科技進(jìn)步特等獎(jiǎng) 超強(qiáng)大腦：洋山四期自動(dòng)化碼頭

文/李沖

洋山四期碼頭的ITOS智能系統(tǒng)，使其成為國(guó)內(nèi)全自動(dòng)化碼頭領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。

“西興渡口帆初落，漁浦山頭日未欹。”自古以來(lái)，港口碼頭就是百姓生活的重要依靠。眼下，全球貿(mào)易不斷升級(jí)，港口在其中的重要性不言而喻。

上海作為中國(guó)對(duì)外開(kāi)放的重要海岸城市，臨靠東海，交通便利；趁著改革開(kāi)放的春風(fēng)，上海港重點(diǎn)發(fā)展集裝箱產(chǎn)業(yè)，成為世界第一大港。全球貿(mào)易往來(lái)日益增加，港口吞吐能力和集疏運(yùn)體系成為制約貿(mào)易發(fā)展的主要因素。

2020年，洋山四期碼頭吞吐量達(dá)到420萬(wàn)集裝箱，約占上海港全年吞吐量的十分之一。自動(dòng)化、智能系統(tǒng)成為港口未來(lái)發(fā)展的新方向。

洋山四期碼頭的ITOS智能系統(tǒng)，使其成為國(guó)內(nèi)全自動(dòng)化碼頭領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，“洋山四期超大型自動(dòng)化集裝箱碼頭關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目也因此被評(píng)為上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

開(kāi)建—— 全自動(dòng)化碼頭建設(shè)勢(shì)在必行

如何快速安置貨物、裝卸貨物，找到最優(yōu)路徑一直是港口碼頭提升的關(guān)鍵。

2013年“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè)展開(kāi)的同時(shí)，中國(guó)（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)在同年9月正式掛牌，洋山保稅港區(qū)被納入新成立的自貿(mào)區(qū)內(nèi)，上海對(duì)外貿(mào)易不斷增加。面對(duì)持續(xù)增長(zhǎng)的貨物量，通過(guò)增效挖潛，幾年來(lái)上海港既有集裝箱碼頭交出的吞吐量成績(jī)均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越當(dāng)初的設(shè)計(jì)能力，受制于泊位資源與設(shè)備資源的數(shù)量，高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)法從根本上滿足未來(lái)逐年增高的吞吐量預(yù)期。因此，建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭，提升泊位吞吐能力成為一個(gè)必然的選擇。

“過(guò)往的自動(dòng)化碼頭操控系統(tǒng)采用主從式分級(jí)分層管控模式，計(jì)劃與控制按不同原則分層分級(jí)單項(xiàng)船體，協(xié)同效率低，制約了碼頭整體運(yùn)營(yíng)效率的提升?！鄙虾?guó)際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司副總裁方懷瑾說(shuō)道。

在此背景下，上港集團(tuán)從2014年4月開(kāi)始對(duì)全自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案及可行性進(jìn)行論證分析，2014年末正式投入洋山四期碼頭建設(shè)，決定開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碼頭智能化系統(tǒng)。

2017年12月，洋山四期碼頭建設(shè)成功，正式投入使用。2018年達(dá)到201萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，2019年實(shí)現(xiàn)327萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，2020年突破420萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，成為目前世界上最先進(jìn)的自動(dòng)化集裝箱碼頭之一。

“洋山四期碼頭攻克了無(wú)人設(shè)備全域感知、多體協(xié)同、多活并發(fā)等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與設(shè)備設(shè)施間海量數(shù)據(jù)處理動(dòng)態(tài)協(xié)同與高效可靠，核心功能與性能全面超越國(guó)外產(chǎn)品，能力與效率均居全球自動(dòng)化碼頭首位?！狈綉谚院赖卣f(shuō)。

ITOS智能管控系統(tǒng)—— “超級(jí)大腦”掌握碼頭運(yùn)營(yíng)

從集裝箱控制中心大樓15層向下望，只能看到零星的人影在維護(hù)道路，無(wú)人車(chē)碼頭裝卸車(chē)行駛在路道上，平靜而有序。

“全自動(dòng)化”是洋山四期碼頭最明顯的特征，全自動(dòng)化的背后是“超級(jí)大腦”—ITOS智能管控系統(tǒng)掌控碼頭的運(yùn)行，覆蓋碼頭全場(chǎng)景、全流程作業(yè)。

