自動化碼頭岸邊集裝箱起重機(jī)特殊作業(yè)工藝系統(tǒng)

曾 健

上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

全自動化碼頭，因其安全可靠性、作業(yè)效率性、人力成本可控性等方面較傳統(tǒng)碼頭有顯著優(yōu)勢，成為目前港口業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。目前，自動化碼頭的計劃安排、設(shè)備調(diào)度、普通箱裝卸均已實現(xiàn)自動化作業(yè)，但岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)軌內(nèi)特種箱裝卸船與艙蓋板作業(yè)時，仍沿用傳統(tǒng)的人工操作模式。在當(dāng)前模式下的軌內(nèi)特種作業(yè)，需要中斷岸橋的自動化流程，由遠(yuǎn)程操作員手動操作，增加了遠(yuǎn)程操作員的操作難度，降低了岸橋的作業(yè)效率；軌內(nèi)集卡上檔排隊仍采用常規(guī)的人工核對信息、指揮排隊模式，造成碼頭前沿交通調(diào)度困難、人工信息核對量大等問題，降低了生產(chǎn)效率和對外服務(wù)質(zhì)量；軌內(nèi)任務(wù)作業(yè)順序調(diào)整采用人工調(diào)整模式，生產(chǎn)組織難度大。因此，洋山深水港四期自動化碼頭需要符合自動化流程的特殊作業(yè)系統(tǒng)來實現(xiàn)軌內(nèi)特種箱裝卸與艙蓋板作業(yè)的自動化與智能化。

2 特殊箱業(yè)務(wù)流程

2.1 自動化碼頭岸橋基本情況

岸橋是碼頭海側(cè)船舶裝卸作業(yè)的主要設(shè)備，該自動化碼頭岸橋采用雙小車結(jié)構(gòu)，主小車和門架小車通過中轉(zhuǎn)平臺進(jìn)行交互協(xié)同作業(yè)[2]。岸橋中轉(zhuǎn)平臺是主小車與門架小車的銜接區(qū)域，普通集裝箱鎖扭拆裝與箱號箱型識別工作在中轉(zhuǎn)平臺上完成。岸橋雙軌間距30 m，其中包含2根集卡車道，特殊箱作業(yè)通過集卡運輸，在集卡車道完成裝卸。

2.2 自動化碼頭特殊箱作業(yè)現(xiàn)狀分析

該自動化集裝箱碼頭的船側(cè)作業(yè)主要分為AGV(自動導(dǎo)引車)運輸與集卡運輸，作業(yè)車道之間通過圍網(wǎng)進(jìn)行安全隔離。特殊箱包含危險品箱、超限箱以及框架箱等，此類集裝箱作業(yè)安全管控因素較高，AGV運輸無法滿足特殊箱的托運要求。因此，特殊作業(yè)工藝的裝卸任務(wù)，是由集卡進(jìn)行水平運輸托運，在岸橋雙軌之間由岸橋主小車進(jìn)行吊裝作業(yè)。

相對于裝卸流程全自動化的普通箱作業(yè)任務(wù)，特殊箱裝卸作業(yè)較為繁瑣復(fù)雜，岸橋作業(yè)沒有自動化指令，需要遠(yuǎn)程操作司機(jī)全程手動操作，降低碼頭作業(yè)安全性與可靠性。集卡任務(wù)分配隨機(jī)，且沒有時間窗口邏輯，任務(wù)過早分配導(dǎo)致集卡拖箱等待時間較長；集卡司機(jī)在碼頭前沿的交通路線，完全依靠人工指揮，并且沒有有效的信息提示功能，當(dāng)特殊箱任務(wù)較多時，碼頭岸邊容易造成交通擁堵，降低岸橋作業(yè)效率。特殊箱船側(cè)作業(yè)流程見圖1。

圖1 特殊箱船側(cè)作業(yè)流程圖

3 自動化碼頭岸橋特殊作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 任務(wù)調(diào)度自動化技術(shù)

