运输领域新兴技术案例集/自动化港口
一个简单的金属箱，长20英尺，宽8英尺，高8.5英尺，是全球经济的核心。尺寸导致了“二十英尺标准箱”（TEU）一词的出现，这是国际贸易流量统计的基本单位。分布在5500艘船上的2500万TEU的综合运力[1]承载了全球贸易商品的80%。[2] 集装箱化首次出现在20世纪50年代，在20世纪90年代迅速发展，从根本上改变了全球经济。出口商和进口商之间的壁垒缩小了，运输成本也随之蒸发。在当时规模较小的港口（如萨凡纳）或以前以商品为主导的港口（如洛杉矶）建造的新设施中，码头迅速发展。对日益拥挤的港口吞吐量不断增长的渴望推动了自动化，将其作为提高效率、延长工作时间和降低成本的途径。
集装箱码头自动化不是一项新的技术创新领域。在这里，它几乎已经完全成熟，广泛部署，并正在达到改进领域减少的程度。鹿特丹 ECT Delta 码头在 1993 年开业时被誉为世界上第一个全自动集装箱港口。[3] 全球范围内有近 60 个半自动化或全自动集装箱码头，其中 7 个在美国。[4]
适用于其他类型港口运营的自动化技术往往分为两类：船上系统，用于在装载过程中稳定油轮；或者散货的自动装卸，例如，用于煤炭或铁矿石的自动卸货系统。集装箱装卸的自动化是多种新型设备在很大程度上人工密集的流程中的不断部署。
虽然这些技术是自动化的，但它们与其他新兴技术处于不同的范围。它们不在公众范围内运行——仅限于仅由授权车辆和专业、熟练操作员占据的区域。美国海事管理局在很大程度上一直没有参与监管领域，并将此事留给了运营港口的城市和州。[5]
劳资关系是美国主要的政策重点。自动化意味着特定集装箱设施的总劳动力大幅减少。这些工作薪酬很高，得到强势工会的支持，这些工会在东西海岸多个设施拥有广泛的代表性。
集装箱装卸分为三个阶段：码头、堆场和陆侧。
下图是码头布局的通用概述。
自动化已应用于集装箱港口的大多数阶段和类型的运营。
AGV/ALV 类似于大型柴油或电池驱动的轮式平台，设计用于运载 2 个 20 英尺集装箱或 1 个 40 或 45 英尺集装箱。[6] ALV 将水平车辆与升降能力相结合，用于将集装箱存放在存储架上。这些自动车辆的导航系统各不相同，包括嵌入在路面中的导向线、基于应答器的参考网格和卫星引导。
长滩港 (POLB) 是美国唯一的用户，拥有 102 台 Konecranes Gottwald AGV。这些 AGV 使用基于应答器的导航，并辅以基于 GPS 的地理围栏安全系统。[7]
Auto-SC 和 AShC 是橡胶轮胎龙门起重机。与 ALV 类似，它们是能够提升集装箱的水平车辆。Auto-SC 仅限于将集装箱堆叠两层，而 AShC 可以堆叠四层。无论到达高度如何，它们的大部分工作都是在港口周围移动单个集装箱。
POLB 集装箱码头以及洛杉矶港 (POLA) 的 TraPac 和 APMT 码头使用 Kalmar Autostrad。导航可以是基于磁性的或基于雷达的。磁性系统记录从嵌入路面中的磁铁中获得的位置数据，以及一个惯性测量单元。激光测距仪有助于障碍物检测和避让。[8]
ASC 有两种类型：自动橡胶轮胎龙门起重机 (ARTG) 和自动轨道式龙门起重机 (ARMG)。 一台 ASC 可以跨越多达 12 排，堆叠 5 个集装箱高。ARTG 不能转弯，只能前后移动，就像轨道限制的 ARMG 一样。 这些起重机从水平车辆接收集装箱，将其添加到存储块中，对存储块中的集装箱进行分类，并从存储块中拉出集装箱以转移到水平车辆。
所有七个美国自动化码头都使用 ARMG。[4] 例如，纽约/新泽西州的 GCT Bayonne 运营着 20 台 Konecranes ARMG 来处理它们的卡车码头[9]，弗吉尼亚港口在诺福克国际码头和弗吉尼亚国际码头有 116 台 ARMG 正在运行。[10]
门岗操作可以配备系统，自动将到达的卡车引导到合适的取货或卸货位置。光学字符识别或 RFID 系统识别入站卡车或集装箱。 司机被引导到合适的位置，无需离开卡车或与任何码头人员互动。只有扫描错误的卡车由人员进行手动分类。 装载区内的定位由激光测量，指示卡车的准确位置和方向，允许 ASC 精确地放置在道路底盘上或从道路底盘上移除。[11] 即使在完全手动的码头，这项技术也很普遍。
岸桥不是自动化的。 操作员坐在连接到起升梁小车的玻璃封闭控制室中，随着小车来回移动，并在起升过程中向下看起升梁和集装箱。 这是一项高度技能的工作，薪酬远远高于平均水平。 例如，萨凡纳花园城码头的平均起重机操作员年薪超过 100,000 美元，而该市的平均工资约为 42,000 美元。[12]
