海南洋浦国际集装箱码头信息系统设计研究

汪作凡，吕晓威，鞠进

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510290）

0 引言

集装箱运输是现代物流的主要方式，集装箱运输以其安全、优质、运量大、成本低、适合多式联运，成为国际贸易通用的最优运输方式。集装箱码头是集装箱运输船舶靠泊、装卸的场所，亦是集装箱运输的主要集散地。随着集装箱运输船舶的大型化，集装箱码头的吞吐量也大幅提升，集装箱专用码头的建设也蓬勃发展起来了。集装箱码头由各种设备和系统组成，是一个多环节又相互平行的空间作业系统，要求各种设备、各种系统高度融合，这就需要合理规划设计，让其有机组成一个高效作业系统。每个码头由于地理位置、商业模式、码头规模、操作流程、业务种类的差异，其码头规划设计也具有独特个性化[1]。集装箱码头信息系统是集装箱码头所有系统的“神经中枢”，直接关系到集装箱码头作业方式和运行效率，尤其是现代化集装箱码头充分利用高效港口装卸设备以及涵盖全球的物流网络，对信息系统依赖更高。只有充分了解集装箱码头特点、作业流程和管理方式，借助“互联网+”、“大数据”、“人工智能”等前沿科技，利用自动化、智能化等现代信息技术手段，才能建立高效、安全的集装箱码头信息系统，实现精细化、标准化、科学化管理，满足集装箱码头未来业务需求。本文结合海南洋浦国际集装箱码头工程设计实例，系统研究集装箱码头信息系统设计中的系统需求、系统组成、系统功能及采用的核心技术。重点对集装箱码头管理系统（TOS）和智能闸口系统的作业流程、系统架构及主要功能进行论述，为现代化集装箱专业码头信息系统的设计与建设提供真实工程参考案例。

1 设计概述

1.1 工程简介

海南洋浦国际集装箱码头工程位于海南自贸区洋浦港洋浦港区小铲滩作业区，设计3 个5 万吨级多用途泊位（实际按2 个10 万吨级集装箱泊位运行），设计集装箱吞吐量60 万TEU/a。远期设计1 个10 万吨级集装箱泊位和5 个5 000 吨级集装箱泊位，最终集装箱吞吐量为120 万TEU/a。堆场平行于码头布置，码头主要装卸工艺设备包括：码头前沿集装箱装卸桥、堆场中电驱动轮胎起重机和平面运输集卡。码头集装箱主要为外贸进出口箱，海关等相关职能部门对进出货物按A类卡口进行监管。

1.2 信息系统设计范围

本工程信息系统设计主要包括：集装箱码头管理系统（TOS）、自动化办公系统（OA）、设备管理（DMS）、财务管理、网络系统、计算机系统（含服务器和终端）、智能闸口及信息中心机房工程等。

本文主要论述集装箱码头管理系统（TOS）、信息网络系统、计算机系统和智能闸口等方面的设计内容[2]。

1.3 信息系统设计原则

1）实用性

信息系统设计应更好满足工程的实际需求。采取成熟的技术和可靠的并经过市场验证的产品，合理选用系统设备和系统软件。

2）先进性

在满足实用性的基础上，结合在类似项目上的经验，根据信息技术发展趋势，保障所选用产品在相当一段时间内保持先进水平，以适应客户进一步管理发展的需要[3]。

3）开放性

在信息系统的总体设计中，采用开放式、模块化的体系结构，使系统易于扩充，为系统今后的扩展提供保证。

4）经济性

本信息系统将根据客户的实际需求及实际情况，在保障一定技术先进性基础上，力争做到低投入、高产出，使经济效益最大化。

5）可管理性

本信息系统较为复杂，设备种类繁多，所选产品应具有良好的可管理性和可维护性。

6）易用性

本信息系统设计要求提供友好、易用用户界面，并根据业界的使用习惯、惯例进行开发，尽量采用较为直观的图形化操作模式。

2 集装箱码头管理系统

2.1 基本需求

建立以中控室为核心的生产实时调度控制体系，以网络中心为核心的信息处理、交换、共享、存储系统，以优质服务为宗旨的客户服务体系和以科学统计分析为依据的经营决策体系[4]。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、理货公司之间有密切联系。系统产生各种电子报文或统计报表，满足船公司和货主的需求，达到口岸单位之间数据共享的目的。满足整个集装箱码头集装箱吞吐量120 万TEU/a处理能力要求。

