自動化集裝箱碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)

張傳捷

哪吒港航智慧科技(上海)有限公司

1 引言

某自動化集裝箱碼頭是目前世界上規(guī)模最大、自動化程度最高的全自動化集裝箱碼頭，共有7個15萬t級集裝箱泊位。設計年通過能力初期為400萬TEU，遠期為630萬TEU[1]。裝卸設備將由初期投入使用的16臺岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)、88臺軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)和80臺AGV(Automated Guided Vehicle，自動導引車)，逐步增加到26臺岸橋、120臺軌道吊和130臺AGV[2]。作為全球最大的單體全自動化碼頭，采用代表當前國際集裝箱碼頭技術最高水平的全自動化集裝箱碼頭建設方案。

2 自動化碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)概述

自動化集裝箱碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)是一套由計算機及其相關配套設備、設施構成的，按照一定的應用目標和規(guī)則實現(xiàn)生產(chǎn)組織計劃、作業(yè)過程控制、裝卸設備操作、事件監(jiān)控反饋、決策優(yōu)化等全過程的自動化與智能化系統(tǒng)，是自動化集裝箱碼頭運營管理的核心，對碼頭整體作業(yè)效率和對外服務質(zhì)量影響巨大。洋山深水港四期自動化集裝箱碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)具有4個方面特點[3]。

(1)功能模塊方面。除傳統(tǒng)外部數(shù)據(jù)交互、信息處理、道口管理、受理計劃、費收管理等基本模塊外，自動化集裝箱碼頭還需要智能化(泊位、岸橋、堆場等)生產(chǎn)計劃模塊、實時設備調(diào)度及協(xié)同控制模塊、異常監(jiān)控及處理模塊等。

(2)系統(tǒng)架構方面。由于自動化碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)需要控制大量設備和終端，因此需要搭建標準交互、靈活擴展、分布式高并發(fā)的任務調(diào)度平臺，構建多點交互、多活并發(fā)的全域融合架構。

(3)網(wǎng)絡配置方面。有線網(wǎng)絡實現(xiàn)千兆帶寬接入到每一臺岸橋和軌道吊等主要生產(chǎn)設備，滿足設備自動化作業(yè)和遠控作業(yè)的帶寬要求；無線網(wǎng)絡實現(xiàn)自動化區(qū)域全覆蓋、低時延、高容量的要求，滿足水平運輸設備的通訊控制要求。

(4)系統(tǒng)性能及安全方面。由于自動化碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)處理量更大、時效性更高，因此整個系統(tǒng)性能要求更高(任務處理ms級)，可靠性、可擴展性要求更高，同時系統(tǒng)及網(wǎng)絡的安全防護等級也更高。

3 智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設

3.1 系統(tǒng)功能開發(fā)

3.1.1 智能計劃和調(diào)度模塊

自動化集裝箱碼頭由系統(tǒng)指揮控制設備進行作業(yè)，人為操作和干預大幅減少，設備的執(zhí)行率和穩(wěn)定性更高，因此更適合智能化的計劃編制模塊，可以大規(guī)模應用自動CWP(Crane Work Plan，岸橋工作計劃)、自動配載、自動發(fā)箱、自動堆場計劃等模塊，并持續(xù)開展這方面的研究、應用和優(yōu)化，不斷提升其智能化水平，從而進一步降低人為干預。另外，自動化碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)還必須具備智能的設備調(diào)度控制系統(tǒng)，來指揮控制3大機種協(xié)同高效自動化運作，實現(xiàn)設備效率最大化，從而提高碼頭整體運營效率。

3.1.2 特殊工藝作業(yè)模塊

自動化碼頭岸橋配備中轉(zhuǎn)平臺，箱區(qū)海側(cè)配備支架，這種交互方式使得作業(yè)工藝更加標準，因此更適用于岸橋雙吊具和海側(cè)軌道吊雙箱吊等特殊作業(yè)工藝。在系統(tǒng)功能設計方面，一是要實現(xiàn)特殊作業(yè)工藝本身的系統(tǒng)功能，二是在計劃、調(diào)度模塊設計時也要充分考慮這些特殊作業(yè)工藝的應用，從而能夠有效提升自動化碼頭的作業(yè)效率。

3.1.3 堆場管理模塊

根據(jù)自動化集裝箱碼頭堆場布局及自動化的作業(yè)工藝，遵循堆存集中與分散的協(xié)調(diào)原則，設計特有的堆存策略；另外針對兩端式和懸臂式箱區(qū)的作業(yè)工藝，在堆存策略方面也要做針對性設計，從而充分發(fā)揮各自的作業(yè)效率。

