现代集装箱码头操作系统及其发展趋势

汤　玮　范海燕

随着全球经济一体化的发展，集装箱运输已经成为现代物流业的重要组成部分，而集装箱码头作为物流链中举足轻重的节点，为适应时代的发展和满足客户的需求，已经进入数字时代。

现代集装箱码头普遍采用集装箱码头操作系统，以应对不断复杂化的生产管理需要。集装箱码头操作系统的核心任务是，指导和辅助码头组织高效合理的生产作业，进行科学有效的资源分配，并为生产决策提供完备的数据统计和信息分析，从而确保集装箱码头作业计划有据，指挥有方，监管有力，操作有序。集装箱码头操作系统庞大而复杂，无线局域网、射频识别、全球卫星定位导航、船舶自动识别、电子数据交换和互联网等信息技术目前均已应用在现代集装箱码头操作系统中。

1 信息技术简介

1.1 无线局域网技术(WLAN)

无线局域网是固定局域网的延伸，它在网络连接上没有线缆的限制。对于用户来说，由于它不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来，因此网络的构建和终端的移动更加灵活。

目前集装箱码头采用的数据终端按照设备的频点分类，主要分为两种：和。采用终端的带宽有两种，其中，采用802.11b协议传输数据的带宽大约为，采用802.11g协议的大约为。终端通常用于应用系统为图形界面、数据量要求较大的设备上，如岸桥、场桥等。终端的传输数据带宽大约为，一般用于应用系统为文本界面、数据量要求较小的设备上，如集拖（卡）等。

由于集装箱运输机械化程度高，作业场所面积大，对作业效率和作业指令的准确性有极高的要求，所以无线局域网技术得到普遍应用。它重点解决现场移动设备或人员与数据中心之间的数据传输问题，保证作业信息的实时性，提高数据的准确性。

1.2 射频识别技术(RFID)

在集装箱码头，RFID系统多用于集拖（卡）和集装箱的识别。

1.2.1 集拖（卡）自动识别

电子车牌即电子标签，它一般固定在车辆前挡风玻璃的内侧，存有车辆身份信息，如车牌号、车辆自重、车型、所属车队等。为确保“一车一卡”的严格对应关系，电子车牌按一次性安装原则设计，不能自行取下，强行取下即损坏。

阅读器和天线安装在集装箱码头道口处，每个通道安装1套，天线采用侧装或顶装方式，即在道口侧面立杆安装，或在道口顶部架空安装。为避免侧装天线引起的邻道干扰问题，目前一般采用顶装方式。

当集卡通过道口时，阅读器向电子车牌发出询问信号，电子车牌收到信号后，以存储在卡内的数据信息对收到的询问信号进行应答，阅读器收到电子车牌的应答信息后，经解析得到相应数据，提交给后端的计算机进行处理，从而完成与电子车牌的数据交换。

1.2.2 集装箱自动识别

集装箱电子标签安装在箱体中间位置，阅读器和天线安装在集装箱码头的道口、岸桥、场桥、正面吊及空叉等码头常用设施和机械处。道口处的阅读器监控从陆路进出码头的集装箱，岸桥处的阅读器监控从水路进出港口的集装箱。在港口作业过程中，系统可自动实时核对装有电子标签的集装箱的作业任务，通过电子标签传递运输信息。

RFID技术的应用实现集装箱和车辆信息的实时采集，使集装箱运输状态（包括货物状态）得到实时追踪和有效监管，可为船公司、箱主、货主、港口、海关等服务对象提供全程透明管理。

1.3 全球卫星定位系统(GPS)及地理信息系统(GIS)

