集装箱码头操作系统发展现状及趋势

随着集装箱船舶大型化和世界经济一体化趋势日益明显，港口之间的竞争日趋激烈，集装箱码头不断引进和应用先进的信息通信技术，以增强码头信息处理能力，优化码头作业流程，提升码头装卸效率和核心竞争力。集装箱码头操作系统是码头主要的信息技术系统和码头生产管理的核心系统，其主要任务是指导和辅助码头组织高效、合理的生产计划和控制，实时、准确地记录和存储码头作业过程中的关键数据，科学、有效地分配资源，为码头生产决策提供完备的数据统计和信息分析，从而确保码头作业计划有据、指挥有方、监管有力、操作有序。本文在介绍集装箱码头操作系统发展现状的基础上，分析其借助现代科学技术朝图形化、自动化、集成化和智能化方向发展的趋势。

1 集装箱码头操作系统发展现状

1.1 集装箱码头操作系统主要供应商

1.1.1 全球四大供应商

（1）美国Navis公司 Navis公司总部位于加利福尼亚州奥克兰市，主要为海运码头和其他货运机构提供合适的解决方案。该公司成立于 1988 年，是全球首家提供自动化集装箱码头管理系统的公司，目前有正式员工330多名，2011年营业额接近万美元。2007年12月，该公司被Zebra集团以1.45 亿美元收购；2011年1月，Zebra集团将Navis公司以1.9亿美元的价格卖给芬兰的Cargotec集团。Cargotec集团是世界领先的货物装卸方案供应商，旗下品牌包括希尔博（Hiab）、卡尔玛（Kalmar）和麦基嘉（MacGegor）。

（2）美国Tideworks技术公司 Tideworks技术公司原为Carrix公司（控股美国最大集装箱码头营运商SSA Marine）下属的信息技术部门，1999年脱离母公司成为独立的信息技术公司，致力于为海运和多式联运码头提供完整的技术解决方案。该公司总部位于华盛顿州西雅图市，目前有正式员工超过200人，在全球拥有90多家客户和超过5万多个使用者。

（3）韩国Total Soft Bank（TSB）公司 TSB公司成立于1988 年，主要面向航运、港口行业提供解决方案。TSB公司早期用微软VB编程语言开发的码头自动作业系统CATOS目前仍在一些码头使用；2004年6月，TSB公司采用J2EE技术为香港现代货箱码头有限公司开发了新一代码头管理系统MOTOS；2010年，为提高系统开发效率和增强系统的可维护性，TSB公司将MOTOS的部分模块改用.NET技术开发。

（4）比利时COSMOS公司 COSMOS公司原为比利时码头营运商Hessenatie的信息技术部门，早在20世纪80年代便已开始开发码头操作系统，自1992 年开始以独立公司形式运作。2002年，比利时码头运营商Hessenatie与NoordNatie合并成为HesseNordNatie（简称HNN）；同年，新加坡国际港务集团有限公司（以下简称新加坡港务集团）通过收购HNN 80%的股份成为COSMOS公司的实际拥有者。

1.1.2 客户分布情况

根据各供应商官方网站公布的信息统计，目前Navis公司有200多家客户，Tideworks技术公司有90多家客户，TSB公司有70多家客户，COSMOS公司有60多家户，澳大利亚Realtime Business Solution（RBS）公司有20多家客户。

1.2 主要集装箱码头操作系统产品

目前全球范围内的集装箱码头操作系统产品可分为以下两类：

（1）由第三方软件公司开发的产品，主要有Navis公司研发的SPARCS和Express系统、TSB公司开发的码头自动作业系统、RBS公司研发的码头营运管理系统以及烟台华东电子软件技术有限公司研发的计算机智能码头操作系统；

（2）由码头运营商下属信息技术部门或下属公司开发的产品，主要供集团内部码头使用，个别产品也卖给其他码头，这类产品主要有Tideworks技术公司开发的Mainsail Vanguard系统、COSMOS公司研发的集装箱码头控制系统、新加坡港务集团下属Portnet公司研发的计算机智能码头操作系统、和记黄埔港口集团研发的新一代码头管理系统、韩进集团下属CyberLogitec公司研发的OPUS系统、上海港集团下属海勃物流公司研发的码头营运管理系统以及招商局国际下属招商国际信息公司研发的CMPort码头操作系统等。

