工業(yè)4.0理論在自動(dòng)化集裝箱碼頭的應(yīng)用

殷健 耿衛(wèi)寧 付鵬成 周垂劍 孫秀良

迄今為止，人類社會(huì)已經(jīng)歷三次工業(yè)革命，每次工業(yè)革命均大幅提高了生產(chǎn)力，重構(gòu)了生產(chǎn)關(guān)系，改變了世界。[1]三次工業(yè)革命在改變世界的同時(shí)也改變了港口作業(yè)模式。[2]2013年，德國(guó)在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上發(fā)布《保障德國(guó)制造業(yè)的未來(lái)：關(guān)于實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議》，第四次工業(yè)革命浪潮隨即席卷全球：美國(guó)提出“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”，日本提出“科技工業(yè)聯(lián)盟”，英國(guó)提出“工業(yè)2050戰(zhàn)略”，中國(guó)提出“中國(guó)制造2025”。在此背景下，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使得眾多行業(yè)面臨重重挑戰(zhàn)，不知如何融入此次工業(yè)革命浪潮。[3]當(dāng)前，工業(yè)4.0技術(shù)正以指數(shù)級(jí)的速度發(fā)展，并且主要應(yīng)用于制造業(yè)。港口行業(yè)作為我國(guó)對(duì)外開放的窗口和“一帶一路”倡議的重要組成部分，應(yīng)當(dāng)深入研究工業(yè)4.0的核心技術(shù)，準(zhǔn)確判斷港口未來(lái)發(fā)展方向，積極融入工業(yè)4.0浪潮。

1 工業(yè)4.0概念及核心技術(shù)

工業(yè)4.0是信息化、工業(yè)化高度發(fā)達(dá)的產(chǎn)物，其核心是信息化與工業(yè)化融合基礎(chǔ)上的智能化。2013年德國(guó)首次提出第四次工業(yè)革命即工業(yè)4.0的概念后，各國(guó)基于對(duì)工業(yè)4.0的不同理解形成各自的發(fā)展側(cè)重點(diǎn)。[4]世界經(jīng)濟(jì)論壇創(chuàng)始人克勞斯·施瓦布[5]、李樂(lè)平[6]、陳宗智[7]均系統(tǒng)地闡述了工業(yè)4.0概念并提出不同見解。

20世紀(jì)90年代，錢學(xué)森等[8]提出用開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)理論指導(dǎo)科技發(fā)展。2006年，Helen Gill博士首次提出信息物理系統(tǒng)（cyber-physical systems，CPS）概念。2013年，德國(guó)將CPS作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)，從而引發(fā)全球關(guān)注和研究。2017年，由中國(guó)CPS發(fā)展論壇編寫的《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》（以下簡(jiǎn)稱《白皮書》）發(fā)布，從而將CPS推向中國(guó)智能制造領(lǐng)域的前沿。

2 CPS在自動(dòng)化集裝箱碼頭的應(yīng)用

港口是交通運(yùn)輸行業(yè)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是陸路運(yùn)輸與水路運(yùn)輸?shù)你暯狱c(diǎn)。我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭無(wú)論在硬件方面還是在軟件方面均達(dá)到制造業(yè)的先進(jìn)水平[9]，已具備工業(yè)4.0智能制造的雛形。

2.1 以CPS分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)架構(gòu)搭建

按照CPS分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，智能制造系統(tǒng)架構(gòu)分為單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)（見圖1）：?jiǎn)卧?jí)由“硬件+軟件”組成;系統(tǒng)級(jí)由“硬件+軟件+網(wǎng)絡(luò)”組成;系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)由“硬件+軟件+網(wǎng)絡(luò)+平臺(tái)”組成。

自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)架構(gòu)層級(jí)完全符合CPS分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：具備自動(dòng)化作業(yè)能力的自動(dòng)導(dǎo)引車（auto-matic guided vehicle，AGV）等單機(jī)設(shè)備組成自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)架構(gòu)中的單元級(jí);單機(jī)設(shè)備與其控制系統(tǒng)組成自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)架構(gòu)中的系統(tǒng)級(jí);自動(dòng)化集裝箱碼頭的生產(chǎn)管理系統(tǒng)平臺(tái)統(tǒng)一調(diào)度并控制若干系統(tǒng)級(jí)，組成自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)架構(gòu)中的系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)（見圖2）。

2.1.1 自動(dòng)化集裝箱碼頭單元級(jí)