3.1.1 岸橋特殊任務(wù)調(diào)度邏輯

岸橋特殊作業(yè)任務(wù)調(diào)度，考慮當(dāng)前作業(yè)任務(wù)關(guān)序、岸橋當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)，并且結(jié)合碼頭場內(nèi)集卡實時動態(tài)，智能決策調(diào)度自動化作業(yè)指令。在系統(tǒng)中增加集卡狀態(tài)設(shè)置，TOS(Teminal Operation System,碼頭管理系統(tǒng))根據(jù)當(dāng)前集卡實時狀態(tài)信息以及任務(wù)隊列信息，自動調(diào)度岸橋軌內(nèi)特殊作業(yè)任務(wù)指令。TOS將岸橋作業(yè)狀態(tài)分為自動和手動2個狀態(tài)，根據(jù)軌內(nèi)任務(wù)不同箱類型，制定特定的業(yè)務(wù)規(guī)則。對于普通危險品箱，采用自動模式條件進(jìn)行調(diào)度，而針對超限箱以及大件作業(yè)，則采用手動模式進(jìn)行調(diào)度。將集卡狀態(tài)分為為在途、岸邊、車道3個階段，系統(tǒng)針對這3個集卡階段，采取不同的任務(wù)策略。當(dāng)集卡處于車道狀態(tài)且任務(wù)隊列第一關(guān)為特殊作業(yè)工藝時，滿足調(diào)度特殊作業(yè)指令條件，TOS自動生成岸橋特殊作業(yè)指令，ECS(Equipment Control System,設(shè)備控制系統(tǒng))根據(jù)指令類型，將相應(yīng)的操作指令傳達(dá)至單機(jī)程序，岸橋遠(yuǎn)程操作員根據(jù)指令信息完成特殊作業(yè)。此外，當(dāng)岸橋當(dāng)前正在調(diào)度執(zhí)行特殊作業(yè)工藝任務(wù)時，會暫停該岸橋下的AGV調(diào)度配比數(shù)，合理分配場內(nèi)水平運輸機(jī)械資源，達(dá)到碼頭運轉(zhuǎn)效率最大化。

3.1.2 系統(tǒng)自動調(diào)整作業(yè)關(guān)序邏輯設(shè)計

在自動化碼頭作業(yè)過程中，岸橋作業(yè)路的任務(wù)隊列排序，會由于各種機(jī)械運作情況的變化而產(chǎn)生作業(yè)次序的調(diào)整，若通過船舶控制員人工調(diào)整關(guān)序，則存在調(diào)整不及時以及操作不便捷等方面的問題。因此，需要系統(tǒng)自動判斷任務(wù)隊列作業(yè)關(guān)序的調(diào)整邏輯，在條件允許且合理作業(yè)的情況下，由系統(tǒng)智能決策進(jìn)行作業(yè)任務(wù)次序的交換，減少人工操作的工作量(見圖2)。

圖2 特殊箱作業(yè)關(guān)序調(diào)整邏輯圖

3.2 設(shè)備運行自動化技術(shù)

3.2.1 岸橋特殊任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)與信息交互設(shè)計

自動化碼頭岸橋特殊作業(yè)系統(tǒng)，通過共享數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行信息交互，建立數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)庫(DB)，數(shù)據(jù)庫能同時接收、處理、儲存TOS和ECS發(fā)送的作業(yè)任務(wù)節(jié)點事件及當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)，TOS與ECS通過數(shù)據(jù)庫為載體，以事件交互形式進(jìn)行信息傳遞，可避免網(wǎng)絡(luò)擁堵、減少垃圾數(shù)據(jù)產(chǎn)生，最大限度實現(xiàn)全數(shù)據(jù)共享[3]。其中，TOS負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度，ECS負(fù)責(zé)執(zhí)行TOS發(fā)送的作業(yè)任務(wù)，并將單機(jī)設(shè)備執(zhí)行的結(jié)果反饋給TOS，從而使TOS進(jìn)行下一步的流程動作。整個動作指令之間的事件交互響應(yīng)及處理速度，都在1 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)庫運算，并傳遞運算結(jié)果至系統(tǒng)，做到了精準(zhǔn)、高效運行。

3.2.2 岸橋特殊作業(yè)執(zhí)行流程

岸橋單機(jī)設(shè)備在收到自動指令后，進(jìn)入作業(yè)階段，根據(jù)動作指令分布解析，空吊具自動化運行至指定作業(yè)位置上方安全高度，其中，安全高度可進(jìn)行參數(shù)調(diào)控，下降至安全高度后，進(jìn)入人工干預(yù)半自動模式，對集裝箱進(jìn)行抓箱作業(yè)，吊具閉鎖起升拉至安全高度，由系統(tǒng)自動運行至目的位置上方安全高度后，再次采取人工干預(yù)半自動模式進(jìn)行集裝箱放箱作業(yè)，吊具開鎖起升后完成指令整套動作流程。為確保特殊作業(yè)工藝流程的安全性，吊具自動運行過程可進(jìn)行參數(shù)調(diào)控，控制吊具運行速度，通過自動防搖防扭以及自動定位等輔助功能，精準(zhǔn)運行至目標(biāo)位置上方。此外，在進(jìn)行超限箱作業(yè)時，也可將吊具重載階段設(shè)置成人工操作模式，保障作業(yè)的可靠性。