2.2 主要业务流程

1）卸船流程

码头单证员接收船公司（船代）发送的船舶进口相关单证，验证导入系统。

码头计划员根据单证信息编制卸船作业计划，包括卸船作业线分配、堆场堆存计划、卸船翻捣计划、直取卸船计划、过驳计划等[5-6]。

中控员根据卸船计划和码头机械情况，编制卸船资源计划，通知机械司机和理货人员到作业区待命；打印船舶总图、分贝图、特种箱清单、作业指导书等纸面单证。

2）装船流程

码头单证员接收船公司（船代）发送的船舶出口相关单证，验证导入系统。

码头计划员根据单证信息编制装船作业计划，包括装船作业线分配、装船翻捣计划等。

中控员根据装船计划和码头机械情况，编制装船资源计划，通知机械司机和理货人员到作业区待命；打印船舶总图、分贝图、特种箱清单、作业指导书等纸面单证。

3）进口提箱流程

客户持提货单到码头办单大厅办理提箱业务，码头办单员进行进口提箱预约，打印码头作业单。

大厅财务人员对提箱业务进行财务审核，月结客户直接加盖作业章，备用金客户进行计费后，做账户抵减处理，即结客户则先进行预收款，待作业完毕后进行结算。财务审核处理完毕后在码头作业单上加盖码头作业章。

司机持设备交接单、码头作业单等相关单据进闸提箱，闸口文员进行车辆进闸作业处理，并打印码头作业指南。

车辆进闸后，堆场机械终端会自动显示提箱作业指令，司机根据指令进行提箱放箱操作。

拖车拖箱到出闸口，闸口文员根据作业单据、车载箱和系统数据进行一致性核对，若无误，则进行出闸确认；若有异常，则根据实际情况选择退箱、换箱操作。

4）进口拆箱提货流程

客户持提货单到码头办单大厅进行进口拆箱预约，码头办单人员接受预约，打印码头拆箱作业单。

大厅财务人员进行财务审核，在作业单上加盖财务审核章。

客户持加盖公章的作业单到码头集装箱货运站（以下简称CFS）计划室申请作业。

CFS 计划员安排并确认计划，系统产生堆场内移箱申请。计划员通知中控员开始进行移箱作业。

移箱完成后，计划员安排现场作业人员进行拆箱作业，CFS 理货员使用无线手持系统对拆箱作业进行记录。

根据拆箱类型，拆出的货物可选择入库或直接提走。

拆箱完成后，系统自动产生回移申请，中控员根据移箱申请安排空箱回场作业。

入库的货物若客户需要提走，则要到办单大厅办理提货申请。经财务审核后可直接到仓库提货，货物出检查口时需出示经仓库管理员确认的出口作业单。

5）送箱流程

客户填制集装箱货物订舱单，订舱后完成报关手续，提取合适空箱并在海关人员监督下完成货物装箱。根据码头船舶班期和预约时间，将集装箱运送至码头，码头闸口对进场集装箱进行检查，满足要求后进场，并按照闸口要求送至指定位置等待装船[7]。

2.3 功能架构

集装箱码头管理系统功能架构图见图1。

图1 集装箱码头管理系统功能架构图Fig.1 Functional architecture of container terminal management system

从图1 可以看出，该系统由对外Web 和对内业务服务层以及一个技术支撑平台组成，其中业务层为系统核心，技术支撑平台为基础，Web 为企业窗口，为集装箱码头提供全方位的信息交换与管理。

集装箱码头管理系统主要需求和功能如下：

1）码头泊位、堆场代码设定

对码头泊位编号、堆场区域划分进行设置。码头管理者可以根据自身码头的具体情况，任意定义码头泊位编号和堆场区域，通过简单的参数调整，定义自己的操作规则。

2）船舶设定

对进入集装箱码头的船舶的属性、船图及贝位图等进行设置。主要包括船舶基本资料的维护，船舶结构维护，船舶装载要求维护，船舶水尺、静水力曲线参数、吃水差等参数设定，打印舱位图等。

3）系统参数设定

对系统运行的各项参数进行设置，并可对系统运行日志、操作员操作日志进行跟踪和分析。

4）系统基础代码设置

对船舶航线、客户资料、集装箱属性、机械设备等各种系统基础代码进行设定。

5）商务管理

对与集装箱码头有进出口业务关系的单位（货主、货代、船公司及其代理）的客户资料及协议进行管理，对商务结算业务进行处理。为客户提供协议查询、商务结算项目查询、原始收费凭证的查询等。

6）计划管理

船舶计划：船舶计划主要是满足船舶配载，船舶计划应具有单船作业计划功能，船舶配载功能，船舶稳定计算功能，船舶资料编辑功能，同时支持船图、仓单等信息的自动导入和手动录入功能。

