自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)安全管理

孫滔然 金 毅

1 上海振華重工(集團)股份有限公司

2 上海國際港務(wù)(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

自動化集裝箱碼頭由于其智能化、無人化特點，能夠在減少碼頭作業(yè)人員降低運營成本的同時，通過不斷優(yōu)化的控制系統(tǒng)持續(xù)提升碼頭作業(yè)效率和堆場利用率，提高碼頭資源使用率。自動化集裝箱碼頭以電驅(qū)為主，相較于傳統(tǒng)集裝箱碼頭更加低碳節(jié)能、綠色環(huán)保，符合我國當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)要求。

隨著自動化集裝箱碼頭建設(shè)的不斷深入，自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)在制造、調(diào)試和應(yīng)用過程中的安全問題開始逐步顯現(xiàn)。由于自動化集裝箱碼頭設(shè)備種類多、單機自動化技術(shù)要求高以及系統(tǒng)總集成難度大[1]，因此相較于傳統(tǒng)集裝箱碼頭，自動化集裝箱碼頭的安全問題更為多樣化，一旦發(fā)生安全事故，可能造成的影響更為嚴重，查找問題原因更為困難，處理問題的方式也更為復(fù)雜。因此，自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)的安全管理應(yīng)得到重視。目前，針對自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)安全管理的研究還較為欠缺。通過對現(xiàn)有自動化集裝箱碼頭中控制系統(tǒng)出現(xiàn)的安全問題進行整理和分析，探討了適合自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)的安全管理對策，提出了相應(yīng)的安全管理措施。

2 自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)常見安全問題分析

2.1 常見事故比例分析

自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)主要分為自動化港口機械和自動化工控網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中，常見的自動化港口機械有：岸邊集裝箱起重機(以下簡稱為岸橋)、軌道式集裝箱龍門起重機(以下簡稱為軌道吊)、輪胎式集裝箱龍門起重機(以下簡稱為輪胎吊)、自動引導(dǎo)小車(以下簡稱為AGV)、智能引導(dǎo)小車(以下簡稱為IGV)、無人集卡等。常見的自動化工控網(wǎng)絡(luò)包含交換機、波導(dǎo)管、服務(wù)器集群、工程師工作站等設(shè)備以及對應(yīng)的各種軟件設(shè)計。

通過對2015年以來國內(nèi)外自動化集裝箱碼頭機械發(fā)生相關(guān)事故分析，可以發(fā)現(xiàn)：AGV相關(guān)事故占比42%，橋吊相關(guān)事故占比33%，軌道吊相關(guān)事故占比21%，輪胎吊相關(guān)事故占比4%。

相比于傳統(tǒng)集裝箱碼頭，自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)的安全問題具有普遍性和獨特性。

2.2 常見安全隱患分析

在自動化集裝箱碼頭中，岸橋和軌道吊通過電纜供電，輪胎吊通常使用滑觸線方式供電，AGV設(shè)備與IGV設(shè)備則通過更換電池包及電池包充電方式進行供電。另外，在工控網(wǎng)絡(luò)部分，設(shè)備均需要依賴于電力供應(yīng)才能進行正常工作。自動化集裝箱碼頭中配備的工程部人員、信息部人員在日常檢修維護中，如果沒有正常防護和準備，就存在觸電風(fēng)險。

由于岸橋處于自動化集裝箱碼頭臨海位置，在調(diào)試岸橋時，勢必有臨水作業(yè)的內(nèi)容。如果相關(guān)人員在臨水作業(yè)前沒有按照規(guī)定穿戴好救生衣，就有淹溺的隱患。

自動化集裝箱碼頭中存在2種常見火災(zāi)隱患。一是由于線路老化、充電裝置受到擠壓等原因，導(dǎo)致線路回路短路，造成大電流瞬時輸出，引發(fā)短路線路附近接觸器、保險絲、相關(guān)線路起火。二是由于現(xiàn)場動火作業(yè)，保護措施不到位，導(dǎo)致火星飛濺至易燃設(shè)備引發(fā)火災(zāi)。以上2種火災(zāi)均有發(fā)生迅速、火勢容易蔓延、火災(zāi)影響較嚴重等問題。

