摘要

为推动传统集装箱码头智慧化转型，宁波梅东集装箱码头有限公司立足于传统集装箱码头布局和生产工艺，广泛应用5G、北斗、视觉识别等前沿技术，实现桥吊、轮胎吊和集卡等设备自动化运行；自主研发n-TOS生产管理系统和i-ECS智能设备调度系统的码头生产作业“双芯”架构，构建具备综合控制和协调港内桥吊、轮胎吊、集卡等多类作业设备能力的智能调度系统，实现装卸设备在码头内的整场智能调度，形成一条安全、有序、高效的高水平自动化作业链。

0引言

宁波梅东集装箱码头有限公司（以下简称“梅东公司”）边生产、边建设、边创新，致力于建设全域智能化集装箱码头，以一套“模式可复制、发展可持续、港城更融合”的数智化转型方案，积极探索形成传统码头智能化改造的通用解决方案。在近年的智慧港口建设中，基于传统集装箱码头作业流程，借助港区智能物联感知体系、4G/5G通信网络、大数据平台和人工智能算法，研发生产管理系统（n-TOS）和智能设备调度系统（i-ECS）的码头生产作业“双芯”，构建具备综合控制和协调港内桥吊、轮胎吊、集卡等多类作业设备能力的智能调度系统，形成港区智能调度系统，总结提出“远控桥吊+远控轮胎吊+智能集卡混线作业”的自动化作业链。采用该模式解决了自动驾驶智能集卡在“单小车桥吊+轮胎吊”与堆场水平布置的工艺模式下开放区域混线作业的行业难题。同时，5G、北斗、车路协同、高精地图等新型基础设施的建设与千兆光缆、4G 共同构建了一张全覆盖、大带宽、低时延、更精准、更安全的智能物联网络，支撑“双芯”智能大脑实现自动化作业链全要素精准调度、敏捷服务，建设适应未来、引领绿色低碳港口新生态的“智慧网”，为国内传统集装箱码头转型提供新的发展模式。

1传统集装箱码头智慧作业链的关键技术

1.1  岸边装卸远控自动化

梅东公司岸边集装箱装卸采用单小车桥吊，通过远控自动化系统，基于常规作业模式，桥吊受控于码头“双芯”系统，接收来自n-TOS的作业指令和i-ECS的调度指令。解析指令后，再通过单机设备上的自动化控制模块，实现设备的自动化运行。在数据通信交互方面，远控桥吊采用光纤通信的方式实现数据交互和信号传输。通过预先在电缆内埋入光纤，实现与中控操作室的通信。司机通过各层核心和汇聚交换机将各种控制信号送至单机电控系统，从而实现远程操作。单小车远控桥吊基于视频监控、视觉识别、激光防撞、自动化控制等技术，能与智能集卡引导、防摇防扭、陆侧一键着箱、船型扫描和箱号识别等子系统协同作业，实现单小车桥吊陆侧自动化运行，达到双小车桥吊作业效果。单小车远控自动化桥吊见图1。

图 1单小车远控自动化桥吊

1.2 堆场装卸自动化

梅东公司堆场集装箱装卸作业采用卷盘式轮胎吊和混合动力轮胎吊。通过对轮胎吊作业场景和作业模式的深入研究，结合该类设备性能特点和实际生产作业情况，梅东公司建立了一套轮胎吊自动化作业的模式，形成了较为完备的轮胎吊远程控制相关技术方案。与常规作业模式不同，梅东公司智能化轮胎吊受控于码头“双芯”系统，接收来自n-TOS的作业指令和i-ECS的调度指令。搭载远程控制技术的轮胎吊主要通过堆场管理系统（BMS）、单机自动化系统（ACCS）、远程操作控制系统（ROCS）和辅助子系统、单机电控系统等实现轮胎吊的单机自动化运行。远控自动化轮胎吊见图2。

