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“变形金刚”南沙港自动作业

“天眼”北斗护航,百辆无人驾驶集装箱卡车穿梭自如;散裂中子源超级显微镜下,物质微观结构和运动规律无处遁形;高速铁路呼啸而过,在全封闭屏障的保护下,小鸟飞梭自如……

在我们的身边,隐藏着众多集全球科技和最新设计、环保理念于一体的超级工程,它们代表着这个行业最顶尖水平,凝聚着众多的设计者、科研人员的心血。今天,就让我们走进超级工程的背后,揭开他们神秘的面纱。

如果你对码头的印象,还停留在有装卸工人熙熙攘攘往来的时代,那只怕是过去式。未来在码头现场桥吊上不再有司机,来往运输集装箱的卡车不再需要驾驶员,依靠码头自动化系统的调配指挥,就可以让码头上如钢铁侠般的轨道吊机,像夹娃娃一样将巨大的集装箱又准又稳地抓起或放下,让无人驾驶的集装箱卡车灵活自如地在码头内穿梭往返,码头集装箱的装卸作业将会实现自动化、智能化。即将于今年8月开工,2021年建成投产的南沙港区四期码头,将成为广州人身边的一项“超级工程”,同时是全球第一个水平运输采用无人驾驶集卡(IGV)的全自动化码头。

高危高难操作交给智能化设备

繁忙的南沙港三期,集装箱码头一望无际:密密麻麻却又整整齐齐的码在一起,一堆集装箱就有差不多上百个,而这样的集装箱堆在整个南沙港三期数不胜数。有数据显示,今年4~6月,广州港南沙三期每月吞吐量均突破40万标箱,当日最高集装箱吞吐量突破1.56万标箱。

如果说集装箱是码头的居住者,桥吊就好像是主宰者。廖师傅是南沙港一期的一名大型桥吊司机。他平时工作的地方,是在高达40米的桥吊上,一个不到6平方米的驾驶室内。小小的空间里只有一张可调节座椅,前方仪表上显示着高度、风速等数据。正是在这样的桥吊驾驶室中,在司机们的妙手操控下,不断刷新着广州港货物吞吐量的纪录。然而,在8小时之内,司机们的工作是枯燥而又辛劳的,连吃饭和上洗手间都不那么方便。

随着南沙港远程控制半自动化技术的推进,司机们可以在后方中控室全程操控设备,一个操控台可同时操控三至四台设备作业,设备会根据监测数据自动规划作业路径,绝大部分由系统自动完成,司机只需在吊具离目标集装箱一米左右时介入抓放箱和开闭锁操作即可,作业的效率与体验都大大提高。

而规划之中的南沙港四期,更是一个全新的“自动化码头”。据了解,南沙港区四期工程无论是海轮码头作业设备,还是集装箱堆场作业设备以及港内外交互区作业设备,都将采取自动化设备。当然,所谓的“自动化码头”,并非指港区空无一人,而是利用机械和计算机替代了操作难度大、危险系数高和重复性强的劳作,设备控制都通过计算机和后方监控人员远程操作进行。

平行布置设计领跑全球码头

目前,自动化码头方案如雨后春笋般涌现,南沙港四期的特别之处在哪里呢?

广州港地处珠江口,造就了南沙港区江海联运模式的特点。据介绍,广州港南沙港区水水中转比例达到百分之七十以上。这使得其主要工艺流向多为平行于码头前沿线,然而目前国内外主要的自动化码头多为堆场垂直布置。此布置与四期工程的主要工艺流向有平面交叉,若依然采用垂直布置,将增长水转水运输线路,提高建设、运营成本,降低装卸效率。

据中交第四航务工程勘察设计院有限公司总工程师、设计大师卢永昌介绍,目前已经或者即将建成的集装箱自动化码头水平运输均采用自动引导车(AGV)联合自动化轨道龙门吊(ARMG)方式。而南沙港区四期工程自动化方案与已经建成的自动化码头不同在于两点:一是集装箱的水平运输创新采用智能行驶车新技术(即IGV),进行码头与堆场之间的水平运输;二是突破全自动化集装箱码头堆场须垂直于码头前沿线布置的桎梏,全球首创了堆场采用水平布置全自动化码头堆场布置形式,IGV可以将集装箱运输至每一个堆场箱区内,是堆场整体布局的升级。

