摘要：建設(shè)全自動化碼頭，是港口業(yè)發(fā)展的新趨勢。洋山港四期是全球最大的智能化碼頭，它將成為全自動化碼頭的“集大成者”，而振華重工智慧集團(tuán)與貝加萊的合作為這個項目的成功提供了保障。本文介紹了該項目的背景、規(guī)劃和工藝目標(biāo)，基于貝加萊先進(jìn)控制技術(shù)和設(shè)備構(gòu)建了碼頭自動化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了對橋吊、AGV卡車等碼頭主要設(shè)備的自動化和智能化控制。洋山港四期碼頭的建成和投產(chǎn)，標(biāo)志了中國港口行業(yè)在運營模式和技術(shù)應(yīng)用上實現(xiàn)了跨越式升級與重大變革。

關(guān)鍵詞：洋山港四期；全自動化碼頭；貝加萊控制技術(shù)；橋吊；AGV卡車

項目背景

全自動化碼頭，是港口業(yè)發(fā)展的新趨勢,也是一項較為典型的通過先進(jìn)技術(shù)獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益與產(chǎn)業(yè)升級效應(yīng)的項目。國內(nèi)的廈門和青島、國外的鹿特丹等港口，都在探索這一方向。

洋山港四期全自動化碼頭受到了國家的高度重視，它是上海全球港口物流中心的重要一環(huán)，也是上海全球航運中心建設(shè)的重要一環(huán)，因此，具有舉足輕重的意義。洋山港四期是全球最大的智能化碼頭，它將以全球最大的規(guī)模和體量，成為全自動化碼頭的“集大成者”。而振華重工智慧集團(tuán)與貝加萊的合作為這個項目的成功提供了保障。

該項目主要由振華重工智慧集團(tuán)提供港口關(guān)鍵設(shè)備及整個港口的運營管理系統(tǒng)?；谶^去在廈門港、青島港等一系列合作的成功案例，振華重工智慧集團(tuán)在該項目上繼續(xù)采用了貝加萊研發(fā)的控制設(shè)備和技術(shù)，為其岸橋、自動軌道吊、AGV自動導(dǎo)引車等重要設(shè)備提供了配套的控制系統(tǒng)。在該項目中，總共有10臺岸橋、40臺自動軌道吊和50臺AGV，而在官方展示的規(guī)劃中，整個洋山港則共規(guī)劃了26臺岸橋，以及超過100臺的大型AGV和軌道吊。

項目規(guī)劃與工藝目標(biāo)

洋山港四期共擁有2350米長的岸線，一次性地建成7個泊位。首期設(shè)備開港后，將形成400萬標(biāo)箱／年的吞吐能力。后期繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模，最終將有26臺岸橋、約120臺軌道吊和超過130輛自動導(dǎo)引運輸車(AGV)投入使用，吞吐量將達(dá)到630萬標(biāo)箱／年。

自動化設(shè)備和技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將推動港口朝著智能化的方向發(fā)展，也將極大地提高港口工人的勞動生產(chǎn)率并改善工作條件。以下的場景將在該項目完成后呈現(xiàn)出來——港口貨船和碼頭貨場上巨大的集裝箱被輕輕抓起又放下，無人駕駛的電動車輛來回穿梭。以往，橋吊司機(jī)坐在高達(dá)50米的控制室里，憑肉眼和手動操作將幾十噸的集裝箱精準(zhǔn)平穩(wěn)地擺放到船上；如今，操作人員只需坐在中控室里，輕點鼠標(biāo)就能完成這一整個過程。

碼頭自動化系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)概述

洋山港四期目前已經(jīng)完成調(diào)試的首批10臺橋吊、40臺軌道吊、50臺AGV（AutomatedGuidedVehicle）將投入開港試生產(chǎn)，根據(jù)規(guī)劃洋山港四期最終將配置26臺橋吊、120臺軌道吊、130臺AGV。依靠這些自動化和智能化設(shè)備，洋山港四期碼頭作業(yè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了無人化自動裝卸。

貝加萊提供了首批設(shè)備的10臺橋吊PC控制器和50臺AGV導(dǎo)航控制器，洋山港四期自動化碼頭系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1洋山港四期碼頭自動化系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2橋吊控制系統(tǒng)

2.2.1基于APC-910的橋吊ACCS解決方案

APC910作為橋吊（QuayCrane）系統(tǒng)的單機(jī)智能控制器，運行著QCMS（QuayCraneManagementSystem）系統(tǒng)和ACCS（AutomaticCraneControlSystem）實時控制系統(tǒng)，連接著上層設(shè)備控制系統(tǒng)（EquipmentControlSystem，ECS）和底層電控系統(tǒng)（西門子PLC+驅(qū)動器），起著單機(jī)主控大腦的關(guān)鍵作用。

