自动化码头装备创新与展望

  码头是水运中的重要节点。自动化码头是指船舶装卸、水平运输、堆场作业等所有或部分主要作业环节的设备按照系统设定的作业流程，自动实现装卸作业和储运的码头。自动化码头是智慧港口的重要基础，更是水运行业加快发展新质生产力、扎实推进高水平发展的重要体现。

  自党的十八大召开以来，习多次亲临港口码头视察，并作出了“经济强国必定是海洋强国、航运强国”“经济要发展，国家要强大，交通特别是海运首先要强起来”“要志在万里，努力打造世界一流的智慧港口、绿色港口”等具有深远意义的重要指示。这些指示不仅对新时代港口发展寄予了殷切期望，并且明确了发展趋势，提供了根本遵循。

  在这一背景下，中央、国务院先后制定印发了《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》。为贯彻落实这些决策部署，交通运输部单独或联合其他部委出台了《关于加快智慧港口和智慧航道建设的意见》等十余项重要政策文件。这些文件提出了有序推进集装箱码头和大宗干散货码头作业自动化的目标，并在远程操控、无人驾驶等方面对港口装备的自动化和智能化发展提出了明确要求，从而有力地推动了我国自动化码头的快速发展。

  目前，我国已经建成 52 座自动化码头，无论是在应用规模还是技术水平上，都居于世界前列。

  自动化码头装备技术正逐步向高端化、数智化以及绿色化方向创新发展。这不仅推动了中国式现代化在我国港口场景的落地应用，也是奋力加快建设交通强国在港口生产经营、管理、技术等方面的具体呈现。

  我国拥有众多港口，各类码头的自动化和智能化典型应用场景十分丰富。在技术层面，集装箱码头岸边、水平运输、堆场装备等已可以在一定程度上完成自动化运行；干散货码头的装卸船机、堆取料机等已基本实现自动化或远程控制运行；通用码头的门座起重机在自动化或远程控制方面也取得了技术上的突破。我国的自动化码头装备在集装箱码头和干散货码头得到了广泛而深入的创新应用，展现出了不同的技术特点。

  我国的自动化集装箱码头借助机器视觉、北斗定位、组合导航等技术，取得了众多创新成果。部分港口企业自主研发了码头操作系统（TOS）和设备管理调度系统（ECS），基本掌握了设计建造、装备制造、系统集成和运营管理全链条的关键技术。

  目前，我国已建成了上海洋山港四期、青岛港新前湾、广州港南沙四期等 20 余座自动化集装箱码头，变成全球上拥有此类码头数量最多的国家。

  传统作业过程中，岸桥司机需要长时间低头工作，容易感到疲劳，且作业效率因个人差异而有所不同。

  相比之下，自动化岸桥在传统自动控制技术应用的基础上，进一步融合了数字化和智能化技术。它综合运用了船型扫描、箱号识别、吊具防摇－防扭、集卡定位、视频监控等多项先进的技术。除了在海侧抓放集装箱、拆卸和挂锁环节仍需人工介入外，其余作业环节均实现自动化运行。

  传统集装箱码头水平运输主要依赖人工驾驶的集装箱牵引车，司机易疲劳，增加了事故发生的概率。在与岸桥和场桥交互过程中，定位精度低和稳定能力差的问题尤为突出。

  然而，随技术的慢慢的提升，集装箱自动导引车（AGV）和无人集装箱牵引车等多样化的运输装备快速地发展，并在集装箱码头实现了大量应用。北斗、磁钉、激光雷达等多源融合的组合导航技术在水平运输装备中的广泛应用，实现了高精度的定位。基于智能化路径规划算法和高效交通控制技术的多车调度控制管理系统，确保了车辆群的安全和高效运行。在有人和无人集装箱牵引车混行方面，多个码头已经进行了技术探索、研发和应用，取得了积极的进展。

  传统堆场装卸作业中，司机手动操作吊具时常常会遇到设备晃动的问题，增加了操作难度。此外，每台设备都需要配备一名司机，导致司机与设备配比较高，进而影响了生产效率的稳定性。

  然而，通过将激光雷达、机器视觉等多源感知技术进行深层次地融合，确保了设备自动运行，实现了抓放箱精确控制。国产可编程逻辑控制器（PLC）、变频器等技术在堆场装卸装备中开展了试点应用，自动化轨道吊全链条国产化取得突破。目前，多个集装箱码头正在积极进行轮胎吊全自动化作业技术的攻关工作。

  通过综合运用激光扫描、三维重构等多项创新技术，干散货码头实现了装卸船机、堆取料机、带式输送机、火车翻车机、装车机等工艺装备的少人化或无人化运行。码头装卸、堆场仓储、物料输送、车辆收发、防尘抑尘等多种作业环节，通过生产管控系统实现了统一协同的全流程自动化运行。目前，我国已建成包括秦皇岛港、天津港、黄骅港等在内的近 30 座自动化干散货码头。

  通过综合集成装船机整机防碰、船舶姿态与位置检测、舱口识别及舱内物料检测等系统，实时且准确地获取船舶舱口和物料等关键位置数据。借助路径规划与轨迹控制等算法，实现了装船机的自动化运行。

