千年海港装上“超级大脑”
探访广州港南沙港区四期全自动化码头
中央纪委国家监委网站 陈瑶
5月9日，南沙四期码头上正在进行装卸作业。 本报记者 陈瑶 摄
南沙四期码头司机远程操控作业。记者 陈瑶 摄
IGV按照指令，完成集装箱的运载任务。 记者 陈瑶 摄
南沙四期码头全流程调试作业。肖逸飞 摄
地处龙穴岛中部，西面紧邻广东佛山、中山，向东与深圳、东莞一水之隔，距离香港、澳门约40海里……处在粤港澳大湾区心脏腹地的广州港南沙港区，凭借先天地理优势，为续写2000多年长盛不衰的大港奇迹注入源源动力。
2022年7月28日，广州港南沙港区四期全自动化码头（以下简称“南沙四期码头”）正式投入运行。港区面积约120万平方米，建有4个10万吨级海轮泊位及配套集装箱驳船泊位，年设计通过能力为490万标箱。运行近一年后，集装箱测试吞吐量达92万标箱，南沙港区集装箱年通过能力稳步提升至2400万标箱，位居全球单一港区前列。
记者近日走进南沙四期码头，探寻它的智能密码。
智能化做加法，安全性更有保障
站在智控中心大楼顶层，南沙四期码头尽收眼底。
“这会儿码头比较忙。”此时是5月9日上午10点。记者循着广州港股份有限公司总经理陈宏伟手指的方向看去，南沙四期码头3个海轮泊位已被占满。仔细观察，智能化都藏在细微处——
近端的交货区，不时有刚入闸的重型拖挂车驶入。“进闸时刷个卡，车辆和装卸货信息就能马上显示，直观又便捷。”广州南沙经济技术开发区海和船务代理有限公司总经理吴家麒说，只要在指定区域停留一会儿，即可完成集装箱装卸。
如果说交货区是“前台”，紧挨着的堆场就是“后仓”，有35台悬臂式轨道吊正在作业。“它们就像‘理货员’，不仅要负责将集装箱放到位，还要在接到指令后自动进行翻倒箱，完成堆场集装箱收箱与出箱。”陈宏伟说。
最忙碌的还要数橙色的智能导引车（Intelligent Guided Vehicle，简称IGV）。它取代了传统码头拖车的职能，负责码头前沿和堆场间的集装箱水平运输。粗略计算，为了装卸3艘海轮的货物，码头派出了50辆IGV。
有趣的是，忙碌似乎只属于这些机械、设备。放眼看去，码头陆域之上，竟空无一人。
“IGV是南沙四期码头的一大亮点，其驾驶级别相当于无人驾驶L4级，非常智能。”南沙四期码头总经理助理黄炳林介绍，通过卫惯导航定位系统、激光雷达、视觉以及多传感器融合定位技术的配合应用，IGV可自动规划最优路径，在码头堆场间自由穿梭，精准抵达每一个箱位。
据了解，IGV满载时速21.6公里/小时，忙时日均里程可达55公里。为确保高强度高速率运转，研发人员设置了四重安全保障。“第一重从系统层面设计了安全区域，若发生安全区域重叠就会触发刹车系统。第二重来自激光雷达的保障，每辆IGV的激光雷达灵敏度高，在通电状态下能够在最短时间发现障碍物。”黄炳林介绍，IGV前后端的防撞杆，则是从车体结构上给予保护。此外，还借助辅道视觉确保车辆运行保持中位，只走直线。
自动化集装箱码头领域中大规模应用自动化单小车岸桥，可使作业流程简化，提高装卸效率和精准性，它也是IGV的搭档。南沙四期码头已配置的10台岸桥，“腿”长“臂”直，每台都装有26个摄像头，其中6个是球机，能实现对现场情况的全方位监控。
记者了解到，自动化单小车岸桥与传统岸桥的最大区别，是将司机室挪到了几百米外的智能操控中心。“搬迁”后的司机室其实就是一个大开间，可以同时容纳20多位司机同时作业。“自动化单小车岸桥配备自动防摇防扭、船型扫描、防撞保护、智能着箱、光学字符识别（Optical Character Recognition，简称OCR）等功能，通过高清全数字视频采集系统，可实现对集装箱船舶的智能装卸作业和对IGV的全自动装卸。”黄炳林介绍，与之前相比，现在岸桥司机在电脑屏幕前轻推摇杆，岸桥就能按照信息系统自动发布的指令精准地抓取船上的集装箱。
突破“卡脖子”技术，全自动化码头信息系统中国造
“要建设一个全国产自动化码头。”2019年，南沙四期码头总经理何业科的这句豪言壮语，引起参与迪拜码头智能化解决方案交流论坛的国际专家热议。
这些声音绝大多数是质疑，甚至是否定的。因为在当时技术条件下，精准定位、最优路径规划几乎难以实现。可南沙四期码头做到了，还提供了“广州方案”。
南沙四期码头集物联网感知、大数据分析、北斗导航、人工智能、5G通信等先进技术为一体，制定了全球首创“自动化单小车岸桥+IGV+堆场平行布局侧面装卸+国产软件系统+港区全自动化”全新一代自动化集装箱码头技术路线，以及具有中国特色的智能化集装箱码头设计方案。
“技术路线具有自主可控、可复制可推广等特点，创造了多项纪录：全球最大的平行布局全自动化码头，全球首创北斗导航无人驾驶智能导引车，全球首创拥有完全自主知识产权的全自动化码头信息系统。”陈宏伟说。
以码头的布局为例。与全球现有的自动化码头多数使用垂直布局不同，南沙四期码头采取传统平行布局方式。黄炳林解释，平行布局能有效改变垂直布局堆场中轨道吊“全场跑”、集卡车“场外等”的问题，具有自动化轨道吊“少跑路”、IGV在场内“自由行”的特点，降低能耗的同时还有利于轨道吊的灵活调度，有效提升生产作业效率。“同时，堆场平行布局与传统码头堆场布局方式相同，具备新技术大规模复制应用的经济性、实操性，南沙四期码头的先进技术对传统集装箱码头自动化升级改造以及新一代自动化码头建设都具有重要借鉴意义。”
