公元前7000年，筏子与独木舟等的相继出现，是人类开拓水域交通迈出的第一步，人类的活动范围便从陆地扩大到水上，人类从此可以跨江渡河，使地域上的阻隔失去了原有的威力。与此同时，世界上便出现了最早的码头，主要位于河流、湖泊区域的一处，选择岸坡合适、水流缓慢、避风条件好的地方来依靠粗麻绳等简单方式系靠船舶，由于船只不大，且水动力条件相对较好，系缆并不复杂风险也小，古人乘坐独木舟在这样的场所靠岸，这就是原始时期港口的概念。公元前3000年，随着奴隶制的诞生出现了早期的国际贸易交往，也出现了早期的海港。在腓尼基，当地人经营木材、酒、染料、贩卖奴隶，并在非洲北海岸建造了最古老的港口-季尔港和西顿港，这在商业和航海活动上的表现奠定了港口的原始作用，其随着系解缆工作的频繁，也出现了专门的操作工序。
我国宋元时期的海上交通最繁盛、海外贸易最发达的时期，宋人称码头为“上船亭”（图1），船舶艏艉、横缆的系缆方式已具备了今天的样貌，随着航运的发达从而在客观上推动了造船业、航海技术与港口码头的综合发展，这一时期还出现了导航标志，以指示船舶安全进港。至明末和清代，统治者多次实行海禁政策，使我国原有的造船、航海技术水平急速下降，也直接导致了港口的衰落，码头系缆技术的发展也停滞不前。鸦片战争以后，中国的内河与沿海航权落入外人手中，更使中国的造船与港航事业一蹶不振，到解放前夕已处于奄奄一息的凋败状况。
图1 宋元时期上船亭即今天的码头
图2 近代港口码头船舶系泊与如今并无太大区别
当船舶抵达港口后,在自身动力调整或拖轮辅助下靠泊过程中,系船工需密切配合系好缆绳以固定船舶，并随着停泊期间由于装卸作业引起的吃水变化、潮位变化、风浪流水动力条件的变化而随时关注和调整各缆力的松紧，以保障船舶停泊期间的安全，遇到极端情况还需立即解缆以避免更大的损失。这种传统的船舶系泊，已延续千年，其方式并没有随着船舶技术、港口设施的发展而改变。多年以来，码头工人和船舶水手们一直在重复着解缆、系缆、调缆、固定船舶这样的动作, 虽然缆绳的材质从原始的植物纤维发展到了现代的高科技材料, 但是船舶系泊的方式却几乎没有发生较大的改变（图2）。目前，大多数港口都不再单独的设立系缆工这个岗位，都由门机司机或者地面指挥工兼任。主要工作是船舶接近岸边以后，船上的水手将缆绳引线掷抛到岸上，系缆工及时将缆绳牵引过来，将套头套在系船柱上；然后，船上的绞车将缆绳绞紧（图3）。
近年来随着国际贸易的发展与国际航运业的发展，海上运输需求越来越大，相应带来的船舶大型化、装卸效率提升、频繁的系靠泊作业等问题。进港靠泊系缆通常是在气候良好、风平浪静、潮水平稳的情况下，但理想气候和环境并非一直存在，恶劣气候和环境的变化一旦出现，都会给船舶靠泊期间的系缆带来巨大风险。随着船舶的大型化，系泊缆绳越来越多，从而外载荷在缆绳中的不平衡分配显得越来越严重。当船舶处于不均衡受力状态时，由于突风或者附近经过船舶激起波浪的作用，受力最大的缆绳会突然断裂，然后其余的缆绳相继断裂，最终码头设备或船舶装载货物的损坏、人员伤亡、船舶撞击、水域污染等事故。
图3 港口码头的水手带缆作业与船舶系泊方式延续至今