單元級(jí)是CPS中最小的單元。例如：就自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)中的AGV系統(tǒng)而言，AGV設(shè)備是硬件，AGV車輛管理系統(tǒng)（vehicle management system，VMS）是軟件，“硬件+軟件”組成最小的單元級(jí)。AGV系統(tǒng)還可以再細(xì)分為大車行走系統(tǒng)、頂升系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)等。這些再細(xì)分的系統(tǒng)雖然具有感知、分析、決策、執(zhí)行等功能，但不能獨(dú)立完成工作任務(wù)，因此不能稱之為單元級(jí)。AGV通過(guò)激光掃描感知周圍環(huán)境，分析自身與障礙物之間的距離、自身速度等數(shù)據(jù)，對(duì)路徑和速度作出決策，并通過(guò)加減速、轉(zhuǎn)向等執(zhí)行決策（見圖3）。

2.1.2 自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)級(jí)

系統(tǒng)級(jí)即在單元級(jí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)單元級(jí)及其他非單元級(jí)設(shè)備納入統(tǒng)一調(diào)度指揮，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。例如：在自動(dòng)化集裝箱碼頭水平運(yùn)輸系統(tǒng)中，VMS通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將所有AGV、AGV運(yùn)行區(qū)域、AGV運(yùn)行區(qū)域門禁、磁釘、AGV充電系統(tǒng)、AGV維修車間等納入統(tǒng)一管理（見圖4）。VMS通過(guò)AGV發(fā)回的位置和狀態(tài)信息，感知水平運(yùn)輸系統(tǒng)整體運(yùn)行情況，分析AGV的起始位置、目標(biāo)位置、運(yùn)行區(qū)域、鎖閉區(qū)域等信息，據(jù)此作出決策并下達(dá)各種作業(yè)指令;AGV通過(guò)執(zhí)行作業(yè)指令，為碼頭海側(cè)裝卸船作業(yè)提供水平運(yùn)輸服務(wù)。

2.1.3 自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)

系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)即通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)平臺(tái)，將多個(gè)系統(tǒng)級(jí)系統(tǒng)納入統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)級(jí)之間的信息共享和協(xié)同作業(yè)。例如：自動(dòng)化集裝箱碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)平臺(tái)將岸橋管理系統(tǒng)、VMS、堆場(chǎng)管理系統(tǒng)、閘口集疏運(yùn)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)級(jí)CPS納入統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)以最優(yōu)方式生產(chǎn)運(yùn)作，對(duì)外提供最高質(zhì)量服務(wù)。

2.2 CPS特征在自動(dòng)化集裝箱碼頭的體現(xiàn)

《白皮書》將CPS的本質(zhì)定義為：“構(gòu)建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過(guò)程中的復(fù)雜性和不確定性問(wèn)題，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化?！蓖ㄋ椎卣f(shuō)，CPS通過(guò)將物理設(shè)備聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)感知、分析、決策、執(zhí)行閉環(huán)流動(dòng)。感知、分析、決策、執(zhí)行閉環(huán)流動(dòng)在CPS的3個(gè)層級(jí)中均有清晰體現(xiàn)，自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)正是典型的CPS。

2.2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

傳統(tǒng)集裝箱碼頭依靠人工作業(yè)，而自動(dòng)化集裝箱碼頭依靠系統(tǒng)指令作業(yè)。系統(tǒng)指令是多項(xiàng)數(shù)據(jù)的集合，因此，自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)本質(zhì)上由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。多項(xiàng)數(shù)據(jù)有序組合形成指令，指令賦予數(shù)據(jù)價(jià)值并驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)指令至少具備指令號(hào)、箱號(hào)、原位置、計(jì)劃位置、執(zhí)行設(shè)備號(hào)、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等數(shù)據(jù)要素（見圖5）。

2.2.2 軟件定義

自動(dòng)化集裝箱碼頭設(shè)備的每個(gè)動(dòng)作以及流程的每個(gè)環(huán)節(jié)均在不同層級(jí)軟件的控制下完成，因此，軟件定義必須實(shí)現(xiàn)全覆蓋。自動(dòng)化設(shè)備啟動(dòng)、停車、加速、減速、轉(zhuǎn)向、起升、下降等動(dòng)作由單機(jī)自動(dòng)化控制軟件定義;業(yè)務(wù)流程每個(gè)環(huán)節(jié)的判斷、后續(xù)流向等由生產(chǎn)管理軟件定義。在自動(dòng)化集裝箱碼頭業(yè)務(wù)流程模式下，人將各種規(guī)則、制度通過(guò)軟件邏輯的形式定義到軟件中，設(shè)備通過(guò)執(zhí)行軟件指令實(shí)現(xiàn)人的意圖，從而實(shí)現(xiàn)人從臺(tái)前走向幕后。

2.2.3 泛在連接

網(wǎng)絡(luò)通信是CPS的基礎(chǔ)保障：設(shè)備、箱貨的狀態(tài)信息需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信傳送至不同層級(jí)的控制系統(tǒng)，不同層級(jí)的控制系統(tǒng)則需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信下達(dá)指令。自動(dòng)化集裝箱碼頭的網(wǎng)絡(luò)通信不僅僅局限于無(wú)線寬帶和光纖方式，還可通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別、光學(xué)字符識(shí)別、激光掃描、紅外線掃描等技術(shù)手段使設(shè)備全面感知物理世界的真實(shí)狀態(tài)并及時(shí)傳輸信息，從而確保決策的及時(shí)性。

