太仓港四期智慧港口建设

佘中健

太仓港四期指挥部 江苏 太仓市 215434，

摘要：港口是交通运输重要枢纽和现代物流体系的重要节点。为加快转变港口发展方式，促进我国港口转变升级，打造港口智慧化建设势在必行。而智慧港口建设，更需要标准先行。本文针对太仓港四期智慧港口建设过程中采取的措施和应用的技术方案，对智慧港口建设标准化提供宝贵经验。

关键词：智慧港口  自动化轨道吊 远控岸桥 无人驾驶集卡

1 太仓港四期建设概况

项目建设4个5万吨级集装箱泊位（水工结构按10万吨级设计）及相应的配套设施，泊位总长度1292米，年设计吞吐量为200万标箱。港区总用地面积约120.6万平方米，项目概算总投资约40.2693亿元，工程建设期3年。

太仓港区四期工程为栈桥式码头，码头前沿采用远控岸桥作业并在原有光纤通讯的基础上，尝试使用5G通讯技术实现远程控制岸桥作业。堆场平行码头前沿布置，采用双悬臂自动化轨道吊，海侧内集卡全自动，陆侧外集卡半自动的模式。水平运输与堆场的作业交接前期采用有人集卡作业并进行无人集卡试验，对无人集卡技术进行研究探索，后期将有人集卡全部替换成无人集卡进行作业，实现真正意义上的集装箱的水平搬运无人化。太仓四期自动化项目在现有自动化轨道吊技术的基础上，重点解决提高RFID识别率、集卡引导、防打保龄、集卡防吊起、轨道吊作业路径优化（抛物线作业）、轨道吊过街安全等方面研究，提高作业效率和作业安全，进一步完善和提升自动化轨道吊相关技术，形成自动化轨道吊的成套关键技术。结合太仓港的生产实际和码头运营管理需求，对堆场自动化集装箱码头的TOS系统进行研发，TOS系统能实现作业计划的自动生成、自动的任务分配及智能调度、建立与自动化控制系统的接口，实现对自动化设备的任务控制，通过专业的优化算法，实现高效率的自动化设备作业调度，在信息交换方面：码头与船公司、船代、货主、货代、海关、检验部门、理货公司达到数据共享。在智慧港口建设方面我们将建设智能闸口系统、智能理货系统、智能照明系统、 生产作业气象监控系统、建立在5G专网基础上的无线集群通信系统、视频监控系统及安全防护系统，全面提升码头的装卸效率和智能化水平。

2 太仓港四期智慧港口建设内容

智慧港口建设是借助于物联网、传感网、云计算、决策分析优化等智慧技术手段进行透彻感知、广泛连接、深度计算港口供应链各核心的关键信息，实现港口供应链上各种资源和各个参与方之间无缝连接与协调联动，从而对港口管理运作做出智慧响应，形成信息化、智能化、最优化的现代港口。

根据太仓港四期集装箱码头运营管理需要，结合信息化建设的一体化要求，整个码头主要包括以下建设内容：

Ø  装卸设备：自动化轨道吊、远控岸桥、电动集卡（包括无人集卡）、正面吊、堆高机等。

Ø  应用系统：集装箱码头生产系统（TOS）、自动化堆场作业调度系统、智能闸口系统、岸边智能理货系统、冷藏箱监控系统、集卡智能调度系统等、大型设备远程监控系统、财务管理系统、安全管理系统、人力资源管理系统。

Ø  自动控制系统：主要包括岸桥远控操作系统、轨道吊设备控制系统、堆场辅助控制系统、中央控制室系统、智能照明控制系统等。

Ø  通信系统：A、基础设施：机房设施（主要包含服务器、网络、信息安全、机房环境、机房管理等设施）、信息通信设施（主要包括信息接入系统、布线系统、5G无线网络系统等）、建筑设备管理设施（主要包括建筑设备监控系统、建筑能效监管系统）、公共安全设施（主要包括火灾自动报警系统、视频监控系统、出入口门禁控制系统、电子巡查系统等）。B、信息服务设施：主要包括无线对讲系统、电话系统、多媒体应用支撑相关设施。

Ø  能源管理系统：包括智慧能源管理以及绿色能源应用等。

3 太仓港四期智慧码头建设措施

智慧港口建设是借助于物联网、传感网、云计算、决策分析优化等智慧技术手段进行透彻感知、广泛连接、深度计算港口供应链各核心的关键信息，实现港口供应链上各种资源和各个参与方之间无缝连接与协调联动，从而对港口管理运作做出智慧响应，形成信息化、智能化、最优化的现代港口。因此太仓港四期项目的建设应该具备强有力的组织保障以及技术保障。

