和多媒體應用支撐相關設施。五是能源管理系統(tǒng)：智慧能源管理及綠色能源應用等。

3 太倉港四期智慧碼頭建設措施

智慧港口建設是借助物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、云計算、決策分析優(yōu)化等智慧技術手段，實現(xiàn)港口供應鏈上各種資源和各個參與方之間無縫連接與協(xié)調聯(lián)動，從而對港口管理運作做出智慧響應，形成信息化、智能化、最優(yōu)化的現(xiàn)代港口[1]。

3.1 建立專業(yè)的核心管理團隊

根據(jù)在項目執(zhí)行中的不同分管方向和角色，除了傳統(tǒng)的土建、設施方面的專業(yè)人員，還要配置以下管理團隊，協(xié)調各參與單位，把控項目進度，使項目有序推進。

一是生產調度團隊，包括船舶和場地計劃人員，岸邊和場內設備調度人員，碼頭拖車調度管理人員，閘口管理人員。他們能夠從不同的業(yè)務角度提出針對性的自動化需求，參與TOS 流程測試，并結合碼頭的生產實際，追蹤項目實施過程中出現(xiàn)的生產調度方面的問題。

二是設備管理團隊，包括岸邊和場內設備管理人員，其熟悉設備的控制系統(tǒng)以及設備與生產調度的交互，能夠從設備的生產、使用和維護等角度提出針對性的自動化需求，并追蹤、評估設備的實際運行情況和工作能力，進而提出改進方案。

三是網(wǎng)絡IT 團隊，包括網(wǎng)絡、服務器管理，以及軟件、數(shù)據(jù)庫管理方面的人員，其熟悉網(wǎng)絡框架，以及TOS 軟件、數(shù)據(jù)庫的應用，應參與TOS 的流程測試以及實際網(wǎng)絡環(huán)境測試，這樣能從碼頭所有網(wǎng)絡資源配比以及后期維護的角度，提出針對性的自動化需求，并提出改進方案。

四是現(xiàn)場安全管理團隊，具備碼頭安全管理知識和豐富現(xiàn)場經驗的管理人員。他們能夠根據(jù)碼頭安全管理以及國家安全生產法規(guī)的要求對自動化提出要求，參與TOS 的流程測試，識別生產流程中各系統(tǒng)交互過程可能產生的安全隱患。

3.2 建設智慧港口的技術保障

對設備自動控制系統(tǒng)、TOS 系統(tǒng)開發(fā)等方面進行全方位考察和研究，最終選擇一種成熟可靠的方案作為太倉四期智慧港口建設的技術保障，并在此基礎上進行創(chuàng)新升級。

3.2.1 自動化軌道吊

太倉四期碼頭自動化軌道吊采用內集卡全自動、外集卡半自動模式，作業(yè)效率不低于30MOV/h，實現(xiàn)“一對多”或“多對多”遠程操作，采用了目前最成熟的自動化控制技術，確保設備安全可靠地生產作業(yè)。

（1）主機構定位技術

主機構定位包括對起升、小車和大車這三大機構的精確定位，比較成熟的方案是在各機構的電機、減速箱或車輪上安裝高精度絕對值編碼器，且采用雙編碼器。此外，小車采用沿小車軌道敷設的磁尺線性編碼器，大車采用FLAG 板加絕對值編碼器。

（2）負載定位技術

目前的主流方案是在小車架上安裝紅外相機，在吊具上架設3 個紅外光源，紅外相機實時檢測3 個光源相對于小車架的偏移位置和旋轉角度，以測量整個吊具的位置。該方案具有精度高、通信穩(wěn)定和測量結果不易受外部環(huán)境影響等優(yōu)點，是一項成熟的方案。

（3）目標定位技術

為實現(xiàn)對箱區(qū)作業(yè)箱位的輪廓掃描，以及對作業(yè)車道集卡的拖板、拖板上的集裝箱做精確掃描和測量。采取以下方案：在小車架前后各安裝一個3D 激光掃描儀，激光向下掃描目標物體，如集裝箱和集卡的輪廓，能夠在小車行進過程中對目標位置進行掃描和測量，同時能實現(xiàn)小車方向的路徑優(yōu)化及防打保齡功能。

（4）集卡引導技術

集卡引導技術可引導作業(yè)車道的集卡準確停車，避免人工對箱環(huán)節(jié)，提高作業(yè)效率。在太倉四期項目中，可以采用成熟的CPS 方案，在大車兩側鞍梁上各安裝一套2D 激光掃描儀來掃描集卡，以引導集卡停到準確位置。

