自動化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能設計與應用

范唯

近年來，集裝箱裝卸設備自動化技術發(fā)展已趨于成熟，國內外大型港口紛紛新建自動化集裝箱碼頭或對傳統(tǒng)集裝箱碼頭實施自動化改造。堆場設備自動化運行是自動化集裝箱碼頭運行的基礎。堆場設備實現(xiàn)自動化運行后，為了配合“打散”作業(yè)模式，設備出勤率顯著提高，連續(xù)工作時間明顯延長。由于自動化設備長時間停機情況較少，加之缺乏司機反饋信息，傳統(tǒng)維保模式已無法滿足自動化集裝箱碼頭對設備管理的要求。革新設備維保模式需要精確、詳盡的數(shù)據(jù)支持，因此，設備管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)的功能設計尤為重要。本文闡述自動化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能設計的必要性，介紹系統(tǒng)功能及其在實際應用中的效果，并就進一步完善系統(tǒng)功能提出建議。

1 開發(fā)自動化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)的必要性

相較于傳統(tǒng)軌道吊，自動化軌道吊增設無線射頻識別（radio frequency identification，RFID）系統(tǒng)、目標定位系統(tǒng)、集卡引導系統(tǒng)、用于各機構定位的編碼器和傳感器以及用于視頻監(jiān)控的多種類攝像頭等自動化作業(yè)所需的系統(tǒng)和元器件。自動化軌道吊之間需要通信，以實現(xiàn)各類信息（包括軌道吊在堆場中的位置、作業(yè)狀態(tài)、指令類型等）互通，且每臺軌道吊需要核對自身狀態(tài)信息與碼頭操作系統(tǒng)發(fā)來的指令是否相符。鑒于此，需要重新設計自動化軌道吊管理系統(tǒng)架構和功能。

傳統(tǒng)的設備數(shù)據(jù)系統(tǒng)多用于事后統(tǒng)計分析設備在一段較長時間內的運行效率，適用于傳統(tǒng)維保模式。由于自動化軌道吊采用遠程操控，設備管理人員無法第一時間獲取即時信息，難以察覺設備隱性故障;雖然在技術上具備實時監(jiān)控設備關鍵點位狀態(tài)的能力，但高昂的安裝成本以及對維保人員經(jīng)驗和能力的高要求導致實際實現(xiàn)過程困難重重。鑒于此，有必要設計開發(fā)自動化軌道吊數(shù)據(jù)系統(tǒng)，從碼頭操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫讀取關鍵作業(yè)信息并加以處理，從而為設備管理人員判斷設備隱性故障、部署設備提效舉措提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，確保設備安全、高效運行。

2 自動化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能設計

2.1 自動化軌道吊管理系統(tǒng)

自動化軌道吊管理系統(tǒng)由起重機管理系統(tǒng)（crane management systme，CMS）和起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)（remote crane monitoring system，RCMS）共同構成。

2.1.1 CMS功能設計

（1）監(jiān)控整機狀態(tài)。采用圖形化界面（見圖1）實時顯示設備運行狀態(tài)，包括主機構速度、位置、電流、電壓、力矩以及限位和連鎖狀態(tài)等，便于操作和維護人員直觀了解和掌握設備當前運行狀態(tài)。

（2）記錄故障。保存歷史故障，記錄故障發(fā)生時間和復位時間。將設備異常情況按嚴重程度分為故障（禁止機構運行）、報警和連鎖條件等，并分別用紅色、黃色和藍色加以區(qū)分（見圖2）。

（3）生成故障報表。按照日期和時段、機構分類、故障代碼、故障等級等條件生成故障報表。故障記錄包含故障代碼、發(fā)生時間、修復時間和故障描述等信息，可以通過設定篩選條件查詢故障并導出報表。

（4）分析故障。統(tǒng)計相同故障發(fā)生的次數(shù)及其所占比例、相同故障的平均間隔時間，列出發(fā)生頻次較高的故障等，通過表格、曲線圖、柱狀圖、餅圖等多種形式展示統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