目前，自動化集裝箱碼頭的岸橋起升高度一般為50 m左右。為了提升堆場利用率，越來越多的碼頭提出軌道吊要“堆五過六”甚至“堆六過七”，因此軌道吊的起升高度一般至少為18 m。一旦高空作業(yè)沒有相應(yīng)安全措施，很可能發(fā)生高處墜落事故。

除以上4種常見事故隱患外，還存在車輛傷害、機械傷害、起重傷害等事故隱患。但是，由于自動化集裝箱碼頭中操作人員數(shù)量大量減少，因此相應(yīng)事故的發(fā)生概率也大大降低。

2.3 常見事故類型分析

整理2015年至今的自動化集裝箱碼頭事故類型，在自動化集裝箱碼頭調(diào)試及作業(yè)流程中，最常見的安全事故為機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故，占比為69%；機械狀態(tài)異常占比為18%；軟件系統(tǒng)故障占比10%；網(wǎng)絡(luò)故障占比3%。

機械調(diào)試期間常見的機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故發(fā)生在AGV與AGV、AGV與AGV伴侶、軌道吊與軌道吊之間；正常使用期間常見的機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故發(fā)生在岸橋與船舶、岸橋與集裝箱之間。機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故為一般事故的概率較大，僅有6%和4%的概率為較大事故以及嚴重事故。

機械狀態(tài)異常故障屬于常見的自動化集裝箱碼頭事故類型。岸橋大車、小車運行異常、岸橋放箱異常、AGV運行異常等事故都屬于機械狀態(tài)異常情況，該情況如果進一步發(fā)展，有可能導(dǎo)致機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故。由于機械狀態(tài)異常僅影響異常機械本身，并沒有影響到其他交互機械設(shè)備，且異常機械一般恢復(fù)較快，因此該類事故均為一般事故。

由于自動化集裝箱碼頭依賴于遠程控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)以及生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的管理和調(diào)配，因此以上系統(tǒng)的安全性、規(guī)范性和穩(wěn)定性的缺失，都可能造成軟件系統(tǒng)故障。由于涉及系統(tǒng)較多，因此查找軟件系統(tǒng)故障原因較難，查找時間較長，對碼頭生產(chǎn)影響較大，嚴重時可能導(dǎo)致船期推遲等影響。雖然軟件系統(tǒng)故障僅占自動化集裝箱碼頭常見事故的10%，但是其較大事故和嚴重事故各占該事故的15%，應(yīng)當(dāng)予以重視。

自動化集裝箱碼頭的工控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集群建立在信息化集群基礎(chǔ)上，相比于傳統(tǒng)集裝箱碼頭對于網(wǎng)絡(luò)的依賴性更強。目前發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障一般為服務(wù)器宕機、任務(wù)指令刷新間隔時差較長等。另外，電腦病毒對于自動化集裝箱碼頭也是一種挑戰(zhàn)。港口外部的攻擊和港口內(nèi)部的感染都可能造成網(wǎng)絡(luò)故障。碼頭現(xiàn)場一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，就會導(dǎo)致設(shè)備大面積故障或者作業(yè)停滯，對正常生產(chǎn)運營產(chǎn)生嚴重的影響[2]。目前自動化集裝箱碼頭發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障中，50%為較大事故，50%為嚴重事故。因此，網(wǎng)絡(luò)故障在自動化集裝箱碼頭設(shè)計之初就應(yīng)該加以防范。

3 主要安全問題原因分析

自動化集裝箱碼頭事故中，1個事故可能有多個關(guān)鍵原因?qū)е?。統(tǒng)計2015年至今的自動化集裝箱碼頭事故原因，可以發(fā)現(xiàn)：人員違規(guī)操作引起的事故占比為39%，其中中控人員操作事故占比13%，調(diào)試人員違規(guī)操作占比12%，司機操作違規(guī)占比10%，其他人員違規(guī)占比4%；機械和設(shè)備故障占比61%，其中功能缺陷占比38%，軟件漏洞占比19%，機械故障占比4%。

3.1 人員因素

中控人員操作原因、司機操作原因、調(diào)試人員違規(guī)、其他人員違規(guī)均屬于人員因素，約占整體事故原因比例39%。其中中控人員主要負責(zé)碼頭各設(shè)備管理系統(tǒng)和生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)管以及異常處理工作。這4類人員因素主要是由于人員操作不規(guī)范、操作失誤等原因?qū)е隆?/p>

