自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用

陳 培 劉夢(mèng)蘭 張 煜

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，集裝箱運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展，集裝箱船舶呈現(xiàn)大型化趨勢(shì)，港口面臨著提升轉(zhuǎn)運(yùn)效率的迫切需求。同時(shí)，環(huán)境保護(hù)、人力成本等問題也逐漸引起了港口行業(yè)的廣泛關(guān)注，傳統(tǒng)集裝箱碼頭需要突破自身局限，進(jìn)行新一次的綠色化智慧化的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。相較于傳統(tǒng)的集裝箱碼頭，自動(dòng)化集裝箱碼頭從調(diào)度指令到設(shè)備作業(yè)環(huán)節(jié)大幅減少人工干預(yù)，通過系統(tǒng)程序控制自動(dòng)作業(yè)，對(duì)降低人工成本、提升資源效能和作業(yè)效率，以及規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義[1]。自動(dòng)化碼頭滿足了當(dāng)前港口形勢(shì)的需求，是當(dāng)今港口進(jìn)一步發(fā)展的主流趨勢(shì)。

自動(dòng)化集裝箱碼頭單機(jī)的作業(yè)效率可以保持一個(gè)較高的數(shù)值，整體的作業(yè)效率依托于生產(chǎn)工藝、設(shè)備故障率以及場(chǎng)地資源配置等方面。其中，自動(dòng)化碼頭整體布局、碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)屬性、碼頭工藝等不同，對(duì)碼頭運(yùn)營(yíng)調(diào)度提出不同要求。為了實(shí)現(xiàn)碼頭最高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須不斷收集碼頭運(yùn)行效率數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的影響因素，在不斷地收集-調(diào)整-反饋的過程中，尋求本碼頭的最優(yōu)效率配置。天津集裝箱碼頭自動(dòng)化改造項(xiàng)目為邊生產(chǎn)邊改造，需要在改造過程中根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，不斷地調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度資源的分配，才能夠保證碼頭在改造過程中整體運(yùn)行效率不受影響，甚至可以隨著改造的逐漸深化，進(jìn)一步提高運(yùn)營(yíng)效率。以天津集裝箱碼頭為例，從TOS(Terminal Operation System，碼頭操作系統(tǒng))、自動(dòng)化單機(jī)、碼頭資源整體顯示等3個(gè)方面介紹自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)數(shù)據(jù)化的過程及其智慧應(yīng)用。

2 TOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用

在自動(dòng)化碼頭運(yùn)行過程中，通過TOS與ECS(Equipment Control System，設(shè)備控制系統(tǒng))來收集碼頭運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)內(nèi)部算法邏輯計(jì)算出分配碼頭設(shè)施資源的最佳路徑，實(shí)現(xiàn)碼頭效率的最大化[2]。由于各個(gè)碼頭的整體布局等基本屬性不同，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化碼頭的效率最優(yōu)化，就需要不斷地收集碼頭整體作業(yè)情況并有針對(duì)性地做出修正，在這個(gè)過程中，碼頭數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用尤為重要。

TOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集較為便捷，即根據(jù)TOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表格創(chuàng)建一張新的表格，在不影響TOS運(yùn)行的情況下實(shí)時(shí)訪問TOS的數(shù)據(jù)表格，更新到自建的數(shù)據(jù)表格當(dāng)中。隨后，根據(jù)表格的自有分類，如作業(yè)類型、作業(yè)時(shí)間、作業(yè)場(chǎng)地等，以及自身碼頭的數(shù)據(jù)需求，建立適合本碼頭需求的數(shù)據(jù)信息庫。