（5）提供故障幫助信息并實現(xiàn)故障跳轉。一旦設備發(fā)生故障，系統(tǒng)可跳轉至可編程邏輯控制器、電路原理圖或控制程序等相關頁面，快速、準確定位故障源，并提供歷史故障處理日志，供維修人員參考。

（6）歷史回放和儲存本機運行歷史數(shù)據(jù)?；胤殴δ芸稍佻F(xiàn)某時段內的設備運行狀態(tài)、故障、報警等事件，便于維護人員查找分析故障。

（7）生成統(tǒng)計和維護報表。統(tǒng)計控制合時間、各主機構運行時間、制動器工作次數(shù)等，結合生產(chǎn)維護數(shù)據(jù)，生成維護報表，向維護人員提示設備維護信息。

2.1.2 RCMS功能設計

RCMS安裝在自動化遠程操控中心，用于遠程監(jiān)控和采集自動化軌道吊數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障等，方便維護人員診斷故障及監(jiān)測設備運行。RCMS功能結構如圖3所示。

（1）堆場總覽 實時顯示自動化軌道吊狀態(tài)信息，包括自動化軌道吊在堆場中的位置、是否控制合、是否作業(yè)等信息。

（2）單機實時監(jiān)控 監(jiān)控自動化軌道吊電氣、機械、液壓等系統(tǒng)實時運行狀態(tài)，組合展示相關狀態(tài)信息;模塊化顯示各機構和重要部件的實時狀態(tài)，顯示信息包括電機的轉速、電壓、電流、頻率，控制反饋信號、脈沖發(fā)生器信號，驅動器、繼電器、接觸器、制動器等裝置的狀態(tài)、位置、電流、電壓、速度信號，以及限位、互鎖、傳感器、編碼器等裝置的重要信息。

（3）多樣報表 設計時間報表、維護報表、控制合報表和產(chǎn)量報表等報表功能，其中：時間報表按日期和時段統(tǒng)計自動化軌道吊各機構運行時間;維護報表統(tǒng)計制動器、限位、鋼絲繩等損耗部件的運行時間，當運行時間達到額定壽命時，系統(tǒng)報警提示維護人員進行更換;控制合報表記錄操作人員在遠程操控臺上的操作信息，記錄自動化軌道吊控制合、控制斷時間，方便碼頭管理人員結合歷史回放，分析自動化軌道吊具體作業(yè)動作;產(chǎn)量報表按日期和時段統(tǒng)計作業(yè)箱量（自然箱量和標準箱量），支持對不同箱型和質量區(qū)間的集裝箱分組統(tǒng)計，并且支持查詢任意一條吊箱記錄中的抓箱時間、放箱時間、質量、小車位置和起升位置等詳細信息。

（4）其他功能 其他功能與單機CMS功能基本一致。

2.2 自動化軌道吊數(shù)據(jù)系統(tǒng)

自動化軌道吊數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源于碼頭操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，旨在提取、處理和分析自動化軌道吊作業(yè)信息，供碼頭管理人員參考。系統(tǒng)支持瀏覽器查看，主要包括效率模塊、績效模塊和車輛時序控制模塊。

2.2.1 效率模塊

（1）作業(yè)指令時長報表 作業(yè)指令時長報表支持查詢任意時段、任意自動化軌道吊的作業(yè)箱量和平均作業(yè)指令時長，以及內集卡作業(yè)指令、外集卡作業(yè)指令和翻倒箱作業(yè)指令。

（2）作業(yè)指令數(shù)量報表 作業(yè)指令數(shù)量報表顯示相同年份不同季度、不同月份以及不同年份相同季度、相同月份的作業(yè)指令數(shù)量。