上述这些都对码头安全提出考验。不论是停泊在水文气象条件较为复杂、还是由于装卸作业快速导致船舶吃水频繁变化等情况，系泊船舶必须不断调整缆绳长度，以保证船舶良好的靠泊，这不仅增大了船员的劳动强度，而且增大了事故发生的几率和风险。另外，在涌浪较大的港口，船舶受到不稳定的外力较大，船舶前后左右不断地晃动，缆绳常常因磨损而绷断，从而危及船舶和人员安全。同时，传统系泊方式下的缆绳易受不稳定外力影响造成船舶不断移动，因而降低了装卸速率，也对码头安全作业影响较大。伴随着海运事业的发展和适应不断提升的安全标准要求，码头系泊系统的可靠性也变得越来越重要。随着现代科学技术的不断进步，使得实时监控、自主调整的新型智能化、无人化港口装卸作业已成为现实，而利用高新技术保证船舶系泊期间的作业安全以代替多年来的传统带缆方式也已经成为可能。从长远来看，智能化系泊系统有安全、高效、经济、环保的特点，作为智慧港口的重要组成部分，自动化系泊设施日益得到重视，需求迫切程度也在逐渐增加，其代替传统缆绳布置下的船舶系泊也不可否认是未来一种发展趋势。
随着海运事业的发展和适应不断提升的安全标准要求，码头系泊系统的可靠性将变得越来越重要，尤其对于一些重要码头，如油船码头、液化天然气（LNG/LPG）码头、化学品码头等。竞争在当今复杂的全球水运格局中尤其显著，进而许多港口码头也正在寻求向自动化技术发展。实现智能化自动系泊，其优势在于增加了可靠性和安全性，尽量减少靠泊期间人员的参与操作和消除失误与风险隐患，消除人为错误是显著的好处。同时，港口运转迫切需要提高港口效率、自动化系泊技术也将减少停机等待的时间，不仅系泊时间缩短了，也精简了泊位操作程序，使得中转时间短，进而提升码头作业效率和吞吐量。同时，随着现代科学技术的发展，特别是计算机、自动化技术的广泛应用，使得实时监控、自主调整的新型智能化码头系泊系统成为现实。目前，类似的自动化系泊设施在国外从研究到成品已得到实现，其应用范围由也从船闸、内河轮渡到中小型客轮码头，甚至到集装箱码头等大型港口，正有逐渐扩大趋势，安装此类系统装备的港口也在实现自动化、智慧化上更加先进与从容，这些港口和设备研发公司也正在积累更多的经验，这类系统的升级完善也在不断进行中。纵观我国水运交通领域，由于沿海码头众多、航运发达，港口设施现代化推进很快，自动系泊系统将同样得到重视。
如同各行各业，传统的港口工程也正处于转型和改变的时代。我们必须不断适应和创新以确保效率，而安全的解决方案也越来越多的得到重视。系泊这个传统的港口码头作业，对优化泊位效率、提升港口整体设施安全中起着至关重要的作用。在此背景下，科研人员必须重新思考与探索新的思路与方法，引入了新的概念，旨在变革靠泊策略和提供优越的操作效率，开展智能化系泊方案研究赋能传统港工专业，并利用波浪运动补偿控制与人工智能等技术，实现跨专业融合，具有重要的理论研究意义与实践应用价值。
目前，国外在智能系泊系统方面已经作了大量工作，并且在实际港口码头中得以应用，而国内研究起步较晚，且可行的技术成熟方案相对较少。国外最早的自动化系泊设备的研究始于70年代，80年代采用应变测量法直接测量缆桩荷载数据，但当时计算机、传感器、电子及通讯技术均不发达，研制码头系泊安全保障系统的条件尚未具备。80年代中期，芬兰的劳马-雷波拉甲板机械厂研制了一种配备电子控制自动装置的绞车,这意味着应用电子技术的自动装置开始替代传统的机械系统，成为世界上第一种自动化绞车系统，从此为码头系泊向的自动化控制迈出了第一步。近几年来，随着科学技术的进步，特别是高速大容量计算机性能的不断提升，传感器技术的飞速发展，实时监控技术水平的不断成熟，为系统的开发研制工作创造了极其有利的条件。国外从最初的单根缆绳荷载监测逐步发展到整个系泊系统的受力监测，完备的码头智能化系泊系统设备的开发也得到了国际上行业内的广泛认可，并逐步在推广应用。目前，国际上有多家公司正在进行智能化、自动化的码头监测与系泊系统的研究与开发制造，如澳大利亚Marine Harbour、丹麦的Marimatech和美国的OceanTech、Mampacy等。