对于远程操作，操作员被移到港口办公室内部。 坐在办公桌前的一名操作员可以轻松地远程操作两台起重机。 虽然这不会影响效率，但它可以节省劳动力成本。 当前的技术水平还不足以接近或计划自动化这些起重机。
轨道龙门起重机用于装卸火车，位于平行轨道上，贯穿铁路码头。 它们非常宽，跨越了许多卡车道、铁路轨道和停车位。 港口经常将它们部署成团队，一台起重机卸货，另一台起重机装载同一列火车。 由于龙门起重机的尺寸和数量相对较少，它们是根据码头的布局定制建造的。
码头一直不愿探索自动化这些起重机。 该过程需要手动干预才能锁定和解锁集装箱和火车之间的固定机构。 在集装箱和自动起重机之间放置一名工人被视为一个安全问题，而其他集装箱处理程序中没有这个问题。 使用人工起重机操作员，包括远程操作，被认为是一种更安全的替代方案。
大多数自动化码头都在美国以外。 如下表所示，美国一些大型繁忙的海洋码头为自动化部署提供了机会。[13]
考虑到美国十大最繁忙的集装箱港口，自动化增长还有很多机会。例如，萨凡纳的花园城码头是美国最繁忙的单一码头，完全是手动的。 休斯顿、奥克兰和查尔斯顿的繁忙程度与弗吉尼亚州大致相同，而且都没有实现自动化。
较小的设施也可能对自动化操作感兴趣。 位于缅因州的波特兰每年只进行大约 7,000 次集装箱起吊[14]，在一个紧凑的设施中，一条集装箱航线不经常使用该设施。[15] 这可以将高薪但使用率低的运营商替换为自动驾驶设备。 这可以避开在吸引足够熟练的操作员方面可能出现的潜在问题，而这些操作员可能更难在小型码头找到和留住。
全球经济完全依赖于一个复杂的供应链，这种依赖关系正在迅速增长。确保供应链高效并具有内置的闲置容量以适应未来增长至关重要。新冠肺炎大流行带来的持续干扰表明，仅仅几个码头的港口拥堵会对贸易产生巨大的影响，最终影响经济[16]。
根据分析模型，自动化可以将运营成本降低 25% 到 55%。生产力可以提高 10% 到 35%[17]。港口自动化的前期成本很高，一个具体例子是弗吉尼亚州在 2017 年购买的 86 台 ARMG，花费了 6.7 亿美元。 对于一些港口来说，这可能是数十亿美元的投资。麦肯锡公司的一项研究确定了港口的预期和实际生产力以及运营成本。他们的数据强调，并非所有港口都将从自动化中受益。一些港口的回报将无法满足自动化[17] 的初始成本。
世界上最有效的港口是自动化的，而且重要的是，它们的出口量大于进口量[18]。这将创造一个一致的国内生产流入港口，然后出口到国际市场。这些港口，主要位于亚洲，看到更一致的计划。对于像美国这样的进口目的地，存在不一致和挑战，这些挑战使自动化更加困难，并减缓了效率。这些包括 POLA/POLB 的半自动化码头。 这些港口处理大量的“例外情况”，需要人员和决策者，因为物流要复杂得多。 当港口是集散中心时，自动化最有效，而当港口是管理和分销中心时，自动化效率较低。[19]
自动化最大的技术限制是岸桥自动化进展缓慢。 目前存在一些物理和程序上的挑战，阻止了这些起重机的自动化。
在物理方面，船舶在起吊集装箱的 2 分钟周期内移动得太多。 操作起重机既是一门艺术，也是一门科学。 在分析、推断和预测如何放下或升起起升梁以及相对于船舶上的集装箱单元移动小车的过程中，人工操作员的表现优于机器。
从程序方面来说，港口不愿将人置于自动化系统附近，除非无法避免。 装卸过程的一部分需要一名称为系固工的人员在船上待命，协助引导起重梁并锁定和解锁起重梁上的集装箱。 这被认为是一个危险的过程。 有些系固工甚至认为，仍然有人类控制的遥控码头起重机比操作员直接在头顶的起重机更危险。[20] 扭锁（将集装箱固定在一起或固定到起重梁上的设备）确实有自动版本。 它们在机械压力下旋转，而不是人移动控制杆。 在消除系固工的角色之前，需要更换世界上所有集装箱上的所有扭锁。
数据质量受限于数据标准的缺乏，从而影响了自动化实施的前期成本。 每个港口都不一样，虽然可能存在一些标准化，但一致性有限。[17] 例如，阿布扎比的操作数据结构不同于 POLB。 每个港口都需要根据自己的数据标准进行单独处理。 这些不一致性阻碍了数据池的形成，而数据池可以优化运营并应对问题。
缺乏标准会阻碍数据的良好组织，限制港口之间的沟通，并导致数据误解。[17] 这对效率造成了阻碍，甚至对人工港口和自动化港口都构成了挑战。 数据基础设施可以减少数据孤岛，并实施一套标准来提高港口运营的效率。