2.2.2貝加萊為其自動化系統(tǒng)引入新的解決方案

（1）Windows（或Linux）與Runtime并列運行

貝加萊為其自動化系統(tǒng)提供了一個新一代的解決方案。該解決方案允許Windows或Linux系統(tǒng)與貝加萊自己的實時操作系統(tǒng)（Runtime）并列運行。比方說，它可以使您能夠在單臺PC上將控制和IT應(yīng)用程序結(jié)合到一起，或者可以實現(xiàn)一機(jī)兩用，使工業(yè)PC同時兼具實時控制器和運營服務(wù)器的雙重功能，將預(yù)處理數(shù)據(jù)通過OPCUA發(fā)送到上位系統(tǒng)和云端。

特點:

●兩個操作系統(tǒng)并存在一臺設(shè)備上

如圖2所示，Windows（或Linux）系統(tǒng)與實時操作系統(tǒng)（Runtime）并存在一臺設(shè)備上。

圖2兩個操作系統(tǒng)并存在一臺設(shè)備上

●虛擬網(wǎng)絡(luò)

該解決方案提供虛擬網(wǎng)絡(luò)連接，允許應(yīng)用程序在操作系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。就像通常的以太網(wǎng)接口一樣，這里的數(shù)據(jù)交換使用的是標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。使用一塊未分配給任何一個操作系統(tǒng)的預(yù)留內(nèi)存區(qū)域，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以替代電纜的功能。

●最大柔性

用戶可以在貝加萊的AutomationStudio集成軟件開發(fā)環(huán)境中配置該解決方案，并分配硬件資源。該監(jiān)管軟件的配置是針對每個系統(tǒng)分別定義的，這樣一來，就為資源的利用提供了最大的柔性。

2.2.3基于建模仿真的電子防搖系統(tǒng)

在這個項目中，振華重工智慧集團(tuán)基于貝加萊X20系統(tǒng)為岸橋開發(fā)了全球最為領(lǐng)的先的電子防搖系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的建模仿真技術(shù)，通過在MATLAB/Simulink軟件中對整個岸橋的機(jī)械物理模型進(jìn)行構(gòu)建，對傳感器、控制模型進(jìn)行仿真，獲得最優(yōu)控制模型及參數(shù)，從而使得整個岸橋的速度、定位精度等指標(biāo)達(dá)到了極高的水準(zhǔn)，以滿足洋山港特殊的環(huán)境需求。由于該港口狹長的特點，必須通過更為高效的集裝箱吊裝過程才能提高港口整體吞吐量。

圖3基于建模仿真技術(shù)的岸橋機(jī)械物理模型構(gòu)建

集裝箱吊裝過程中主要存在因曳引繩導(dǎo)致的搖擺和扭轉(zhuǎn)兩種影響吊裝效率的因素，搖擺和扭轉(zhuǎn)會使得吊裝的貨物不能快速定位并準(zhǔn)確地停放于集裝箱運輸車輛上，因此，必須對其進(jìn)行抑制，才能縮短整個吊裝過程，從而提高單位時間內(nèi)的吊裝量，這將影響到碼頭實際的吞吐能力?；诮７抡婕夹g(shù)，可以開發(fā)在各種場景下影響吊裝過程的路徑，同時考慮障礙物、風(fēng)速等因素，并構(gòu)建可重復(fù)使用的穩(wěn)定軟件模塊，這個模塊在mapp中稱為mappCRANE，它專門針對各種吊裝過程，這個mappCRANE不但可以應(yīng)用于岸橋，同樣也適用于其它場合，如天車、大型履帶式設(shè)備等。

另一個必須考慮的因素是對人工的消耗。由于每臺岸橋的駕駛和保障往往需要多人協(xié)同，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)自動吊裝，包括與ERP中集裝箱在船中的位置匹配并形成吊裝過程的規(guī)劃，然后由岸橋分布吊裝任務(wù)并實施基于視覺的檢測，然后進(jìn)行快速穩(wěn)定的吊裝。必須考慮到現(xiàn)場的多種場景，包括是否需要安全區(qū)域、防止碰撞、軌跡上限制及停車等多種因素。

2.3AGV自動導(dǎo)航卡車控制系統(tǒng)

