運輸領域新興技術案例集/自動化港口
一個簡單的金屬箱，長20英尺，寬8英尺，高8.5英尺，是全球經濟的核心。尺寸導致了“二十英尺標準箱”（TEU）一詞的出現，這是國際貿易流量統計的基本單位。分佈在5500艘船上的2500萬TEU的綜合運力[1]承載了全球貿易商品的80%。[2] 集裝箱化首次出現在20世紀50年代，在20世紀90年代迅速發展，從根本上改變了全球經濟。出口商和進口商之間的壁壘縮小了，運輸成本也隨之蒸發。在當時規模較小的港口（如薩凡納）或以前以商品為主導的港口（如洛杉磯）建造的新設施中，碼頭迅速發展。對日益擁擠的港口吞吐量不斷增長的渴望推動了自動化，將其作為提高效率、延長工作時間和降低成本的途徑。
集裝箱碼頭自動化不是一項新的技術創新領域。在這裡，它幾乎已經完全成熟，廣泛部署，並正在達到改進領域減少的程度。鹿特丹 ECT Delta 碼頭在 1993 年開業時被譽為世界上第一個全自動集裝箱港口。[3] 全球範圍內有近 60 個半自動化或全自動集裝箱碼頭，其中 7 個在美國。[4]
適用於其他型別港口運營的自動化技術往往分為兩類：船上系統，用於在裝載過程中穩定油輪；或者散貨的自動裝卸，例如，用於煤炭或鐵礦石的自動卸貨系統。集裝箱裝卸的自動化是多種新型裝置在很大程度上人工密集的流程中的不斷部署。
雖然這些技術是自動化的，但它們與其他新興技術處於不同的範圍。它們不在公眾範圍內執行——僅限於僅由授權車輛和專業、熟練操作員佔據的區域。美國海事管理局在很大程度上一直沒有參與監管領域，並將此事留給了運營港口的城市和州。[5]
勞資關係是美國主要的政策重點。自動化意味著特定集裝箱設施的總勞動力大幅減少。這些工作薪酬很高，得到強勢工會的支援，這些工會在東西海岸多個設施擁有廣泛的代表性。
集裝箱裝卸分為三個階段：碼頭、堆場和陸側。
下圖是碼頭佈局的通用概述。
自動化已應用於集裝箱港口的大多數階段和型別的運營。
AGV/ALV 類似於大型柴油或電池驅動的輪式平臺，設計用於運載 2 個 20 英尺集裝箱或 1 個 40 或 45 英尺集裝箱。[6] ALV 將水平車輛與升降能力相結合，用於將集裝箱存放在儲存架上。這些自動車輛的導航系統各不相同，包括嵌入在路面中的導向線、基於應答器的參考網格和衛星引導。
長灘港 (POLB) 是美國唯一的使用者，擁有 102 臺 Konecranes Gottwald AGV。這些 AGV 使用基於應答器的導航，並輔以基於 GPS 的地理圍欄安全系統。[7]
Auto-SC 和 AShC 是橡膠輪胎龍門起重機。與 ALV 類似，它們是能夠提升集裝箱的水平車輛。Auto-SC 僅限於將集裝箱堆疊兩層，而 AShC 可以堆疊四層。無論到達高度如何，它們的大部分工作都是在港口周圍移動單個集裝箱。
POLB 集裝箱碼頭以及洛杉磯港 (POLA) 的 TraPac 和 APMT 碼頭使用 Kalmar Autostrad。導航可以是基於磁性的或基於雷達的。磁性系統記錄從嵌入路面中的磁鐵中獲得的位置資料，以及一個慣性測量單元。雷射測距儀有助於障礙物檢測和避讓。[8]
ASC 有兩種型別：自動橡膠輪胎龍門起重機 (ARTG) 和自動軌道式龍門起重機 (ARMG)。 一臺 ASC 可以跨越多達 12 排，堆疊 5 個集裝箱高。ARTG 不能轉彎，只能前後移動，就像軌道限制的 ARMG 一樣。 這些起重機從水平車輛接收集裝箱，將其新增到儲存塊中，對儲存塊中的集裝箱進行分類，並從儲存塊中拉出集裝箱以轉移到水平車輛。