（5）集卡防吊技術

由于集卡拖板車與集裝箱之間的鎖頭為解開狀態(tài)，為保證自動化軌道吊從集卡上抓箱時的安全性，避免在吊具起升過程中卡車被吊起，采用集卡防吊技術。在大車門腿中部位置安裝攝像機，實時檢測拖車和集裝箱之間的狀態(tài)。

（6）集卡識別技術

目前市場上比較成熟的方案是在堆場閘口和自動化軌道吊上安裝RFID 檢測設備，當集卡進入堆場閘口處時，識別一次集卡用以觸發(fā)任務指令，軌道吊自動執(zhí)行任務，停到指定位置等待集卡，集卡來到相應任務位置后，軌道吊上的RFID 檢測設備進行第二次識別，自動核對軌道吊所吊取的集裝箱是否與集卡信息匹配。如果信息匹配，自動化作業(yè)流程繼續(xù)，如果不匹配，作業(yè)終止并進入異常處理流程。

（7）吊具微動功能

吊具微動功能是由四個變頻器推動電動推桿電機實現(xiàn)的，同時在推桿上增加絕對值編碼器反饋推桿實際位置信息，從而快速、精準地調整吊具姿態(tài)，盡可能縮短吊具對箱時間。

（8）終端顯示系統(tǒng)

終端顯示系統(tǒng)安裝在遠程操作中心，能夠提供集裝箱碼頭的全景支持，包括對岸橋、堆場ARMG 和集卡的監(jiān)控，三維堆場地圖，狀態(tài)報警顯示，水平運輸信息，生產報告等，集中化的顯示，可以為碼頭操作人員和維護人員提供全面的信息支持。

3.2.2 遠控岸橋

太倉四期碼頭岸橋采用遠程控制方式進行裝卸作業(yè)，平均作業(yè)效率每小時不低于25 個循環(huán)。同時，在原有的光纖通信基礎上，嘗試使用5G 通信技術替換光纖通信，利用5G 無線傳輸技術低延時、高帶寬、大容量等特點，實現(xiàn)遠程控制岸橋作業(yè)。

（1）船型掃描系統(tǒng)

船型掃描系統(tǒng)是在小車架上安裝三個2D 掃描儀，使其同時開展掃描作業(yè)，并相互校準數(shù)據(jù)，以降低單個掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差，同時數(shù)據(jù)集合形成三維船型輪廓數(shù)據(jù)，實現(xiàn)小車方向的路徑優(yōu)化及防打保齡功能。

（2）電子防搖防扭系統(tǒng)

安裝在小車架上的兩個角度傳感器實時監(jiān)測吊具角度變化，通過控制小車動作，使吊具保持在允許的垂直范圍內。

（3）集卡引導技術（目標定位技術）

采用3D 激光掃描儀掃描集卡輪廓，計算出集卡停車位置，LED 顯示屏指引集卡正確停車，這樣可以降低司機的工作強度，提高作業(yè)效率。

3.2.3 無人駕駛集卡

國內外現(xiàn)有自動化碼頭基本采用自動導引車AGV（Automated Guided Vehicle）水平運輸，采用這種技術需要在地面埋設磁釘，且必須在新建碼頭建設，技術難度巨大且施工成本昂貴[2]。太倉港四期工程對無人集卡技術進行研究探索，實現(xiàn)了真正意義上的集裝箱水平搬運無人駕駛。

3.2.4 信息化建設

（1）TOS 系統(tǒng)

作為太倉港四期碼頭信息化系統(tǒng)的大腦中樞，TOS 系統(tǒng)涵蓋了碼頭裝卸船作業(yè)、收提箱作業(yè)、CFS作業(yè)、智能堆場管理、商務費收、互聯(lián)網(wǎng)服務、決策分析等領域，實現(xiàn)碼頭管理信息化。

要想實現(xiàn)自動化碼頭的有序、高效運作，除了先進的設備，還需要智能軟件TOS 的配合。TOS 系統(tǒng)覆蓋碼頭全部業(yè)務環(huán)節(jié)，銜接業(yè)務受理，集卡預約、數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)一調度等信息平臺。它能夠提供智能的生產計劃模塊，實現(xiàn)實時作業(yè)調度及自動監(jiān)控調整，通過設備調度模塊與協(xié)同過程控制系統(tǒng)，高效組織現(xiàn)場生產。

（2）智能理貨系統(tǒng)