作为自动化码头，南沙四期码头的智能化，来自于“湾区芯”为码头配置的“超级大脑”——拥有完全自主知识产权的全自动化码头信息系统。它包括码头操作系统（Terminal Operating System，简称TOS）、调度系统和设备控制系统、智能闸口、智能理货系统等，可为自动化设备运行、交互、集装箱装卸、堆存、转运、进出闸口等多种作业场景调度最优资源、规划最优路径，从决策端到执行端保障全自动化码头的安全性和高效性。
由于“广州方案”的首创性，当时国内行业没有一家现成的信息系统能够支持南沙四期码头的工艺特点，系统的研发相当于从零做起。
首先是谁来做。“我们是幸运的。”陈宏伟说。秉承“坚持本土创新，打造民族品牌”的理念，南沙四期码头得到了多家国内民族品牌企业的大力支持。项目的设计方是中交四航设计院，施工方中交四航局，设备制造商上海振华重工，系统开发商烟台华东电子，5G设备供应商华为，IGV动力电池供应商比亚迪，北斗导航为海格通信，无人驾驶、视觉定位等技术均由国内知名企业研发支持。同时也运用了港科大（广州）、华南理工大学、同济大学、北京邮电大学等高校的最新科研成果。
5月10日，TOS系统迎来投入运行以来的第10次更新，这版系统主要是解决在岸桥下面进出通道拥堵的问题。
自2021年1月，自动化设备陆续抵达南沙四期码头现场并开展调试工作以来，类似的升级调试始终在进行。在黄炳林看来，自动化信息系统的开发是一个不断调试的过程。“就像教育孩子一样，通过大量作业数据，让系统适应环境需求，从熟练走向高效。”
亚热带沿海的暴晒与连续降雨，是影响码头作业的重要因素。面对自然环境的挑战，“广州方案”的考验来得总是猝不及防。
2021年的一个傍晚，正在码头作业的IGV突然集体“罢工”，朝着夕阳的方向“观赏日落”。从未遇到过的突发情况，让研发团队有些“蒙圈”。在故障排除中发现，视觉影像系统就像人的眼睛，遇到强光会因眩光产生视觉盲区，导致IGV自动停止。“现在的IGV已经能通过算法智能识别出哪些是眩光，哪些是危险。”黄炳林说。
如果把每次技术突破比作游戏闯关，“广州方案”关关难闯、关关相连，有时需要多个角色、设备的联手，有时要提防关卡的“突袭”。尽管每次的闯关难度不同，研发团队的目标和态度始终如一：要攻克“卡脖子”问题，打破国外自动化码头的技术垄断，打造一个技术精湛、最智慧的中国式自动化码头。
讲求效率、经济实惠，复制推广潜力大
作为全球首个江海铁多式联动全自动化集装箱码头，南沙四期码头具备同时作业4艘大船和16艘驳船的能力，“江海联运”流程可以在自动化区域内完成，有效提高“水水中转”作业效率。
通过几天走访，记者发现讲求效率、经济实惠是南沙四期码头的一个特点。
南沙四期码头共创造了70多项专利，其中发明专利30多项，从设备制造到系统开发都实现了国产化。“技术掌握在自己手里，舒心又实惠。”陈宏伟给记者算了一笔账，如果使用国外自动化码头的技术系统，除支付1亿元人民币的购买费外，每年还有10%的升级费、专利费，“性价比”极低。
IGV的性价比优势也十分显著。从制造成本看，与当前流行的自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，简称AGV）相比，IGV轮胎的造价仅是它的1/2，使用寿命却是其2倍。
从推广普及性看，AGV的磁钉导航方式对场地要求苛刻。一些传统集装箱码头选用磁钉方案的话，需要把地面全部重新翻铺一遍，工程量巨大，建设成本和维护成本高。而北斗、激光和视觉导航定位技术，让IGV行驶无需借助磁钉导航。
从供能续航看，IGV采用锂电池变频驱动形式和定点自动充电的设计理念，能根据自身电量状态，确定是可以“忙完手头的活儿再充电”还是“先充电再干活”，以此保障一天24小时续航效能。
从AGV到IGV，是自动化向智能化的升级。整个南沙四期码头项目，则是劳动密集型产业向自动化智能化转变。同等规模下，智能化改造后的码头，每年可节约人工成本1亿多元。
广州市南沙区商务局副局长林瀚宇认为，“广州方案”的意义在于它的复制、推广示范，无论是国内市场还是国际市场，都具有比较强的竞争力，尤其是国外市场，人工成本的降低无疑是一大卖点。
记者了解到，目前广州港将此模式复制应用在南沙港区三期集装箱码头，正逐步推动传统集装箱码头向半自动化、全自动化升级改造。
广州港是大湾区内最大的综合性港区，又是“一带一路”沿线的重要港口，区域优势显著，未来可期。“随着南沙四期码头投入运行，与南沙港区前三期码头协同联动，将进一步提升广州港专业化、规模化、智能化水平，为南沙打造高水平对外开放门户枢纽提供强有力支持。”林瀚宇说，朝着全球最前沿的自动化码头技术探索方向，瞄准全球最大的集装箱船停泊条件，南沙港区第五期规划作为交通强国建设工程之一，已被写入国家“十四五”规划。