所有七個美國自動化碼頭都使用 ARMG。[4] 例如，紐約/新澤西州的 GCT Bayonne 運營著 20 臺 Konecranes ARMG 來處理它們的卡車碼頭[9]，弗吉尼亞港口在諾福克國際碼頭和弗吉尼亞國際碼頭有 116 臺 ARMG 正在執行。[10]
門崗操作可以配備系統，自動將到達的卡車引導到合適的取貨或卸貨位置。光學字元識別或 RFID 系統識別入站卡車或集裝箱。 司機被引導到合適的位置，無需離開卡車或與任何碼頭人員互動。只有掃描錯誤的卡車由人員進行手動分類。 裝載區內的定位由雷射測量，指示卡車的準確位置和方向，允許 ASC 精確地放置在道路底盤上或從道路底盤上移除。[11] 即使在完全手動的碼頭，這項技術也很普遍。
岸橋不是自動化的。 操作員坐在連線到起升梁小車的玻璃封閉控制室中，隨著小車來回移動，並在起升過程中向下看起升梁和集裝箱。 這是一項高度技能的工作，薪酬遠遠高於平均水平。 例如，薩凡納花園城碼頭的平均起重機操作員年薪超過 100,000 美元，而該市的平均工資約為 42,000 美元。[12]
對於遠端操作，操作員被移到港口辦公室內部。 坐在辦公桌前的一名操作員可以輕鬆地遠端操作兩臺起重機。 雖然這不會影響效率，但它可以節省勞動力成本。 當前的技術水平還不足以接近或計劃自動化這些起重機。
軌道龍門起重機用於裝卸火車，位於平行軌道上，貫穿鐵路碼頭。 它們非常寬，跨越了許多卡車道、鐵路軌道和停車位。 港口經常將它們部署成團隊，一臺起重機卸貨，另一臺起重機裝載同一列火車。 由於龍門起重機的尺寸和數量相對較少，它們是根據碼頭的佈局定製建造的。
碼頭一直不願探索自動化這些起重機。 該過程需要手動干預才能鎖定和解鎖集裝箱和火車之間的固定機構。 在集裝箱和自動起重機之間放置一名工人被視為一個安全問題，而其他集裝箱處理程式中沒有這個問題。 使用人工起重機操作員，包括遠端操作，被認為是一種更安全的替代方案。
大多數自動化碼頭都在美國以外。 如下表所示，美國一些大型繁忙的海洋碼頭為自動化部署提供了機會。[13]
考慮到美國十大最繁忙的集裝箱港口，自動化增長還有很多機會。例如，薩凡納的花園城碼頭是美國最繁忙的單一碼頭，完全是手動的。 休斯頓、奧克蘭和查爾斯頓的繁忙程度與弗吉尼亞州大致相同，而且都沒有實現自動化。
較小的設施也可能對自動化操作感興趣。 位於緬因州的波特蘭每年只進行大約 7,000 次集裝箱起吊[14]，在一個緊湊的設施中，一條集裝箱航線不經常使用該設施。[15] 這可以將高薪但使用率低的運營商替換為自動駕駛裝置。 這可以避開在吸引足夠熟練的操作員方面可能出現的潛在問題，而這些操作員可能更難在小型碼頭找到和留住。
全球經濟完全依賴於一個複雜的供應鏈，這種依賴關係正在迅速增長。確保供應鏈高效並具有內建的閒置容量以適應未來增長至關重要。新冠肺炎大流行帶來的持續干擾表明，僅僅幾個碼頭的港口擁堵會對貿易產生巨大的影響，最終影響經濟[16]。
根據分析模型，自動化可以將運營成本降低 25% 到 55%。生產力可以提高 10% 到 35%[17]。港口自動化的前期成本很高，一個具體例子是弗吉尼亞州在 2017 年購買的 86 臺 ARMG，花費了 6.7 億美元。 對於一些港口來說，這可能是數十億美元的投資。麥肯錫公司的一項研究確定了港口的預期和實際生產力以及運營成本。他們的資料強調，並非所有港口都將從自動化中受益。一些港口的回報將無法滿足自動化[17] 的初始成本。