在自動(dòng)化改造前，天津港五洲碼頭堆場(chǎng)采用集中式策劃方式，即按照岸邊與堆場(chǎng)的設(shè)備比例，將裝卸船的集裝箱集中到一個(gè)或幾個(gè)連續(xù)貝位區(qū)域，使堆場(chǎng)設(shè)備能夠以最小的跑動(dòng)距離實(shí)現(xiàn)較快的連續(xù)作業(yè)。但是，這樣的方式不適合面對(duì)連續(xù)高峰作業(yè)的港口需求，同時(shí)也閑置了一部分設(shè)備設(shè)施資源，不適合自動(dòng)化堆場(chǎng)的作業(yè)特點(diǎn)。因此，五洲碼頭提出了分散式堆場(chǎng)策劃方式，即充分利用自動(dòng)化設(shè)備效率穩(wěn)定、及時(shí)響應(yīng)指令的特點(diǎn)，對(duì)于單一或者多個(gè)船舶配比一定比例的場(chǎng)區(qū)，實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化，且不浪費(fèi)堆場(chǎng)資源。

基于TOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前的作業(yè)效率，也可以與之前時(shí)間段的堆場(chǎng)信息進(jìn)行比對(duì)，可為碼頭管理人員提供明確的反饋[3]。通過觀察在不同自動(dòng)化場(chǎng)地資源配比下的數(shù)據(jù)信息，碼頭管理人員可以在不斷地調(diào)節(jié)過程中，綜合作業(yè)效率、能源功耗、人員調(diào)配等相關(guān)因素，找到適合本碼頭的最佳資源配比方式。天津港五洲碼頭通過“分級(jí)策劃”、“進(jìn)出口分區(qū)策劃”、“進(jìn)出口全場(chǎng)混合策劃”等3個(gè)階段24次的參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)分散式堆場(chǎng)策劃方式的革新與穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高堆場(chǎng)軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱場(chǎng)橋)的使用均衡度、選位合理性和場(chǎng)地調(diào)配的彈性；降低由于進(jìn)出口比例轉(zhuǎn)換、船舶班期調(diào)整等原因?qū)ιa(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生的負(fù)面影響，減少裝船搗箱總量，進(jìn)而發(fā)揮出自動(dòng)化場(chǎng)橋作業(yè)的效能優(yōu)勢(shì)。

圖1為天津港五洲集裝箱碼頭自動(dòng)化改造過程當(dāng)中的每日平均指令時(shí)間統(tǒng)計(jì)?？梢?，開始的集中式策劃的資源調(diào)度方式，不適合自動(dòng)化堆場(chǎng)的運(yùn)行特征，平均指令耗時(shí)較長(zhǎng)，難以在要求時(shí)間內(nèi)完成生產(chǎn)任務(wù)指標(biāo)，且波動(dòng)性較大，可控性差。通過改變調(diào)度模式并不斷調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，指令耗時(shí)大幅縮短，并穩(wěn)定保持在預(yù)期時(shí)間范圍內(nèi)，可以確保自動(dòng)化碼頭的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 生產(chǎn)指令時(shí)長(zhǎng)走勢(shì)圖

對(duì)TOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析，不僅可以幫助碼頭調(diào)度人員調(diào)整堆場(chǎng)運(yùn)行模式，還可以在整個(gè)碼頭堆場(chǎng)正常生產(chǎn)運(yùn)行過程中，幫助碼頭管理人員監(jiān)控堆場(chǎng)指令運(yùn)行情況，其監(jiān)控視角可以從整場(chǎng)運(yùn)行狀況到每個(gè)作業(yè)區(qū)域、每一臺(tái)場(chǎng)橋、每一輛集裝箱卡車的運(yùn)行效率上，便于發(fā)現(xiàn)效率低下的堆場(chǎng)設(shè)備，并作出相應(yīng)的對(duì)策，為碼頭的整體把控、維護(hù)保養(yǎng)提供良好的依據(jù)。

3 自動(dòng)化場(chǎng)橋數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用

場(chǎng)橋的監(jiān)控系統(tǒng)能夠較為全面地顯示目標(biāo)場(chǎng)橋的作業(yè)信息、作業(yè)故障等問題，但是這類應(yīng)用軟件主要以當(dāng)前的故障問題為中心，旨在輔助維修人員迅速恢復(fù)場(chǎng)橋故障問題，不利于碼頭維護(hù)人員對(duì)堆場(chǎng)場(chǎng)橋的整體掌控。在碼頭自動(dòng)化升級(jí)過程中，把碼頭維護(hù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)化，可以使維護(hù)人員所需信息更加清晰、便捷地呈現(xiàn)出來，從而減少維護(hù)人員工作強(qiáng)度，減少維護(hù)成本[4]。