2.2.4 虛實(shí)映射

自動(dòng)化集裝箱碼頭在狀態(tài)感知和泛在連接的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和箱貨狀態(tài)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地體現(xiàn)在系統(tǒng)中，系統(tǒng)指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)作用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和箱貨。例如：進(jìn)口集裝箱從卸船至出閘的活動(dòng)流可以細(xì)分為67個(gè)物理活動(dòng)，且每個(gè)物理活動(dòng)在不同層級(jí)的系統(tǒng)中均有體現(xiàn)（見圖6）。

2.2.5 異構(gòu)集成

CPS之系統(tǒng)級(jí)包括各種不同類型的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)，CPS集成同類型的硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)并實(shí)施統(tǒng)一管理，以實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。例如：青島港自動(dòng)化集裝箱碼頭通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)，不僅將83臺(tái)AGV、78臺(tái)自動(dòng)堆垛機(jī)、16臺(tái)軌道吊統(tǒng)一納入系統(tǒng)，而且將安防攝像頭、車輛擋桿、自動(dòng)化作業(yè)區(qū)域門禁、冷箱支架、照明高桿燈、海關(guān)機(jī)檢設(shè)備等所有與生產(chǎn)有關(guān)的設(shè)施設(shè)備統(tǒng)一納入系統(tǒng)。

3 工業(yè)4.0模式下自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)提升空間

自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)雖已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程自動(dòng)化，具備智能制造雛形，但其在狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行等方面尚處于低水平階段，各環(huán)節(jié)仍有很大提升空間。

3.1 信息和狀態(tài)感知方面

自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)通過(guò)各種感知器和數(shù)據(jù)接口感知生產(chǎn)、設(shè)備、箱貨等信息，但仍然存在信息感知不全的問(wèn)題。例如：未入閘外集卡、天氣等信息感知處于空白狀態(tài);進(jìn)出口集裝箱、未抵港船舶動(dòng)態(tài)等信息感知處于滯后狀態(tài);岸橋單機(jī)自動(dòng)化船型掃描、已入閘外集卡動(dòng)態(tài)等信息感知精度不夠。

3.2 實(shí)時(shí)分析方面

自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)時(shí)刻都在分析大量數(shù)據(jù)，但部分環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)分析對(duì)狀態(tài)變化反應(yīng)遲緩。例如：VMS依據(jù)當(dāng)前狀態(tài)規(guī)劃AGV路徑，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，VMS不會(huì)立即重新規(guī)劃路徑，AGV仍按原路徑行駛;直至AGV執(zhí)行命令失敗后，VMS才會(huì)重新規(guī)劃路徑。

3.3 自主決策方面

決策指依據(jù)軟件編程中設(shè)定的邏輯作出判斷。編程人員對(duì)碼頭工況理解不透徹會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)部分環(huán)節(jié)決策考慮因素過(guò)于簡(jiǎn)單，造成決策不夠完善。例如，堆場(chǎng)集裝箱堆碼層高（翻箱率影響因素之一）由盤存量決定：當(dāng)盤存量較少時(shí)，應(yīng)降低集裝箱堆碼層高;當(dāng)盤存量較多時(shí)，應(yīng)提高集裝箱堆碼層高。目前，自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)中的集裝箱堆碼層高仍須人工調(diào)整，具有滯后性。

3.4 精準(zhǔn)執(zhí)行方面

自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)采用軟件控制作業(yè)流程和自動(dòng)化設(shè)備執(zhí)行作業(yè)指令，從而使碼頭作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化及作業(yè)指令執(zhí)行精準(zhǔn)度大幅提高;但單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)三級(jí)指令執(zhí)行精度仍有一定提升空間，需要通過(guò)優(yōu)化狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策等前置環(huán)節(jié)來(lái)提升。

4 工業(yè)4.0模式下自動(dòng)化集裝箱碼頭發(fā)展方向

4.1 萬(wàn)物互聯(lián)，全面感知

充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)技術(shù)，拓寬系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)和全面感知：通過(guò)接入船公司系統(tǒng)，可感知船舶信息;通過(guò)接入進(jìn)出口企業(yè)系統(tǒng)，可感知箱貨信息。隨著政府資源的整合及行政壁壘的破除，碼頭業(yè)務(wù)和服務(wù)范圍不斷拓寬，從而使上下游環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)形成更大的系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)，進(jìn)而使自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)由系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)降級(jí)為系統(tǒng)級(jí)。單元級(jí)是不可分割的基礎(chǔ)單元，其界限是固定的;而系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)則可以無(wú)限拓展延伸。

