集裝箱碼頭堆場(chǎng)自動(dòng)化改造項(xiàng)目效率分析

王曉東

大連港股份有限公司

1 引言

目前，集裝箱碼頭堆場(chǎng)自動(dòng)化改造已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和推廣。如何進(jìn)行改造后的效率分析，尋找提高效率的措施是碼頭共同的關(guān)注點(diǎn)[1]。以典型的平行岸線布局，裝卸設(shè)備采用軌道式龍門(mén)起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱軌道吊)的傳統(tǒng)碼頭堆場(chǎng)自動(dòng)化改造為例，進(jìn)行效率分析研究。

2 集裝箱碼頭堆場(chǎng)自動(dòng)化改造項(xiàng)目的效率種類和含義

集裝箱碼頭堆場(chǎng)自動(dòng)化改造項(xiàng)目的效率主要包括單機(jī)單作業(yè)效率、單機(jī)多作業(yè)效率、單條街區(qū)作業(yè)效率和整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)效率。

2.1 單機(jī)單作業(yè)效率

單機(jī)單作業(yè)效率指單機(jī)在測(cè)試條件下，不動(dòng)大車(chē)，單位時(shí)間(以h為單位)內(nèi)可以完成的將集裝箱從集卡上抓起，經(jīng)小車(chē)運(yùn)行后，放到堆場(chǎng)內(nèi)的次數(shù)；或者從堆場(chǎng)內(nèi)抓起，經(jīng)小車(chē)運(yùn)行后，放到集卡上的次數(shù)。該效率主要是測(cè)試單機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)能力。

2.2 單機(jī)多作業(yè)效率

單機(jī)多作業(yè)效率是指單機(jī)在正常作業(yè)條件下，根據(jù)TOS(Terminal Operation System，碼頭操作系統(tǒng))下達(dá)的任務(wù)指令，單位作業(yè)時(shí)間(以h為單位)內(nèi)完成的作業(yè)箱量，用于衡量單機(jī)經(jīng)過(guò)自動(dòng)化改造后的運(yùn)行情況及與TOS聯(lián)調(diào)后的效果。由于實(shí)際作業(yè)工況復(fù)雜，影響單機(jī)多作業(yè)效率因素很多，特別是單機(jī)接到作業(yè)任務(wù)時(shí)，可能需要移動(dòng)大車(chē)。大車(chē)移動(dòng)距離不同，所需時(shí)間難以確定，嚴(yán)重影響分析。因此，為簡(jiǎn)化分析，假定單機(jī)不動(dòng)大車(chē)。

2.3 單條街區(qū)作業(yè)效率

單條街區(qū)作業(yè)效率指位于該條街區(qū)內(nèi)的所有設(shè)備在單位作業(yè)時(shí)間(可以h為單位，如果長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，可以d為單位)內(nèi)完成的作業(yè)箱量。單條街區(qū)作業(yè)效率主要用于衡量TOS中的作業(yè)任務(wù)選擇和多臺(tái)(一般多為2臺(tái))設(shè)備調(diào)度的能力，是單機(jī)作業(yè)能力和自動(dòng)化TOS性能的綜合體現(xiàn)。

自動(dòng)化作業(yè)模式下，單條街區(qū)作業(yè)效率又稱綜合作業(yè)效率，計(jì)算公式為：

設(shè)備接到作業(yè)任務(wù)指令時(shí)間是指當(dāng)集卡進(jìn)入街區(qū)，觸發(fā)RFID識(shí)別，若此時(shí)設(shè)備處于“空閑”狀態(tài)，TOS開(kāi)始給設(shè)備發(fā)送任務(wù)的時(shí)間。