在集装箱运输领域，GPS通常与GIS结合使用。

GIS可精确描绘码头的实际平面图，图形化地对堆场进行管理，还可结合GPS的应用，实现码头机械的精确定位，便于码头机械的自动化管理。例如，GPS接收机装在场桥上，场桥就能够自动检测自身所处位置信息，并通过该信息与正在装卸的集装箱箱位信息相互转换，达到获取集装箱位置信息的目的。再如，利用GPS的位置信号，再加上软件编程，可帮助场桥在堆场行驶时进行自动纠偏。GPS接收机还可装在集卡上，通过GPS和GIS的结合应用，完成对车辆的实时跟踪。

2007年，制造商成功研发带GPS的集装箱，即在集装箱上装有GPS导航装置及蓄电池，GPS导航装置具有发射各种信息的功能。由于制造成本和应用范围的制约，目前这项技术并未得到广泛应用。

1.4 船舶自动识别系统(AIS)

在港口的海事、引航和码头调度、中控等处，操作员无须逐个查询船舶，利用AIS就可获得所有装有AIS的船舶的完整交通动态，为船舶的调度指挥及码头作业安排带来很大方便。

2 集装箱码头操作系统的主要功能

集装箱码头操作系统一般包括基础数据、计划系统、操作系统、监控分析系统和计费系统等5个功能区。

2.1 基础数据功能区

基础数据功能区包括单证系统、EDI系统和桌面平台。码头和船舶航线的基本信息以及船舶上待装卸的集装箱和过境箱的单证信息也存储在基础数据功能区内，电子商务功能一般也列入这个功能区。

2.2 计划系统功能区

计划系统功能区包括泊位计划、堆场计划、配载计划和资源计划等系统，其中，泊位计划是计划系统功能区的首要环节，主要功能是为待靠泊船舶指定泊位；堆场计划主要为经由大门或船舶作业进入码头的集装箱分配堆场位置。堆场计划水平的高低对码头实际堆存能力有重要影响；配载计划主要为进口集装箱分配作业顺序，为出口集装箱分配舱位及作业顺序，其制订过程需要充分考虑船舶的稳性及吃水。配载计划结果也是码头在作业前后与船公司进行信息共享的必要内容；资源计划在充分考虑码头操作的分工协作以及相互配合关系的基础上，对码头生产作业指挥过程中现场作业设备及作业人员进行分配。

2.3 操作系统功能区

操作系统是码头现场作业的最前沿系统，主要包括道口管理系统和无线操作系统，要求效率高、信息准，一般需要应用RFID和WLAN等先进技术作为支撑。集装箱码头操作点一般分布在码头道口、岸边和堆场等处。考虑到作业的流动性，操作系统一般在手持、车载等移动终端上运行。

2.4 监控分析系统功能区

监控分析系统主要面向中控室和管理层，提供基于整个码头视角的操作监控和基于特定船舶的船舶计划分析。广泛应用于码头的闭路电视（CCTV）图像监控，因其只能提供现场作业的影像记录，所以对现场指挥作业的辅助性较强、指导性较弱，而且无法进行现场作业的数据统计。操作监控系统可提供船舶作业和设备作业的信息统计以及各种作业冲突的警示信息，能弥补CCTV在这方面的缺陷。CCTV图像监控与计算机系统监控相结合的监控管理模式，能辅助码头管理人员最大限度地优化调度码头资源，提升码头作业效率。船舶计划分析系统是针对配载计划量身定制的系统。这个系统通过设定一系列参数，在配载计划制定之后至码头现场作业开始之前，提前模拟码头作业的实际情况，并在模拟过程中计算各个瓶颈点及冲突点。计划员可根据模拟操作提供的预警信息，优化调整配载计划，使得装卸船计划取得最优效果。

2.5 计费系统功能区

按码头收费规则划分，计费系统功能区有船方计费和货方计费功能。货方计费一般在窗口结费，目前正与单证系统逐步融合。

3 集装箱码头操作系统的发展趋势

近年来，随着国际贸易的快速发展，世界各大集装箱海运公司纷纷结盟，国际集装箱运输向进一步缩短运输周期、降低运输成本、提高服务质量的方向发展。这一趋势推动干线船舶的大型化和港口装卸机械的高效化，同时使多式联运体系日趋完善，从而对集装箱码头操作系统提出智能化、自动化和协同化的发展要求。

