國際港口發(fā)展趨勢與智慧港口建設(shè)

孫博文 江蘇省交通運(yùn)輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心

1.國內(nèi)外港口智能機(jī)械的發(fā)展趨勢

當(dāng)前，港口主要以人工的形式為主開展裝卸工作，傳統(tǒng)的操作模式能否取得好的工作效果取決于操作者的熟練程度。部分碼頭采用半自動化的裝卸設(shè)備，按照人工參數(shù)設(shè)置，很大程度上提升了作業(yè)的效率和工作的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際的作業(yè)效果來看，相較于人工作業(yè)，自動化裝備的效率得到了很大的提升，還能夠減少很多勞動力的使用；相比于人工裝卸，機(jī)械的裝卸作業(yè)也不會有很大安全隱患。所以當(dāng)前國外很多國家都已經(jīng)實(shí)行自動化裝卸，比如墨西哥、德國、日本等，已經(jīng)成熟地運(yùn)用自動化裝卸系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，港口的發(fā)展模式也發(fā)生巨大的變化，港口逐漸從人工步入半自動并開始向自動化的方向不斷創(chuàng)新發(fā)展，技術(shù)也在不斷地更新。

2.港口綜合管理系統(tǒng)

我國港口當(dāng)前已經(jīng)呈現(xiàn)出系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化的發(fā)展?fàn)顩r，港口發(fā)展離不開信息化的發(fā)展，對港口的信息化程度要求更高，信息化儼然成為港口企業(yè)提高核心競爭力和生產(chǎn)效益的最有效手段。

2.1 綜合統(tǒng)計(jì)管理系統(tǒng)功能分析

綜合統(tǒng)計(jì)管理系統(tǒng)的主要功能是整合企業(yè)內(nèi)部的各個報表，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部之間的信息共享。涉及的信息數(shù)據(jù)主要有投資數(shù)據(jù)、財務(wù)數(shù)據(jù)、貨運(yùn)數(shù)據(jù)、港口出入量數(shù)據(jù)等，按照功能來分，可以劃分為系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、行業(yè)資訊分享等，這些內(nèi)容均是統(tǒng)計(jì)管理系統(tǒng)下的子單元，在已整合數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分享和傳播，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。這些基本數(shù)據(jù)和基本結(jié)構(gòu)組成了整個統(tǒng)計(jì)管理系統(tǒng)。

2.2 港口企業(yè)的統(tǒng)計(jì)管理系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）港口綜合統(tǒng)計(jì)管理系統(tǒng)促進(jìn)了企業(yè)內(nèi)部的信息化建設(shè)。構(gòu)建統(tǒng)計(jì)信息系統(tǒng)不僅能夠加速企業(yè)內(nèi)部的信息化建設(shè)，還能夠促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部信息的整合。構(gòu)建統(tǒng)計(jì)信息管理網(wǎng)絡(luò)能夠加快信息統(tǒng)計(jì)的速度，還能夠加快企業(yè)內(nèi)部信息化的發(fā)展進(jìn)程。

（2）促進(jìn)信息共享。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以更好地傳播數(shù)據(jù)，促進(jìn)企業(yè)之間的信息交流與管理，信息共享的另一個優(yōu)點(diǎn)就是能夠充分地利用數(shù)據(jù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)在運(yùn)營當(dāng)中的作用，促進(jìn)企業(yè)之間的交流。

（3）促進(jìn)企業(yè)建立信息共享平臺。主要目的是便于企業(yè)內(nèi)部之間的信息共享，促進(jìn)企業(yè)建立一個信息共享的平臺，各個部門之間可以通過平臺了解企業(yè)的數(shù)據(jù)情況，企業(yè)也可以通過平臺更加便捷地了解各個企業(yè)運(yùn)營的數(shù)據(jù)情況，便于企業(yè)管理。