3.3 集卡協(xié)調(diào)作業(yè)邏輯及功能設(shè)計

自動化碼頭特殊作業(yè)工藝的裝卸任務(wù)，需要由集卡來進(jìn)行集裝箱托運工作，良好的集卡協(xié)調(diào)作業(yè)能力，是提高岸橋特殊作業(yè)工藝任務(wù)的關(guān)鍵[4]。

3.3.1 場內(nèi)集卡調(diào)度邏輯

自動化碼頭場內(nèi)集卡的任務(wù)，由TOS來進(jìn)行智能決策、合理分配。

(1)集卡分類調(diào)度

由于碼頭作業(yè)類型多種多樣，集卡的分配需要滿足不同業(yè)務(wù)類型作業(yè)，且保證作業(yè)有效性與及時性，因此，將集卡進(jìn)行分類。目前，采取2種方式對場內(nèi)集卡進(jìn)行分組分類。

集卡作業(yè)組與設(shè)備組分類。在系統(tǒng)中設(shè)定集卡作業(yè)組概念，可將多輛集卡綁定至同一集卡作業(yè)組，并對作業(yè)組進(jìn)行編號，同時將作業(yè)組綁定至具體岸橋號。其中可以將作業(yè)組綁定單岸橋或多個岸橋構(gòu)成的設(shè)備組，實現(xiàn)集卡與岸橋之間的多對多指定作業(yè)，極大程度減少船舶控制員之間以及船舶控制員與集卡司機(jī)之間的溝通交流，使得集卡分配由系統(tǒng)分組實現(xiàn)智能分配原則，提高船舶作業(yè)特殊工藝裝卸的作業(yè)效率。

集卡任務(wù)作業(yè)類型分類。根據(jù)任務(wù)作業(yè)類型，主要分為裝卸、轉(zhuǎn)堆等作業(yè)類型，將集卡設(shè)置成對應(yīng)作業(yè)類型，則集卡僅可分配設(shè)定的作業(yè)類型任務(wù)。此項分類的應(yīng)用，可有效提高各作業(yè)類型間的集卡分配及時性，高效結(jié)合碼頭前后場集卡作業(yè)，提升碼頭整體作業(yè)能力。

(2)集卡托運掛板調(diào)度條件

碼頭特殊工藝作業(yè)任務(wù)，對集卡托運掛板具有不同的要求，當(dāng)集裝箱屬于超限箱且超限數(shù)值超過一定值時，需要通過特殊掛板進(jìn)行托運。針對不同的集裝箱采取不同的托運條件，系統(tǒng)讀取船圖中集裝箱的超限數(shù)據(jù)，在任務(wù)發(fā)送階段，解析出不同托運條件下的任務(wù)，將任務(wù)分配至帶有特殊掛板的集卡進(jìn)行作業(yè)。

(3)集卡調(diào)度時間窗

自動化碼頭特殊作業(yè)任務(wù)的生成時間點，是根據(jù)具體的業(yè)務(wù)生產(chǎn)情況及船舶積載位置而定的。TOS根據(jù)作業(yè)任務(wù)隊列的任務(wù)類型、作業(yè)關(guān)序、起始與目的位置等，智能計算出任務(wù)所需時長，統(tǒng)籌決策特殊作業(yè)工藝任務(wù)的要求時間，從而控制內(nèi)集卡任務(wù)分配的時機(jī)，節(jié)省集卡無任務(wù)閑置等待時間。

3.3.2 場外集卡導(dǎo)航APP功能

自動化碼頭特種危險貨物直裝直提業(yè)務(wù)，需要外集卡直接拖運集裝箱進(jìn)碼頭前沿，岸橋?qū)ζ溥M(jìn)行特殊裝卸工藝作業(yè)。洋山深水港四期自動化碼頭的外集卡直裝直提業(yè)務(wù)，采用特定開發(fā)的外集卡作業(yè)APP功能，對集卡司機(jī)進(jìn)行任務(wù)指令提示、作業(yè)路線導(dǎo)航以及碼頭當(dāng)前作業(yè)情況概覽顯示等。外集卡司機(jī)在進(jìn)場后，通過明確的提示信息，快速高效地駛往目的岸橋位置，有效提升外集卡作業(yè)效率及碼頭對外服務(wù)質(zhì)量。