                  图2远控自动化轮胎吊

BMS负责解析TOS系统派发的指令并将调度指令传递给ACCS，由ACCS控制轮胎吊的自动化运行。结合对堆场内感应磁钉的管理，码头“双芯”系统不仅实现轮胎吊的定位和自动纠偏功能，也实现对堆场内所有轮胎吊设备的统一管理和协同作业。单机设备上的自动化控制模块根据作业指令规划作业路径，电控系统实现设备的自动化运行。此外，在远程操作方面，考虑到卷盘式轮胎吊的作业特点，采用光纤通信的方式实现数据交互和信号传输，通过预先在电缆内埋入光纤，实现与中控操作室的通信。司机的各种控制信号通过各层核心和汇聚交换机最终传输至单机电控系统，从而实现远程操作。混合动力轮胎吊应用5G通信双CPE，通过切片技术分别承载视频和控制信号，并通过双发选收实现设备冗余和低时延保障，建立远程操作台与单机的PLC通信和网络通信，远程操作控制系统完成单机与操作台的绑定，实现轮胎吊的远程自动化。

1.3水平运输自动化

智能集卡是自动化作业链的重要组成部分之一。智能集卡搭载L4级自动驾驶系统，车端设置完整的多传感器，融合感知、定位、智能决策控制等功能，并配合云控平台实现高精度稳定作业。相较于AGV行驶路径固定的作业模式，智能集卡的行为模式更为灵活，通过融合车辆侧数据和云端侧数据，就近优选计算资源，实现动态路径规划，形成车云一体化决策，可应对实际作业中动态、复杂的工况。在该作业模式下，无须改造传统码头基建设施即可实现智能集卡与常规集卡的混线作业，使智能集卡融入实际作业场景。云控系统通过5G通信技术对接i-ECS，对智能集卡车队进行调度管理，同时将智能集卡、远控桥吊、远控轮胎吊等作业设备的多源数据进行整合，展示出远控桥吊、远控轮胎吊和智能集卡共同作业场景，具备完善的地图监控、车端视频实时预览、故障诊断、远程指令操控、运营大数据分析等功能。车云一体化的智能集卡见图3。

图3车云一体化的智能集卡

利用5G通信建立智能集卡与远控平台和生产管理系统的连接，通过5G高速网络实时回传车辆画面、实时运行数据和高精地理位置等信息，形成数据丰富的虚拟数字驾驶舱，必要时还可实现远程介入，提高应对复杂场景的灵活性。智能集卡根据n-TOS的作业指令，自动驾驶到远控桥吊、远控轮胎吊的作业位置，并精确地定位停车，通过与远控桥吊、远控轮胎吊的实时交互信息，自动触发远控桥吊、远控轮胎吊的自动化作业，形成一条完整的自动化作业链。

1.4利用5G通信技术搭建码头智慧网

由于作业环境复杂多变，智慧港口业务对通信连接有着高带宽、低时延、高可靠性等严苛要求。在智慧港口的建设运营中，5G网络能以差异化的性能优势突破传统的局限性，大幅提升自动化码头运营效率，为传统港航物流业的发展注入新动力。5G智慧港口主要包括5G轮胎吊远控、5G智能集卡、5G无人机、5G辅助靠离泊、5G智能安防等场景。梅东公司率先在港口实现基于5G通信技术的轮胎吊远程自动化控制和智能集卡远程通信。轮胎吊利用5G通信双CPE，通过切片技术分别承载视频和控制信号，并通过双发选收实现设备冗余和低时延保障，建立远程操作台与单机的PLC通信和网络通信，从而完成单机与操作台的绑定，实现轮胎吊的远程自动化。同时，建立远程操作台与生产管理设备调度系统的网络通信连接，实现单机数据实时回传、视频回传和指令派发。利用5G通信建立智能集卡与云控平台和生产管理系统的连接，实现自动驾驶决策、车路协同等功能的信息交互，通过5G高速网络低延迟、高容量的传输特性实现自动驾驶和远程监护。

1.5　生产管理系统与智能设备调度系统融合的码头生产作业“双芯”架构

在智慧化建设中，梅东公司基于传统集装箱码头作业流程，面向千万TEU级大型集装箱码头生产运营，借助港区智能物联感知体系、4G/5G通信网络、大数据平台和人工智能算法，研发n-TOS和i-ECS码头生产作业“双芯”架构，构建具备综合控制和协调港内桥吊、轮胎吊、集卡等多类作业设备能力的智能调度系统，实现装卸设备在码头内的整场智能调度。智能调度系统作为“智慧港口大脑”核心组成部分之一，具有设备控制和管理、交通管理、路径规划、数据管理、异常管理等功能，能够对港区不同种类作业设备进行全面、精确感知和统筹、精准控制。