由于采用自動化軌道吊，在箱區(qū)整理方面可以考慮開發(fā)以下功能：

(1)防臺防汛自動歸并功能。制訂防風模式下的堆場選位策略，開發(fā)根據(jù)防風策略開展箱區(qū)自動歸并功能，滿足臺風季節(jié)箱區(qū)的堆存要求。

(2)箱區(qū)自動整理功能。利用自動化軌道吊作業(yè)空閑，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)計劃自動開展箱區(qū)整理，開發(fā)基于外集卡預約信息的箱區(qū)自動提前翻箱功能、海陸側(cè)進出口箱分布自動歸并功能、空列自動整理功能、基于實配信息的拼箱轉(zhuǎn)堆以及泊位調(diào)整后的自動轉(zhuǎn)堆功能等。

3.1.4 異常監(jiān)控及處理模塊

由于設備自動化運作，系統(tǒng)需要對作業(yè)過程進行全流程監(jiān)控，通過任務分析、閥值預設、智能感知等技術，及時發(fā)現(xiàn)作業(yè)異常，并準確定位，根據(jù)異常類型，系統(tǒng)自動進行調(diào)整或處理確保作業(yè)的連續(xù)性，或者通過監(jiān)控界面及時提醒至船控人員，進行人為干預，避免造成不必要的生產(chǎn)待時，提高作業(yè)效率。該模塊對于自動化碼頭作業(yè)的連續(xù)性至關重要，因此在系統(tǒng)設計之初就應該全面考慮、同步開發(fā)。

3.1.5 與公共平臺的協(xié)同

與集卡預約平臺對接，充分發(fā)揮自動化碼頭陸側(cè)作業(yè)資源充足的特點，保證預約兌現(xiàn)率。與受理平臺和EIR(Equipment Interchange Receipt，集裝箱設備交接單)平臺對接，實現(xiàn)全程無紙化作業(yè)，全面提升外集卡作業(yè)效率和服務水平，助力更高效的集卡物流生態(tài)環(huán)境的建立。

3.2 系統(tǒng)測試及聯(lián)調(diào)

3.2.1 搭建實驗室測試環(huán)境

開發(fā)生產(chǎn)管控仿真系統(tǒng)和設備擬真系統(tǒng)，搭建實驗室測試環(huán)境，提前開展生產(chǎn)管控系統(tǒng)和設備自動化控制系統(tǒng)的測試工作，加快前期的調(diào)試進度。在試生產(chǎn)之前搭建實驗室仿真環(huán)境、現(xiàn)場單機種調(diào)試環(huán)境以及現(xiàn)場多機種聯(lián)合調(diào)試環(huán)境，其中實驗室仿真環(huán)境側(cè)重于系統(tǒng)功能和系統(tǒng)設備交互測試，現(xiàn)場單機種調(diào)試環(huán)境側(cè)重于單機自動化控制系統(tǒng)測試，現(xiàn)場多機種聯(lián)合調(diào)試環(huán)境側(cè)重于全流程作業(yè)測試。

3.2.2 搭建多機種聯(lián)合調(diào)試環(huán)境

進入試生產(chǎn)或生產(chǎn)階段后，為了持續(xù)開展系統(tǒng)和設備性能的優(yōu)化，除保留實驗室仿真測試環(huán)境外，建議在現(xiàn)場動態(tài)搭建多機種聯(lián)合調(diào)試的環(huán)境，用于系統(tǒng)、單機程序版本更新和新功能上線之前的現(xiàn)場真實環(huán)境的測試。該測試環(huán)境的資源配置可以根據(jù)實際生產(chǎn)情況動態(tài)調(diào)整。

3.2.3 擬定生產(chǎn)調(diào)試計劃，組建測試團隊

設備上岸之前，建議先擬定生產(chǎn)調(diào)試計劃再確定設備上岸順序，避免試生產(chǎn)區(qū)域與調(diào)試區(qū)域間的沖突。組建測試團隊，編制覆蓋所有工況的測試用例，建立測試量、驗收及回退標準，實現(xiàn)仿真測試標準化，有效提高系統(tǒng)功能升級更新后的穩(wěn)定性。

3.3 作業(yè)評價體系建立

自動化集裝箱碼頭的作業(yè)整體過程和系統(tǒng)控制與傳統(tǒng)碼頭有較大差異，各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)要素比傳統(tǒng)碼頭多50倍左右，這對整體作業(yè)效率的分析提出了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單節(jié)點或單模塊的作業(yè)報表分析方式無法滿足要求，需要對自動化碼頭所有環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行有效地匯聚、梳理，而后再開展分析。因此在系統(tǒng)建設階段，需要同步構建自動化集裝箱碼頭全流程作業(yè)評價體系，來指導生產(chǎn)組織、系統(tǒng)及設備的持續(xù)優(yōu)化。