智能理貨系統(tǒng)可以實現(xiàn)岸橋作業(yè)過程中系統(tǒng)在無須人員干預的情況下自動采集集裝箱，同時能夠顯示集裝箱裝卸狀態(tài)，提供集裝箱前后左右面的圖像、車牌圖像、貝位相應圖像及視頻信息，并且自動實現(xiàn)集裝箱號碼、ISO 號碼、車牌號碼、前后箱門位置方向信息，同時保留擴展鉛封有/無自動識別、貝位自動識別的擴展數(shù)據(jù)接口。之后系統(tǒng)會將識別信息和圖像、視頻信息傳輸?shù)胶笈_的服務器，工作人員通過后臺的信息管理程序完成集裝箱破損檢測、鉛封有/無識別、貝位識別及數(shù)據(jù)校正工作，結合碼頭生產系統(tǒng)完成一次理貨作業(yè)。

（3）智能閘口系統(tǒng)

電子閘口項目建設通過整合碼頭的單證流、物流和通關資源，利用先進的現(xiàn)代科技手段，打造了一個科學、高效、可實際運作的電子化服務平臺，實現(xiàn)了進出碼頭的貨物無紙化放行及免人工值守。

（4）智能照明系統(tǒng)

太倉港四期的智能照明系統(tǒng)采用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術。該系統(tǒng)能夠根據(jù)TOS 系統(tǒng)的作業(yè)指令自動控制燈具亮度，從而節(jié)約電能。另外，該系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測故障燈具，降低巡檢人員的工作負荷，提高檢修效率，降低維護成本，進一步提高經濟效益。

（5）冷藏箱遠程監(jiān)控系統(tǒng)

為了提高港區(qū)自動化管理水平，實施信息化管理、減輕勞動強度、降低管理成本，該工程為堆場冷藏集裝箱建立了一套冷藏集裝箱信息監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測冷藏集裝箱工作狀態(tài)信號、溫度范圍及化霜狀態(tài)信號等，且與集裝箱計算機信息管理網(wǎng)絡建立數(shù)據(jù)傳輸通道。

（6）生產作業(yè)氣象監(jiān)控系統(tǒng)

在港區(qū)辦公樓屋面設置氣象監(jiān)測立桿，安裝風速、風向、能見度等傳感器，傳感器的數(shù)據(jù)通過通信電纜傳送到港區(qū)計算機中心數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)集中整合后，用可視化圖形標識出各傳感器的信息，包括瞬時、某時參數(shù)及數(shù)天和數(shù)月的平均值等數(shù)據(jù)，可為調度部門發(fā)布生產指令提供準確依據(jù)，確保港區(qū)作業(yè)生產安全可靠。

（7）能源管理系統(tǒng)

太倉港四期碼頭采用國際先進的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，將港區(qū)內所有供能與用能設備接入管理平臺，進行實時分類分項能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，此舉能夠推進港口能源管理自動化。同時，采用系統(tǒng)技術，實現(xiàn)供能和用能系統(tǒng)全過程各環(huán)節(jié)的監(jiān)、控、管一體化。

（8）堆場門禁系統(tǒng)

設置門禁系統(tǒng)的主要目的是建立安全規(guī)范的自動化堆場作業(yè)流程。堆場上的門禁系統(tǒng)流程的執(zhí)行，需要建立在規(guī)范碼頭工作人員行為的基礎上，所有人員必須嚴格按照規(guī)則制度執(zhí)行系統(tǒng)流程，以確保人員及設備的安全。

（9）集卡智能指揮調度系統(tǒng)

通過車輛GPS 定位（差分）以及基站定位方式，實時定位集卡車輛的位置，且通過與TOS 系統(tǒng)的對接，接受TOS 發(fā)送的任務指令，通過手機App 的方式與集卡司機互動，從而達到智能調度，提升作業(yè)效率的目的。

（10）5G 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)

太倉港四期自動化碼頭定位于堆場自動化建設模式，因此碼頭無線信號的覆蓋對自動化建設工作的成功實施起重要作用。由于港口碼頭的環(huán)境布局復雜，尤其是近海作業(yè)區(qū)，受潮水的影響，不適合大面積鋪設線纜；在作業(yè)區(qū)域，如集裝箱堆放場等又不允許設架空明線，不適宜鋪設有線網(wǎng)絡。這種情況下，利用無線局域網(wǎng)技術構建基礎通信平臺，實現(xiàn)無線全覆蓋，是非常實用且有效的。

4 結語

太倉港四期集裝箱智慧碼頭采用了當前國際集裝箱碼頭技術最高水平的全自動化集裝箱碼頭建設方案。應用碼頭作業(yè)生產系統(tǒng)（TOS）、設備管理系統(tǒng)以及相應的智能化技術，實現(xiàn)了碼頭作業(yè)、堆存無人化、智能化。該建設方案在大大提升碼頭作業(yè)效率、降低碼頭作業(yè)成本同時，實現(xiàn)了智慧碼頭的綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。