2.4 整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)效率

整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)效率是指整個(gè)堆場(chǎng)上的所有設(shè)備在單位作業(yè)時(shí)間(可以h或d為單位，長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，也可以“月”為單位)內(nèi)完成的作業(yè)總量。TOS可以根據(jù)裝卸船計(jì)劃、收提箱計(jì)劃，采取全場(chǎng)考慮、“打散”模式、分配任務(wù)、調(diào)度設(shè)備，同時(shí)兼顧現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的即時(shí)動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整計(jì)劃。整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)效率主要用于衡量自動(dòng)化堆場(chǎng)計(jì)劃和派位算法的優(yōu)劣，以及其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng)(如拖車(chē)池、配載計(jì)劃等)的性能、相互銜接和配合的情況，是整個(gè)碼頭的綜合作業(yè)效率的體現(xiàn)，也是碼頭最關(guān)注的問(wèn)題。

3 自動(dòng)化作業(yè)與傳統(tǒng)作業(yè)效率的對(duì)比

3.1 單機(jī)單作業(yè)效率對(duì)比

以某碼頭的雙外伸臂軌道吊自動(dòng)化改造為例。在傳統(tǒng)作業(yè)模式下，單機(jī)裝卸船、收提箱的平均耗時(shí)約100 s，即單作業(yè)效率為36箱/h。自動(dòng)化作業(yè)模式下，單機(jī)裝卸船、收提箱的平均耗時(shí)大約140 s，即單作業(yè)效率為25.7箱/h，其中在外集卡上的抓放箱的人工介入時(shí)間為25～35 s。兩者差距是因?yàn)閭鹘y(tǒng)人工作業(yè)采取“拋物線”形式，而自動(dòng)化主要采取“門(mén)框式”作業(yè)(見(jiàn)圖1)。

圖1 門(mén)框式和拋物線式

“門(mén)框式”作業(yè)是吊具抓箱后先起升到安全高度，移動(dòng)小車(chē)，達(dá)到目標(biāo)位上方后，吊具下降到目標(biāo)位。采取該方式的目的是保障吊具運(yùn)行過(guò)程中的安全，防止與其他箱子相撞。目前，部分知名品牌電控系統(tǒng)供應(yīng)商的自動(dòng)化軌道吊具有“路徑優(yōu)化”功能(“拋物線”形式)，但因吊具起升高度與堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱堆碼高度間距小，路徑優(yōu)化效果不顯著。

3.2 單機(jī)多作業(yè)效率對(duì)比

堆場(chǎng)自動(dòng)化改造后，當(dāng)集卡進(jìn)入街區(qū)口時(shí)，觸發(fā)RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)識(shí)別裝置，若此時(shí)設(shè)備處于“空閑”狀態(tài)，TOS開(kāi)始給單機(jī)發(fā)送任務(wù)。如果是出箱，單機(jī)可以利用等待集卡到達(dá)目標(biāo)貝位的時(shí)間，提前將目標(biāo)箱抓起，在臨近集卡通道上方等待，以節(jié)省時(shí)間。如果出箱時(shí)涉及翻搗，單機(jī)可以利用等待時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行翻搗，對(duì)于作業(yè)相對(duì)不繁忙的堆場(chǎng)，效率提高明顯。但對(duì)于作業(yè)繁忙的堆場(chǎng)，集卡先到目標(biāo)貝位，等待單機(jī)，翻搗時(shí)間無(wú)法兌沖。傳統(tǒng)人工作業(yè)是司機(jī)看到作業(yè)集卡后才開(kāi)始目標(biāo)任務(wù)的作業(yè)。

綜上，如果作業(yè)任務(wù)較多，趨近連續(xù)作業(yè)，集卡等待單機(jī)，自動(dòng)化和傳統(tǒng)作業(yè)比較的是單機(jī)作業(yè)能力，傳統(tǒng)作業(yè)效率高于自動(dòng)化作業(yè)效率。如果作業(yè)任務(wù)很少，1小時(shí)內(nèi)僅有幾個(gè)作業(yè)任務(wù)，決定效率的還是自動(dòng)化和人工的單機(jī)作業(yè)能力，傳統(tǒng)作業(yè)效率仍高于自動(dòng)化作業(yè)效率。