(1)梳理作業(yè)流程、剖析重點環(huán)節(jié)，找到影響作業(yè)要素，編制全流程監(jiān)控以及作業(yè)評價指標方案。

(2)建立岸橋、軌道吊、AGV作業(yè)指標體系，將所有過程控制中的關鍵節(jié)點信息以數(shù)據(jù)流的方式進行全面管理，進而開展數(shù)據(jù)節(jié)點分析及作業(yè)效率分析[4]。

(3)通過界面展示分析結果，直觀、清晰地反應各環(huán)節(jié)的作業(yè)效率影響因素。作業(yè)數(shù)據(jù)分析結果將進一步為系統(tǒng)、設備及生產(chǎn)組織優(yōu)化提供支撐，循序漸進，實現(xiàn)增效閉環(huán)。

3.4 系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡搭建

3.4.1 系統(tǒng)架構

由于自動化碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)需要控制大量設備和終端，進行大量系統(tǒng)層面的數(shù)據(jù)交互，因此需要制訂標準統(tǒng)一的交互方式，同時要具備靈活的擴展性。相較于傳統(tǒng)碼頭，系統(tǒng)處理量成幾何倍增長，進而需要搭建分布式高并發(fā)的任務調(diào)度平臺，構建多點交互、多活并發(fā)的全域融合架構，滿足系統(tǒng)任務高效處理的要求。除此之外，建議系統(tǒng)功能模塊化開發(fā)，制訂標準的接口規(guī)范，便于后續(xù)功能升級替換。

3.4.2 網(wǎng)絡配置

按照設備自動化運作和遠程操控的需求，必須實現(xiàn)穩(wěn)定的、低時延、高帶寬的網(wǎng)絡接入。其中，岸橋和軌道吊的位置相對固定，采用千兆光纖直接有線接入，確保設備遠程操控的要求，同時可以考慮利用5G這類高帶寬、低時延的無線網(wǎng)絡作為備份鏈路。建議AGV的無線網(wǎng)絡獨立建設，和其他手持終端或?qū)χv網(wǎng)絡從物理層面進行區(qū)分，確保AGV控制通訊的穩(wěn)定，同時在無線網(wǎng)絡建設方面要充分考慮大容量(1個局部區(qū)域內(nèi)大量AGV接入)、低時延(車輛控制級時延)、全覆蓋(AGV所到之處)等方面問題。另外，考慮到工控網(wǎng)絡安全，建議核心交換機宜符合SDN(Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡)理念，可識別或自定義工業(yè)控制協(xié)議，并與應用系統(tǒng)對接。應用系統(tǒng)可以智能調(diào)度網(wǎng)絡控制層面，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡資源自動、靈活地匹配業(yè)務層面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及帶寬要求。

3.4.3 系統(tǒng)高可用性

自動化集裝箱碼頭的運作高度依賴信息化系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的高可用設計，最重要的是滿足碼頭24 h生產(chǎn)不間斷的需求。這就需要系統(tǒng)在整體上，盡可能抵抗計劃內(nèi)或計劃外停機因素對整個生產(chǎn)信息系統(tǒng)運行的影響。因此在系統(tǒng)的設計和建設上要確定以下2個目標：

(1)核心機房的主要設施、核心網(wǎng)絡設備及整體拓撲、數(shù)據(jù)庫主機系統(tǒng)、核心應用層，必須搭建冗余架構及應急響應機制，特別要提醒設備控制系統(tǒng)的冗余架構部署。

(2)小區(qū)域的故障不影響系統(tǒng)整體運行，合理有序的管理系統(tǒng)能盡快定位故障源，縮短修復時間。

3.4.4 工控網(wǎng)絡安全

自動化集裝箱碼頭應用了大量自動化控制系統(tǒng)，并與信息化系統(tǒng)高度融合，整個工控系統(tǒng)已從原來封閉、孤立的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放、互聯(lián)的系統(tǒng)，在實現(xiàn)遠程控制與維護的同時，也面臨著嚴重的網(wǎng)絡安全威脅，因此必須從管理和技術兩方面加強自動化碼頭工控系統(tǒng)的安全防護，達到關鍵信息基礎設施網(wǎng)絡安全等級保護三級。這方面的工作應該在系統(tǒng)設計之初就予以考慮，與網(wǎng)絡建設同步進行，并要持續(xù)運維。

4 結語

以某自動化集裝箱碼頭為背景，闡述了其智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設的特點及其系統(tǒng)建設的主要內(nèi)容。多年實際運行情況表明，該系統(tǒng)結構合理，技術成熟，可為同類自動化集裝箱碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設提供參考。