“智能港口”国家名片： “魔鬼码头”—上海洋山四期全自动化码头

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上海洋山深水港区四期工程（以下简称“洋四工程”）是贯彻国家“一带一路”、长江经济带战略部署，促进上海自贸区建设的有力举措；是加快上海国际航运中心建设，推进上海枢纽港可持续发展，进一步巩固国际竞争领先优势的迫切需要；也是满足和适应长江三角洲及长江沿线地区经济社会和对外贸易发展，推动创新驱动、转型发展的具体实践。洋四工程自2014年12月23日全面开工，历时1700余天的艰苦建设，18个月细致全面的设备及系统调试，于2017年12月10日开港试生产。洋四工程是迄今为止世界规模最大、自动化程度最高、智能技术应用最广、拥有完全自主知识产权、全“中国芯”的全自动化集装箱码头。因是全自动化作业，整个码头空无一人，夜间无需照明，被外界称为“魔鬼码头”。

图1 洋山四期全自动化码头全貌

2018年试生产第一年，实现了吞吐量200万标准集装箱的规模化高效稳定运行，打破了自动化集装箱码头年吞吐量世界最高纪录，其效率、服务、安全和智能管控系统，完全达到甚至超过设计要求，成为中国“交通强国”、“绿色交通”、“智慧交通”及“一带一路”发展的又一张国家名片。                  

一、工程概述

洋四工程，位于上海浦东新区杭州湾内，东海大桥以南，地处整个洋山深水港区最西侧，依托颗珠山岛及大、小乌龟岛围海填筑形成，平均陆域纵深约500米，总用地面积223.16万平方米。工程泊位岸线总长约2770米，其中集装箱码头泊位长2350米、辅助工作船泊位长350米，共建设7个码头结构15万吨级集装箱泊位（远期可以升级为20万吨级），设计年通过能力初期为400万标准箱，远期为630万标准箱，总投资为140亿元人民币。

码头工程装卸工艺系统采用“远程自动化集装箱岸桥＋自动导引运输车＋自动轨道式龙门起重机”方案。全系统三大重型港口机械设备，包括26台远程自动化集装箱岸桥，130台自动导引运输车和88台自动轨道式龙门起重机，全部为电力驱动，都没有配备司机驾驶室，实现了全流程的“无人化”智能控制自动运行。  

图2 洋山四期码头前沿区

二、超大型智能港口工程设计成套技术及创新

▍智能化港口堆场总体布局设计新模式及其技术创新

自动化作业堆场是洋四工程占地面积最大的区域，宽2384.5米，纵深范围为210米至446.5米、平均纵深396.5米，总面积为94.5万平方米。洋四工程受地形扁平化限制，与一至三期工程平均900米的陆域纵深相比，堆场面积要小得多。为了最大限度地提高自动化堆场使用面积，洋四工程的总图经过了几十次的优化，得益于全自动化码头方案的采用，核心的自动化堆场采用满堂式布局，轨道吊作业线与码头垂直布置并采用高密度堆垛方式，大幅度提高了土地与深水岸线资源的利用率，实现了集装箱在港内运输距离的最短化。通过仿真及设计优化，使集装箱码头堆场通过能力年吞吐量由530万TEU提高到630万TEU。港区交通流自东向西，进场闸口位于东端，出场闸口位于西端，集卡进港后为单向行驶，普通集装箱和冷冻集装箱的进提作业均在堆场的陆侧交互区内完成，这种组织方式有效减少了外来集卡的行驶距离，车辆在港时间大幅缩短。因地制宜、效率先行的布局特点，让洋四工程的堆场通过能力相比传统码头能获得提升，同时大大提高了土地利用率。

图3.设备调试期的洋山四期全景

▍智能港口闸口分布式设计及功能集约化一体化

结合传统集装箱码头的闸口功能及布局，基于全自动化集装箱码头作业对外来车辆的信息质量要求高、自动化堆场蓄车能力低的特点，洋四工程首创了“预检、分流和放行”三级进港智能闸口布置新方式。进港闸口设置预检、分流和放行闸口，在分流和放行闸口之间设置具有车辆调峰、调箱门、称重及冷藏箱预检等功能的港外集卡缓冲停车场，加强了进港车辆的管理，大大缓解了港内交通压力，提高了港区对外服务质量和作业效率。首创集出港、口岸查验功能于一体的出港闸口集约化布置新方式，实现了疫区集装箱消毒喷淋全覆盖，港区间互拖进港集卡与港外进港集卡分流，提高了互拖集卡的作业效率。    