揭秘无人驾驶集装箱卡车

在南沙港区四期的“自动化码头”蓝图之中,“无人驾驶集装箱卡车”技术无疑是关键之钥。广州南沙联合集装箱码头有限公司工程技术部经理黄炳林介绍,“无人驾驶集装箱卡车”简单地说,就是将无人驾驶技术应用到港区内的集装箱卡车上,实现集装箱卡车在满足码头各种装卸工况下的自动驾驶(车上无人)。“巨无霸”无人卡车需要靠北斗卫星调度,再结合地面高精地图,从自动化升级为智能化,成本也可以大幅降低。

设计难点一:

升级传统集装箱卡车

据广州南沙联合集装箱码头有限公司工程技术部经理黄炳林介绍,在单机层面上,一方面需要对传统集装箱卡车进行功能升级,使其具备底盘线控、环境感知、决策规划和车辆控制等自动行驶功能,另一方面需要借助北斗导航系统和本地差分基站等技术,实现“无人驾驶集卡”在港区内的路径规划和精确定位。

设计难点二:

智能化调配

在系统层面上,黄炳林表示,需要开发无人驾驶集卡车队管理系统(简称“ECS”系统),实现一百多台集卡共同作业。ECS系统主要负责无人驾驶集卡的智能路径规划、交通控制及各种异常工况的处理,来满足码头各种业务工况的需要。智能路径规划需要尽量避免集卡空跑,交通拥堵以及最大效率的满足桥吊的装卸需求等,要根据当前集卡位置、设备状态和未来作业计划来统筹管理,非常复杂。交通控制要实现各种交叉路口的交通管理,让优先级高的车辆先通行,避免发生死锁(即集卡互相等待),而且要支持各种转弯方式,同时避免发生碰撞。在与岸桥与轨道吊的交互区域,要实现非常精准的定位,才可以实现岸桥和轨道吊的自动化作业,而岸桥与轨道吊区域有很多钢铁支架,信号遮挡严重,通信不顺畅,定位和数据交互也比较困难。

总之ECS系统是一个复杂的智能系统,要有很强的自我适应能力,而且对集卡定位和数据通信的要求非常高,再加上码头复杂的作业工况,导致整体系统设计难度极大。

设计难点三:

从A到I 从自动化到智能化

目前,南沙港四期“无人驾驶集卡”目前暂时定义为 “IGV”,这也是全国港口领先的创新。国内外大多数全自动码头使用的都是基于磁钉导航的自动化导引车AGV作为水平运输设备,而四期工程采用的是北斗导航的IGV。所谓“AGV”是“Automatic Guided Vehicle”的缩写,也就是自动搬运车;而“IGV”的意思是“Intelligent Guided Vehicle”的缩写,也就是智能搬运车。从A变成I,实际上是从自动化升级为智能化。据了解,IGV比AGV单机的价格降低了70%。中交第四航务工程勘察设计院有限公司事业部副总工程师梁浩向记者介绍,借助北斗导航系统和本地差分基站、港区交通标识标线及惯性导航技术,实现“无人集卡”在港区内的路径规划和精确定位。

最强大脑可复制于传统码头升级

建成之后,广州港南沙港区四期工程将成为华南地区第一个集物联网感知、通信导航、信息网络、大数据云计算和安全防范等先进技术为一体的新建自动化码头——“不仅仅是自动化,而且码头会通过环境感知和导航定位进行决策规划,就像有一个大脑一样自行规划最佳流程。”参与自动化码头设计的舒先生说。

更重要的是,由于南沙港四期自动化码头的部分技术以及成本控制措施具有可复制性,因此在首个全自动化智能集装箱码头出现后,将逐渐对其他码头推广。例如对于已有堆场布置形式为水平布置的老码头,想要改造成为自动化集装箱码头常用的堆场垂直布置,在基础设施的改造投入上是巨大的,改造难度高。而新一代的自动化码头建成后,“堆场水平布置,无人驾驶集卡”方案,为堆场水平布置的传统集装箱码头自动化升级改造提供宝贵的技术借鉴,在未来的码头运营中,南沙港区一二三期都能从四期工程取得宝贵的经验,由传统码头升级改造为局部自动化,乃至全自动化码头。

卢永昌表示,自动化码头是未来港口建设技术发展的大势所趋,随着自动化码头的新建和传统码头自动化改造进程的不断加快,如何在全新的工艺流程的基础上提供更为优化合理的设计是摆在所有港口设计人员面前的一道难题。“广州港南沙四期工程的建设将引领集装箱自动化码头的发展方向,对我国现有码头的自动化升级改造具有借鉴意义。”

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