3.2 功能缺陷

功能缺陷是導(dǎo)致自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)安全事故最為常見的原因。自動化港口機械控制系統(tǒng)缺陷有：機械自動化作業(yè)校驗條件缺失、機械交互流程條件缺失、系統(tǒng)軟件連鎖保護不周全、人工介入處理機制不健全等。由于當(dāng)前自動化集裝箱碼頭還處在發(fā)展初期階段，因此控制系統(tǒng)功能缺陷是不可避免的。分析功能缺陷導(dǎo)致的不同類型事故的概率和事故嚴重程度概率，同自動化集裝箱碼頭所有事故對應(yīng)的概率相當(dāng)，可見功能缺陷不會影響事故類型概率。從時間上分析，功能缺陷多發(fā)生于自動化港口機械調(diào)試末期及使用前期?？紤]到自動化港口機械調(diào)試前期主要目標(biāo)是保證機械基礎(chǔ)功能完備，而自動化港口機械應(yīng)用一段時間后，控制系統(tǒng)也趨于穩(wěn)定，這與該事故原因發(fā)生時間也相匹配。

3.3 軟件漏洞

由于軟件漏洞而導(dǎo)致的控制系統(tǒng)安全事故是自動化集裝箱碼頭中較為特殊的一類故障原因。與自動化集裝箱碼頭所有事故對應(yīng)的概率相比，軟件漏洞導(dǎo)致的機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故較少，導(dǎo)致機械狀態(tài)異常事故較多；導(dǎo)致一般事故較多，較大事故和嚴重事故較少。

4 自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)安全管理

4.1 控制系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化

自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)需要根據(jù)碼頭實際需求、當(dāng)前科技發(fā)展情況、項目可行性、項目安全性、項目經(jīng)濟性等多方面因素統(tǒng)籌考慮，持續(xù)優(yōu)化。整理自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)常見事故類型，目的是通過數(shù)據(jù)形式確定控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)，從而確定控制系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化方向，使控制系統(tǒng)趨向更好的狀態(tài)，確?？刂葡到y(tǒng)滿足規(guī)定的安全要求。

針對功能缺陷和軟件漏洞，可以通過開展技術(shù)交流會、頭腦風(fēng)暴等多種方式，不斷完善軟件開發(fā)設(shè)計。當(dāng)發(fā)生控制系統(tǒng)事故時，及時總結(jié)事故原因，確定改進措施，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化。

4.2 加強安全相關(guān)培訓(xùn)工作

人員因素是導(dǎo)致自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)事故的一個重要原因，加強安全培訓(xùn)工作是安全管理中一個重要的手段。自動化集裝箱碼頭需要不同機種、不同系統(tǒng)、不同專業(yè)相互配合，系統(tǒng)復(fù)雜程度高，對人員的專業(yè)性要求也很高。因此，有計劃定期開展專業(yè)性培訓(xùn)、經(jīng)常性開展常規(guī)培訓(xùn)，對降低安全事故發(fā)生概率有直接影響。

4.3 建立安全管理制度

自動化集裝箱碼頭作為特殊的集裝箱碼頭，必須有其相應(yīng)的安全管理制度。建立并完善相關(guān)安全管理制度，落實安全主體責(zé)任，強化安全監(jiān)管，將信息技術(shù)與安全生產(chǎn)深度融合，對防止和避免安全事故的發(fā)生非常重要。針對自動化集裝箱碼頭設(shè)備情況，建立不同自動化港口機械的調(diào)試安全規(guī)范，確定自動化調(diào)試每日安全交底內(nèi)容，規(guī)范自動化集裝箱碼頭作業(yè)流程，都能夠降低安全事故風(fēng)險。同時，規(guī)定軟件部署到現(xiàn)場前必須經(jīng)過仿真模擬測試，可以減少現(xiàn)場調(diào)試的固有風(fēng)險。

5 結(jié)語

通過控制系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化，應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料，加強安全相關(guān)培訓(xùn)工作，建立安全管理制度等方法，能進一步加強自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)的安全管理。同時，還應(yīng)加強對自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)安全問題深度挖掘分析，結(jié)合先進的安全管理思路，為自動化集裝箱碼頭控制系統(tǒng)建設(shè)提供有力支撐，促進自動化集裝箱碼頭更好地發(fā)展。