3.集裝箱碼頭的作業(yè)流程

3.1 裝卸工藝概述

港口裝卸工藝是指在港口將貨物轉(zhuǎn)換空間位置的一種方式，選取合適的設(shè)備以及選定位置，將貨物從一個位置轉(zhuǎn)換到另一個位置的操作。裝卸工作在企業(yè)的運(yùn)營過程當(dāng)中直接影響整個工作的進(jìn)程和運(yùn)行效率，將貨物轉(zhuǎn)移位置，不會造成貨物的消耗，但是會磨損工具，還會造成燃料的損耗。裝卸的過程還會產(chǎn)生裝卸的成本，以及設(shè)備的維修成本、工作勞動成本、安全隱患、燃料損耗成本等；裝卸工藝的進(jìn)程標(biāo)志著港口生產(chǎn)現(xiàn)代化的進(jìn)程，所以具備合理完善的裝卸工藝不僅能夠促進(jìn)港口的生產(chǎn)效率，還能夠減少勞動的支出成本，減少集裝箱的損耗、避免作業(yè)的不安全隱患，作業(yè)更具穩(wěn)定性，極大地促進(jìn)港口工作現(xiàn)代化的進(jìn)程。

3.2 自動化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)工藝

自動化集裝箱碼頭堆場與外集卡之間的集疏運(yùn)裝卸工藝，按照對外集卡的作業(yè)需求主要可分為倒車式裝卸和順靠式裝卸兩種工藝形式。

其一，倒車式裝卸工藝。為避免倒車作業(yè)干擾行車道上正常行駛的車流，在自動化堆場的陸側(cè)末端布置有倒車裝卸區(qū)，在外集卡倒車后，集裝箱自然形成堆場集裝箱擺放方向。其工藝流程為：外集卡行駛到目標(biāo)箱區(qū)范圍后，倒車進(jìn)入交接區(qū)內(nèi)停車位進(jìn)行裝卸作業(yè)，交接裝卸完成后，卡車駛?cè)胄熊嚨离x開。由于堆場陸側(cè)設(shè)置了專門的集卡倒車區(qū)，減小了裝卸作業(yè)車輛對行車道車流的影響，提高了集疏運(yùn)道路的通行質(zhì)量，但同時也占用了大量的碼頭土地資源，減少了碼頭可利用堆存空間。

其二，順靠式裝卸工藝。行車道中緊鄰堆場陸側(cè)的一條車道為交接裝卸道，其工藝流程為：外集卡接近目標(biāo)箱區(qū)時，變向行駛到目標(biāo)箱區(qū)交接裝卸道進(jìn)行裝卸作業(yè)，交接裝卸完成后，集卡駛?cè)胪鈧?cè)行車道離開。由于集裝箱的位置方向與堆場堆放方向不一致，需要采用特殊的堆場作業(yè)機(jī)械將集裝箱旋轉(zhuǎn)90度才能進(jìn)入堆場。此外，順靠式工藝常采用堆場軌道小車配合軌道吊作業(yè)。順靠式裝卸工藝取消了外集卡的倒車作業(yè)，可有效縮短外集卡在堆場內(nèi)滯留時間。但由于交接裝卸道緊鄰行車道，集卡駛?cè)腭偝鲂熊嚨罆r需要減速、加速、變道和修正車頭方向，極易對行車道車流產(chǎn)生影響；且若堆場垂直箱區(qū)寬度過窄，還會影響相鄰子箱區(qū)的集疏運(yùn)卡車進(jìn)出裝卸道。

例如，圖1是鹿特丹港自動化集裝箱碼頭平面布局圖，基本工作流程為：雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)←→自動導(dǎo)引小車←→龍門起重機(jī)結(jié)合岸邊集裝箱起重機(jī)←→導(dǎo)引小車←→龍門起重機(jī)雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)←→自動導(dǎo)引小車（AGV）←→穿越式自動化軌道龍門起重機(jī)。在碼頭的前面是采取雙小車的集裝箱形式，能夠極大地提升裝卸的效率，裝卸的設(shè)備選用的是起重機(jī)，剛開始是采用導(dǎo)引小車進(jìn)行運(yùn)送，進(jìn)入堆場之后，采用起重機(jī)進(jìn)行堆取。

圖1 雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)與AGV、ARMG裝卸工藝系統(tǒng)

4.揚(yáng)塵污染的自動警報和處理

揚(yáng)塵的主要污染物是PM2.5、PM10以及TSP，可以借助我國當(dāng)前的環(huán)境檢測數(shù)據(jù)，檢測港口施工的污染系數(shù)即每分鐘的PM2.5、PM10以及TSP的數(shù)據(jù)，還需要考慮到港口的污染系數(shù)是和空氣本身的數(shù)據(jù)疊加而成的，可以將數(shù)據(jù)的最大值作為揚(yáng)塵的風(fēng)險預(yù)警參考數(shù)據(jù)。

