洋山四期工程项目

　　1、项目背景与研究意义

　　党的十八大、十九大提出建设“创新强国”和“交通强国”，洋山四期是建设上海国际航运中心这一国家战略的重大工程。上海港作为世界第一大集装箱港口，建设超大型自动化智能化集装箱码头是适应智慧港口、绿色港口、智能制造等创新发展的时代要求的必然选择。长期来，自动化码头的成套核心技术掌握在欧美发达国家手中,若无法打破该局面，则中国港口的能级提升和科技创新能力将长期受制于人。为此，上港集团在国家的支持下，确定以自主研发与掌握自动化码头成套核心技术作为港口科技发展的主攻方向。以上港集团为主要完成单位的项目组在自动化集装箱码头管控系统、总体布局和智能装备等核心技术领域，取得了多项具有完全自主知识产权的原始创新成果，打破垄断，填补了国内外空白，核心技术实现了对国际先进水平的反超。

　　洋山四期工程项目聚焦超大型自动化集装箱码头管控系统、总体布局和智能装备等核心技术进行自主研发，取得了成套自主可控的创新成果，突破了国内外集装箱码头自动化技术的关键瓶颈，是我国港口技术创新的集中体现。

　　2、主要创新成果

　　洋山四期是上海国际航运中心集装箱枢纽港的核心港区之一，其干支线航线聚集，陆水交互作业形态复杂，船舶大型化趋势下作业效率要求高，陆域纵深空间局限大，深厚软土地基沉降控制难度高。因此，自动化码头“大脑”——智能管控系统(ITOS)的功能适应性、性能高效性、运营可靠性的要求极高;总体布局要求突破空间局限、提升全系统运营能力;工程结构全寿命设计要求经济、可靠;岸边装卸设备要求智能化程度高、作业效率高。面对这些挑战，国外相关系统和设备供应商提出的方案，不能满足上述要求。

　　创新点1：自主研发“多元无人实体协同控制的智能码头操作系统(ITOS)”

　　原有的自动化码头操作控制系统将计划与控制分割，缺乏统一的规划与计算原则，同时传统技术主要面向功能层，缺乏复杂环境下事件任务的动态决策能力。由此导致协同性差，交互响应迟缓，作业效率低下，无法满足洋山四期大规模高效率的实际需求。针对上述问题，项目组提出基于分布式数据处理技术的全域计划与控制的融合架构，创建动态事件任务的实时连续决策模型，研发了一套多元无人实体协同控制的智能码头操作系统，实现了超大规模码头的高效运营，提升码头作业效率。 首创无级多点交互、多活并发、动态优化的全域融合架构： 针对大规模自动化集装箱码头全域海量传感数据瞬时交互、高速计算、决策与执行的实时性等技术难题，通过无人设备的多体协同、拓扑排序、无级接入、消息高效分发与匹配、虚拟分配、自主环境性能预测等方法，满足底层平台根据处理任务可扩展、高速动态优化的需求;基于工作流技术整体优化分布式数据处理流程，保证了数据处理的实时性;针对TOS系统处理大量任务的特点，提出了基于预测性技术的平台动态优化方法：通过对负载的预测，实现了处理平台容量的优化配置，节约了硬件资源的投入;对服务器多维性能数据进行多种特征提取，实现了服务器资源消耗的多步长预测;提出了网络感知的多中心虚拟机调度策略，进一步优化了基于此架构所构建的业务平台的性能。此项创新有效保证了大型自动化集装箱码头设备与设备、设备与系统、系统与子系统之间海量数据处理的高效性和可靠性，提升了自动化码头TOS系统交互响应速度、应变能力、计算资源利用和能源利用效率。