（3）作業(yè)指令時長分布 通過柱狀圖和餅狀圖顯示作業(yè)指令時長區(qū)間和各時長區(qū)間占比。

（4）堆場作業(yè)指令明細 堆場作業(yè)指令明細支持查詢任意時段各個堆場的作業(yè)指令分配情況。

2.2.2 績效模塊

（1）班次平均作業(yè)箱量 按工班統(tǒng)計遠程操控人員平均作業(yè)箱量，方便績效考核。

（2）集卡作業(yè)箱量統(tǒng)計 統(tǒng)計內集卡作業(yè)箱量，對集卡司機實施按件計酬。

（3）作業(yè)指令循環(huán)時長 支持查詢各時段作業(yè)指令的執(zhí)行效率，并通過曲線圖顯示效率趨勢。

（4）集卡作業(yè)指令時長 支持查詢不同時段外集卡執(zhí)行裝船、卸船、集港、疏運和中轉等作業(yè)指令的時長。

2.2.3 車輛時序控制模塊

車輛時序控制模塊用于統(tǒng)計堆場道口RFID設備識別集卡的失敗次數(shù)和頻率，從而為判斷RFID設備是否出現(xiàn)功能性故障提供佐證。

3 自動化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)應用

自動化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)投入使用后，極大地方便了碼頭管理人員通過數(shù)據(jù)分析評估設備狀態(tài)，并為故障檢修、隱性故障識別提供數(shù)據(jù)支持，應用效果十分顯著。

3.1 設備宏觀作業(yè)效率分析

通過作業(yè)指令時長報表，分別對自動化軌道吊的不同作業(yè)類型和不同品牌自動化軌道吊的作業(yè)指令時長進行分析，得到相關的效率差異，并經(jīng)過長時間的優(yōu)化，獲得穩(wěn)定的效率指標（見表1）和對效率水平的科學認知。

對于采用八繩防搖機械結構的自動化軌道吊，內集卡作業(yè)指令平均時長可長期穩(wěn)定在150 s以內，外集卡作業(yè)指令平均時長可穩(wěn)定在180 s以內;對于采用四繩防搖機械結構的自動化軌道吊，內外集卡作業(yè)指令平均時長延長30 s以內為正常水平。當個別設備的作業(yè)效率出現(xiàn)明顯偏差時，設備管理人員開展針對性研究，從主觀維保和客觀作業(yè)環(huán)境等方面分析影響效率的不利因素，以便實施優(yōu)化措施。

3.2 單臺設備作業(yè)效率分析

單臺自動化軌道吊作業(yè)效率指標（見表2）反映不同設備在特定時段執(zhí)行的作業(yè)指令數(shù)量和平均作業(yè)時長。單臺設備作業(yè)效率分析可用于以下方面。

（1）正確認識特殊環(huán)境下的設備作業(yè)效率。例如：超高箱、開頂箱等特種集裝箱作業(yè)需要現(xiàn)場作業(yè)人員配合遠程操控，導致設備作業(yè)效率遠低于正常水平;通過作業(yè)工藝改進和效率分析，能夠確定可接受的效率水平。

（2）通過設備作業(yè)效率排序，能夠確定某個階段單臺設備的作業(yè)效率上限。設備管理人員調取狀態(tài)最優(yōu)的設備參數(shù)，將其配置到需要執(zhí)行效率優(yōu)化的設備，并不斷跟進調整，從而為每臺設備配置最優(yōu)的個性化參數(shù)，提升作業(yè)效率。在開展此項工作的同時，也確定了當前階段效率優(yōu)化的“及格線”和“最優(yōu)極限”。

（3）通過對比設備執(zhí)行作業(yè)指令數(shù)量的期望值與實際值，優(yōu)化作業(yè)指令自動分配算法，盡可能將作業(yè)指令平均分配到每臺軌道吊，從而最大程度地發(fā)揮設備資源效能。

3.3 作業(yè)效率影響因素分析

自動化軌道吊作業(yè)效率受主客觀因素的共同影響，其中：主觀因素可以直接體現(xiàn)在故障報表中，如集卡識別故障、集卡引導故障、目標識別失敗、未檢測到集卡入場等;客觀因素則無法直接體現(xiàn)在故障報表中，需要導出關鍵作業(yè)信息并加以處理分析，如大車跑動距離、大車過電纜坑、內外集卡作業(yè)指令占比、天氣狀況等。

（1）內外集卡作業(yè)指令占比 對比分析自動化軌道吊作業(yè)效率發(fā)現(xiàn)，平均作業(yè)指令時長與外集卡作業(yè)指令占比正相關，即外集卡作業(yè)指令占比越高，平均作業(yè)指令時長就越長（見表3）?；诖私Y論，作業(yè)計劃人員可以通過集疏運預約系統(tǒng)及時調整未來作業(yè)計劃。