2.3.1基于X20CP1586的導(dǎo)航控制解決方案

AGV體現(xiàn)了自動化碼頭的亮點和特色，是整個自動化碼頭上最能體現(xiàn)智能化和無人化的重要部分。在計算機(jī)指令控制下，40多米高的橋吊會伸出長臂，準(zhǔn)確鎖住集裝箱，將它們從船上抓起再放到AGV自動導(dǎo)航卡車上，裝卸精度以毫米計。裝好集裝箱的AGV自動導(dǎo)航卡車可實現(xiàn)無人駕駛、自動導(dǎo)航、路徑優(yōu)化、主動避障等功能，它的導(dǎo)航儀就是地下埋設(shè)的61483枚磁釘，這些磁釘信號正是通過安裝在AGV上的天線與貝加萊的X20CP1586進(jìn)行實時通訊。

這些精確的定位和自動導(dǎo)航功能均基于貝加萊的X20CP1586控制器。作為運行核心算法的導(dǎo)航控制器，也是AGV電控系統(tǒng)的大腦，通過無線網(wǎng)絡(luò)接收來自中控VMS（VehicleManagementSystem）的任務(wù)指令，采集本地環(huán)境位置信息，根據(jù)遠(yuǎn)程指令，規(guī)劃最優(yōu)路線，驅(qū)動底層電控，到達(dá)指定位置，貝加萊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性關(guān)系到整個自動化碼頭系統(tǒng)的成敗。

2.3.2開放的自動化解決方案平臺

貝加萊的AutomationStudio集成軟件開發(fā)平臺擁有模塊化架構(gòu)和組織的編程環(huán)境，為AGV提供了強(qiáng)大的開發(fā)能力，集成了符合國際標(biāo)準(zhǔn)的IEC61131-3編程語言和功能強(qiáng)大的C/C++高級語言，使得智能設(shè)備的開發(fā)具有更大的靈活性。

在AutomationStudio開發(fā)平臺中，現(xiàn)場總線設(shè)備被添加了相應(yīng)的現(xiàn)場總線接口，可以像I/O模塊一樣進(jìn)行配置，所具有的第三方設(shè)備導(dǎo)入功能為導(dǎo)入其它各個供應(yīng)商的設(shè)備描述程序提供了統(tǒng)一的接口（GSD，EDS等），在AGV小車中使用了很多現(xiàn)場總線協(xié)議，都可以毫不費力地集成進(jìn)來。

針對AGV上許多第三方網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括與中控ECS（EquipmentControlSystem）的網(wǎng)絡(luò)通訊，AutomationStudio提供了EthernetTCP/UDP通信庫，用戶可以通過它創(chuàng)建他們自己的基于TCP/UDP的協(xié)議。

由于AGV屬于移動設(shè)備，加上無人化碼頭的需求，遠(yuǎn)程訪問和遠(yuǎn)程診斷功能是必不可少的。AutomationStudio提供了廣泛的診斷工具用于讀取系統(tǒng)信息并能優(yōu)化系統(tǒng)，借助系統(tǒng)診斷管理器可以通過標(biāo)準(zhǔn)的Web訪問讀取廣泛的目標(biāo)系統(tǒng)信息，并支持多種主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（FTP/VNC/HTTP），實現(xiàn)從文件到HMI（HumanMachineInterface）的遠(yuǎn)程操作。

圖4示出了工程軟件開發(fā)工具與實時網(wǎng)絡(luò)的接口。

圖4工程軟件開發(fā)工具與實時網(wǎng)絡(luò)接口

2.3.3基于模型的導(dǎo)航控制算法開發(fā)

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代，建模、仿真和虛擬調(diào)試等概念正在迅速成為自動化技術(shù)開發(fā)過程中的標(biāo)準(zhǔn)程序。無縫聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)工具、前所未有的靈活性和高效的資源管理，都有助于優(yōu)化開發(fā)流程，使項目更快得以實施和運行。

AutomationStudioTargetforSimulink為MATLAB/Simulink自動代碼生成到貝加萊目標(biāo)系統(tǒng)提供了一個接口。MATLAB?/Simulink?和AutomationStudio仿真和開發(fā)工具使您從開發(fā)模型到生成高質(zhì)量的程序代碼僅需花費幾分鐘時間。支持C、C++和結(jié)構(gòu)文本（IEC61131-3中指定的）語言。使用MATLAB?和Simulink?的基于模型開發(fā)不僅提高了生產(chǎn)質(zhì)量，而且還縮短了開發(fā)時間。

圖5與貝加萊系統(tǒng)100%兼容的標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)