▍智能化港口全自动化堆场工艺系统及其创新

作为一座超大规模的国际集装箱枢纽港，洋四工程具有“水－水中转”比例高、干支线船舶混合作业、港区间互拖箱作业量大等特点，国际上常用的自动化堆场布局模式不能很好的满足洋四工程的需求。因此设计研发了自动化集装箱堆场无悬臂、单侧悬臂和双侧悬臂三种自动化轨道吊混合布局新模式。与国外采用的单一轨道吊堆场布局模式不同，该模式可根据“水－水中转”比例以及港区间互拖箱量，按照效率与箱容量平衡的原则，合理确定三种形式轨道吊的配置比例和混合布置模式，有效解决了堆场海陆侧轨道吊作业量不平衡、船舶大型化趋势下海侧装卸系统效率要求高、互拖箱装卸成本高和交通组织复杂等诸多难题，提高了全自动化集装箱码头的适应性。

三、超大型智能港口自动化装备成套关键技术及创新

▍超大超重型“无人”远程操控自动化桥吊及其成套关键技术

桥吊起重量为65吨，外伸距为70米，其主小车为除吊具进出船舶舱口作业需人工干预的远程操控以外，其他作业动作包括副小车全部作业及动作，全部为自动化作业模式。采用“双小车+中转平台”的设计。中转平台是主小车与门架小车交互衔接的区域，在这里安装机械臂和传送装置后，可以对集装箱锁钮进行全自动拆装。岸桥上不设置驾驶室，主小车作业时仅在船侧进行取放箱时需要人工介入，其余时段均可自动运行。依托先进的船型扫描系统（SPSS），通过安装在主小车上的3个激光摄像头对整个船型进行实时扫描并建立轮廓地图，借此可以在自动作业过程中获得智能减速和防撞保护功能。门架小车则为全自动作业，且具有极佳的准确性和稳定性。通过实时状态在线监测桥吊运行状况，确保设备的可靠性。

图4.远程控制自动化桥吊（RC-AQC）

▍超大重型全自动化轨道吊及其成套关键技术

自动化堆场垂直于码头布置，其自动轨道式龙门起重机（ARMG）共88台，在海侧对AGV作业及陆侧对外来集卡作业，也是在TOS和ECS控制下，完全自主自动化运行。

全球港口业内首次创新布置三种不同形式轨道吊（无悬臂、单悬臂、双悬臂）方式联合作业，轨道吊采用全电驱动。为确保集卡作业安全，陆侧轨道吊在装卸作业过程中采用自动化加可人工干预的远程操控方式，其余作业过程均为全自动化模式。堆场海侧首创双20英尺吊具轨道吊，提升了轨道吊与岸桥作业工况的匹配度，并可实现完全自动作业模式，可有效提高作业效率。

图5.全自动化轨道吊（ARMG）

▍智能化自动导引小车（AGV）及其成套技术

码头内部水平运输系统，采用自动导引行驶运输车（AGV）共130台，起重量为65吨，速度为6米/秒，采用可自动更换的锂电池，完全由码头操作管理系统（TerminalOperation System, TOS）和设备管理控制系统（Equipment Control System, ECS）共同自主智能控制，实现“无人车”运行。

自动导引车（AGV）是船舶装卸作业的重要运输载体，集装箱通过它从桥吊转运到堆场的海侧支架或悬臂式轨道吊下方，或是从堆场转运到桥吊下。                           

图6.带举升功能可换电池AGV

自动导引车（AGV）采用锂电池驱动,纯电力驱动的自动导引车（AGV）能耗较小，能源效率系数高，无废气排放，绿色环保，且维护成本较低，采用了当今最前沿的技术。自动导引车（AGV）除了无人驾驶、自动导航、路径优化、主动避障外，还支持自我故障诊断、自我电量监控等功能。通过无线通讯设备、自动调度系统和地面上敷设的6万多个磁钉引导，自动导引车（AGV）可以在繁忙的码头现场平稳、安全、自如地穿梭，并通过精密的定位准确到达指定停车位置。同时在此基础上又推出了独特的液压顶升机构，由自动导引车（AGV）升降平台对设置在堆场海侧交接区的固定集装箱支架起、落箱，达到自动导引车（AGV）无需被动等待堆场设备赶来装卸车的目的让自动导引车（AGV）与轨道吊彼此之间无需被动等待，解决了水平运输与堆场作业间的“解耦”问题，有效提高了设备利用率。

