工业4.0理论在自动化集装箱码头的应用

殷健 耿卫宁 付鹏成 周垂剑 孙秀良

迄今为止，人类社会已经历三次工业革命，每次工业革命均大幅提高了生产力，重构了生产关系，改变了世界。[1]三次工业革命在改变世界的同时也改变了港口作业模式。[2]2013年，德国在汉诺威工业博览会上发布《保障德国制造业的未来：关于实施工业4.0战略的建议》，第四次工业革命浪潮随即席卷全球：美国提出“先进制造业国家战略计划”，日本提出“科技工业联盟”，英国提出“工业2050战略”，中国提出“中国制造2025”。在此背景下，大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链等新技术不断涌现，使得众多行业面临重重挑战，不知如何融入此次工业革命浪潮。[3]当前，工业4.0技术正以指数级的速度发展，并且主要应用于制造业。港口行业作为我国对外开放的窗口和“一带一路”倡议的重要组成部分，应当深入研究工业4.0的核心技术，准确判断港口未来发展方向，积极融入工业4.0浪潮。

1 工业4.0概念及核心技术

工业4.0是信息化、工业化高度发达的产物，其核心是信息化与工业化融合基础上的智能化。2013年德国首次提出第四次工业革命即工业4.0的概念后，各国基于对工业4.0的不同理解形成各自的发展侧重点。[4]世界经济论坛创始人克劳斯·施瓦布[5]、李乐平[6]、陈宗智[7]均系统地阐述了工业4.0概念并提出不同见解。

20世纪90年代，钱学森等[8]提出用开放的复杂巨系统理论指导科技发展。2006年，Helen Gill博士首次提出信息物理系统（cyber-physical systems，CPS）概念。2013年，德国将CPS作为工业4.0的核心技术，从而引发全球关注和研究。2017年，由中国CPS發展论坛编写的《信息物理系统白皮书（2017）》（以下简称《白皮书》）发布，从而将CPS推向中国智能制造领域的前沿。

2 CPS在自动化集装箱码头的应用

港口是交通运输行业的基础性设施，是陆路运输与水路运输的衔接点。我国自动化集装箱码头无论在硬件方面还是在软件方面均达到制造业的先进水平[9]，已具备工业4.0智能制造的雏形。

2.1 以CPS分级标准指导自动化集装箱码头系统架构搭建

按照CPS分级标准，智能制造系统架构分为单元级、系统级和系统之系统级（见图1）：单元级由“硬件+软件”组成;系统级由“硬件+软件+网络”组成;系统之系统级由“硬件+软件+网络+平台”组成。

自动化集装箱码头系统架构层级完全符合CPS分级标准：具备自动化作业能力的自动导引车（auto-matic guided vehicle，AGV）等单机设备组成自动化集装箱码头系统架构中的单元级;单机设备与其控制系统组成自动化集装箱码头系统架构中的系统级;自动化集装箱码头的生产管理系统平台统一调度并控制若干系统级，组成自动化集装箱码头系统架构中的系统之系统级（见图2）。

2.1.1 自动化集装箱码头单元级

单元级是CPS中最小的单元。例如：就自动化集装箱码头系统中的AGV系统而言，AGV设备是硬件，AGV车辆管理系统（vehicle management system，VMS）是软件，“硬件+软件”组成最小的单元级。AGV系统还可以再细分为大车行走系统、顶升系统、电池管理系统、防撞系统等。这些再细分的系统虽然具有感知、分析、决策、执行等功能，但不能独立完成工作任务，因此不能称之为单元级。AGV通过激光扫描感知周围环境，分析自身与障碍物之间的距离、自身速度等数据，对路径和速度作出决策，并通过加减速、转向等执行决策（见图3）。

2.1.2 自动化集装箱码头系统级

系统级即在单元级的基础上，通过工业网络将多个单元级及其他非单元级设备纳入统一调度指挥，实现资源优化配置。例如：在自动化集装箱码头水平运输系统中，VMS通过有线网络和无线网络将所有AGV、AGV运行区域、AGV运行区域门禁、磁钉、AGV充电系统、AGV维修车间等纳入统一管理（见图4）。VMS通过AGV发回的位置和状态信息，感知水平运输系统整体运行情况，分析AGV的起始位置、目标位置、运行区域、锁闭区域等信息，据此作出决策并下达各种作业指令;AGV通过执行作业指令，为码头海侧装卸船作业提供水平运输服务。

2.1.3 自动化集装箱码头系统之系统级

系统之系统级即通过构建系统平台，将多个系统级系统纳入统一控制，实现多个系统级之间的信息共享和协同作业。例如：自动化集装箱码头生产管理系统平台将岸桥管理系统、VMS、堆场管理系统、闸口集疏运系统、安防系统等诸多系统级CPS纳入统一控制，实现对内以最优方式生产运作，对外提供最高质量服务。