目前Navis公司开发的SPARCS系统最高版本为3.7，用C++开发；Express系统采用Oracle Forms技术开发。由于客户与系统源代码一一对应，随着客户数量增多，受SPARCS和Express两大模块架构的局限，系统无法快速响应客户的客制化和日常维护需要；因此，Navis公司于2006年打造一体化系统SPARCS N4。SPARCS N4是包含SPARCS和Express功能的一体化码头操作系统，基于J2EE技术开发，当前版本为2.5，目前在全球已经有100多家客户。

COSMOS公司研发的集装箱码头操作系统基于国际商业机器公司生产的AS/400主机研发而成，部分模块提供仿真终端供用户使用，部分模块使用客户端，开发语言主要为RPG和Visual Foxpro，其程序架构和开发语言目前都不是市场主流。2008年12月，COSMOS公司宣布未来的产品开发将主要满足其股东的需求，不再为股东之外的码头提供升级服务；2011年6月，COSMOS公司改变之前的决定，开始实施CSR计划，计划花5年时间分2个阶段应用J2EE和Database技术重新开发全新的码头操作系统，新系统将在比利时安特卫普港的新加坡港务集团码头经过测试并验证可行后，重新向股东之外的客户提供升级服务。

2 集装箱码头操作系统主要模块

2.1 Navis系统的主要模块

Navis系统主要由Express和SPARCS两大子系统组成。Express为箱务信息管理模块，提供闸口、船舶、列车卡、办单、电子数据交换、集装箱货运站和集装箱等信息查询和录入，有助于码头提高服务水平；SPARCS 为通过无线网络对船舶、堆场、列车卡和作业设备等进行实时图形化计划和控制模块。SPARCS 与Express共享实时信息，并提供多种接口以集成各种新技术，具有良好的伸缩性（如在堆场空间、船舶大小和设备数量等方面），也可以用于管理冷藏集装箱和危险货物集装箱。

SPARCS系统中的高级模块主要包括集卡调度模块、专家找位模块和自动配载模块。集卡调度模块基于总体成本最小的原则动态地为集卡分配作业指令，有利于减少集卡空载率，提高集卡利用率；专家找位模块通过综合考虑集装箱信息、作业设备位置、堆场层高和进出口集装箱分组等近60条业务规则，为通过闸口、船舶、列车卡进入堆场的集装箱分配最优场位，有利于提升堆场使用率，减少翻箱次数，提高堆场作业效率；自动配载模块用于分析配载因素（如卸货港、集装箱总质量和箱型等）、堆场限制和作业规则，通过建立数学模型和运用优化理论合理配载集装箱船舶，有利于节省配载计划时间，降低翻箱率，提高船舶作业效率。此外，港口社区平台为集装箱供应链上各单位提供网站信息浏览和查询服务，主要功能包括获取报表（如闸口作业、集装箱信息、办单信息报表等）、录入锁箱和放行信息、上传和下载电子数据交换文件、自动发送邮件通知、在线支付作业费用等。

2.2 Tideworks系统的主要模块

（1）Mainsail模块 该模块主要用于闸口、堆场和船舶的实时库存管理，其功能包括：提供灵活的工作流工具，为客户提供方便的网络在线信息查询；提供系统接口，实现与码头系统的无缝对接；提供完整灵活的报表功能。

（2）Spinnaker模块 该模块为船舶和堆场管理的图形化模块，其功能包括：通过图形化计划工具实时浏览和获取船舶、堆场、闸口和铁路运输信息；提供电子数据收发预配和实配计划；实现接口与差分全球定位系统、手持终端、车载终端的信息交互。