（2）天氣狀況 分析不同天氣狀況下的設備故障報表發(fā)現(xiàn)，大風和惡劣雨雪天氣對設備作業(yè)效率影響較大，主要體現(xiàn)在垂纜出筐導致作業(yè)暫停、大車激光防撞裝置出現(xiàn)高頻短時的誤動作導致設備限速等方面。對此采取針對性處理措施，升級激光防撞器功能，從而基本消除誤動作的影響;但在大風天氣下，仍需要對起升機構作限速處理。調度人員根據(jù)天氣預警信息推斷作業(yè)進度，調整對裝卸設備和水平運輸設備的調度，以保證原定作業(yè)計劃能夠按時完成。

（3）大車跑動距離 數(shù)據(jù)庫記錄每條作業(yè)指令的貝位，按時間排序并導出作業(yè)指令，即可通過Excel表格計算相應時段內的大車跑動距離。大車跑動距離、內外集卡作業(yè)時長占比、設備自動化功能故障率等為單機作業(yè)效率分析提供數(shù)據(jù)支持（見表4）。在故障率正常、大車跑動距離偏長的情況下，單機作業(yè)效率偏低屬于正?，F(xiàn)象。

（4）大車過電纜坑 過電纜坑必定會對自動化軌道吊作業(yè)效率產(chǎn)生影響。經(jīng)測算，大車單次過坑比正常行走多耗費10 s。在已劃定軌道吊作業(yè)區(qū)域的條件下，分析大車過坑頻率。如果過坑頻率過高，建議堆場設備調度人員重新劃定區(qū)域，并在自動化軌道吊管理系統(tǒng)中重新設置作業(yè)區(qū)域，從而盡可能降低大車過電纜坑對設備作業(yè)效率的不利影響。

3.4 實現(xiàn)“打散式”維保

自動化堆場采用“打散式”作業(yè)工藝，設備少有長時間停機機會，不利于設備日常檢查和保養(yǎng);因此，實現(xiàn)軌道吊“打散式”針對性維保至關重要。自動化軌道吊“打散式”維保步驟如下。

（1）查看自動化軌道吊管理系統(tǒng)中的事件報表，提取其中的異常信息，例如：設備吊具某個開閉鎖限位的動作狀態(tài)與其他開閉鎖限位明顯不同步，導致設備多次重復執(zhí)行開閉鎖指令;設備某機構電機油位、油溫異常，雖然尚未造成故障或導致設備停機，但影響作業(yè)連貫性，且有引發(fā)故障的風險。

（2）針對上述情況，向生產(chǎn)調度部門申請臨時停機30～120 min，快速排查已明確的隱藏故障點，保養(yǎng)或更換配件，使設備保持良好狀態(tài)。設備常規(guī)巡檢和部分維保項目也可在短暫停機時穿插執(zhí)行。碼頭操作系統(tǒng)能夠預測未來數(shù)小時的設備作業(yè)箱量，并具備智能微調作業(yè)安排的能力;因此，短暫停機不會對整體裝卸計劃產(chǎn)生影響。

3.5 故障統(tǒng)計

若設備出現(xiàn)故障導致作業(yè)中斷，搶修人員須介入維修;此時，自動化軌道吊管理系統(tǒng)記錄相關信息并3.5 故障統(tǒng)計生成故障統(tǒng)計表（見表5）。日常維保人員根據(jù)故障統(tǒng)計表追溯詳細故障報表，并將高發(fā)故障和長時間故障確定為下一階段維保工作的重點。

4 結束語

本文以提高自動化軌道吊作業(yè)安全性和效率為目標，以發(fā)現(xiàn)作業(yè)效率影響因素為導向，設計自動化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能并開發(fā)相關系統(tǒng)，從而為設備管理人員診斷故障、生產(chǎn)調度人員調整策略提供數(shù)據(jù)支持和理論支撐，并取得良好應用效果。后續(xù)，將逐步完善系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的智能化處理功能，提高運算速度和報表質量，使其更好地適應自動化軌道吊的維保需求，契合集裝箱運輸行業(yè)發(fā)展理念。