4.1 預(yù)警的等級劃分

將空氣質(zhì)量參數(shù)作為背景，將相對值與背景值進(jìn)行比較，可以分為三級預(yù)警級別：一級預(yù)警是百分之二十五，二級預(yù)警是一級預(yù)警的兩倍，三級預(yù)警是百分之百。

4.2 觸發(fā)預(yù)警

對上述參數(shù)的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行分析，預(yù)警、出現(xiàn)一項(xiàng)參數(shù)超標(biāo)的情況就會自動產(chǎn)生警報，需采取措施進(jìn)行降塵處理?；谝陨系念A(yù)警分析，上海市的研究員開發(fā)了揚(yáng)塵預(yù)警系統(tǒng)，可以監(jiān)控?fù)P塵的實(shí)時數(shù)據(jù)，并根據(jù)氣象局的檢測數(shù)據(jù)計(jì)算出比例，能夠有效地預(yù)算到預(yù)警的級別，對當(dāng)前的揚(yáng)塵級別進(jìn)行定義，顯示正?；蛘叱瑯?biāo)。

5.碼頭堆場的智能燈光控制

5.1 智能控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和硬件組成

智能系統(tǒng)主要是由三個系統(tǒng)組成，一個是主控系統(tǒng)，一個是分控單元以及其他的通訊網(wǎng)絡(luò)。主控單元的功能就是收集分控單元傳送的各種數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理和匯總，并根據(jù)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行擬定可實(shí)行的燈光方案，并將照明方案再一個個的分發(fā)給各個分單元，主控單元還能夠自動的生成報表、自動檢修、報警等功能。

通訊網(wǎng)絡(luò)的作用就是負(fù)責(zé)主控單元與子單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，通訊網(wǎng)絡(luò)可以選用光纖通訊，光纖通訊具有傳輸遠(yuǎn)、傳輸過程穩(wěn)定的特點(diǎn)，在應(yīng)用的時候，能夠保持信號穩(wěn)定，但是針對項(xiàng)目改造，可以采用電力載波通訊，主要是將現(xiàn)有的線路進(jìn)行改造即可，避免產(chǎn)生大量的成本。

5.2 智能控制系統(tǒng)邏輯控制

智能控制燈光的邏輯控制主要功能有七個，分別為，自動控制、區(qū)域照明、亮度補(bǔ)償以及數(shù)據(jù)分析，還附帶檢修與預(yù)警功能，故障自診功能，由主控單元和子單元共同實(shí)現(xiàn)功能，這些功能模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享還能夠控制子單位的燈具。

（1）自動控制模塊：主要運(yùn)用的是光線傳感器的技術(shù)，通過邏輯控制，能夠根據(jù)不同地域的特點(diǎn)和時間變化、天氣情況等實(shí)現(xiàn)自動化的開關(guān)控制功能，還能夠自動的進(jìn)行時間校對等工作。

（2）區(qū)域照明模塊：主控制單元里面設(shè)置有碼頭的地圖，能夠根據(jù)作業(yè)的區(qū)域和亮度需求進(jìn)行模擬出最合適的燈光組合方案，這種組合照明的設(shè)置，不僅能夠滿足作業(yè)過程當(dāng)中的燈光需求還能夠有效的避免能源的浪費(fèi)，還能夠進(jìn)行自動的GPS定位，隨著動態(tài)作業(yè)的變化進(jìn)行調(diào)整燈光方案。

（3）照度補(bǔ)償模塊：電網(wǎng)一般在下半夜用電的時候，會電壓升高，長期下來會造成燈光能源的浪費(fèi)，燈光補(bǔ)償模塊能夠根據(jù)電壓的情況自動的關(guān)閉一些用不到的燈具，減少能源的浪費(fèi)，電壓如果恢復(fù)正常情況，燈光控制又能夠恢復(fù)到正常的狀態(tài)，滿足作業(yè)的需求。系統(tǒng)能夠自動的檢查到燈具的損壞，能夠控制相鄰的燈具進(jìn)行補(bǔ)償燈光效果，這不僅能夠避免燈光因?yàn)閾p壞導(dǎo)致電路短路等情況。