目前，在诸如LNG、原油码头等使用的系泊快速脱缆钩系统较为常见，国内也有一些公司进行仿制和周边配套产品的研发。为保证系泊船舶和系泊设施的安全，国外研究和设计的智能化码头系泊系统按照功能分类，一般可包括：船舶辅助进港系统（Berthing Aid System，简称BAS）、系泊受力监测系统（Mooring Load Monitoring System，简称MLMS）和气象环境监测系统（Environmental Monitoring System，简称EMS）三大类型系统设备。
一、船舶辅助进港系统（BAS）
BAS系统的功能主要是利用激光或GPS技术，监视船舶靠离泊码头，测量船舶与码头之间的距离与计算船舶靠近的速度，在码头上安装醒目的电子显示器与声光报警装置，甚至包含便携式控制/显示终端，以便于为港口引航员与码头管理者提供实时信息，如图4所示。当船舶速度或距离超过警戒值时，该系统则报警。根据统计，设置BAS系统的码头能够将事故发生率从1/1000降低到1/10000。其典型代表是荷兰Mampaey公司，国内一些港口均有引进和使用，类似利用其原理开发的靠泊辅助系统，国内也有仿制开发，但市场承认度偏低。
图4 BAS系统监视界面及激光辅助装置
二、系泊受力监测系统（MLMS）
MLMS类系统的典型代表即是快速脱缆钩，是通过在本地的控制使本地或远处的系泊船舶缆绳部分或者全部脱钩，从而船舶能够快速离开码头。国外研究与开发的这类缆钩同时集合了测力、自动脱钩与绞车功能。快速脱缆钩自从1959年开始研制并使用以来，得到了很大的改进和发展。快速脱缆钩主要用于以下情况：由于火、污染或爆炸等原因，要求系泊船舶能够快速离开码头 (此时人员无法靠近系泊船舶)，或为了阻止事故的蔓延或不让船舶在港口沉没而阻塞港口，需要船舶迅速离开泊位的情况。以Mampaey公司研发产品为例，其快速释放系泊钩（Quick Release Mooring Hook）可以在紧急情况下自动断开系泊缆绳固定端，即使在满载的情况下也能准确无误，从而消除船舶对码头与环境的破坏。其标准版本的快速释放系泊钩能够安全处理40~180吨的工作负载，所有快速释放系泊钩都是在安全工作负载的150%的标准下单独测试的，具有久经考验的耐用性。其所有的负载测试均获得LR、BV、DNV、RINA、ABS等船级社认证。图5为目前主要的测力缆钩型式与其在码头上实际系泊应用情景。
图5 目前主要的快速脱缆钩型式与码头应用情景
同时，国外在目前的科技研发水平下, 为实现船舶自动靠离码头从而实现智能控制的方式也有新的方案应用, 即通过磁力吸盘、弹性减振器和卷扬机等机构, 不使用缆绳而使船舶达到系泊的目的, 根据其核心原理也是属于MLMS类系统。该类型的磁力系泊装置, 结构简单、操作方便, 彻底改变了手工系缆和解缆的传统作业方式,使船舶能自动靠离码头, 无疑是系泊方式及观念的一次革命性变革和进步。电磁系泊装置的结构见图6，其主要由机械机构系统、液压系统、电控永磁吸盘系统等三部分构成。底座、大臂、小臂和电磁吸盘连接在一起构成机械机构系统，底座固定于码头前沿，电磁吸盘在工作时吸附在船体上将船舶系于码头。
图6 电磁系泊装置的基本结构示意图
这类船舶磁力系泊装置,能将2~3人手工系缆靠离泊需要3～5min的时间降低到了只要十几秒钟的时间,而且只需驾驶员就能直接操作完成,在节约人力的同时极大地提高了效率, 能充分利用当今的科技水平, 使船舶能完全实现自动化,在计算机和定位系统控制下,能完全实现船舶的无人化操纵。其中，以Cavotec公司的Moor Master200 为例，其吸力20t的吸附垫在船壳板上的吸力10t/m2，具有较强的吸附控制能力。同时，吸附方式采用磁力吸盘，其已经广泛应用在冶金、起重、机械加工等行业上,技术已经相当成熟，能产生600～1200kN/m2的吸力，且磁力线很短，离开吸盘表面很短的间距(10cm左右)就几乎感应不到磁力，在保障船舶安全的同时，不会对船舶电子仪器设备等造成影响。