只有作業(yè)任務(wù)數(shù)量適中，因TOS提前進(jìn)行設(shè)備調(diào)度，設(shè)備利用等待集卡時(shí)間啟動(dòng)，特別是翻搗任務(wù)多時(shí)，自動(dòng)化作業(yè)效率才能接近傳統(tǒng)作業(yè)效率，甚至超過(guò)傳統(tǒng)作業(yè)效率。

3.3 單條街區(qū)作業(yè)效率對(duì)比

單條街區(qū)作業(yè)效率主要對(duì)比的是自動(dòng)化TOS和傳統(tǒng)TOS的設(shè)備調(diào)度能力。

合理選擇最優(yōu)任務(wù)和最優(yōu)設(shè)備，并調(diào)度設(shè)備完成任務(wù)是自動(dòng)化TOS的核心功能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)變化情況做出調(diào)整是自動(dòng)化TOS的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)TOS任務(wù)分配算法相對(duì)簡(jiǎn)單，如按照設(shè)備作業(yè)區(qū)域劃分進(jìn)行任務(wù)分配，無(wú)法合理調(diào)配設(shè)備。同時(shí)，缺乏根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況即時(shí)變化，實(shí)時(shí)調(diào)整作業(yè)計(jì)劃。

同單機(jī)多作業(yè)相同，如果作業(yè)任務(wù)很多，各設(shè)備都趨近連續(xù)作業(yè)，或者作業(yè)任務(wù)很少，自動(dòng)化TOS優(yōu)化的調(diào)度算法無(wú)從發(fā)揮，傳統(tǒng)作業(yè)效率仍高于自動(dòng)化作業(yè)效率。

如果作業(yè)任務(wù)數(shù)量正常，自動(dòng)化TOS的算法優(yōu)勢(shì)可以正常發(fā)揮，根據(jù)不同工況，合理調(diào)度設(shè)備，對(duì)實(shí)時(shí)發(fā)生的事件，按照預(yù)先規(guī)則處理，自動(dòng)化作業(yè)效率要高于傳統(tǒng)作業(yè)效率。

3.4 整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)效率對(duì)比

整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)效率是碼頭綜合作業(yè)效率的體現(xiàn)，最顯著的2個(gè)指標(biāo)是船舶平均在泊時(shí)間和外集卡在港時(shí)間。以天津五洲國(guó)際為例，經(jīng)過(guò)堆場(chǎng)自動(dòng)化改造，船舶平均在泊時(shí)間由2018年的23.45 h，縮減到2019年底的19.15 h，降幅18.33%，進(jìn)一步釋放了泊位資源；外集卡在港時(shí)間由2018年的50.9 min，縮減至23.2 min，降幅54.42%，提升了對(duì)外服務(wù)水平。上述2個(gè)指標(biāo)充分體現(xiàn)了自動(dòng)化改造后的堆場(chǎng)對(duì)整個(gè)碼頭作業(yè)效率提高的貢獻(xiàn)。

4 改進(jìn)堆場(chǎng)自動(dòng)化作業(yè)效率的思路

研究堆場(chǎng)自動(dòng)化改造后的效率是希望通過(guò)分析，找到影響效率的原因，并進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而提高改造項(xiàng)目的整體效果。

4.1 改進(jìn)單機(jī)及附屬設(shè)施性能

4.1.1 設(shè)備運(yùn)行“路徑優(yōu)化”

最典型的“路徑優(yōu)化”就是各機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)，由“串行”變“并行”。如單機(jī)到不同貝位的作業(yè)任務(wù)，需要大車(chē)和小車(chē)的聯(lián)動(dòng)；同貝位的作業(yè)任務(wù)，需要起升和小車(chē)的聯(lián)動(dòng)。輔以檢測(cè)和防撞系統(tǒng)，以及后臺(tái)的算法，實(shí)現(xiàn)單機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的“路徑優(yōu)化”，提高作業(yè)效率。

除機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)外，對(duì)于機(jī)構(gòu)運(yùn)行的指令也可以通過(guò)“串行”改“并行”，實(shí)現(xiàn)“路徑優(yōu)化”，即前一個(gè)指令執(zhí)行過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，系統(tǒng)提前發(fā)出后一個(gè)指令，使前后指令連續(xù)執(zhí)行，減少中間環(huán)節(jié)的減速、停止、加速等步驟，提高運(yùn)行速度。

