浅析自动化集装箱码头建设与设备运维管理

2022-09-07姚保良

新型工业化 2022年7期

姚保良

厦门海沧新海达集装箱码头有限公司，福建厦门，361026

0 引言

2019年国家有关部门相继印发《交通强国纲要》《关于建设世界一流港口的指导意见》等文件，建设智慧、绿色、安全、高效的世界一流港口成为我国港口企业的政策指引和发展方向。中国是世界第一大贸易国，也是世界第一大港口国，我国集装箱港口年吞吐量连续多年在全球前十大港口集装箱吞吐量排名榜中占有7席。随着船舶大型化和港口装卸设备大型化、高速化趋势，人工作业的难度和强度以及集疏港压力都相应加大，班轮对码头作业效率提出了更高的要求。港口长期以来都是劳动力密集型产业，在我国人口红利收紧、新一代劳动力就业理念转变的大背景下，招工难、用工贵问题也日益突出。为有效化解以上矛盾，集装箱码头向着自动化、智能化方向转型，建设新的全自动化码头或传统集装箱码头进行升级改造就成为一种必然趋势。口岸效率、服务质量、综合物流、科技创新和可持续发展成为港口企业新的竞争力。

1 自动化集装箱码头发展现状

自动化集装箱码头是指应用自动化作业设备以及配套的管理控制软件，形成一个完整的集装箱装卸作业工艺系统，全部或部分替代通常由人工操作的复杂的集装箱搬运和装卸作业，使得码头现场作业效率更高、人员更少。

自动化集装箱码头首先出现在劳动力成本昂贵和熟练劳动力匮乏的欧洲。自1993年世界上第一个自动化集装箱码头—荷兰鹿特丹ECT码头问世以来，欧美等发达国家相继建成30余个自动化或半自动化集装箱码头。近几年我国自动化集装箱码头发展迅猛。2015年中国第一个全自动化集装箱码头厦门远海自动化码头投入运行，随后青岛新前湾、上海洋山四期码头相继投产，成为当时世界上技术最先进、港区规模最大的全自动集装箱码头。2021年全球首个“智慧零碳”码头—天津港北疆港区C段智能化集装箱码头正式投产。粤港澳大湾区首个自动化码头—广州南沙四期自动化集装箱码头开始联调联试。全国首个传统集装箱码头进行全智能化改造的厦门海润码头开始试运行。除全自动化集装箱码头建设和改造外，国内也相继出现日照港、京唐港、深圳妈湾、天津五洲等多个通过技术改造成为实现装卸设备远程操控和堆场自动化装卸的半自动化集装箱码头。

表1 传统集装箱码头与自动化集装箱码头的区别

经过近三十年的发展，已形成分别以荷兰鹿特丹港ECT、德国汉堡港CTA、荷兰鹿特丹港Euromax、厦门远海等为代表的四代自动化集装箱码头。新一代集装箱码头以天津北疆C段码头和广州南沙四期码头为代表，主要特征是堆场平行于岸线，水平运输是智能导引车（IGV）而不是早期的自动导引车（AGV）。传统集装箱码头与自动化集装箱码头的典型特征如表1。

自动化集装箱码头按自动化程度分为部分自动化、高度自动化和完全自动化三个层级。码头企业可根据自身条件建设不同层级的自动化集装箱码头。

2 自动化集装箱码头的组成

从平面布局及装卸工艺、功能分类、基本架构三方面简述自动化集装箱码头的组成。

2.1 平面布局及装卸工艺

自动化集装箱码头平面布局由前沿作业区、水平运输作业区和堆场作业区(有的细分有海侧交换区、陆侧交换区）组成，每个作业区选用不同的设备可以得到不同的装卸工艺流程。如图1所示。

（1）前沿作业区。前沿装卸设备岸桥采用远程半自动化作业，岸桥种类有单小车单起升岸桥、单小车双起升岸桥和双小车岸桥。目前，自动化集装箱码头前沿装卸设备多为双小车单起升双吊具岸桥和单小车单起升双吊具岸桥。

