上海洋山深水港區(qū)四期工程（以下簡(jiǎn)稱“洋四工程”）是貫徹國(guó)家“一帶一路”、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略部署，促進(jìn)上海自貿(mào)區(qū)建設(shè)的有力舉措；是加快上海國(guó)際航運(yùn)中心建設(shè)，推進(jìn)上海樞紐港可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步鞏固國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的迫切需要；也是滿足和適應(yīng)長(zhǎng)江三角洲及長(zhǎng)江沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和對(duì)外貿(mào)易發(fā)展，推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型發(fā)展的具體實(shí)踐。洋四工程自2014年12月23日全面開工，歷時(shí)1700余天的艱苦建設(shè)，18個(gè)月細(xì)致全面的設(shè)備及系統(tǒng)調(diào)試，于2017年12月10日開港試生產(chǎn)。洋四工程是迄今為止世界規(guī)模最大、自動(dòng)化程度最高、智能技術(shù)應(yīng)用最廣、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、全“中國(guó)芯”的全自動(dòng)化集裝箱碼頭。因是全自動(dòng)化作業(yè)，整個(gè)碼頭空無(wú)一人，夜間無(wú)需照明，被外界稱為“魔鬼碼頭”。
圖1 洋山四期全自動(dòng)化碼頭全貌
2018年試生產(chǎn)第一年，實(shí)現(xiàn)了吞吐量200萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的規(guī)?；咝Х€(wěn)定運(yùn)行，打破了自動(dòng)化集裝箱碼頭年吞吐量世界最高紀(jì)錄，其效率、服務(wù)、安全和智能管控系統(tǒng)，完全達(dá)到甚至超過(guò)設(shè)計(jì)要求，成為中國(guó)“交通強(qiáng)國(guó)”、“綠色交通”、“智慧交通”及“一帶一路”發(fā)展的又一張國(guó)家名片。
一、工程概述
洋四工程，位于上海浦東新區(qū)杭州灣內(nèi)，東海大橋以南，地處整個(gè)洋山深水港區(qū)最西側(cè)，依托顆珠山島及大、小烏龜島圍海填筑形成，平均陸域縱深約500米，總用地面積223.16萬(wàn)平方米。工程泊位岸線總長(zhǎng)約2770米，其中集裝箱碼頭泊位長(zhǎng)2350米、輔助工作船泊位長(zhǎng)350米，共建設(shè)7個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)15萬(wàn)噸級(jí)集裝箱泊位（遠(yuǎn)期可以升級(jí)為20萬(wàn)噸級(jí)），設(shè)計(jì)年通過(guò)能力初期為400萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，遠(yuǎn)期為630萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，總投資為140億元人民幣。
碼頭工程裝卸工藝系統(tǒng)采用“遠(yuǎn)程自動(dòng)化集裝箱岸橋＋自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車＋自動(dòng)軌道式龍門起重機(jī)”方案。全系統(tǒng)三大重型港口機(jī)械設(shè)備，包括26臺(tái)遠(yuǎn)程自動(dòng)化集裝箱岸橋，130臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車和88臺(tái)自動(dòng)軌道式龍門起重機(jī)，全部為電力驅(qū)動(dòng)，都沒(méi)有配備司機(jī)駕駛室，實(shí)現(xiàn)了全流程的“無(wú)人化”智能控制自動(dòng)運(yùn)行。
圖2 洋山四期碼頭前沿區(qū)
二、超大型智能港口工程設(shè)計(jì)成套技術(shù)及創(chuàng)新
▍智能化港口堆場(chǎng)總體布局設(shè)計(jì)新模式及其技術(shù)創(chuàng)新
圖3.設(shè)備調(diào)試期的洋山四期全景
▍智能港口閘口分布式設(shè)計(jì)及功能集約化一體化