　　2)：首创全岸线调度、全堆场选位实时决策系统

　　自动化码头岸线与堆场作业，具有时空多变、状态不确定等特征。全岸线岸桥作业路计划是个多目标多约束的离散优化问题，需要解决全码头的桥机运动相互制约、堆场均匀出箱等难题。项目组基于图论和排队论，以图的控制集、图上动态规划和多层混合时空索引等方面的理论研究成果为基础，探索自动化码头无人设备的多体协同控制规律，运用归一量化、带权树状网络和二分图最大匹配的技术方法，建立了描述桥机、自动导引运输车(AGV)、轨道吊、箱区箱位、集装箱及其相互关系的数学模型。设计了系列算法，研发了岸桥作业路计划系统软件和堆场交互作业控制软件，提升了码头设备资源的协同效率。

　　为实现码头多泊位、多船舶、多船期窗口的自动岸桥作业路计划动态决策，采用分层设计和动态规划相结合的方法进行处理，突破了问题规模大、计算难的瓶颈，给出了该模块的分秒级别的有效优化算法，实现了桥机资源配置最优化和全码头装卸效率的最大化。

　　3)、创新研发了全域智能动态发箱模型、算法及系统：应用分支界定法、贪心算法等求解整数规划模型，解决码头全部作业任务(包括船舶装船、卸船、集卡提箱、集卡进箱、堆场归并、转堆)的动态实时发箱功能;

　　4)、首创多级决策堆场计划模型、算法及系统：通过图论建模和全域数据分析，首先应用分支界定法、迭代加深搜索算法求解整数规划模型生成进箱计划;其次将堆场，海陆侧和岸桥作业路等集装箱流转点结合进提箱业务数据转化为流量传输网络，利用多源网络最大流量算法合理安排装卸计划，通过分层决策，使用决策树模型和状态拆分动态规划算法实时选位;利用设备空闲时段进行自动整理，使用动态规划算法最小化移箱数量，解决效率与协同问题。

　　5)、提出了岸桥多模式边装边卸技术所需要的模型、算法与系统，实现了同一岸桥及岸桥间的边装边卸，并以码头全局进行资源调配、策略规划，实现了岸桥、堆场的作业均衡与水平运输在不同泊位的均衡调配，有效提高了岸桥的整体作业效率，降低了水平运输的非生产性行驶距离(空载行驶距离);

　　6)、提出了大规模AGV重进重出技术所需的模型、算法与系统，实现了AGV在岸边与堆场侧的重进重出，通过构建图论模型，应用AGV大数据分析技术进行AGV行驶时间矩阵动态计算，采用KM算法进行优化求解，实现了自动化水平运输作业的资源全场调配，提高了AGV的资源利用率和作业效率，提升了岸边作业与堆场作业的优化连接。

　　7)、提出了多模式堆场设计的轨道吊重进重出技术所需求的模型、算法与系统，在基于未来一段时间内堆场机械对全部堆场收发箱的任务的均衡调度算法，通过动态堆场机械指令调度规划，给出堆场机械的发箱计划，为堆场收箱预留足够的时间，实现堆场收、发箱的高效决策。

　　创新点2：创建自动化集装箱码头总体布局新模式。

　　超大型集装箱枢纽港具有干、支航线聚集，大、小型船舶混合作业，箱型多样、水水中转比例高、港区间互拖箱量大等特点，存在码头海侧作业效率高、强度大，前后方作业能力不匹配、不均衡的问题。对此，项目组采用数值模拟计算和仿真分析方法，进行港区全域全系统效能分析和模型推演，创建了一种自动化集装箱码头总体布局新模式，突破了常规模式下码头资源综合利用效率瓶颈，显著提升了超大型集装箱枢纽港的作业效率。

　　1)创建了自动化集装箱码头工艺布局新模式：

　　针对超大型集装箱枢纽港干支线聚集、水水中转比例高、大小船舶协同作业要求高难度大、码头间互拖箱量大等复杂作业工况，通过仿真推演分析，构建了符合岸桥作业效率与堆场箱容量综合平衡的比例模型，确定了三种型式轨道吊的配置比例关系，首创了自动化堆场无悬臂、单悬臂和双悬臂等三种轨道吊混合的工艺布局模式，突破了单一类型轨道吊工艺模式下码头资源综合利用效率瓶颈，解决了堆场海陆侧轨道吊作业量不平衡、船舶大型化趋势下海侧装卸系统效率要求高、互拖箱装卸成本高和交通组织复杂等诸多技术难题，提高了全自动化集装箱码头的适应性，在不增加堆场设备数量的前提下，海侧作业中岸桥与轨道吊的配置数量达到1:3，直接为岸桥服务的堆场能力提升30%以上。

