探尋南沙四期全自動化碼頭智能先進技術發展的密碼
2023-05-16 14:20 來源：中國紀檢監察報 廣州港集團
2022年7月28日，廣州港南沙港區四期全自動化碼頭（以下簡稱“南沙四期碼頭”）正式投入運行。運行近一年后，集裝箱測試吞吐量達92萬標箱，南沙港區集裝箱年通過能力穩步提升至2400萬標箱，位居全球單一港區前列。
近端的交貨區，不時有剛入閘的重型拖掛車駛入。“進閘時刷個卡，車輛和裝卸貨信息就能馬上顯示，直觀又便捷。”廣州南沙經濟技術開發區海和船務代理有限公司總經理吳家麒說，只要在指定區域停留一會兒，即可完成集裝箱裝卸。
如果說交貨區是“前臺”，緊挨著的堆場就是“后倉”，有35臺懸臂式軌道吊正在作業。“它們就像‘理貨員’，不僅要負責將集裝箱放到位，還要在接到指令后自動進行翻倒箱，完成堆場集裝箱收箱與出箱。”廣州港股份有限公司總經理陳宏偉說。
最忙碌的還要數橙色的智能導引車（Intelligent Guided Vehicle，簡稱IGV）。它取代了傳統碼頭拖車的職能，負責碼頭前沿和堆場間的集裝箱水平運輸。粗略計算，為了裝卸3艘海輪的貨物，碼頭派出了50輛IGV。
有趣的是，忙碌似乎只屬于這些機械、設備。放眼看去，碼頭陸域之上，竟空無一人。
“IGV是南沙四期碼頭的一大亮點，其駕駛級別相當于無人駕駛L4級，非常智能。”南沙四期碼頭總經理助理黃炳林介紹，通過衛慣導航定位系統、激光雷達、視覺以及多傳感器融合定位技術的配合應用，IGV可自動規劃最優路徑，在碼頭堆場間自由穿梭，精準抵達每一個箱位。
據了解，IGV滿載時速21.6公里/小時，忙時日均里程可達55公里。為確保高強度高速率運轉，研發人員設置了四重安全保障。“第一重從系統層面設計了安全區域，若發生安全區域重疊就會觸發剎車系統。第二重來自激光雷達的保障，每輛IGV的激光雷達靈敏度高，在通電狀態下能夠在最短時間發現障礙物。”黃炳林介紹，IGV前后端的防撞桿，則是從車體結構上給予保護。此外，還借助輔道視覺確保車輛運行保持中位，只走直線。
自動化集裝箱碼頭領域中大規模應用自動化單小車岸橋，可使作業流程簡化，提高裝卸效率和精準性，它也是IGV的搭檔。南沙四期碼頭已配置的10臺岸橋，“腿”長“臂”直，每臺都裝有26個攝像頭，其中6個是球機，能實現對現場情況的全方位監控。
自動化單小車岸橋與傳統岸橋的最大區別，是將司機室挪到了幾百米外的智能操控中心。“搬遷”后的司機室其實就是一個大開間，可以同時容納20多位司機同時作業。“自動化單小車岸橋配備自動防搖防扭、船型掃描、防撞保護、智能著箱、光學字符識別（Optical Character Recognition，簡稱OCR）等功能，通過高清全數字視頻采集系統，可實現對集裝箱船舶的智能裝卸作業和對IGV的全自動裝卸。”黃炳林介紹，與之前相比，現在岸橋司機在電腦屏幕前輕推搖桿，岸橋就能按照信息系統自動發布的指令精準地抓取船上的集裝箱。
“要建設一個全國產自動化碼頭。”2019年，南沙四期碼頭總經理何業科的這句豪言壯語，引起參與迪拜碼頭智能化解決方案交流論壇的國際專家熱議。
這些聲音絕大多數是質疑，甚至是否定的。因為在當時技術條件下，精準定位、最優路徑規劃幾乎難以實現。可南沙四期碼頭做到了，還提供了“廣州方案”。
南沙四期碼頭集物聯網感知、大數據分析、北斗導航、人工智能、5G通信等先進技術為一體，制定了全球首創“自動化單小車岸橋+IGV+堆場平行布局側面裝卸+國產軟件系統+港區全自動化”全新一代自動化集裝箱碼頭技術路線，以及具有中國特色的智能化集裝箱碼頭設計方案。
“技術路線具有自主可控、可復制可推廣等特點，創造了多項紀錄：全球最大的平行布局全自動化碼頭，全球首創北斗導航無人駕駛智能導引車，全球首創擁有完全自主知識產權的全自動化碼頭信息系統。”陳宏偉說。
以碼頭的布局為例。與全球現有的自動化碼頭多數使用垂直布局不同，南沙四期碼頭采取傳統平行布局方式。黃炳林解釋，平行布局能有效改變垂直布局堆場中軌道吊“全場跑”、集卡車“場外等”的問題，具有自動化軌道吊“少跑路”、IGV在場內“自由行”的特點，降低能耗的同時還有利于軌道吊的靈活調度，有效提升生產作業效率。“同時，堆場平行布局與傳統碼頭堆場布局方式相同，具備新技術大規模復制應用的經濟性、實操性，南沙四期碼頭的先進技術對傳統集裝箱碼頭自動化升級改造以及新一代自動化碼頭建設都具有重要借鑒意義。”