結(jié)合傳統(tǒng)集裝箱碼頭的閘口功能及布局，基于全自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)對(duì)外來(lái)車輛的信息質(zhì)量要求高、自動(dòng)化堆場(chǎng)蓄車能力低的特點(diǎn)，洋四工程首創(chuàng)了“預(yù)檢、分流和放行”三級(jí)進(jìn)港智能閘口布置新方式。進(jìn)港閘口設(shè)置預(yù)檢、分流和放行閘口，在分流和放行閘口之間設(shè)置具有車輛調(diào)峰、調(diào)箱門、稱重及冷藏箱預(yù)檢等功能的港外集卡緩沖停車場(chǎng)，加強(qiáng)了進(jìn)港車輛的管理，大大緩解了港內(nèi)交通壓力，提高了港區(qū)對(duì)外服務(wù)質(zhì)量和作業(yè)效率。首創(chuàng)集出港、口岸查驗(yàn)功能于一體的出港閘口集約化布置新方式，實(shí)現(xiàn)了疫區(qū)集裝箱消毒噴淋全覆蓋，港區(qū)間互拖進(jìn)港集卡與港外進(jìn)港集卡分流，提高了互拖集卡的作業(yè)效率。
▍智能化港口全自動(dòng)化堆場(chǎng)工藝系統(tǒng)及其創(chuàng)新
三、超大型智能港口自動(dòng)化裝備成套關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新
▍超大超重型“無(wú)人”遠(yuǎn)程操控自動(dòng)化橋吊及其成套關(guān)鍵技術(shù)
圖4.遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化橋吊（RC-AQC）
▍超大重型全自動(dòng)化軌道吊及其成套關(guān)鍵技術(shù)
全球港口業(yè)內(nèi)首次創(chuàng)新布置三種不同形式軌道吊（無(wú)懸臂、單懸臂、雙懸臂）方式聯(lián)合作業(yè)，軌道吊采用全電驅(qū)動(dòng)。為確保集卡作業(yè)安全，陸側(cè)軌道吊在裝卸作業(yè)過(guò)程中采用自動(dòng)化加可人工干預(yù)的遠(yuǎn)程操控方式，其余作業(yè)過(guò)程均為全自動(dòng)化模式。堆場(chǎng)海側(cè)首創(chuàng)雙20英尺吊具軌道吊，提升了軌道吊與岸橋作業(yè)工況的匹配度，并可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)作業(yè)模式，可有效提高作業(yè)效率。
圖5.全自動(dòng)化軌道吊（ARMG）
▍智能化自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）及其成套技術(shù)
自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）是船舶裝卸作業(yè)的重要運(yùn)輸載體，集裝箱通過(guò)它從橋吊轉(zhuǎn)運(yùn)到堆場(chǎng)的海側(cè)支架或懸臂式軌道吊下方，或是從堆場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)到橋吊下。
圖6.帶舉升功能可換電池AGV
自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）采用鋰電池驅(qū)動(dòng),純電力驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）能耗較小，能源效率系數(shù)高，無(wú)廢氣排放，綠色環(huán)保，且維護(hù)成本較低，采用了當(dāng)今最前沿的技術(shù)。自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）除了無(wú)人駕駛、自動(dòng)導(dǎo)航、路徑優(yōu)化、主動(dòng)避障外，還支持自我故障診斷、自我電量監(jiān)控等功能。通過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備、自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)和地面上敷設(shè)的6萬(wàn)多個(gè)磁釘引導(dǎo)，自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）可以在繁忙的碼頭現(xiàn)場(chǎng)平穩(wěn)、安全、自如地穿梭，并通過(guò)精密的定位準(zhǔn)確到達(dá)指定停車位置。同時(shí)在此基礎(chǔ)上又推出了獨(dú)特的液壓頂升機(jī)構(gòu)，由自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）升降平臺(tái)對(duì)設(shè)置在堆場(chǎng)海側(cè)交接區(qū)的固定集裝箱支架起、落箱，達(dá)到自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）無(wú)需被動(dòng)等待堆場(chǎng)設(shè)備趕來(lái)裝卸車的目的讓自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）與軌道吊彼此之間無(wú)需被動(dòng)等待，解決了水平運(yùn)輸與堆場(chǎng)作業(yè)間的“解耦”問(wèn)題，有效提高了設(shè)備利用率。
