“智能港口”国家名片: “魔鬼码头”—上海洋山四期全自动化码头
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
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
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
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
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
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
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
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