3.1 建立专业的核心管理团队

根据在项目执行中的不同分管方向和角色，除了传统的土建、设施的专业人员外，还要配置以下管理团队，协调各参与单位，把控项目进度，使项目有序、按计划推进：

v  生产调度团队：包括有船舶和场地计划人员，岸边和场内设备调度人员，码头拖车调度管理人员，闸口管理人员，能够从不同的业务角度针对自动化提出需求，参与TOS流程测试，并结合码头的生产实际追踪项目实施过程中出现的生产调度方面的问题。

v  设备管理团队：包括岸边和场内设备的管理人员，熟悉设备的控制系统以及设备与生产调度的交互，能够从设备的生产使用和维护角度针对自动化提出需求，并追踪和评估设备的实际运行状况和工作能力，提出改进方案。

v  网络IT团队：包括网络和服务器管理和软件及数据库管理方面的人员，熟悉网络框架和TOS软件及数据库的应用，也应参与TOS的流程测试以及实际网络环境测试，能够从码头所有网络资源配比以及后期维护的角度针对自动化提出需求，提出改进方案。

v  现场安全管理团队：具备码头安全管理知识和丰富现场经验的管理人员，能够根据码头安全管理以及国家安全生产法规的要求对自动化提出要求，参与TOS的流程测试，识别生产流程中各系统交互过程可能产生的安全隐患，并追踪和评估自动化系统运行过程中，司机操作，自动化设备运行，水平运输交互过程中发现的问题和隐患，并提出改进方案。

除配备上述的项目管理团队外，在项目前期的工艺论证以及项目执行期都需要有一名对码头工艺及操作非常熟悉的项目经理，能够将TOS与设备控制综合联系起来，对异常情况以及流程分析提供指导，并由他来主导TOS和自动化接口以及流程工艺的确定。

3.2 建设智慧港口的技术保障

我们对设备自动控制系统、TOS系统开发等方面进行了全方位考察和研究，最终选择一种成熟可靠的方案作为太仓四期智慧港口建设的技术保障，并在此基础上进行创新升级。

v  自动化轨道吊

太仓四期码头自动化轨道吊采用内集卡全自动、外集卡半自动模式，作业效率不低于30MOV/h,实现“一对多”或“多对多”远程操作，操控比不低于1:6，采用了目前最成熟的自动化控制技术，确保设备安全可靠的生产作业。

(1) 主机构定位技术

主机构定位包括起升、小车和大车这三大机构的精确定位，比较成熟的方案是在各机构的电机或减速箱或者车轮上安装高精度绝对值编码器，每个机构都采用双编码器，小车还采用了沿小车轨道敷设的磁尺线性编码器，大车采用了FLAG板加绝对值编码器的方案（大车没有采用磁钉的方式是在于施工以及后期维护相对麻烦），由于各机构都采用了安全型高精度双编码器，该定位方案成熟可靠。

(2) 负载定位技术

负载定位技术指吊具的精确定位，相对于小车和大车方向的偏移位置测量及吊具旋转角度测量。目前主流方案由安装于小车架上的红外相机和吊具上架的3个红外光源组成，红外相机实时检测3个光源的相对于小车架的偏移位置和旋转角度，以测量整个吊具的位置。该方案精度高，通讯稳定，测量结果不易受外部环境影响，是多年使用的成熟方案。

(3) 目标定位技术

对箱区作业箱位的轮廓扫描和作业车道集卡的拖板及拖板上的集装箱做精确扫描和测量。方案是在小车架前后各安装一个3D激光扫描仪，激光向下扫描目标物体如集装箱和集卡的轮廓，它可以在小车行进过程中就对目标位置进行扫描和测量，实现小车方向的路径优化及防打保龄功能。采用3D激光扫描仪相对于2D激光扫描仪加云台的方案上精度高，响应快，大大缩短了对箱时间，提高了装卸效率。

(4) 集卡引导技术

引导作业车道的集卡准确停车，避免人工对箱环节，提高作业效率。太仓四期项目为双悬臂轨道吊，作业车道紧邻大车鞍梁，中间没有障碍物，集卡引导技术可以采用成熟的CPS方案，在大车两侧鞍梁上各安装一套2D激光扫描仪，扫描集卡，以引导集卡停到准确位置。引导结果通过集卡交通指示牌，以箭头和数字方式，指导司机准确停车。目前，该方案正在进一步开发，在引导结束后，吊具下降着箱过程中，检测集卡是否一直处于静止状态，以确保系统能实时检测出着箱过程中集卡的移动，避免前后箱磕碰或砸集卡车头，大大提高了安全性。