四、智能管理控制系统及其创新

自动化码头有序高效运作不仅需要自动化设备，更需要全面配合，系统的智能化水平将直接影响码头运行的安全、能力、成本及效率。洋四工程智能化软件系统的主要由码头操作管理系统（Terminal Operation System, TOS）和设备管理控制系统（EquipmentControl System, ECS）两部分构成，两者组成了这个全新码头的“大脑”与“神经”。各移动设备间及和IT系统间数据和信息通讯，采用华为自主研发的5G通讯技术。

▍智能化港口生产管理系统——TOS系统

智能生产管理控制的TOS系统，由上港集团自主研发，覆盖自动化码头全部业务环节，衔接上海港的各大数据信息平台（包括：业务受理平台、集卡预约平台、数据分析平台、统一调度平台等）；提供智能的生产计划模块、实时作业调度系统及自动监控调整的过程控制系统。结合洋山四期装卸设备的实际特点，创新研发了指令调度架构平台，通过设备调度模块与协同过程控制系统，高效率地组织码头现场生产。包含57个应用场景，1670多个一级业务流程，5800多个算法模型，35000个决策参数等。大量运用集成了AI技术、大数据技术、LoT技术、智能建模技术、进化算法技术、仿真模拟技术等。同时实现了超大型码头多机种协同多业务组合条件下的复杂大系统智能实时在线决策，其性能大大超过国际处于垄断地位的同类系统。

图7.TOS系统及ECS系统结构图

▍智能化港口自动化设备控制系统----ECS系统

洋四工程全自动化设备控制系统ECS，是由上港集团和振华重工联合自主研制。该ECS系统取代了传统设备上的操作人员，把设备和系统有机地协调起来，使它们能够密切地配合，自动高效安全地完成码头操作系统TOS给定的装卸任务，从而实现整个码头智能化运作。ECS系统减少了码头的人力成本和生产过程中的人为干扰因素，特别是减少了安全事故的发生，改善了码头操作人员的工作环境，降低了码头工人劳动强度，提高了码头的作业效率。

ECS系统主要功能及技术创新如下：（1）码头岸线平行于堆场布置的AGV车辆调度方案；（2）AGV车辆的最优路径规划算法；（3）AGV车辆选派与防撞避让的控制算法；（4）堆场轨道式起重机的最优路径调度方法；（5）双小车岸桥平台安全控制算法；（6）实时监控及中控远程操作系统；（7）3D仿真分析系统；（8）自动化码头软件系统热备的冗余方式；（9）大型起重机机械设备目标定位、激光扫描系统；（10）AGV车辆自动导航及定位技术；（11）车辆的无线通讯冗余技术。

▍智能化港口安全安保环境全要素全过程管控系统

洋四工程自动化区域包含了主要的61块自动化轨道吊箱区、自动导引车水平作业行驶区域、换电站、自动导引车维修及测试区域及冷藏箱操作区域等，通过集成化的门禁系统实现自动化营运区域封闭无人化管控，保证安全高效组织自动化区域的各类生产、维修保养及应急抢修。根据不同的需求，共设计了四种类型的门禁，并根据不同的生产组织设计对应的交互控制流程。除此以外，自动化码头门禁系统还包括自动化设备人脸识别智能化门禁系统、堆场陆侧外集卡智能识别管控系统、中心控制室门禁系统、办公区域智能门禁系统、边防码头前沿人员定位管控系统、中心变电站无人监控及照明灯塔智能控制系统、道口进出场智能门禁系统、重点区域人员安全巡检巡查智能管控系统、危险化学品及大件作业箱区重点货物智能管控系统、气象及水文大气质量监控系统、总监控中心集成化智能安全安保系统等。                                                

图8.超大型船舶9台AQC同时作业

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