1.5.1　系统框架

基于港区智能物联感知体系、4G/5G通信网络和大数据平台，借助人工智能算法，构建具备综合控制和协调港内桥吊、轮胎吊、集卡等多类作业设备能力的智能调度系统。在整体架构上，以形成n-TOS和i-ECS为“双芯”的智慧港口大脑核心，构建物联感知层、大数据应用层、核心算法层、调度平台层、可视化和验证层等5层系统架构，实现对港区不同种类作业设备的全面、精确感知和统筹、精准控制。智能调度系统整体架构见图4。在功能上，智能调度系统具有设备控制和管理、交通管理、路径规划、数据管理、异常管理等功能。在系统逻辑上，智能调度系统接收n-TOS作业任务，协调调度相关生产设备执行任务并调取相应智能算法模块进行精细计算，通过控制设备运行，实现设备高契合度交互和作业任务各流程环节无缝衔接。

图4智能调度系统整体架构

1.5.2 数据中台

i-ECS的开发基于大数据统计和大数据分析，最终实现智能全场调度。i-ECS需要收集所有装卸设备的运行、状态、地理位置信息等数据，再由i-ECS算法计算后给予装卸设备终端执行指令。在开发过程中，首先需要建立数据中台服务器，在服务器上部署数据库，桥吊和轮胎吊的数据可由PLC通过中控网络OPC Server转发至中台数据库，智能集卡通过其远控平台使用TCP通信协议将数据发送至中台数据库。数据中台服务器分类储存大量装卸设备作业数据以支撑i-ECS。数据中台的数据还可以同时满足码头数字孪生、可视化窗口等相关智慧系统的应用。依托“双芯”架构，梅东公司创新性地研发适合传统码头转型自动化作业流程的优化方案，形成新型自动化作业链，实现自动化作业设备、人工作业设备高契合度交互和作业流程环节无缝衔接，同时保障设备间合理避让，提高港区作业安全性和顺畅度，实现集装箱码头的智能集卡和常规集卡混线作业。

2经济效益分析

在前期投资方面，梅东公司的智慧作业链方案在装卸设备配置和码头基建要求上有较为显著的经济性。在后期，梅东公司智慧作业链也能产生可观的经济效益，主要表现在降低人力成本和提升作业效率等2方面，年经济效益达4 000万元。

2.1减少操作司机人员配备产生的经济效益

以梅东公司16台桥吊和48台轮胎吊为例，按梅东公司的常规设备司机配备计算，企业在采用自动化设备后可减少192个桥吊、轮胎吊司机，按每人年收入10万元计算，可节省1 920万元。

2.2 减少传统理货岗位人员产生的经济效益

梅东公司智能理货系统利用视频画面OCR图像识别技术完成大部分的箱号核对、验残拍照工作，大幅减少理货岗位人员配置。按照现有作业规模估算，桥吊理货员可由64人减少至16人，精简48个理货岗位人员，按每人年收入10万元计算，可节省480万元。

2.3提升作业效率产生的经济效益

梅东公司自动化泊位的作业效率比常规泊位提升4.7%，相同时间内桥吊单机作业效率提升7%。按照2021年全年16台远控桥吊共完成300万TEU计算，相比改造前的传统泊位，梅东公司自动化作业链产生了14万TEU的增量，按每TEU利润100元计算，总计创造1 400万元的利润。预计此后自动化泊位有每年10%的箱量提升，即相关经济效益也有10%的提升。

2.4智能集卡相较于传统燃油集卡的成本优势

智能集卡采用电力驱动方式，根据现有作业情况换算，相较于传统燃油车辆，每台智能集卡每年可节省燃料费约7万元。按2个自动化泊位全部采用智能集卡作业计算，每年可节省集卡能耗成本约200万元。