　　2)首创“预检、分流和放行”多级协同进港智能闸口布局新模式：

　　为了解决原有自动化码头闸口对外来集卡信息识别迟缓，进港以后作业等候时间长，堆场设备对外集卡作业效率低等问题，通过流程分析、仿真模拟等技术手段，首创“预检、分流和放行”多级协同进港智能闸口布局新模式。实现了预检闸口车辆不停车，自动完成车号、箱号和箱型识别与自动验残;分流闸口进港车辆高效引导分流;港外集卡缓冲停车场设置于分流和放行闸口之间，具有车辆调峰、车辆与堆场轨道吊协同作业等功能。通过新型多级进港智能闸口的设置，提高了轨道吊作业效率，减少了外集卡的通行和等待时间。外集卡进入闸口的通行时间由原平均约50秒降至约12秒，通行效率提升76%，港内停留时间减少25%，有效节省了港内蓄车空间，减少了污染排放，提高了港区对外服务质量。

　　3、同类技术的比较

　　1)自动化集装箱码头管控系统

　　目前，国际上的自动化集装箱码头的核心系统主要由国外公司的产品所垄断。哪吒科技所研发的大型自动化集装箱码头管控系统，是我国首个拥有完全自主知识产权的自动化码头生产管理系统，打破了国外公司的技术垄断。同时，该系统打破了现有管理系统TOS-ECS传统架构，在交互响应速度、应变能力、自动化程度和运营规模等方面取得了突破。投产首年单船岸桥最高台时效率达54.19自然箱、单船平均台时效率最高达44.01自然箱，整体岸桥平均台时效率达28自然箱，高于国外自动化码头20自然箱/小时左右的投产初期效率。

　　4、社会经济效益与市场竞争力

　　1)、经济效益

　　洋山四期自动化集装箱码头管控系统和装备关键技术的应用，取得了良好的经济效益。开港至今生产效率屡创世界纪录：岸桥最高台时量57.17自然箱，单船平均台时量最高44.01自然箱，昼夜吞吐量15092TEU。生产作业实现本质安全，劳动环境极大改善，劳动生产率为传统码头的213%，码头作业实现零排放。

　　2)、社会效益

　　本项目结合我国规模最大的全自动化集装箱码头-洋山四期全自动化集装箱码头的技术特点和功能需求，研发了拥有完全自主知识产权的新一代自动化集装箱码头管控系统，研制了适应更高作业要求的大型智能港口装备，对于打破国外技术垄断，提升我国自动化集装箱码头的整体技术水平具有十分重要的作用。

　　本项目研究成果的应用对于支持港口企业加强科技创新，提高关键设备的自动化、智能化水平具有重要引导作用，为促进智慧港口、平安港口和绿色港口的建设提供了重要支撑。

　　3)、市场竞争力

　　洋山四期自动化集装箱码头管控系统和装备关键技术的应用，实现了我国大型自动化集装箱码头生产管理系统的自主化和港口装备技术的升级迭代，填补了我国相关领域的技术空白，使得我国自动化集装箱码头的建设摆脱了对国外先进技术的依赖，为我国港口转型升级发展提供了技术保障。该技术成果适应了大型港口向自动化、智能化发展的需求，具有很强的市场竞争力。项目成果在国内外16个码头得到应用，彰显了“中国大脑、中国智造、中国标准、中国服务、中国品牌”的实力。2017年底，习总书记在新年贺辞中把洋山四期列为当年国家科技创新和重大工程建设十大捷报之一。