6.碼頭控制中心對前來靠泊的船舶的調(diào)度安排

船舶計(jì)劃員需要根據(jù)船舶的信息以及更新的資料，制定近期作業(yè)計(jì)劃表，表中包括了船舶的船名/航次、船舶的長度（根據(jù)船舶長度合理安排在泊位上?？康奈恢茫⑦M(jìn)出口箱量（根據(jù)作業(yè)箱量預(yù)估作業(yè)時間）、靠離泊的時間。確定近期作業(yè)計(jì)劃表后，開始繪制晝夜泊位分配圖。通常，泊位分配圖每天只制作一次，在中午12點(diǎn)之前完成，并傳給集裝箱碼頭各個組織部門。最后，碼頭工作人員要實(shí)時監(jiān)控船舶實(shí)際靠泊以及卸船作業(yè)，控制作業(yè)進(jìn)度.

6.1 泊位分配作業(yè)流程（見圖2）

圖2 制定泊位工作流程

總的來說，船舶的在港時間由船舶到港后的等待時間和裝卸作業(yè)的時間這兩部分組成。通常，船舶計(jì)劃員根據(jù)泊位子系統(tǒng)中已錄入的待服務(wù)船舶信息以及當(dāng)前碼頭工作狀態(tài)來制定泊位計(jì)劃，給船舶分配泊位。

6.2 泊位分配問題的算法流程（見圖3）

圖3 分配問題的算法流程圖

6.3 泊位計(jì)劃管理

（1）泊位示意圖。傳統(tǒng)的泊位分配圖(BerthingAllocationMap，簡稱BAMAP)是泊位計(jì)劃的核心內(nèi)容。它將計(jì)劃周期內(nèi)的船舶信息、預(yù)計(jì)到達(dá)時間、計(jì)劃靠泊時間和位置、預(yù)計(jì)離泊時間、裝卸量等信息都集中映射在一張圖紙上。泊位智能調(diào)度系統(tǒng)則是要將這些信息顯示在一個界面上，并能夠放大、縮小界面。由于泊位分配方案是一個0-1二維背包問題，所以泊位示意圖的底圖可以用一個二維平面圖來表示，縱軸用來顯示時間為時間軸，橫軸用來顯示米位為岸線軸。如有正在維修的泊位，要在泊位示意圖中標(biāo)注出來。

（2）泊位預(yù)計(jì)劃。將從船公司或代理在船舶靠泊前接收的信息（包含船舶信息、預(yù)計(jì)靠離泊信息、預(yù)計(jì)抵達(dá)碼頭所在錨地的時間、進(jìn)出箱量等），以表格的形式輸入到系統(tǒng)中，并能進(jìn)行修改、刪除等操作。系統(tǒng)再根據(jù)表格，運(yùn)用智能算法來算出相對最優(yōu)的船舶靠泊位置和靠離時間，并將船舶泊位預(yù)計(jì)劃顯示在泊位示意圖上，船舶與船舶之間不能重疊。在算法設(shè)計(jì)上，要考慮以下幾個原則：第一，既要充分利用也要合理安排泊位資源；第二，船舶的服務(wù)優(yōu)先級，本系統(tǒng)采取的是先到先服務(wù)的原則；第三，目的是縮短船舶在港作業(yè)時間。

（3）設(shè)備分配。為了方便碼頭工作人員能直觀地觀察岸橋設(shè)備情況，需要在界面上顯示岸橋編號、正在空閑的岸橋設(shè)備、正在工作的岸橋設(shè)備以及其工作在哪個船舶上。同時，本系統(tǒng)在泊位分配方案的基礎(chǔ)上再對岸橋進(jìn)行分配，運(yùn)用算法對岸橋分配問題進(jìn)行二次求解，在計(jì)算前要預(yù)先設(shè)定好每個岸橋的作業(yè)效率。如遇到不確定事件發(fā)生，如設(shè)備發(fā)生損壞，則允許在系統(tǒng)中對岸橋設(shè)備圖標(biāo)進(jìn)行拖拽，調(diào)整作業(yè)順序，但要保證岸橋之間不能交叉跨越移動，并且以岸橋移動距離最短為目標(biāo)來調(diào)整。