(5) 集卡防吊技术

为了保证自动化轨道吊从集卡上抓箱时的安全，我们应用了集卡防吊起技术，在大车门腿中部位置安装摄像机，实时检测拖车和集装箱之间的状态，自动检测集卡收箱过程中，由于集卡拖板车与集装箱之间的锁头为解开，避免在吊具起升过程中卡车也被吊起这一安全事故的发生。

(6) 集卡识别技术

轨道吊在对集卡作业之前，需要识别和确认作业集卡的车号或者特征号，以对比TOS发来的指令，目前市场上比较成熟的方案是在堆场闸口和自动化轨道吊上安装RFID检测设备，当集卡进入堆场闸口处识别一次集卡用以触发任务指令，轨道吊自动执行任务，停到指定位置等待集卡，集卡来到相应任务位置后，轨道吊上的RFID检测设备进行第二次识别，自动核对轨道吊所吊取的集装箱是否与集卡信息匹配，如果信息匹配，自动化作业流程继续，如果不匹配，作业终止，进入异常处理流程。

(7) 吊具微动功能

吊具微动功能是通过四个变频器推动的电动推杆电机，同时在推杆上增加绝对值编码器反馈推杆实际位置信息，从而快速精准的调整吊具姿态，尽可能的缩短吊具对箱时间。

(8) 终端显示系统

在远程操作中心安装一套终端显示屏，提供集装箱码头的全景支持，包括对岸桥、堆场ARMG和集卡的监控，三维堆场地图，状态报警显示，水平运输信息，生产报告等，通过一个集中化的显示，可以方便的给码头操作人员和维护人员一个全面的的了解和掌握。

v  远控岸桥

太仓四期码头岸桥采用远程控制方式进行装卸作业，平均作业效率每小时不低于25个循环，并在原有的光纤通讯的基础上，尝试使用5G通讯技术替换光纤通讯，利用5G无线传输技术的低延时，高带宽，大容量等特点实现远程控制岸桥作业。

(1)    船型扫描系统

船型扫描系统是在小车架上安装三个2D扫描仪同时扫描，数据之间相互矫正，减少单个扫描系统的数据误差，同时数据集合形成3维船型轮廓数据，实现小车方向的路径优化及防打保龄功能，此方案的优点在于其中一个扫描仪故障时，另外的也可以满足自动化系统的作业任务。

(2)    电子防摇防扭系统

安装在小车架上的两个角度传感器实时监测吊具角度变化，通过控制小车动作，使吊具保持在允许的垂直范围内，另外角度传感器还可以监测吊具扭转角度，通过控制带有绝对值编码器的倾转油缸，最终实现吊具姿态控制，大大提高作业效率。

(3)    集卡引导技术（目标定位技术）

采用3D激光扫描仪集卡轮廓计算出集卡停车位置，LED显示屏指引集卡正确停车，还可以通过此激光扫描仪计算出集卡或者集装箱相对于小车方向、大车方向及扭转角度偏差数据，实现陆侧一键着箱的功能，减少司机工作强度，提高作业效率。

v  无人驾驶集卡

国内码头九成采用有人驾驶集卡，港内集卡司机已出现“青黄不接”的招聘难题，司机人力成本居高不下和码头安全管控等问题。而国内外现有自动化码头基本都采用的自动导引车AGV（Automated Guided Vehicle）水平运输，在地面埋设磁钉，必须在新建码头建设，技术难度巨大且施工成本昂贵；运行路线固定，维护性很差，路径更改需挖掘地面，在单机和整体装卸效率方面尚难达到人工码头的水平等。因此，大量的传统码头运营商盼望，在港口行业能出现一种更智能更低成本的水平运输技术解决方案，来提质、降本、增效。为解决这一痛点，太仓港四期工程对无人集卡技术进行研究探索，实现真正意义上的集装箱的水平搬运无人驾驶。

v  信息化建设

(1) TOS系统

作为太仓港四期码头信息化系统大脑以及中枢系统，涵盖了码头装卸船作业、收提箱作业、CFS作业、智能堆场管理、商务费收、互联网服务、决策分析等领域，实现码头管理信息化。