3.1 智能化

智能化的关键是综合应用运筹学、专家系统、流程模拟和各种信息技术，建立完善、合理的管理模式及算法，使各种运输资源在不同的作业条件和操作环境下，都能得到最有效、最合理的分配和调度，减少人工处理工作量，提高作业效率，优化作业流程，稳定、持久、可靠地提高资源利用率。

（1）智能集装箱道口 智能集装箱道口系统将信息技术、电子技术和自动控制技术与集装箱运输业务有机整合，自动识别车号和箱号，由核心控制模块根据业务过程需求控制各个部分运作，通过视频完成箱体残损的远程检测，对识别和检测出来的信息按监控及操作需求进行转换，并通过与码头操作系统的实时交互，完成集装箱道口管理和监控的智能化，从而实现集装箱道口管理无人化，大大提高集卡的通过效率。

（2）自动配载 码头集装箱配载，就是按照船舶的运输要求和码头的实际状况，编制预定装载于既定船舶的集装箱具体装载计划。配载工作是集装箱运输中的重要环节，直接影响码头装卸作业的效率和班轮的船期准点率。在同样的船舶、箱量和堆场条件下，不同技术能力和业务素质的配载人员，工作质量也有差异。集装箱自动配载系统实际上是具有智能特点的集装箱配载专家系统，包含集装箱运输领域的大量知识和配载专家的实践经验，拥有专家思维的推理能力，能够针对集装箱船舶配载数据处理量大、计算要求高、限制条件多和编制时间紧等特点，根据船舶的静态资料、堆场箱区和箱位的实际分布、本航次备箱情况以及船公司预配要求（挂靠港、中转港和目的港），自动完成符合船舶稳性和负载强度、减少堆场翻箱量的船舶积载图的制作，对于集装箱船舶的快速装载、安全营运和码头合理有序、高效优质地组织生产非常有利。

（3）堆场车辆优化调度 堆场车辆优化调度，就是根据堆场道路网络、箱区分布、泊位排列和建筑单体的分布，分析移动车辆与固定设施的空间关系，计算空间距离，利用交通量预测模型和交通流分析模型，预测车辆走行时间，提出车辆路径引导和车辆与码头机械的组合分配，并根据泊位计划和装卸船计划为作业船舶分配集卡。作业时，系统根据当前集卡分配的状态、作业船舶各作业线的繁忙程度以及待装卸集装箱的堆场箱位，实时进行计算和调整，指挥车辆前往最适合的场位和岸桥，避免因车辆空等和聚堆而造成的忙闲不均，使车辆运行的整体效率达到最优。

3.2 自动化

客户对作业质量和作业效率要求的不断提高导致码头承担提高服务质量和降低运营成本的双重压力。随着现代自动控制理论、方法和手段的不断发展以及信息系统的普及应用，综合利用信息技术、通信技术、系统工程和人工智能等成果，实现操作系统指令与码头机械设备控制功能的无缝衔接，完成集装箱码头部分或全部的自动化运转已成为可能。

在半自动化的集装箱码头上，码头操作系统与场桥自控系统相连，直接将集装箱的操作指令发送到场桥的控制单元，控制设备的跑位及对集装箱的自动定位，然后由人工完成集装箱从集卡卸到堆场或从堆场装上集拖（卡）的操作。