2.2 CPS特征在自动化集装箱码头的体现

《白皮书》将CPS的本质定义为：“构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。”通俗地说，CPS通过将物理设备联入网络，实现感知、分析、决策、执行闭环流动。感知、分析、决策、执行闭环流动在CPS的3个层级中均有清晰体现，自动化集装箱码头系统正是典型的CPS。

2.2.1 数据驱动

传统集装箱码头依靠人工作业，而自动化集装箱码头依靠系统指令作业。系统指令是多项数据的集合，因此，自动化集装箱码头系统本质上由数据驱动运行。多项数据有序组合形成指令，指令赋予数据价值并驱动设备运行。自动化集装箱码头作业指令至少具备指令号、箱号、原位置、计划位置、执行设备号、开始时间、结束时间等数据要素（见图5）。

2.2.2 软件定义

自动化集装箱码头设备的每个动作以及流程的每个环节均在不同层级软件的控制下完成，因此，软件定义必须实现全覆盖。自动化设备启动、停车、加速、减速、转向、起升、下降等动作由单机自动化控制软件定义;业务流程每个环节的判断、后续流向等由生产管理软件定义。在自动化集装箱码头业务流程模式下，人将各种规则、制度通过软件逻辑的形式定义到软件中，设备通过执行软件指令实现人的意图，从而实现人从台前走向幕后。

2.2.3 泛在连接

网络通信是CPS的基础保障：设备、箱货的状态信息需要通过网络通信传送至不同层级的控制系统，不同层级的控制系统则需要通过网络通信下达指令。自动化集装箱码头的网络通信不仅仅局限于无线宽带和光纤方式，还可通过无线射频识别、光学字符识别、激光扫描、红外线扫描等技术手段使设备全面感知物理世界的真实状态并及时传输信息，从而确保决策的及时性。

2.2.4 虚实映射

自动化集装箱码头在状态感知和泛在连接的基础上实现虚实映射。现场设备和箱货状态准确、实时地体现在系统中，系统指令通过网络通信实時作用于现场设备和箱货。例如：进口集装箱从卸船至出闸的活动流可以细分为67个物理活动，且每个物理活动在不同层级的系统中均有体现（见图6）。

2.2.5 异构集成

CPS之系统级包括各种不同类型的硬件、软件和网络，CPS集成同类型的硬件、软件、网络并实施统一管理，以实现资源优化配置。例如：青岛港自动化集装箱码头通过无线网络和有线网络，不仅将83台AGV、78台自动堆垛机、16台轨道吊统一纳入系统，而且将安防摄像头、车辆挡杆、自动化作业区域门禁、冷箱支架、照明高杆灯、海关机检设备等所有与生产有关的设施设备统一纳入系统。

3 工业4.0模式下自动化集装箱码头系统提升空间

自动化集装箱码头系统虽已实现业务流程自动化，具备智能制造雏形，但其在状态感知、实时分析、自主决策、精准执行等方面尚处于低水平阶段，各环节仍有很大提升空间。

3.1 信息和状态感知方面

自动化集装箱码头系统通过各种感知器和数据接口感知生产、设备、箱货等信息，但仍然存在信息感知不全的问题。例如：未入闸外集卡、天气等信息感知处于空白状态;进出口集装箱、未抵港船舶动态等信息感知处于滞后状态;岸桥单机自动化船型扫描、已入闸外集卡动态等信息感知精度不够。

3.2 实时分析方面

自动化集装箱码头系统时刻都在分析大量数据，但部分环节的数据分析对状态变化反应迟缓。例如：VMS依据当前状态规划AGV路径，当状态发生变化时，VMS不会立即重新规划路径，AGV仍按原路径行驶;直至AGV执行命令失败后，VMS才会重新规划路径。

3.3 自主决策方面

决策指依据软件编程中设定的逻辑作出判断。编程人员对码头工况理解不透彻会导致自动化集装箱码头系统部分环节决策考虑因素过于简单，造成决策不够完善。例如，堆场集装箱堆码层高（翻箱率影响因素之一）由盘存量决定：当盘存量较少时，应降低集装箱堆码层高;当盘存量较多时，应提高集装箱堆码层高。目前，自动化集装箱码头系统中的集装箱堆码层高仍须人工调整，具有滞后性。

3.4 精准执行方面

自动化集装箱码头系统采用软件控制作业流程和自动化设备执行作业指令，从而使码头作业标准化及作业指令执行精准度大幅提高;但单元级、系统级、系统之系统级三级指令执行精度仍有一定提升空间，需要通过优化状态感知、实时分析、自主决策等前置环节来提升。

4 工业4.0模式下自动化集装箱码头发展方向

4.1 万物互联，全面感知

充分利用物联网、云平台技术，拓宽系统级和系统之系统级的覆盖范围，实现万物互联和全面感知：通过接入船公司系统，可感知船舶信息;通过接入进出口企业系统，可感知箱货信息。随着政府资源的整合及行政壁垒的破除，码头业务和服务范围不断拓宽，从而使上下游环节串联起来形成更大的系统之系统级，进而使自动化集装箱码头系统由系统之系统级降级为系统级。单元级是不可分割的基础单元，其界限是固定的;而系统级、系统之系统级则可以无限拓展延伸。