4.2 延伸業(yè)務(wù)流程，拓寬服務(wù)范圍

沿著物流鏈拓寬自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)的涵蓋范圍，將碼頭上下游產(chǎn)業(yè)納入服務(wù)范圍內(nèi)。依托新的系統(tǒng)之系統(tǒng)級(jí)，碼頭業(yè)務(wù)將不再局限于裝卸作業(yè)，碼頭服務(wù)范圍也不再局限于港區(qū)內(nèi)。隨著物流鏈的延伸，碼頭服務(wù)范圍可以逐漸覆蓋原材料運(yùn)輸、工廠制造、物流、銷售、消費(fèi)終端全產(chǎn)業(yè)鏈，并由碼頭主業(yè)拓展至倉(cāng)儲(chǔ)、保稅、銷售、期貨、金融等碼頭關(guān)聯(lián)行業(yè)。

4.3 虛實(shí)結(jié)合，互促互升

在仿真基礎(chǔ)上，形成數(shù)字化港口生產(chǎn)模型，并通過(guò)感知將港口實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)映射到模型中。在模型中提前預(yù)演生產(chǎn)計(jì)劃，并根據(jù)預(yù)演結(jié)果調(diào)整相關(guān)參數(shù)和配置，選擇最佳作業(yè)方式。已完成的作業(yè)可以在模型中復(fù)盤，通過(guò)復(fù)盤查找問(wèn)題和優(yōu)化點(diǎn)，并通過(guò)模型檢驗(yàn)優(yōu)化后的作業(yè)是否達(dá)到預(yù)期效果。在生產(chǎn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化數(shù)字模型，使數(shù)字模型逐漸具備鏡像功能，從而能實(shí)時(shí)、真實(shí)地反饋碼頭作業(yè)情況。

4.4 工業(yè)4.0指導(dǎo)碼頭精細(xì)化生產(chǎn)

件雜貨裝卸形式向集裝箱裝卸形式轉(zhuǎn)型的實(shí)質(zhì)是人工調(diào)度模式向系統(tǒng)調(diào)度模式的轉(zhuǎn)型。在集裝箱裝卸形式出現(xiàn)初期，人工調(diào)度的單日最大作業(yè)量只有200～300自然箱，且作業(yè)過(guò)程混亂不堪，根本無(wú)法滿足作業(yè)效率、裝箱到位率、船舶穩(wěn)性、船舶負(fù)荷、危險(xiǎn)品隔離等要求。碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了集裝箱船舶作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)化，使得碼頭可以輕松應(yīng)對(duì)大型集裝箱船舶作業(yè);不過(guò)，碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)在集裝箱碼頭生產(chǎn)調(diào)度方面仍然停留在點(diǎn)到點(diǎn)的層面，無(wú)法掌握碼頭生產(chǎn)中間過(guò)程。工業(yè)4.0模式下的自動(dòng)化集裝箱碼頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碼頭作業(yè)全過(guò)程管理，能夠掌握設(shè)備、貨物、人員等生產(chǎn)資料的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，從而使精益生產(chǎn)成為可能。[10]

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）工業(yè)4.0的核心理論CPS可以指導(dǎo)包括自動(dòng)化集裝箱碼頭形式在內(nèi)的我國(guó)港口建設(shè)和升級(jí)，從頂層設(shè)計(jì)上構(gòu)建信息物理體系，避免彎路和曲折。

（2）工業(yè)4.0不僅是技術(shù)革命，更是思維方式的革命，倡導(dǎo)運(yùn)用系統(tǒng)的思維和技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題比單純采用新技術(shù)更有價(jià)值。我國(guó)正在推進(jìn)港口資源整合，以避免港口行業(yè)無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)和低質(zhì)重復(fù)建設(shè)。資源優(yōu)化配置僅靠行政手段是不夠的，只有在先進(jìn)理論的指導(dǎo)下，我國(guó)港口才能更快實(shí)現(xiàn)由大變強(qiáng)。

（3）在工業(yè)4.0發(fā)展的背景下，我國(guó)港口企業(yè)不應(yīng)被動(dòng)地坐享工業(yè)4.0成果，而應(yīng)積極開展理論研究和技術(shù)研發(fā)，推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。港口企業(yè)應(yīng)當(dāng)加大科技投入，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，形成產(chǎn)學(xué)研互相作用、互相促進(jìn)的螺旋上升良性態(tài)勢(shì)。

（4）我國(guó)港口體量已躍居全球第一，我國(guó)港口在全球集裝箱吞吐量前十名港口中占據(jù)7席。在“一帶一路”合作發(fā)展的背景下，我國(guó)港口行業(yè)在輸出資本、設(shè)備的同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)與“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)港口行業(yè)在技術(shù)、管理、理論上的合作。

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（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-08-24）