堆场计划：堆场计划主要对进入码头堆场的集装箱进行堆位规划安排，堆场计划系统应符合智能性、便利性、直观性、可控性要求，具有友好的数据图示化操作界面，具有成熟、优化的进出场、装卸船配位规则的进出场算法，具有管理各家船公司箱子的箱务管理能力。可通过与外部数据交换使用以支持堆场计划安排，以图形化方式显示堆场示意图，可以方便进行整体和局部堆场信息及计划查询，实现计划界面与实际界面、监控界面的合成，提供系统对工作量控制和配位逻辑的智能化考虑，进行堆场未来作业量及密度预测。

泊位计划：提供图形化的泊位计划功能，可以根据船舶的靠港、离港时间及码头目前的船舶作业情况安排泊位计划。系统根据合理利用泊位，满足船期、堆场集装箱堆放等原则，自动提供泊位计划方案。

机械与派工计划：主要是进行码头桥吊、轮胎吊、铲车、集卡等机械的出勤安排和机械司机的安排，完成码头生产作业，便于机械司机作业量的统计。

7）进出口单证管理

处理船舶的进口单证（进口船图、进口舱单等）及出口单证（出口清单、出口空箱清单、出口预配图等）。

8）堆场箱务管理

主要对堆场的集装箱进行管理，包括集装箱属性的编辑、内部移箱作业、海关查验作业、集装箱预冷记录等功能。

9）拆装箱库（CFS）管理

系统主要进行货运站内收发货、拆装箱全部业务的控制管理。管理人员可以定义CFS 仓库和货位的位置，通过图形方式查看货物堆放信息。支持以箱代仓、仓库外定义堆场等特殊业务。

10）Web 客服系统

建立公司网站。包含公司介绍、码头资源状况、码头新闻、信息发布、服务指南、用户验证等。提供互联网服务；船公司可以在网上登录服务航线、录入船期停泊信息；货主可通过互联网直接在网上预约、网上出口预配、网上预录装箱信息、查询船舶及集装箱信息，了解装卸情况，通过互联网实现远程登记办单、下载等功能。该系统为码头周边单位和客户提供信息服务，是集装箱码头宣传形象窗口。

3 智能闸口系统

闸口作为集装箱码头集装箱集、疏港主要通道，对港口作业正常运转起着关键作用。为了满足闸口通行效率和海关等监管部门要求，本工程4 条超宽车道（进、出口各2 条）按B 类卡口设计，其余14 条车道（进口8 条、出口6 条）按A 类卡口设计。

3.1 系统组成

海南洋浦国际集装箱码头智能闸口系统主要包括：集装箱箱号识别系统、箱体残损检验系统、电子车牌识别系统、司机身份识别系统、自动称重系统、车辆交通控制系统等。

智能闸口系统对通过闸口通道的运载集装箱的货车自动进行重量采集、箱号识别（OCR）、电子车牌及司机身份（RFID）等数据采集，并将所有记录的数据和相关图像存入本机，然后将采集到的数据与口岸和业主相关区域信息平台进行比对，系统根据返回的比对结果确认是否放行，由车辆交通控制系统控制车辆通行，从而实现闸口通道货运进出的有效监管[5-6]。

3.2 关键技术应用

1）箱号自动识别（OCR）

通过视频图像抓拍，利用计算机模式识别技术，从抓拍图像中获取集装箱代码。通过测量控制技术自动检测集装箱拖车上单、双箱，并抓拍箱号图片。箱号自动识别系统具有识别率高（95%），识别速度快、不停车识别等特点。

2）车牌及司机身份识别（RFID）

采用无线射频技术（RFID），通过车道车辆识别装置（雷达或地感线圈）唤醒读卡设备，读取车载电子标签，获取存储在电子标签中的车牌及司机身份等信息。RFID 具有识别距离远（最远超过10 m），方向性好，不产生相互干扰，读写速率快（小于30 ms/byte）等优点。

3）箱体残损检测

箱体残损检测与箱号识别工作原理基本相同，通过视频系统抓拍箱体5 个箱面图像，再经过图像模式识别技术识别箱体表面的凸、凹、割伤、破损等情况。

3.3 系统结构

智能闸口系统结构图见图2。

图2 智能闸口系统结构图Fig.2 Architecture diagram of intelligent gate system

3.4 管理功能

智能闸口要求采用先进有效的办法，用于管理拖车和集装箱进/出码头闸口，尽量缩短闸口处理时间。

主要功能包括：支持联检单位电子闸口、闸口监管的需要。支持闸口预约功能，并根据预约号提供最优提箱，减少翻箱。闸口能记录违规车辆的违规记录并限制和提示违规车辆。闸口能自动记录车辆、集装箱及其货物称重数据并可以打印磅单。闸口能自动记录进出闸口车辆、集装箱流量并可统计分析闸口作业效率。支持闸口使用手持机操作、入闸送箱或提箱、拖车提箱出闸或空车出闸、取消作业、拖车检查、集装箱检查及箱况信息录入、处理特殊箱（如电子资料不符、超重、残损等）进出场、堆存计划预控提示、提取空箱规则提示、缓冲区管理优化与堆场作业控制和计划的联动、打印设备交接单或作业便条、查询集装箱或拖车、作业流量统计和报表、打印闸口运转日志、预配入闸等。