洋山四期項(xiàng)目之前，由于自動(dòng)化程度有限，需要人工區(qū)控制岸橋卸載集裝箱、尋找集裝箱的擺放位置，在整個(gè)過(guò)程中人工對(duì)于路徑的選擇主要取決于人工的經(jīng)驗(yàn)。由于人工對(duì)于整個(gè)碼頭集裝箱調(diào)配工作的掌控有限，想要達(dá)到更高水平的碼頭裝卸，全自動(dòng)化技術(shù)勢(shì)在必行。

據(jù)上港集團(tuán)技術(shù)中心主任黃秀松介紹，在洋山四期項(xiàng)目建設(shè)初期，集團(tuán)內(nèi)部曾討論是否要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)?！昂髞?lái)我們決定自己做技術(shù)創(chuàng)新，我們有20多年做碼頭（集裝箱運(yùn)輸）的經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)部有能力去設(shè)計(jì)屬于自己的系統(tǒng)?！秉S秀松說(shuō)道。

之后，上港集團(tuán)全面開(kāi)展自主研發(fā)，根據(jù)已有的自動(dòng)化碼頭，構(gòu)建數(shù)據(jù)差異量化模型和相關(guān)算法，解決作業(yè)時(shí)空多變、狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致設(shè)備協(xié)同難的關(guān)鍵問(wèn)題，使系統(tǒng)和設(shè)備間可協(xié)同高效處理海量數(shù)據(jù)，在解放人工的同時(shí)，提高作業(yè)效率。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，自洋山四期碼頭投入生產(chǎn)后，人均勞動(dòng)生產(chǎn)率提高至傳統(tǒng)碼頭的213%。

“兩只手扔三個(gè)乒乓球，壓力不大；但兩只手扔三十個(gè)乒乓球，其難度可想而知?！币源藖?lái)形容ITOS背后的運(yùn)行復(fù)雜程度并不為過(guò)。在目前碼頭運(yùn)行過(guò)程中，“選擇最優(yōu)的集裝箱擺放位置是ITOS系統(tǒng)目前工作的主要內(nèi)容，”黃秀松介紹道，“這其中所需要的運(yùn)算難度不言而喻?！?/p>

“大腦”升級(jí)—— 碼頭吞吐量有望突破600萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱

洋山四期全自動(dòng)化碼頭運(yùn)行機(jī)制，一改原先從業(yè)者在室外岸橋上駕駛室工作的工作方式，人工只需在室內(nèi)查看吊具下方具體位置，鼠標(biāo)點(diǎn)擊“確認(rèn)”即可，使人工從狹窄的駕駛室之中解放出來(lái)?！案纳屏藦臉I(yè)者的工作環(huán)境，對(duì)從業(yè)者身體健康也是一種關(guān)心?！?/p>

面向超大型自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸、堆存、轉(zhuǎn)運(yùn)、進(jìn)出道口等多種作業(yè)場(chǎng)景，洋山四期應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)，從技術(shù)、調(diào)度、工藝和過(guò)程控制等各方面進(jìn)一步提升超大型集裝箱碼頭作業(yè)管理系統(tǒng)，進(jìn)一步減少人工干預(yù)，優(yōu)化資源配置。

隨著項(xiàng)目的不斷完善，集裝箱吞吐量將不斷增加，到2020年，項(xiàng)目完成我國(guó)首個(gè)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超大型自動(dòng)化集裝箱碼頭智能操作系統(tǒng)的升級(jí)研發(fā)，推進(jìn)碼頭運(yùn)營(yíng)效率再次大幅提升，實(shí)現(xiàn)整體岸橋平均臺(tái)時(shí)效率進(jìn)一步提升10%以上，單體碼頭年吞吐能力進(jìn)一步提升50%以上。

提及洋山四期全自動(dòng)化技術(shù)的推廣，方懷瑾介紹，目前“洋山四期超大型自動(dòng)化集裝箱碼頭關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目的成果已經(jīng)在14個(gè)國(guó)內(nèi)外碼頭中得到應(yīng)用，將“中國(guó)智造”推廣到世界。

目前，洋山四期建設(shè)成果顯著，對(duì)開(kāi)創(chuàng)完善中國(guó)版的超大型自動(dòng)化碼頭管控新模式，打破國(guó)外軟件在自動(dòng)化碼頭管理系統(tǒng)上的“一統(tǒng)天下”，實(shí)現(xiàn)我國(guó)智慧技術(shù)港口核心技術(shù)的自主化具有重要意義。