4.1.2 提高單機(jī)各系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)性能

提高效率的有效方法之一是提高自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行的速度和檢測(cè)的精度。例如，對(duì)于目前通用的3D激光目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，如果可以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到更高的精度，勢(shì)必會(huì)提高作業(yè)效率。但通常情況下，精度和速度是成反比關(guān)系，精度要求越高，所需時(shí)間越長(zhǎng)，速度越低。反之，如果檢測(cè)速度提高，檢測(cè)精度可能會(huì)降低。這就需要權(quán)衡，選擇一個(gè)合理的精度，配以相應(yīng)可以接受的速度，否則該系統(tǒng)需要優(yōu)化或改型。

最有效和最直接的提高效率的方法是增加機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和加速度，但這需要更換電機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)，甚至減速箱、聯(lián)軸節(jié)等。即使存在更換的可行性，最后還需要驗(yàn)證整體金屬機(jī)構(gòu)是否可以滿足上述速度和加速度的增加，所以該方式缺乏可實(shí)施性。但可以通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，合理調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的減速區(qū)和減速點(diǎn)，在保證安全的前提下，盡可能縮短運(yùn)行時(shí)間，提高單機(jī)整體作業(yè)效率。

4.1.3 提高設(shè)備可靠性

與傳統(tǒng)碼頭一樣，設(shè)備的可靠性直接影響作業(yè)效率，并且由于自動(dòng)化改造，增加了許多機(jī)構(gòu)和檢測(cè)裝置，勢(shì)必帶來(lái)更多的故障點(diǎn)。如果發(fā)生故障，需要“跳臺(tái)”，遠(yuǎn)程人工處理，占用遠(yuǎn)程操作臺(tái)，影響其他設(shè)備正常的遠(yuǎn)程操作。因此，穩(wěn)定的設(shè)備是自動(dòng)化高效率運(yùn)行的基礎(chǔ)。

4.1.4 優(yōu)化附屬設(shè)施性能

堆場(chǎng)自動(dòng)化改造的附屬設(shè)施性能直接影響自動(dòng)化運(yùn)行的效果。例如街區(qū)端口的車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，如果將其識(shí)別率提高，減少車(chē)號(hào)識(shí)別的異常情況發(fā)生，可以大幅降低因無(wú)法識(shí)別車(chē)號(hào)而等待超時(shí)報(bào)警的時(shí)間，對(duì)提高作業(yè)效率的作用明顯。

4.2 優(yōu)化TOS性能

要提高整個(gè)堆場(chǎng)的作業(yè)效率，必須不斷優(yōu)化TOS的性能。在持續(xù)改進(jìn)已有的最優(yōu)任務(wù)選擇、設(shè)備調(diào)度、自動(dòng)翻搗等功能的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)宏觀堆場(chǎng)派位管理功能，由傳統(tǒng)的“堆垛”模式改為“打散”模式，多場(chǎng)多點(diǎn)分配，利用自動(dòng)化改造后可以多設(shè)備參與作業(yè)的特點(diǎn)，發(fā)揮堆場(chǎng)自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，提高整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)效率。

4.3 提高人工操作水平

在堆場(chǎng)自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程中，涉及人工操作有兩部分。一部分是針對(duì)外集卡作業(yè)，人工遠(yuǎn)程抓放箱；另一部分是目前內(nèi)、外集卡的人工駕駛。

4.3.1 人工遠(yuǎn)程操作

人工遠(yuǎn)程操作中，熟練司機(jī)可以達(dá)到25 s內(nèi)完成1個(gè)外集卡抓放箱作業(yè)，但新手則可能超過(guò)50 s，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。遠(yuǎn)控司機(jī)操作不熟練，不僅影響當(dāng)前聯(lián)機(jī)的單機(jī)作業(yè)，且如果現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)繁忙，遠(yuǎn)控操作臺(tái)無(wú)法及時(shí)釋放，會(huì)導(dǎo)致沒(méi)有足夠數(shù)量的遠(yuǎn)控操作臺(tái)作業(yè)，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，影響整個(gè)堆場(chǎng)作業(yè)。