4.2 延伸业务流程，拓宽服务范围

沿着物流链拓宽自动化集装箱码头系统之系统级的涵盖范围，将码头上下游产业纳入服务范围内。依托新的系统之系统级，码头业务将不再局限于装卸作业，码头服务范围也不再局限于港区内。随着物流链的延伸，码头服务范围可以逐渐覆盖原材料运输、工厂制造、物流、销售、消费终端全产业链，并由码头主业拓展至仓储、保税、销售、期货、金融等码头关联行业。

4.3 虚实结合，互促互升

在仿真基础上，形成数字化港口生产模型，并通过感知将港口实际生产数据映射到模型中。在模型中提前预演生产计划，并根据预演结果调整相关参数和配置，选择最佳作业方式。已完成的作业可以在模型中复盘，通过复盘查找问题和优化点，并通过模型检验优化后的作业是否达到预期效果。在生产检验的基础上，不断优化数字模型，使数字模型逐渐具备镜像功能，从而能实时、真实地反馈码头作业情况。

4.4 工业4.0指导码头精细化生产

件杂货装卸形式向集装箱装卸形式转型的实质是人工调度模式向系统调度模式的转型。在集装箱装卸形式出现初期，人工调度的单日最大作业量只有200～300自然箱，且作业过程混乱不堪，根本无法满足作业效率、装箱到位率、船舶稳性、船舶负荷、危险品隔离等要求。码头生产管理系统的应用实现了集装箱船舶作业调度系统化，使得码头可以轻松应对大型集装箱船舶作业;不过，码头生产管理系统在集装箱码头生产调度方面仍然停留在点到点的层面，无法掌握码头生产中间过程。工业4.0模式下的自动化集装箱码头系统实现码头作业全过程管理，能够掌握设备、货物、人员等生产资料的实时状态信息，从而使精益生产成为可能。[10]

5 结束语

（1）工业4.0的核心理论CPS可以指导包括自动化集装箱码头形式在内的我国港口建设和升级，从顶层设计上构建信息物理体系，避免弯路和曲折。

（2）工业4.0不仅是技术革命，更是思维方式的革命，倡导运用系统的思维和技术来解决问题比单纯采用新技术更有价值。我国正在推进港口资源整合，以避免港口行业无序竞争和低质重复建设。资源优化配置仅靠行政手段是不够的，只有在先进理论的指导下，我国港口才能更快实现由大变强。

（3）在工业4.0发展的背景下，我国港口企业不应被动地坐享工业4.0成果，而应积极开展理论研究和技术研发，推动行业发展。港口企业应当加大科技投入，加强产学研合作，形成产学研互相作用、互相促进的螺旋上升良性态势。

（4）我国港口体量已跃居全球第一，我国港口在全球集装箱吞吐量前十名港口中占据7席。在“一带一路”合作发展的背景下，我国港口行业在输出资本、设备的同时，还应加强与“一带一路”沿线国家和地区港口行业在技术、管理、理论上的合作。

参考文献：

[1] 纪艳菊. 工业革命如何改变了世界的面貌[J]. 今日科苑，2010（4）：259.

[2] 真虹，侯琳洁，李倩雯，等. 第三次工业革命对未来港口发展影响的研究与论证[J].经济研究参考，2015（20）：48-55.

[3] 陈彩虹. 在无知中迎来第四次工业革命[J]. 中国中小企业，2017（1）：60-63.

[4]乌尔里希飞吕？工业4.0：即将来袭的第四次工业革命[M]. 邓敏，李现民，译. 北京：机械工业出版社，2014.

[5] 克劳斯肥┩卟？ 第四次工业革命：转型的力量[M]. 北京：中信出版集团，2016.

[6] 李樂平. 工业4.0：中国式工业4.0的转型之路[M]. 北京：北京理工大学出版社，2015.

[7] 陈宗智. 工业4.0落地之道[M]. 北京：人民邮电出版社，2019.

[8] QIAN X S， YU J Y， DAI R W. A new discipline of science-the study of open complex giant system and its methodology[J]. Journal of Systems Engineering and Electronics， 1993， 4（2）： 2-12.

[9] 杨杰敏，郭乙运. 自动化集装箱码头信息物理系统[J]. 港口科技，2018（9）：3-7.

[10]  ROSSINI M， COSTA F， STAUDACHER A P， et al. Industry 4.0 and lean production： an empirical study[J/OL]. IFAC-PapersOnLine， 2019， 52（13）： 42-47. [2020-08-10]. http：//doi. org/10.1016/j. ifacol. 2019.11.122

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2020-08-24）