目前，国外MLMS类系统的设备研究发展非常迅速，除了前文所述的Cavotec公司之外，TRELLEBORG公司的SmartPort概念下开发的AutoMoor系泊系统也是实现智能化系泊作业的一种成功解决方案，如图7所示。类似系统在船靠船的海上过驳作业实施过程中取得了良好的使用效果，国外也进行了大量的测试研究工作。
图7 SmartPort概念下开发的AutoMoor系泊系统以及测试效果
另外，还有一种不采用磁力吸盘，继续在传统系缆上做文章的研究方案，通过自动调节缆力实现改善船舶系泊条件。如荷兰ShoreTension 即是一种独立的液压控制系泊系统，它可以吸收在风浪中移动的船舶能量，并在放松系泊缆索时将其存储于内部。当高峰负荷结束时，系统用存储的能量收回缆索，恢复初始状态。该系统不需要任何外部能量，所以能够提供一种有效的、可持续的系泊解决方案。该系统在全球各大港口，包括鹿特丹（Rotterdam）、锡尼什（Sines）和科托努（Cotonou）接受了广泛的测试已取得成功。其原理，即是通过监测系缆设备的荷载适时调整张力大小以控制系泊船舶的泊稳状态，与之类似的自动系泊装置还包括麦吉佳的MOOREX锚泊系统，如图8所示。
图8 ShoreTension独立液压系缆控制系统与MOOREX锚泊系统
三、气象环境监测系统（EMS）
环境监测系统(EMS)则主要是通过测量和记录来自各种传感器的气象和海洋数据，获取针对系靠泊作业环境的现场监测，利用环境监测系统的数据，可以预测船舶的行为，为系靠泊作业实施提供参考和依据，引航员及海事人员能够根据实际数据和趋势做出正确的决策，从而创造一个更安全的靠泊作业。环境监测系统一般由以下传感器组成：气象站（风况、湿度、气压、温度、降水等）、水流传感器（流速流向、水温等）以及波浪潮汐传感器（波高、波周期、潮位等）。
图9 以CAVOTEC公司产品为代表的自动化系泊系统已开始应用在实际港口
纵观码头系泊的发展历程可以看出，从传统人工到自动化人工智能是一个必然的过程，也是未来发展的趋势（图9、图10）。在港口建设的各个领域都在面向更加安全、智慧和绿色的发展需求下，综合运用最新智能科技，包括流体力学、结构力学、材料力学、电子学、传感器技术、通讯技术、自动化控制理论、船舶与海洋工程技术、甚至人工智能AI等，舍弃传统的系缆绳以实现更高效、安全的系泊是历史发展至今的必然。提升港口操作的安全水平和运行效率，能够在很大程度优化传统港口码头的作业方式进而促进港口技术的变革。为此，开展此类研究与开发应用在国内是十分必要和有意义的。放眼未来，智能的自动化系靠泊系统具有更加安全、经济、环保、高效的特点，更加符合“智慧港口、绿色港口、安全港口”的未来发展理念，其代替传统缆绳系泊是一种发展的趋势和目标。
目前，自动化码头系泊设备已在国外的应用范围由船闸、轮渡码头到集装箱码头再到散货码头正在逐渐扩大，安装此设备的港口也在逐渐增加。纵观我国，水运交通发达，港口设施现代化推进很快，从无人化的全自动集装箱码头的推广与普及看，未来实现智能化的自动系靠泊系统开发应用也将指日可待，在提升安全的同时也将带来显著的经济效益。
图10 天科院团队开展的船舶安全系泊智能辅助系统研究开发
〔作者：高峰〕
来源：天科院海洋水动力研究中心