（2）水平运输作业区。自动化集装箱码头水平运输设备有自动导引车（AGV）、智能无人集卡（IGV）和自动跨运车（ASC），各自特点如表2。

（3）堆场作业区。自动化集装箱码头堆场使用自动化轨道吊（ARMG）和自动化轮胎吊（ARTG）。ARMG采用磁钉和编码器等方式进行大车精确定位，不存在大车纠偏问题，远程操控技术相对成熟，整机运行速度快，作业效率高，但造价较高，不能转场。RTG造价低廉，转场灵活，在传统集装箱码头大量应用。随着卫星、视觉、5G等定位和通信技术的成熟应用，新建或改造的ARTG越来越多，尤其适合传统集装箱码头进行智能堆场改造[1]。

参照图1示，自动化集装箱码头依据不同的平面布局与设备选用可以有不同的工艺流程方案，适合我国自动化集装箱码头建设或改造的装卸工艺流程主要有以下几种，特点如表3。

2.2 功能组成

自动化集装箱码头按功能分由单机设备控制系统和管理系统组成，管理系统又由码头生产管理系统（TOS）、设备调度与控制系统（ECS）、辅助系统（AS）组成，完全自动化集装箱码头各系统的具体功能组成如表4。

2.3 基本架构

自动化集装箱码头软硬件组成的基本架构示意简图，如图2所示。

3 传统集装箱码头自动化智能化升级改造

自动化集装箱码头以工艺流程化、决策智能化、执行自动化、现场无人化、能源绿色化的特点，集智能、安全、高效、绿色、环保等优点于一体得到码头经营企业广泛青睐。传统集装箱码头自动化升级改造成为新趋势。厦门港海润码头全智能化改造成功投产为传统集装箱码头进行自动化智能化升级改造提供了新方案。

传统集装箱码头升级改造主要是以提高装卸作业自动化、智能化水平，提高作业效率，减少用工成本，降低能源消耗，增强生产安全性为目标[2]。升级改造应充分利用现有设备、设施，结合码头平面布置、装卸工艺、技术状况和未来发展趋势综合论证评估选择合适的自动化层级目标，制定改造方案。改造可以一次性投资改建完成，也可以根据自身实际情况做好顶层规划，分层次分阶段进行。先实现部分自动化、再实现高度自动化，最终达到完全自动化。需要注意的是升级改造过程中的每一期改造项目都要围绕着顶层设计规划好的目标方案进行，做好接口和功能升级预留，避免重复建设。具体分步改造的内容可以包括以下几方面。

3.1 堆场装卸设备（场桥）远程操控改造

传统集装箱码头堆场装卸设备主要是轨道式门式起重机（RMG）和轮胎式门式起重机（RTG），自动化改造可先从少量单机远程操控改造开始，即RMG升级为ARMG或RTG升级为ARTG。技术成熟后再进行大批量改造，实现堆场自动化运行。自动化堆场可提高作业效率，增强安全性，大大减少用工数量，升级改造后可带来直接的经济效益。

3.2 前沿装卸设备（岸桥）远程操控改造

岸桥远程操控改造是通过加装视频监控、机构定位、船型扫描、防摇防扭、集卡引导、箱号识别、远程操作台等自动化装置，实现在办公楼远控室内远程半自动化作业。改造后可大大减轻劳动强度，避免职业病发生，降低操作技能要求。结合集卡自动引导系统（CPS）和箱号自动识别系统（OCR）功能，可以实现智能理货，减少理货人员并后撤至后方控制室[3]。通过在合适位置集中设置扭锁拆装站，可以减少拆装锁人员并转移至安全地点。岸桥远程操控改造后，可以实现桥下作业无人化，改变过去现场人员多、人机交叉混杂现象，增强安全性，同时减少用工数量，降低用工成本。

表4 完全自动化集装箱码头功能分类组成

3.3 有人驾驶集卡升级为智能无人集卡（IGV）改造

随着技术的进步，基于应用北斗导航、机器视觉、激光雷达、5G通信、人工智能等技术实现无人驾驶的IGV逐步成熟，目前已达到商业化应用程度。IGV的优点是：不需预埋大量磁钉，不必进行大规模的场地改造；价格低廉，投资少；行驶路径灵活，可以实现进堆场作业，满足传统作业工艺需求。