  桥式抓斗卸船机通过集成定位、货船扫描、视觉检测、防撞、自动排产等系统，实现了单机或多机协同的半自动卸船作业。抓斗门机运用北斗差分定位系统和多源传感融合的机器视觉技术，实现了抓斗位姿的实时跟踪与闭环运动控制。

  堆取料机作为干散货堆场作业的核心设备，综合运用了激光扫描、北斗定位、视频监控和人工智能等技术，使得堆场物料的快速 3D 建模成为可能，并通过人工智能的计算能力，得出最优的堆取料策略。该设备可实现一对多的远程操作模式，且仅在底层清料作业环节需要人工介入。

  总体而言，通过科学技术创新和数智赋能，我国自动化码头装备取得了一系列创新成果。装备的自动化、智能化和安全化水平得到了全面提升，部分关键核心技术取得了突破性进展，部分领域实现了由“跟跑”向“并跑”“领跑”的转变，在大型港口装备的研发与制造，以及新材料、新技术、新能源的港口应用方面，我国已经走在了世界前列，为智慧港口的建设注入了强劲动能。

  具体体现在三个方面：首先，自动化码头装备在自动化运行方面取得了技术突破并成功应用，实现了港口的少人化、无人化运行，大幅度降低了人员安全风险，提升了港口整体作业效率。其次，TOS 等一体化协同生产作业平台成为自动化码头建设过程中的重点，通过运用大数据、人工智能等技术，提升了生产运营管理和对外服务的全流程智慧化水平。第三，部分港口企业在装备及其部件国产化替代方面开展了成功探索，进一步促进了港口装备自主可控。

  近年来，部分通用码头、件杂货码头企业在生产作业自动化改造技术方面开展了创新探索，采用自动化门机、智能料斗、无人水平运输车辆、堆场自动堆取料等装备实现了典型场景的自动化应用示范。这些探索为通用码头和件杂货码头未来的自动化升级提供了技术参考。

  此外，我国在自动化码头建设技术标准的制定方面也取得了较大进展，对带动和支撑自动化码头建设发展发挥了引领作用。同时，交通运输部也在推动有关技术和标准“走出去”，中国的自动化集装箱码头建设技术方案已走出国门，在部分国家港口也得到了较好的应用。

  创新发展是支撑我国港口发展的第一动力。随着新一轮科技革命和产业革命的深入，数字孪生、人工智能等前沿技术与港口业务的融合应用将加速，从而提升港口运营的智慧化水平。自动化码头装备将向数智化和韧性化的方向发展，未来港口将真正的完成装卸作业无人化和码头生产管控全面智慧化，自动化码头装备创新将迈入新一轮高水平发展的阶段。展望未来，作者觉得自动化码头装备在三个方面仍需加强相关工作。

  首先，部分自动化码头装备及技术难点亟待突破。尽管近年来自动化码头装备和技术发展迅速，但目前国内外自动化码头尚未实现完全自动化。在集装箱码头装卸船作业全无人化、集装箱自动摘挂锁、有人和无人集装箱牵引车混行，干散货码头卸船作业全无人化、卸船清舱作业自动化、堆场余料清理自动化等环节任旧存在技术难点，有待进一步突破。通用码头、件杂货码头由于货物种类非常之多，装卸作业涉及多种不同的工艺、装备及工具，在自动化探索方面刚刚起步，仍有许多技术难点需要突破。

  其次，一些自动化码头新装备新工艺研发技术需要加强。在新型装卸装备方面，集装箱穿越式双小车岸桥、螺旋带斗式连续卸船机、水泥链斗卸船机、内河大水位差连续卸船机等装备研发取得了一定成果，未来仍需加强研发；在船岸协同方面，智能系泊是船岸协同的关键环节，目前智能系泊技术在国外逐步推广应用，我国智能系泊装备技术自主研发工作刚刚起步；在新型装卸工艺方面，国外慢慢的开始建设新型集装箱立体集疏运系统，我国在智能空轨新型集疏运方面也进行了有效探索，未来在立体集疏运系统及配套装备领域仍需要开展大量研发工作。

  第三，现有自动化码头装备和技术的应用导致港口码头企业面临着与传统码头不同的生产保障安全问题。一是码头稳定的生产作业高度依赖各装备技术的可靠性，一旦某一环节或设备出现故障，将直接影响自动化码头整体运行的效率和安全。二是在实际运行过程中，存在定位信号干扰、网络通信干扰，甚至恶意入侵等风险，会给自动化码头运行带来安全风险隐患。三是采用了大量锂电池驱动的流动机械，码头内锂电池装备充电、存储、使用等环节存在一定安全风险。同时，现有自动化码头使用了较多进口设备和系统，例如智能感知设备、变频驱动系统、PLC 等，没办法实现全部自主可控。

  自动化码头装备的创新发展将与智慧港口未来发展相适应，与智慧航道、智能船舶等装备技术发展密切衔接，共同构建并形成更高质量的智能航运体系，为世界一流港口建设和加快交通强国建设提供重要支撑。

  （本文作者李清系交通运输部水运科学研究院副院长，王世宁系水运院工艺与装备技术研究中心副主任，顾群系水运院电气控制与信息通信技术研究中心主任）