自动化码头有序高效运作，不仅要有先进设备，还需与智能软件TOS配合。TOS系统覆盖码头全部业务环节，衔接业务受理，集卡预约、数据分析、统一调度等信息平台，提供智能的生产计划模块、实时作业调度系统及自动监控调整的过程控制；通过设备调度模块与协同过程控制系统，高效组织现场生产。TOS流程的优化尽量提高自动化轨道吊的作业率和堆场利用率，以提高堆场通行能力，TOS系统对异常作业情况的处理及灵活应对机制，将有效提高生产效率。

(2) 智能理货系统

智能理货系统可以实现岸桥作业过程中系统在无需人员干预的情况下自动采集集装箱的装卸状态、集装箱前后左右面的图像、车牌图像、贝位相应图像及视频信息，并且由系统自动实现集装箱号码、ISO号码、车牌号码、前后箱门位置方向信息，同时保留扩展铅封有/无自动识别、贝位自动识别的扩展数据接口，同时将识别信息和图像视频信息传输到后台的服务器，工作人员通过后台的信息管理程序完成集装箱破损检测、铅封有/无识别、贝位识别及数据校正工作，结合码头生产系统来完成一次理货作业。

(3) 智能闸口系统

电子闸口项目建设通过整合码头的单证流、物流、通关资源，利用先进的现代科技手段，打造一个科学、高效的、可实际运作的电子化服务平台，实现进出码头的货物无纸化放行，以及实现码头的无人值守。

(4) 智能照明系统

太仓港四期智能照明系统采用最新的物联网技术，该系统能够根据TOS系统作业指令自动控制灯具亮度，从而节约电能，另外能够自动监测故障灯具，减少巡检人员的工作负荷，提高检修效率，降低了维护成本，进一步提高经济效益。

(5) 冷藏箱远程监控系统

为了提高港区自动化管理水平，实施信息化管理、减轻劳动强度、降低管理成本，本工程为堆场冷藏集装箱建立一套冷藏集装箱信息监控系统。进行实时监测冷藏集装箱工作状态信号、温度范围及化霜状态信号等, 并且冷藏集装箱监测系统与集装箱计算机信息管理网络建立数据传输通道。

(6) 生产作业气象监控系统

在港区办公楼屋面设置气象监测立杆，安装风速、风向、能见度等传感器，传感器数据通过通信电缆传送到港区计算机中心数据库，数据集中整合后，用可视化图形标识出各传感器信息，包括瞬时、某时参数及数天和数月的平均值等数据。为调度部门发布生产指令提供准确依据，确保港区作业生产安全可靠。

(7) 能源管理系统

太仓港四期码头运用国际先进的工业物联网技术将港区内所有供能与用能设备接入管理平台进行实时分类分项能耗数据统计，推进港口能源管理自动化，采用系统技术实现供能和用能系统全过程各环节的监、控、管一体化。

(8) 堆场门禁系统

门禁系统设置的主要目的是建立安全规范的自动化堆场作业流程。在堆场上的门禁系统流程的执行是建立在规范码头工作人员行为的基础上，所有人员严格按照规则制度执行，确保人员以及设备安全。

(9) 集卡智能指挥调度系统

通过车辆GPS定位（差分）以及基站定位方式，实时定位集卡车辆的位置，并且通过与TOS的系统接口，接受TOS发送的任务指令，通过手机APP的方式与集卡司机互动，达到智能调度，提升作业效率的建设目的。

(10) 5G无线网络系统

太仓港四期自动化码头定位于堆场自动化建设模式，因此，码头无线信号的覆盖对自动化建设工作的成功实施起到至关重要的作用。由于港口码头的环境布局复杂，尤其是近海作业区，受潮水的影响，不适合大面积地铺设线缆；在作业区域，如集装箱堆放场等又不充许设架空明线，不适宜铺设有线网络，利用无线局域网技术构建基础通信平台，实现无线全覆盖，是非常实用而有效的。因此太仓港四期码头利用5G无线传输技术的低延时，高带宽，大容量等特点，建设5G基站，实现码头5G网络全覆盖，用于对讲系统、车载终端、远控岸桥、无人集卡等无线终端设备的使用。

4 结束语

太仓港四期集装箱智慧码头建设采用当前国际集装箱码头技术最高水平的全自动化集装箱码头建设方案。通过码头作业生产系统（TOS）、设备管理系统以及相应的智能化技术的应用，实现码头作业、堆存无人化、智能化。在大大提升码头作业效率、降低码头作业成本同时，实现了码头绿色低碳的可持续发展以及智慧港口建设的战略。

参考文献

[1] 徐磊.钱振明 智慧港口标准化研究 China Standardization 2015年第9期

[2] 陈燕芬.郑静 宁波智慧港口发展研究 China Business 2013年第121期