（3）GateVision模块 该模块通过单一用户界面集成拖车司机与闸口工作人员的语音、视频信息，有助于提高闸口处理速度，节省操作成本。

（4）设备控制模块 该模块是灵活的队列管理工具，通过与Spinnaker计划模块无缝对接，实现对闸口、岸边、堆场和铁轨区域作业设备的动态调度，具有用户界面直观和远程版本控制等特点。

（5）预告模块 该模块主要用作港口社区网络门户，为集卡公司、报关行等港口社区用户提供信息查询以及邮件提醒和预录入信息预审等公共信息服务。

2.3 COSMOS系统的主要模块

（1）船舶计划模块 该模块通过利用预配信息以及船舶稳定性、目的港及集装箱总质量等信息，优化装卸船舶计划，以降低堆场翻箱率。

（2）场位安排模块 该模块通过定义相关规则和作业因素，基于运输距离最短及箱型等分组规则，自动为集装箱在堆场分配最佳场位。

（3）设备控制模块 该模块基于操作成本最小的原则，为作业设备分配最优作业指令。

（4）箱务信息模块 该模块通过记录和跟踪码头操作过程中的集装箱信息，对集装箱信息预录入、集装箱锁定和放行、闸口作业及集装箱信息报表等进行管理。

（5）场站管理模块 该模块管理和记录集装箱场站的拆装箱作业。

（6）电子数据交换模块 该模块支持UN/EDIFACTs和ANSI X.12等报文信息。

（7）计费模块 该模块基于箱务信息模块记录的集装箱处理数据自动计费并生成发票。

（8）闸口系统模块 该模块对进出闸口的集装箱和车辆进行高清摄像，并运用先进的字符识别技术进行箱号和车牌识别，以提高闸口通过效率。

2.4 TSB系统的主要模块

（1）计划模块 该模块主要用于作业资源、堆场、船舶和列车卡等计划管理。

（2）操作模块 该模块主要用于电子信息交换、闸口作业（包括冷藏集装箱管理和作业控制等）和堆场作业管理等。

（3）操作管理模块 该模块的功能包括计费、信息统计、设备维护等。

（4）普通管理模块 该模块主要用于员工个人信息和工资管理、财务信息管理等。

（5）自动配载计划模块 该模块通过综合考虑船上贝位信息和堆场集装箱信息，自动生成配载计划并以图形化形式展示配载结果。

（6）起重设备模拟器模块 该模块基于虚拟技术，通过集成运动系统和指令系统模拟码头作业场景，并可以协助码头桥吊司机培训工作。

3 集装箱码头操作系统发展趋势

现代集装箱码头操作系统的技术发展特点表现为：综合应用先进信息和通信技术发展成果，结合码头用户的实际需求，不断提高码头的生产和管理水平；作为集装箱码头信息技术系统的核心，助力打造信息化、网络化、自动化、智能化和低碳化的现代化码头。未来集装箱码头操作系统的进一步发展依然离不开现代科学技术的支撑。

3.1 图形化技术

随着计算机性能的提高，未来集装箱码头操作系统的界面图形化功能将进一步增强，船舶和堆场将呈3D图形化展示；随着移动通信网络从2G和3G向4G发展，无线网络将能满足移动商务对数据传输的要求。此外，码头作业移动终端的功能和性能将得到极大提升，手持终端（如岸边理货手持终端、集卡终端和场桥终端等）的图形化展示将得到进一步优化。

3.2 集成优化技术

当前集装箱码头普遍应用优化技术对生产作业进行科学决策，以提升设备利用率和堆场使用率。但是，目前集装箱码头操作系统供应商提供的优化模块往往比较孤立，且人为假设的作业条件较为理想化，具体表现为：集卡调度未考虑与岸桥、场桥的协同作业，虽然集卡空载率有所降低，但可能导致堆场和岸边交通拥挤，不能有效提高码头作业效率；配载计划未考虑设备调度，可能导致翻箱次数增多。未来集装箱码头操作系统设计将更加注重作业设备调度的集成优化和整体优化、装卸计划与调度的集成优化、机器学习等人工智能技术在码头作业优化方面的应用等。