在自动化的集装箱码头上，通过码头作业组织和操作流程的规范化，使集装箱码头实现无人化操作。荷兰鹿特丹港的ECT码头已基本实现自动化，其自动化装卸运输系统主要由岸桥、自动导向车（AGV）和轨道式场桥（RMG）组成。岸桥采用双小车方式，海侧小车负责船舶与设在岸桥门架高处的转载平台之间的集装箱作业，陆侧小车负责转载平台与AGV之间的集装箱转接。水平运输由AGV完成，AGV按照预先设定的路径运行。堆场操作由RMG完成。整个过程除了海侧集装箱的起吊和放置外，完全由操作系统控制，实现自动化操作。目前，自动化码头正在向投资少、效率高、性价比高的经济型方向发展。

3.3 协同化

多式联运是国际集装箱运输的发展趋势。多式联运是指将水路、公路、铁路、航空等不同运输方式有机地整合在一起，实现1次托运，1份单证，1次计费，1次保险和全程运输的“门到门”的高级货运组织形式。多式联运涉及码头、船公司、铁路、公路、查验机关和货运代理等众多单位，对集装箱运输信息系统的协同化要求较高。

集装箱码头操作系统的协同化主要体现在3个方面：

（1）信息的高度共享 不同信息以不同结构存在于不同单位的不同数据库系统中，而这些系统之间缺乏相互连接的信息渠道，数据被封存并缺乏应有的关联，这种状况给整个业务体系获取有用信息带来很大障碍。信息共享是为了最大限度地发挥信息本身的价值，使协同操作的各部分可以方便地查找到相关信息以支持各自事务的处理，并利用这些信息创造新的价值。

（2）业务的有效整合 集装箱运输各单位已针对自身的业务需求建立各种应用系统，在单个业务领域中发挥作用，但由于无法面向整个业务过程，各个应用系统之间难以紧密集成，使得本应环环相扣的多式联运业务被这些分散的系统分隔开来，工作人员不得不在不同的应用系统之间频繁切换，造成运营效率低下和反应迟缓。信息系统的协同化可对各项业务进行充分有效的整合，使整个业务流程能够协调、顺畅地运作。

（3）资源的合理调配与优化 信息共享和业务整合一旦实现，就可使重重资源突破各种壁垒，实现合理调配和优化，在统一协调下服务于共同目标。

4 集装箱码头操作系统的开发原则

大连集发科技有限公司在开发新一代码头操作系统Terminal Operation Processor Plus（TOP+）的过程中，在智能化、自动化和协同化方面进行探索，取得良好效果。

集装箱码头操作系统的开发是一项规模大、周期长的复杂系统工程。在开发过程中，既要保证按业务环节分类的内部信息系统的建设及应用，又要确保集装箱码头外部各个节点之间通过信息系统进行顺畅连接；既要稳定可靠地应用信息技术，又要在充分理解的基础上改进业务操作流程和工艺。因此，必须坚持切实可行的开发原则，才能确保码头操作系统开发成功。

集装箱码头业务与信息技术始终贯穿于操作系统建设的全过程，二者紧密相连。集装箱码头业务的发展离不开信息技术的支持，信息技术的发展又必然落实到具体的业务上。技术不仅要能够支持现有业务，而且要对集装箱业务的发展趋势进行合理预测，使设计开发领先于现有业务，使得未来业务发展具备足够的技术基础，能够快速适应新的业务需求，具备超前的竞争力。

在码头操作系统的开发过程中，基于码头对业务的充分理解和对新技术的合理使用，以业务驱动技术，以技术带动业务，使得技术这个平台能够真正对业务的发展起到推动作用，避免简单的纸面单据电子化、手工作业自动化这种较低层次的IT应用。

随着现代物流业和信息技术的发展，集装箱码头操作系统在提高码头操作效率、减少码头操作成本和降低码头资源消耗等方面的作用越来越大，同时，建设集装箱码头操作系统的理念和技术也不断向散杂货、油品等其他码头以及现代物流的其他领域推广。可以肯定的一点是，信息技术应用的不断深入和码头操作系统的不断完善，必将推动码头作业组织更加顺畅，资源利用更加合理，综合效益更加显著。

（编辑：吴磊明 收稿日期：2009-05-20）