世界上最有效的港口是自動化的，而且重要的是，它們的出口量大於進口量[18]。這將創造一個一致的國內生產流入港口，然後出口到國際市場。這些港口，主要位於亞洲，看到更一致的計劃。對於像美國這樣的進口目的地，存在不一致和挑戰，這些挑戰使自動化更加困難，並減緩了效率。這些包括 POLA/POLB 的半自動化碼頭。 這些港口處理大量的“例外情況”，需要人員和決策者，因為物流要複雜得多。 當港口是集散中心時，自動化最有效，而當港口是管理和分銷中心時，自動化效率較低。[19]
自動化最大的技術限制是岸橋自動化進展緩慢。 目前存在一些物理和程式上的挑戰，阻止了這些起重機的自動化。
在物理方面，船舶在起吊集裝箱的 2 分鐘週期內移動得太多。 操作起重機既是一門藝術，也是一門科學。 在分析、推斷和預測如何放下或升起起升梁以及相對於船舶上的集裝箱單元移動小車的過程中，人工操作員的表現優於機器。
從程式方面來說，港口不願將人置於自動化系統附近，除非無法避免。 裝卸過程的一部分需要一名稱為系固工的人員在船上待命，協助引導起重梁並鎖定和解鎖起重樑上的集裝箱。 這被認為是一個危險的過程。 有些系固工甚至認為，仍然有人類控制的遙控碼頭起重機比操作員直接在頭頂的起重機更危險。[20] 扭鎖（將集裝箱固定在一起或固定到起重樑上的裝置）確實有自動版本。 它們在機械壓力下旋轉，而不是人移動控制桿。 在消除系固工的角色之前，需要更換世界上所有集裝箱上的所有扭鎖。
資料質量受限於資料標準的缺乏，從而影響了自動化實施的前期成本。 每個港口都不一樣，雖然可能存在一些標準化，但一致性有限。[17] 例如，阿布扎比的操作資料結構不同於 POLB。 每個港口都需要根據自己的資料標準進行單獨處理。 這些不一致性阻礙了資料池的形成，而資料池可以最佳化運營並應對問題。
缺乏標準會阻礙資料的良好組織，限制港口之間的溝通，並導致資料誤解。[17] 這對效率造成了阻礙，甚至對人工港口和自動化港口都構成了挑戰。 資料基礎設施可以減少資料孤島，並實施一套標準來提高港口運營的效率。
截至 2022 年 9 月，西海岸航運公司和工會之間的合同談判因自動化問題而陷入僵局。 太平洋海事協會[21] 代表了 70 多家航運公司，他們贊成自動化，以保持競爭力和滿足需求。 國際碼頭和倉庫工人工會 (ILWU) 代表了 22,000 名碼頭工人，他們保護著自己高薪工作。[21] 這個問題是一個持續數十年的爭端，可以追溯到 20 世紀 60 年代集裝箱化帶來的第一波裁員潮。
像鹿特丹這樣的高度自動化港口仍然僱傭了大量人員。 這些工作往往比人工港口的專業起重機操作員和駕駛員的工資低。 自動化設施的工作主要由維護和管理自動化車輛的技術人員承擔。[22] 即使是自動化港口，仍然需要工人，從而有機會進行工作轉型。 這些工作往往會將人們從更危險的任務轉移到辦公桌工作。 儘管如此，仍然有工人抵制這種轉變。
目前，POLA/POLB 是世界上效率最低的港口之一。 太平洋海事協會聲稱，自動化對於讓 POLA/POLB 全天候以最大產能執行，從而跟上亞洲出口港口勢在必行。[21] 雖然西海岸港口不斷擴張並轉向自動化，但人們相信隨著自動化，更多工作將隨之而來，併為 ILWU 工人帶來同樣的福利。 然而，如果工作崗位減少或工作崗位轉移到其他地方，這對地方政策制定者來說可能是一個巨大的擔憂。 機器人無法像工人那樣為地方經濟做出貢獻。