四、智能管理控制系統(tǒng)及其創(chuàng)新
自動(dòng)化碼頭有序高效運(yùn)作不僅需要自動(dòng)化設(shè)備，更需要全面配合，系統(tǒng)的智能化水平將直接影響碼頭運(yùn)行的安全、能力、成本及效率。洋四工程智能化軟件系統(tǒng)的主要由碼頭操作管理系統(tǒng)（Terminal Operation System, TOS）和設(shè)備管理控制系統(tǒng)（EquipmentControl System, ECS）兩部分構(gòu)成，兩者組成了這個(gè)全新碼頭的“大腦”與“神經(jīng)”。各移動(dòng)設(shè)備間及和IT系統(tǒng)間數(shù)據(jù)和信息通訊，采用華為自主研發(fā)的5G通訊技術(shù)。
▍智能化港口生產(chǎn)管理系統(tǒng)——TOS系統(tǒng)
圖7.TOS系統(tǒng)及ECS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
▍智能化港口自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)----ECS系統(tǒng)
ECS系統(tǒng)主要功能及技術(shù)創(chuàng)新如下：（1）碼頭岸線平行于堆場(chǎng)布置的AGV車輛調(diào)度方案；（2）AGV車輛的最優(yōu)路徑規(guī)劃算法；（3）AGV車輛選派與防撞避讓的控制算法；（4）堆場(chǎng)軌道式起重機(jī)的最優(yōu)路徑調(diào)度方法；（5）雙小車岸橋平臺(tái)安全控制算法；（6）實(shí)時(shí)監(jiān)控及中控遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)；（7）3D仿真分析系統(tǒng)；（8）自動(dòng)化碼頭軟件系統(tǒng)熱備的冗余方式；（9）大型起重機(jī)機(jī)械設(shè)備目標(biāo)定位、激光掃描系統(tǒng)；（10）AGV車輛自動(dòng)導(dǎo)航及定位技術(shù)；（11）車輛的無(wú)線通訊冗余技術(shù)。
▍智能化港口安全安保環(huán)境全要素全過(guò)程管控系統(tǒng)
洋四工程自動(dòng)化區(qū)域包含了主要的61塊自動(dòng)化軌道吊箱區(qū)、自動(dòng)導(dǎo)引車水平作業(yè)行駛區(qū)域、換電站、自動(dòng)導(dǎo)引車維修及測(cè)試區(qū)域及冷藏箱操作區(qū)域等，通過(guò)集成化的門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化營(yíng)運(yùn)區(qū)域封閉無(wú)人化管控，保證安全高效組織自動(dòng)化區(qū)域的各類生產(chǎn)、維修保養(yǎng)及應(yīng)急搶修。根據(jù)不同的需求，共設(shè)計(jì)了四種類型的門禁，并根據(jù)不同的生產(chǎn)組織設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的交互控制流程。除此以外，自動(dòng)化碼頭門禁系統(tǒng)還包括自動(dòng)化設(shè)備人臉識(shí)別智能化門禁系統(tǒng)、堆場(chǎng)陸側(cè)外集卡智能識(shí)別管控系統(tǒng)、中心控制室門禁系統(tǒng)、辦公區(qū)域智能門禁系統(tǒng)、邊防碼頭前沿人員定位管控系統(tǒng)、中心變電站無(wú)人監(jiān)控及照明燈塔智能控制系統(tǒng)、道口進(jìn)出場(chǎng)智能門禁系統(tǒng)、重點(diǎn)區(qū)域人員安全巡檢巡查智能管控系統(tǒng)、危險(xiǎn)化學(xué)品及大件作業(yè)箱區(qū)重點(diǎn)貨物智能管控系統(tǒng)、氣象及水文大氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、總監(jiān)控中心集成化智能安全安保系統(tǒng)等。
圖8.超大型船舶9臺(tái)AQC同時(shí)作業(yè)
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