3.3.3 手持終端機(jī)PDA功能

自動化碼頭特殊作業(yè)工藝業(yè)務(wù)，需要現(xiàn)場工作人員進(jìn)行交通指揮、集卡狀態(tài)設(shè)置，因此現(xiàn)場工作人員配備的手持終端機(jī)需滿足相應(yīng)配套功能：

(1)任務(wù)隊列展示。在碼頭船舶控制員發(fā)送的指令信息中，解析出任務(wù)的隊列信息，提取有效信息，包含岸橋號、關(guān)號、箱號、ISO信息、場箱位信息、船箱位信息、托運集卡號等，將信息進(jìn)行排版整合，顯示在手持終端機(jī)中，使現(xiàn)場工作人員能夠清晰明了地掌握當(dāng)前岸橋特殊工藝作業(yè)情況。

(2)集卡上檔作業(yè)提示信息。集卡司機(jī)在碼頭岸線排隊時，系統(tǒng)提供清晰的作業(yè)信息至集卡司機(jī)手持終端機(jī)，提示司機(jī)當(dāng)前任務(wù)隊列具體排序，并顯示跟車提示，告知集卡司機(jī)排隊車隊的前車車號。當(dāng)岸橋特殊工藝作業(yè)下一關(guān)即將作業(yè)該輛集卡時，推送上檔作業(yè)提示信息，并同時發(fā)送語音提示信息。

(3)集卡狀態(tài)功能設(shè)置。集卡在托運集裝箱過程中，需要在不同的業(yè)務(wù)流程節(jié)點進(jìn)行集卡實時狀態(tài)的設(shè)置。在手持終端機(jī)上加入集卡狀態(tài)設(shè)置功能，可由人工控制集卡狀態(tài)，從而降低業(yè)務(wù)過程中頻繁通過對講機(jī)進(jìn)行人工交流的工作量。

3.4 作業(yè)信息實時展示功能

在自動化碼頭控制操作界面中，完整展示特殊箱作業(yè)信息。將集卡的作業(yè)關(guān)號、空重車狀態(tài)、集卡作業(yè)階段等顯示于設(shè)備監(jiān)控界面，提示當(dāng)前任務(wù)所處階段，以便船舶控制員及時根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)情況作出相應(yīng)的調(diào)整；將集卡當(dāng)前所分配的任務(wù)信息，包括作業(yè)路、關(guān)號、箱號、任務(wù)要求位置信息、集卡當(dāng)前所處階段等顯示于內(nèi)集卡控制界面，同時，增加集卡池與設(shè)備池操作窗口，便于對集卡作業(yè)分類，將信息簡潔明了地整合起來，使得船舶控制員的操作與監(jiān)控更加便捷。

在自動化碼頭岸橋遠(yuǎn)程操作臺界面，將各類特殊作業(yè)工藝任務(wù)類型予以區(qū)分。不同于普通裝卸任務(wù)，對于特定不同類型任務(wù)，比如普通危險品、超限箱、艙蓋板等，均有特定的岸橋作業(yè)模式。岸橋視頻監(jiān)控界面設(shè)計攝像頭自動對焦程序，岸橋在進(jìn)行特殊作業(yè)時，根據(jù)任務(wù)類型，自動對焦至任務(wù)目標(biāo)，確保岸橋遠(yuǎn)程操作人員能夠快速、精準(zhǔn)地進(jìn)行鎖頭對位，在吊具閉鎖起升后，視頻監(jiān)控自動切換至全景模式，確保作業(yè)的安全可靠性。完成特殊作業(yè)后，視頻監(jiān)控界面自動切換至正常裝卸鏡頭作業(yè)模式，并支持手動微調(diào)視角與對焦等參數(shù)功能。

4 結(jié)語

自動化集裝箱碼頭岸橋特殊作業(yè)工藝系統(tǒng)的應(yīng)用，節(jié)省了岸橋特殊工藝作業(yè)時間，減少了船舶作業(yè)整體時間，為自動化碼頭拓展業(yè)務(wù)能級水平，提高年吞吐量打下了堅實基礎(chǔ)；同時，集卡平均等待時間顯著降低，周轉(zhuǎn)時間減少，降低了集卡能耗水平。自動化碼頭特殊作業(yè)工藝業(yè)務(wù)流程中，簡化了各業(yè)務(wù)崗位之間的操作步驟，降低了操作強度，減少了繁瑣的溝通及確認(rèn)工作，極大程度地降低了由于人員溝通信息不明確等產(chǎn)生的外部不利因素，提高了碼頭特殊作業(yè)工藝的安全性與可靠性。