在非自動化碼頭使用的許多水平車輛是柴油或柴油電力驅動的。 特別是，車隊的大部分是數百輛柴油動力場內卡車，它們在公路底盤上運輸集裝箱。 一家公司確實提供了一種電動版本，但還沒有集裝箱碼頭投入使用。[23]
如果一個港口希望用電動車輛替換其柴油動力水平車輛，那麼電動的最佳選擇也是自動化的。 市場上絕大多數電動水平車輛都是自動化的。 一個例子是國際上常見的 Konecranes Gottwald AGV。 它們是電池驅動的，電池組的電量足以支援 12 小時的工作，並且可以熱插拔。 電池更換是一個 5 分鐘的自動化過程，AGV 前往電池更換站，機器人系統會拉出沒電的電池並插入充滿電的電池。[6]
如果一個港口正在考慮大規模更換裝置以實現水平車隊的零排放目標，那麼就存在轉向自動車輛的成本機會。
先進的人工智慧 (AI) 可以取代人類決策，減少人為錯誤，並最佳化運營。 人工智慧將需要建立在預測行為模型[24] 基礎上的決策支援系統。 漢堡、鹿特丹和新加坡的港口已開始使用人工智慧來改善其業務流程運營。 下一步將是開發能夠管理自動車輛本身的人工智慧，以取代人工操作員的決策角色。
預測性人工智慧也可能是自動化碼頭龍門起重機的關鍵。 智慧系統與監測船舶運動的感測器相結合，能夠做出與人工操作員必須做出的一樣的決策和反應，以安全地將集裝箱與目標船舶對接。
即時泊位規劃、關鍵資產的預測性維護、自動化場內規劃和需求規劃都得益於動態排程。[17] 動態最佳化演算法與這些輸入相結合，以最佳化排程並生成自動導引車的路徑方案。[24] 這些演算法的輸出將減少車輛在路徑上的衝突以及到達起重機點的衝突，從而降低成本和減緩速度。
預期改進和實際改進之間的差異似乎違反直覺。 在大多數領域，用機器取代人可以提高生產率，因為過程發生的頻率更高，過程時間一致，過程之間的延遲更少，總體工作時間更長。 然而，集裝箱處理中過程時間的實際驅動因素是決策過程和處理異常情況。 這是一項更適合人類的任務，因為機器目前缺乏以人工操作員能夠的方式進行推理和預測的能力。 這也解釋了出口設施和進口設施之間的差異。 進口流程遠沒有那麼規律，需要處理更多的異常情況，這些情況需要即興決定集裝箱的路線和處理方式。 如果不能實現自動化，那麼就不會有效率優勢。 除非人工智慧取得巨大的進步，否則在處理碼頭起重機的異常情況處理和預測性角色方面，人工流程仍然佔有優勢。
這似乎表明，“半自動”設施是未來的港口。 人工駕駛的碼頭起重機將為自動水平車輛提供服務，而異常情況將需要人工干預自動車輛的路線。 環境法規可能會證明是一個更大的影響因素。 隨著舊車輛和柴油車輛被淘汰，電動車輛將越來越多地被淘汰，可用的替代品將越來越多地是自動車輛。 自動化可能透過自然淘汰而接管。
自動化並非一項新興技術。 它已經在全球數十個集裝箱碼頭部署。 在美國，由於強勢工會對傳統人工流程的保護，部署速度滯後，這是可以理解的。 勞動力保護和進口商面臨的效率挑戰的結合，將繼續成為美國進一步實施自動化的主要障礙。 就目前而言，推動自動化的主要途徑實際上可能是排放控制，因為自動化和電氣化透過車輛可用性聯絡在一起。
- 在效率略有提高，但勞動力大幅減少的情況下，增加自動化技術的部署是否是一個合理的決定？ 排放減少呢？
- 人工智慧的改進是否能夠完成自動化流程，這似乎合理嗎？
- “出口商從自動化中獲益，進口商從人工中獲益”背後的理由是否合理？
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