另外，还可以进行智能闸口改造、5G基础搭建等工作，当码头的这些局部改造应用成熟后，可以较为容易地实现码头整体的升级改造，使传统集装箱码头以最低的投资逐步升级改造为全自动化集装箱码头。

4 自动化集装箱码头设备运维管理

自动化集装箱码头设备运维管理除传统集装箱码头常规装卸设备外，还需管理运维装卸设备的自动化装置以及管理与控制系统等内容。

4.1 自动化集装箱码头设备运维管理内容

自动化集装箱码头设备运维应做到以下几点：①根据自动化设备运行特点和营运管理要求编制运行维护作业指导书。②建立适应自动化集装箱码头的设备运行维护管理制度及安全管理制度，建立运行维护技术档案。③配备设备状态智能监控与诊断系统，提高运行维护管理工作的信息化水平，实现设备运维工作的数字化、可视化和科学化。

4.1.1 单机设备运维管理要点

①建立完善的设备维护保养制度，根据设备的使用情况、作业强度和运行频率等结合生产作业计划有序地安排设备维护保养。②对装卸机械单机设备，其自动化控制系统、轮廓扫描系统、定位系统等自动化辅助系统进行定期维护和标定，调整系统运行精度在允许范围内，确保设备运行安全。③对设备工控系统要加强网络安全防范措施，保证设备工控系统安全运行。④对视频监控系统、通信系统等要定期进行维护检查，保证视频图像和通话质量清晰正常无卡顿[4]。

4.1.2 管理与控制系统运维管理要点

①建立信息系统安全管理制度，包括网络安全、系统安全、数据库安全及重要业务系统安全的管理制度和安全操作规程，并严格执行。②定期巡检机房的电力、消防、空调等设备的运行状况，严格机房出入管控登记，保证机房数据服务器正常运行。③加强数据归档和备份管理，定期进行系统及数据的恢复演练，确保管理与控制系统安全正常运行。

4.2 装卸设备状态智能监测与诊断

设备状态智能监测与诊断系统基于物联网、5G通信和大数据挖掘技术，利用现场总线和无线传感器等手段，实时获得装卸设备的结构关键部位应力、机构运行参数和振动等状态数据，实现对装卸设备的钢结构、减速机、电动机、制动器等关键部位和机构运行状态的实时健康诊断与监测预测管理。

4.2.1 监测范围

钢结构监测。在装卸设备钢结构中最薄弱、应力集中最大、最易疲劳的节点安装位移传感器进行实时监测，实现钢结构的安全诊断和剩余寿命评估。

机构监测。在装卸设备起升、小车、大车等机构的传动装置如减速箱、电动机、轴承座等相应位置安装振动、液位、温度、加速度等传感器，实时监测机构传动装置的运行状态。

电气运行监控。通过对装卸设备电气参数如电流、电压、速度给定、速度反馈等参数的采集和数据分析，在线实时监测主要电气器件如驱动器、电机、制动器等的运行状态，实现关键电气器件的故障预测和寿命预估。

音频监测。在机房、司机室等位置安装音频采集传感器，智能监测分析设备运行声音，异常情况给出报警、故障诊断和分析判断。

视频监测。在机房、电气房、司机室等重要位置安装高清摄像头或热成像摄像头，实现智能监控、智能安防和火灾预警。

4.2.2 实现功能

装卸设备状态智能监测与诊断系统是自动化集装箱码头的重要组成部分，与TOS、ECS相连，结合GIS地图用动画方式直观展示整个码头所有设备的实时状态，进行系统KPI指标统计，如各类机型的总台数、在线数、故障数、装卸箱数等。结合能效管理系统可统计单箱综合能耗等指标[5]。单机设备的结构、机构、电气关键部件等实时在线智能感知及监控，通过大数据分析给出设备的健康状态、故障预测和寿命预估。这种预测性的运维管理模式，可减少计划外停机次数和停机时间，降低设备维修难度和维修成本，实现自动化集装箱码头设备运维的科学管理。