由于洋山港四期自動化碼頭工程的龐大及復(fù)雜性，在設(shè)計調(diào)試AGV導(dǎo)航算法時，AutomationStudio軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)了虛擬調(diào)試環(huán)境，可以通過TCP/IP將目標(biāo)系統(tǒng)連接到Simulink模型，并在運行時雙向交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以直接在Simulink模型中提供給目標(biāo)系統(tǒng)（例如，使用“范圍”或“顯示”）或從Simulink模型中寫入目標(biāo)系統(tǒng)（例如，使用Simulink“增益”或“常量”塊）。

總體來說，貝加萊為岸橋、自動軌道吊、AGV提供了控制系統(tǒng)，通過中央調(diào)度系統(tǒng)，AGV接受來自其所下發(fā)的路徑及路徑速度等信息，控制其路徑準(zhǔn)確定位抵達(dá)指令位置，而這些繁忙的工作現(xiàn)場，貝加萊X20系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，以及對環(huán)境的適應(yīng)力都是整個港口穩(wěn)定工作的保障。

3效益分析

隨著集裝箱船的大型化，集裝箱碼頭面臨吞吐量急劇增加的巨大壓力。加之勞動力成本增加和勞動力資源匱乏，以及環(huán)保理念深入人心，高效節(jié)能的自動化碼頭成為發(fā)展趨勢，而科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步則為自動化碼頭的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。

洋山港四期也是全球綜合自動化程度最高的碼頭，之所以決定要把洋山港四期建成全自動化碼頭，是因為這里的集裝箱泊位長度是2350米，而寬度只有500米。對于傳統(tǒng)碼頭來說非常狹窄，如果按照傳統(tǒng)方式，最大作業(yè)能力也就只有500萬標(biāo)準(zhǔn)箱，而如果設(shè)計成為無人碼頭，則吞吐量可以提升25%，達(dá)到630萬標(biāo)準(zhǔn)箱。

海側(cè)的岸橋全部是自動化遠(yuǎn)程操控，在陸側(cè)使用的軌道吊也實現(xiàn)了自動著箱，海側(cè)軌道吊全部是雙箱自動化軌道吊，自動化雙箱軌道吊，配合自動化雙箱岸橋作業(yè)，可盡快釋放岸線空間，提高碼頭的使用率，能夠提升50%的工作效率，洋山港四期作業(yè)效率將來會達(dá)到40箱/小時，遠(yuǎn)超人工碼頭的作業(yè)效率，實現(xiàn)減少70%的人工。

洋山港四期還在亞洲港口中首次自動導(dǎo)引車（AGV，AutomatedGuidedVehicle）自動換電系統(tǒng)，按照設(shè)計，更換電池全程只需6分鐘，電池充滿電僅需2小時，整個充電過程零排放，可節(jié)省能耗40%以上。

此外，自動化碼頭還能24小時不間斷作業(yè)，保證操作工人人身安全，工作環(huán)境也得到極大改善。

4結(jié)束語

洋山港四期碼頭的建成和投產(chǎn)，標(biāo)志著中國港口行業(yè)在運營模式和技術(shù)應(yīng)用上實現(xiàn)了里程碑式的跨越升級與重大變革，更為上海港進(jìn)一步鞏固港口集裝箱貨物吞吐能力世界第一地位、加速躋身世界航運中心前列提供了全新動力。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，“貝加萊公司的橋式起重機(jī)和AGV控制技術(shù)成功應(yīng)用于洋山港四期的全球綜合自動化程度最高的碼頭，表明了該公司自動化控制技術(shù)達(dá)到了很高水平，其設(shè)備控制技術(shù)在洋山港的成功應(yīng)用，對建設(shè)智能港口、實現(xiàn)無人化自動裝卸提供了經(jīng)驗和借鑒”。

圖6洋山港四期碼頭全貌

參考文獻(xiàn)

[1]貝加萊為港口貨物裝卸區(qū)提供整套控制方案.

[2]未來的自動化港口物流.

[3]基于貝加萊PCC架構(gòu)的自動化碼頭調(diào)度管理與控制系統(tǒng).

作者簡介

周曉霞，女，1966年出生，甘肅省天水市人，本科，高級政工師。88年12月至2007年10月在國企從事宣傳工作，2007年11月至今在貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司市場部負(fù)責(zé)市場支持等工作。

吳洲，男，1985年出生，江蘇啟東人，碩士，資深工程師。2010年12月至今在貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司技術(shù)部負(fù)責(zé)新能源業(yè)務(wù)和港機(jī)（自動化碼頭）業(yè)務(wù)拓展工作。

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