3.3 云技术

云技术是基于互联网的相关软件服务设计、使用和交付，其应用模式包括基础设施即服务、平台即服务和软件即服务。软件即服务的特点是用户不需要购置软件，只须根据自己的具体需求租用软件的特定模块功能（或若干模块的集合）。软件即服务模式一方面降低用户购买软件的成本，另一方面为企业配置软件资源提供更大灵活性，企业可根据自身业务情况增减用户规模和系统功能范围。由于其相互间在地理位置上距离较近，同一港区的多个码头可以基于云技术共同使用同一套操作系统。对于小型码头来讲，单独购置操作系统的成本不菲，通过软件即服务方式按需购买服务有利于节省码头的信息技术成本。

3.4 物联网、无线射频识别和智能集装箱技术

物联网是以无线射频识别系统为基础，结合已有的网络、数据库、中间件等技术，由大量联网阅读器和移动标签组成的比互联网更为庞大的网络。借助无线射频识别技术，集装箱码头操作系统通过中间件可以自动和实时地识别、定位、追踪、监控和触发相应事件。例如，通过应用无线射频识别技术，可以读取出入闸口集卡的信息、实时监控冷藏集装箱、实现作业指令的自动确认、提高码头作业安全等。

3.5 商务智能和数据挖掘技术

商务智能技术是用于处理海量数据的技术，基于计算机软硬件、网络、通信、决策等多种成熟技术发展而成，该技术的应用需要从多种数据资源（数据库、数据仓库、网络网页等）中发现规律，而这主要依赖数据挖掘技术来实现。数据挖掘技术的应用目的是要从大量数据中挖掘出隐含的、未知的、对决策有价值的知识和规则。商务智能和数据挖掘技术在集装箱码头的应用目标为：融合码头生产和管理的成功经验， 实时统计码头作业数据；探索建立科学的码头关键绩效指标，针对不同岗位和需求进行图形化展示，对异常指标进行提示和预警；深层次挖掘码头作业历史数据，统计分布规律，提炼成功经验，形成指导码头实际生产和运营的专家知识库，以实现码头精细化管理和成本管控。

3.6 全球定位系统和地理信息系统技术

除在运输管理、电子港图和途中监管等领域发挥作用外，全球定位系统和地理信息系统技术还在集装箱精确定位、集卡全场调度、作业设备行车导航、码头作业优化等领域发挥巨大作用。借助全球定位系统和地理信息系统的定位和地理信息，集装箱码头操作系统中的设备调度等智能化模块的优化效果进一步提升，图形化效果进一步增强，有助于为码头提供及时、科学的作业操作指导。

3.7 自动化技术

随着科学技术不断发展和人力成本不断攀升，自动化已经成为世界集装箱码头的发展趋势，为此，国际领先集装箱码头纷纷购买自动化码头作业设备，如自动堆场起重机、无人搬运车等。由此可以预见，为便于应用自动化作业设备，未来集装箱码头操作系统将提供更加灵活的系统接口，自动收集码头作业信息，实时监控作业设备，动态地为作业设备分配最优作业指令，从而使码头充分发挥自动化设备作业效率，实现核心竞争力的提升。

3.8 仿真技术

港口物流的复杂性决定了单纯依靠经验进行相关决策存在一定缺陷性。通过建立合理的数学模型，对影响决策的因素进行重要性分析，模拟作业设备的运行和作业流程，运用现代仿真技术（如多技术、离散并行系统技术等）模拟港口作业，有利于码头快速验证和评估决策；同时，运用虚拟现实、多层次细节等计算机图形技术对作业过程进行三维图形化展示，支持作业场景回放，有利于直观分析和科学决策。此外，码头作业仿真系统还可以用于设备选型、码头建设或改建规划等领域。

4 结束语

随着现代信息技术的不断创新和发展以及港口码头对现代科学技术的创新应用，未来集装箱码头操作系统的图形化展示将更加逼真，与系统的可集成能力将更加强大，仿真速度将更快，信息交换和刷新速度将进一步提高，基于优化技术的智能化程度也将进一步提升。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2013-11-20）