以天津港五洲集裝箱碼頭改造為例，自動(dòng)化單機(jī)CMS(Content Management System，內(nèi)容管理系統(tǒng))較為全面。因此，可以直接通過OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的對(duì)象連接與嵌入)讀取對(duì)應(yīng)的CMS數(shù)據(jù)，并利用場(chǎng)橋與中央信息處理機(jī)房冗余的帶寬，通過交換機(jī)將所需信息傳輸?shù)綑C(jī)房并存儲(chǔ)到設(shè)定好的設(shè)備上。最后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，并最終以表格的形式顯示到碼頭維護(hù)人員面前。

通過對(duì)場(chǎng)橋的數(shù)據(jù)分析處理，可以把每臺(tái)場(chǎng)橋執(zhí)行每一條指令的時(shí)間分塊細(xì)化為各個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、自動(dòng)化傳感器的運(yùn)行時(shí)間。結(jié)合所收集的場(chǎng)橋的整體使用情況，統(tǒng)計(jì)了各個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)在1周的時(shí)間內(nèi)制動(dòng)器開閉次數(shù)、各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的距離等信息(見圖2)。碼頭維保人員可以根據(jù)機(jī)構(gòu)使用情況更好地掌握各個(gè)場(chǎng)橋的維保周期，確保場(chǎng)橋始終保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 場(chǎng)橋各機(jī)構(gòu)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

圖3為改造過程中，1周內(nèi)場(chǎng)橋執(zhí)行指令運(yùn)行過程中各個(gè)影響因素所占時(shí)間比例圖。通過這張圖，碼頭維護(hù)人員可以明確找到場(chǎng)橋運(yùn)行過程中導(dǎo)致執(zhí)行指令時(shí)間過長(zhǎng)的各個(gè)因素，從而在下一步的維護(hù)過程中制定措施，快速解決問題，提高運(yùn)行效率。

圖3 場(chǎng)橋運(yùn)行時(shí)間影響因素占比

此外，自動(dòng)化運(yùn)行情況下，會(huì)產(chǎn)生一些次要警報(bào)。這類警報(bào)會(huì)顯示到CMS界面，但不會(huì)影響場(chǎng)橋正常作業(yè)。這些次要警報(bào)需要引起注意并及時(shí)清除，否則故障長(zhǎng)期積累可能會(huì)對(duì)場(chǎng)橋本身產(chǎn)生不良的影響。在沒有對(duì)各個(gè)場(chǎng)橋的數(shù)據(jù)收集與處理的情況下，需要耗費(fèi)人力成本依次檢查各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況。而建立專門的數(shù)據(jù)處理庫之后，維保人員可以直接得到整個(gè)堆場(chǎng)場(chǎng)橋所有的警報(bào)信息以及處理時(shí)對(duì)應(yīng)的硬件圖紙位置和各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置，并據(jù)此信息快速處理故障(見圖4)。自動(dòng)化堆場(chǎng)對(duì)各個(gè)場(chǎng)橋進(jìn)行專門的數(shù)據(jù)收集與處理，使碼頭維護(hù)人員更好地了解和監(jiān)控自動(dòng)化場(chǎng)橋的運(yùn)行[5]。

圖4 各場(chǎng)橋警報(bào)數(shù)據(jù)分析表

4 碼頭整體運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用

天津港五洲集裝箱碼頭在改造過程中，結(jié)合碼頭自身堆場(chǎng)地理信息、場(chǎng)橋運(yùn)行狀態(tài)、集卡GPS位置信息等數(shù)據(jù)，為碼頭量身打造生產(chǎn)作業(yè)實(shí)時(shí)輔助指揮信息系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)輔助指揮系統(tǒng)統(tǒng)合堆場(chǎng)信息，并通過3D畫面顯示出碼頭整體運(yùn)行信息，使調(diào)度人員可以清晰看到碼頭全部作業(yè)單元的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、位置以及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)(見圖5)。輔助指揮信息系統(tǒng)可提供現(xiàn)代化集裝箱碼頭的全景支持，包括對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)、場(chǎng)橋和集卡的監(jiān)控，收集碼頭設(shè)備的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，使碼頭管理、操作和維護(hù)隊(duì)伍能夠協(xié)同監(jiān)控、管理生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)行，有效提升碼頭生產(chǎn)指揮的決策效率。