作為自動化碼頭，南沙四期碼頭的智能化，來自于“灣區芯”為碼頭配置的“超級大腦”——擁有完全自主知識產權的全自動化碼頭信息系統。它包括碼頭操作系統（Terminal Operating System，簡稱TOS）、調度系統和設備控制系統、智能閘口、智能理貨系統等，可為自動化設備運行、交互、集裝箱裝卸、堆存、轉運、進出閘口等多種作業場景調度最優資源、規劃最優路徑，從決策端到執行端保障全自動化碼頭的安全性和高效性。
由于“廣州方案”的首創性，當時國內行業沒有一家現成的信息系統能夠支持南沙四期碼頭的工藝特點，系統的研發相當于從零做起。
首先是誰來做。“我們是幸運的。”陳宏偉說。秉承“堅持本土創新，打造民族品牌”的理念，南沙四期碼頭得到了多家國內民族品牌企業的大力支持。項目的設計方是中交四航設計院，施工方中交四航局，設備制造商上海振華重工，系統開發商煙臺華東電子，5G設備供應商華為，IGV動力電池供應商比亞迪，北斗導航為海格通信，無人駕駛、視覺定位等技術均由國內知名企業研發支持。同時也運用了港科大（廣州）、華南理工大學、同濟大學、北京郵電大學等高校的最新科研成果。
5月10日，TOS系統迎來投入運行以來的第10次更新，這版系統主要是解決在岸橋下面進出通道擁堵的問題。
自2021年1月，自動化設備陸續抵達南沙四期碼頭現場并開展調試工作以來，類似的升級調試始終在進行。在黃炳林看來，自動化信息系統的開發是一個不斷調試的過程。“就像教育孩子一樣，通過大量作業數據，讓系統適應環境需求，從熟練走向高效。”
亞熱帶沿海的暴曬與連續降雨，是影響碼頭作業的重要因素。面對自然環境的挑戰，“廣州方案”的考驗來得總是猝不及防。
2021年的一個傍晚，正在碼頭作業的IGV突然集體“罷工”，朝著夕陽的方向“觀賞日落”。從未遇到過的突發情況，讓研發團隊有些“蒙圈”。在故障排除中發現，視覺影像系統就像人的眼睛，遇到強光會因眩光產生視覺盲區，導致IGV自動停止。“現在的IGV已經能通過算法智能識別出哪些是眩光，哪些是危險。”黃炳林說。
如果把每次技術突破比作游戲闖關，“廣州方案”關關難闖、關關相連，有時需要多個角色、設備的聯手，有時要提防關卡的“突襲”。盡管每次的闖關難度不同，研發團隊的目標和態度始終如一：要攻克“卡脖子”問題，打破國外自動化碼頭的技術壟斷，打造一個技術精湛、最智慧的中國式自動化碼頭。
作為全球首個江海鐵多式聯動全自動化集裝箱碼頭，南沙四期碼頭具備同時作業4艘大船和16艘駁船的能力，“江海聯運”流程可以在自動化區域內完成，有效提高“水水中轉”作業效率。
南沙四期碼頭共創造了70多項專利，其中發明專利30多項，從設備制造到系統開發都實現了國產化。“技術掌握在自己手里，舒心又實惠。”陳宏偉給記者算了一筆賬，如果使用國外自動化碼頭的技術系統，除支付1億元人民幣的購買費外，每年還有10%的升級費、專利費，“性價比”極低。
IGV的性價比優勢也十分顯著。從制造成本看，與當前流行的自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，簡稱AGV）相比，IGV輪胎的造價僅是它的1/2，使用壽命卻是其2倍。
從推廣普及性看，AGV的磁釘導航方式對場地要求苛刻。一些傳統集裝箱碼頭選用磁釘方案的話，需要把地面全部重新翻鋪一遍，工程量巨大，建設成本和維護成本高。而北斗、激光和視覺導航定位技術，讓IGV行駛無需借助磁釘導航。
從供能續航看，IGV采用鋰電池變頻驅動形式和定點自動充電的設計理念，能根據自身電量狀態，確定是可以“忙完手頭的活兒再充電”還是“先充電再干活”，以此保障一天24小時續航效能。
從AGV到IGV，是自動化向智能化的升級。整個南沙四期碼頭項目，則是勞動密集型產業向自動化智能化轉變。同等規模下，智能化改造后的碼頭，每年可節約人工成本1億多元。
廣州市南沙區商務局副局長林瀚宇認為，“廣州方案”的意義在于它的復制、推廣示范，無論是國內市場還是國際市場，都具有比較強的競爭力，尤其是國外市場，人工成本的降低無疑是一大賣點。
據了解，目前廣州港將此模式復制應用在南沙港區三期集裝箱碼頭，正逐步推動傳統集裝箱碼頭向半自動化、全自動化升級改造。
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