截至 2022 年 9 月，西海岸航运公司和工会之间的合同谈判因自动化问题而陷入僵局。 太平洋海事协会[21] 代表了 70 多家航运公司，他们赞成自动化，以保持竞争力和满足需求。 国际码头和仓库工人工会 (ILWU) 代表了 22,000 名码头工人，他们保护着自己高薪工作。[21] 这个问题是一个持续数十年的争端，可以追溯到 20 世纪 60 年代集装箱化带来的第一波裁员潮。
像鹿特丹这样的高度自动化港口仍然雇佣了大量人员。 这些工作往往比人工港口的专业起重机操作员和驾驶员的工资低。 自动化设施的工作主要由维护和管理自动化车辆的技术人员承担。[22] 即使是自动化港口，仍然需要工人，从而有机会进行工作转型。 这些工作往往会将人们从更危险的任务转移到办公桌工作。 尽管如此，仍然有工人抵制这种转变。
目前，POLA/POLB 是世界上效率最低的港口之一。 太平洋海事协会声称，自动化对于让 POLA/POLB 全天候以最大产能运行，从而跟上亚洲出口港口势在必行。[21] 虽然西海岸港口不断扩张并转向自动化，但人们相信随着自动化，更多工作将随之而来，并为 ILWU 工人带来同样的福利。 然而，如果工作岗位减少或工作岗位转移到其他地方，这对地方政策制定者来说可能是一个巨大的担忧。 机器人无法像工人那样为地方经济做出贡献。
在非自动化码头使用的许多水平车辆是柴油或柴油电力驱动的。 特别是，车队的大部分是数百辆柴油动力场内卡车，它们在公路底盘上运输集装箱。 一家公司确实提供了一种电动版本，但还没有集装箱码头投入使用。[23]
如果一个港口希望用电动车辆替换其柴油动力水平车辆，那么电动的最佳选择也是自动化的。 市场上绝大多数电动水平车辆都是自动化的。 一个例子是国际上常见的 Konecranes Gottwald AGV。 它们是电池驱动的，电池组的电量足以支持 12 小时的工作，并且可以热插拔。 电池更换是一个 5 分钟的自动化过程，AGV 前往电池更换站，机器人系统会拉出没电的电池并插入充满电的电池。[6]
如果一个港口正在考虑大规模更换设备以实现水平车队的零排放目标，那么就存在转向自动车辆的成本机会。
先进的人工智能 (AI) 可以取代人类决策，减少人为错误，并优化运营。 人工智能将需要建立在预测行为模型[24] 基础上的决策支持系统。 汉堡、鹿特丹和新加坡的港口已开始使用人工智能来改善其业务流程运营。 下一步将是开发能够管理自动车辆本身的人工智能，以取代人工操作员的决策角色。
预测性人工智能也可能是自动化码头龙门起重机的关键。 智能系统与监测船舶运动的传感器相结合，能够做出与人工操作员必须做出的一样的决策和反应，以安全地将集装箱与目标船舶对接。
实时泊位规划、关键资产的预测性维护、自动化场内规划和需求规划都得益于动态调度。[17] 动态优化算法与这些输入相结合，以优化调度并生成自动导引车的路径方案。[24] 这些算法的输出将减少车辆在路径上的冲突以及到达起重机点的冲突，从而降低成本和减缓速度。
预期改进和实际改进之间的差异似乎违反直觉。 在大多数领域，用机器取代人可以提高生产率，因为过程发生的频率更高，过程时间一致，过程之间的延迟更少，总体工作时间更长。 然而，集装箱处理中过程时间的实际驱动因素是决策过程和处理异常情况。 这是一项更适合人类的任务，因为机器目前缺乏以人工操作员能够的方式进行推理和预测的能力。 这也解释了出口设施和进口设施之间的差异。 进口流程远没有那么规律，需要处理更多的异常情况，这些情况需要即兴决定集装箱的路线和处理方式。 如果不能实现自动化，那么就不会有效率优势。 除非人工智能取得巨大的进步，否则在处理码头起重机的异常情况处理和预测性角色方面，人工流程仍然占有优势。
这似乎表明，“半自动”设施是未来的港口。 人工驾驶的码头起重机将为自动水平车辆提供服务，而异常情况将需要人工干预自动车辆的路线。 环境法规可能会证明是一个更大的影响因素。 随着旧车辆和柴油车辆被淘汰，电动车辆将越来越多地被淘汰，可用的替代品将越来越多地是自动车辆。 自动化可能通过自然淘汰而接管。
自动化并非一项新兴技术。 它已经在全球数十个集装箱码头部署。 在美国，由于强势工会对传统人工流程的保护，部署速度滞后，这是可以理解的。 劳动力保护和进口商面临的效率挑战的结合，将继续成为美国进一步实施自动化的主要障碍。 就目前而言，推动自动化的主要途径实际上可能是排放控制，因为自动化和电气化通过车辆可用性联系在一起。
- 在效率略有提高，但劳动力大幅减少的情况下，增加自动化技术的部署是否是一个合理的决定？ 排放减少呢？
- 人工智能的改进是否能够完成自动化流程，这似乎合理吗？
- “出口商从自动化中获益，进口商从人工中获益”背后的理由是否合理？
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