圖5 實(shí)時(shí)輔助指揮系統(tǒng)組成

實(shí)時(shí)輔助指揮信息系統(tǒng)主要功能包括：

(1)3D堆場(chǎng)地圖：可實(shí)時(shí)顯示堆場(chǎng)每個(gè)集裝箱的位置信息，并通過不同顏色加以區(qū)分，每一種顏色可以在配置時(shí)代表一類信息(見圖6)。

圖6 碼頭堆場(chǎng)3D顯示

(2)集裝箱分顏色顯示：通過設(shè)定顏色顯示當(dāng)前哪個(gè)箱子將被移動(dòng)，根據(jù)TOS指令信息，不同的顏色代表不同的船、時(shí)間范圍、移動(dòng)類型。

(3)水平運(yùn)輸車輛位置：碼頭車輛位置信息接入到輔助指揮信息系統(tǒng)后，場(chǎng)地位置信息、水平運(yùn)輸車輛位置等顯示在輔助指揮信息系統(tǒng)。

(4)起重機(jī)生產(chǎn)報(bào)告：該報(bào)告顯示指定起重機(jī)在某一時(shí)間段內(nèi)的生產(chǎn)報(bào)告列表，每一次運(yùn)行都有詳細(xì)的信息記錄，包括開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、作業(yè)類型、作業(yè)負(fù)載重量等。

(5)常見事件總體報(bào)告：該報(bào)告顯示指定起重機(jī)在指定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的常見故障數(shù)量和內(nèi)容，每行顯示該故障在指定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的次數(shù)之和，用于掌握和排查單機(jī)的常見故障發(fā)生情況(見圖7)。

圖7 場(chǎng)橋故障以及輔助處理

(6)事件總體報(bào)告：該報(bào)告以圖形或柱狀圖的形式顯示當(dāng)前所有不同起重機(jī)的不同的事件數(shù)量，每天某一事件在每臺(tái)機(jī)的發(fā)生數(shù)量，用于分析統(tǒng)計(jì)同類故障的發(fā)生頻率。

(7)實(shí)時(shí)視頻：允許操作員監(jiān)控某臺(tái)起重機(jī)的實(shí)時(shí)視頻。

(8)歷史回放：允許在輔助指揮信息系統(tǒng)的窗口上回放某一臺(tái)起重機(jī)CMS記錄的歷史記錄，便于查閱和排查故障。

(9)生產(chǎn)績(jī)效報(bào)警：如果某一臺(tái)起重機(jī)的每小時(shí)作業(yè)量低于設(shè)定值，在3D窗口會(huì)有一個(gè)可視化的報(bào)警來提示。

(10)狀態(tài)/報(bào)警顯示：顯示每一臺(tái)起重機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)信息和報(bào)警信息等，例如機(jī)構(gòu)的速度、位置、傳動(dòng)電流、力矩、電壓、限位狀態(tài)、機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖、當(dāng)前事件的報(bào)警、故障信息等。

(11)查閱圖紙：允許維護(hù)人員調(diào)用設(shè)備的電氣或機(jī)械圖紙，便于維護(hù)人員及時(shí)查閱設(shè)備信息。

5 結(jié)語

相對(duì)于傳統(tǒng)碼頭，自動(dòng)化碼頭本身具備完善的信息交互網(wǎng)絡(luò)，為碼頭運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)提供了良好的基礎(chǔ)，便于數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)抓取。利用自動(dòng)化碼頭本身的數(shù)據(jù)平臺(tái)，結(jié)合碼頭行業(yè)本身的運(yùn)行特征，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢(shì)，可提高碼頭運(yùn)行效率，節(jié)省生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，為建設(shè)世界一流的智慧化碼頭提供支持。