4.3.2 集卡司機(jī)操作

集卡司機(jī)的熟練程度主要體現(xiàn)在集卡對(duì)位過(guò)程中。目前，單機(jī)均配有CPS(Chassis Positioning System，集卡對(duì)位系統(tǒng))，用于引導(dǎo)集卡對(duì)準(zhǔn)作業(yè)位置，協(xié)助吊具準(zhǔn)確抓、放箱。CPS配備LED顯示屏，提示集卡司機(jī)向前或向后移動(dòng)集卡，直至對(duì)位完成，精度可達(dá)3～5 cm。對(duì)于熟練司機(jī)，可以一步到位，而有些司機(jī)因?yàn)椴皇炀?，或作業(yè)習(xí)慣難改，不停前后移動(dòng)集卡，始終無(wú)法對(duì)準(zhǔn)作業(yè)位置，嚴(yán)重影響作業(yè)效率。

由于目前的技術(shù)所限，自動(dòng)化碼頭還不能完全脫離人工操作，因此提高人工的操作水平可以直接改善整個(gè)堆場(chǎng)的作業(yè)效率。

4.4 及時(shí)處理異常情況

無(wú)論對(duì)于傳統(tǒng)作業(yè)模式，還是自動(dòng)化作業(yè)模式，異常情況都存在。如何及時(shí)處理異常情況，成為兩種作業(yè)模式下效率差距的原因之一。

4.4.1 處理方式不同

傳統(tǒng)作業(yè)模式下，各設(shè)備上的司機(jī)在遵守碼頭操作規(guī)范的前提下，針對(duì)不同的異常情況，可以根據(jù)自己所處的環(huán)境及其他影響因素，自主的做出決策。而自動(dòng)化改造后的設(shè)備現(xiàn)階段還不具備上述自主處理異常情況的功能，必須將異常情況反饋給TOS進(jìn)行處理，或者反饋遠(yuǎn)控中心，人工介入處理。該過(guò)程需要花費(fèi)大量時(shí)間，影響作業(yè)效率。

4.4.2 發(fā)現(xiàn)模式不同

對(duì)于如何發(fā)現(xiàn)異常情況，兩者差別也很大。傳統(tǒng)作業(yè)模式下，設(shè)備上的司機(jī)可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常情況，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決。而自動(dòng)化改造后的設(shè)備及系統(tǒng)在多數(shù)情況下，不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常情況，基本上是通過(guò)超時(shí)或操作次數(shù)超過(guò)設(shè)定值，引發(fā)異常報(bào)警，嚴(yán)重拖后處理時(shí)間。

針對(duì)上述情況，可采取如下針對(duì)性措施：

(1)優(yōu)化設(shè)備、設(shè)施性能，提高可靠性，降低異常情況的發(fā)生概率。

(2)針對(duì)影響嚴(yán)重的異常情況，增加檢測(cè)裝置，在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并反饋，將異常情況發(fā)生的影響降低到最小。

(3)加速技術(shù)迭代，開(kāi)發(fā)單機(jī)“邊緣計(jì)算”方案，使單機(jī)由“自動(dòng)”向“自主”轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)語(yǔ)

影響堆場(chǎng)自動(dòng)化效率的因素很多，包括系統(tǒng)、設(shè)備、設(shè)施、人員等，需要統(tǒng)籌考慮。堆場(chǎng)自動(dòng)化需要與其他系統(tǒng)及設(shè)備配合，否則無(wú)法充分發(fā)揮自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，評(píng)估堆場(chǎng)自動(dòng)化的維度很多，不能僅考慮效率，需要綜合考量，選擇最優(yōu)方案，否則可能帶來(lái)大量的資源的消耗、成本的浪費(fèi)。