3.5 业务流程及通道布置

智能闸口业务流程如图3 所示，单通道布置如图4 所示。

图3 智能闸口业务流程图Fig.3 Business process diagram of intelligent gate

图4 智能闸口单通道布置图Fig.4 Single channel layout diagram of intelligent gate

4 集装箱码头信息系统网络设计

4.1 网络系统拓扑

本工程信息网络系统采用快速交换式以太网络结构，主干链路采用冗余配置。设有1 个核心交换区、2 个汇聚交换区和若干个接入交换区，其网络拓扑结构图见图5。

图5 信息系统网络拓扑结构图Fig.5 Network topological diagram of information system

核心交换区配置2 台模块化核心交换机，互为冗余。汇聚交换区分别配置2 台固定式交换机，互为备份。接入交换区配置固定端口交换机[8]。

4.2 网络安全设计

1）防火墙

在网络中心配备2 台防火墙，做双机热备用于保护港区内网。防火墙通过千兆端口与核心交换机连接。

2）入侵检测

在核心交换机与服务器间设置1 台防入侵传感器（IPS），防止网络中的间谍软件、木马、恶意软件等其他新型攻击[9]。

4.3 网络管理

本工程设计使用基于Windows 的网络管理工具，网络管理人员通过易于使用的界面集中配置、更新、监测网络设备并进行故障排除。网络管理人员可以配置模板策略，自动响应来自各方的网络事件。结合插件模块一起使用时可通过简单且直观的界面动态管理用户访问、设备和流量。

实现对网络设备的快速实时监测和故障告警，支持100 个管理对象监控。

4.4 无线通信

为保障集装箱码头流动作业机械及调度管理人员通信要求，本工程设计1 套无线通信系统，无线通信系统采用第四代蜂窝通信技术TD-LTE（4G），更好地满足数据、语音应用。这是LTE（4G）网络较早在实际工程中的应用实例。

LTE（4G）无线通信系统包括：LTE 基站系统、LTE 核心网系统、LTE 调度系统、LTE 基站配套设备及终端设备。无线通信系统结构见图6。

图6 无线通信系统结构图Fig.6 Architecture diagram of wireless communication system

其中eBBU（1 套）是基带控制单元，安装在机房，主要完成相关传输协议栈的处理、上下行基带信号的处理和整个基站系统的集中管理。

eRRU（共3 套）为远端射频单元，安装在室外，直接连接天线。主要完成基带信号和射频信号的发射、调制解调、数据处理、合/分路等。

LTE（4G）通信技术对比传统WIFI 通信技术具有高可靠、低延时、无缝漫游、抗干扰能力强、覆盖面广、数据加密安全等多种优势，大大减少现场无线基站AP（ACCESS POINT）数量。

5 集装箱码头计算机系统设计

5.1 服务器

1）业务需求

海南洋浦国际集装箱码头工程服务器系统主要用于搭建生产、管理、运营各系统的物理平台以及各个系统的数据处理，包括了应用服务器、数据库系统服务器。

2）系统设计

服务器拓扑图如图7 所示。

图7 服务器拓扑图Fig.7 Topology diagram of server

从本服务器拓扑图中可以看出整个工程服务器系统包括集装箱管理系统和其他辅助系统，而集装箱管理系统为本工程重点设计内容。下面仅对集装箱管理系统服务器进行介绍。在集装箱管理系统硬件的搭建上，采用前端应用和后台数据库分离设计，前端应用和后台数据库均为双机热备。

5.2 存储系统

存储系统采用SAN 存储架构，由磁盘阵列、光纤交换机和磁带库系统组成。所有服务器接入存储系统中统一存储，通过磁带库系统进行备份。SAN 系统结构图见图8。

图8 SAN 系统结构图Fig.8 SAN system architecture diagram

6 结语

通过海南洋浦国际集装箱码头工程设计实例研究，总结了集装箱码头信息系统设计过程中所涉及的范围和内容，由于集装箱码头的“个性化”特性，在集装箱码头信息系统设计中需要特别关注集装箱码头作业流程和信息管理需求，只有在充分调研基础上才能规划设计出适合集装箱码头工程的信息管理系统。随着新技术发展和产业变革，只有不断引入互联网、人工智能、4G/5G 通信等先进技术，才能更好地满足集装箱码头信息系统工程设计、建设和营运管理要求。该码头工程自2016 年通过验收并投入运行以来，整个信息系统运行状态良好，为其他集装箱码头工程的信息系统设计和建设提供参考和借鉴。