自動(dòng)化碼頭裝備智能統(tǒng)籌運(yùn)維實(shí)踐與思考

龔紅偉，張蕾，張瑋，里巍，林建成

（1.中京復(fù)電（上海）電子科技有限公司，上海 201306；2.青島港國際股份有限公司，山東 青島 266011；3.青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司，山東 青島 266520）

目前，國家大力推進(jìn)港口產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，進(jìn)行智慧港口建設(shè)。國內(nèi)港口基于新一代通信技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，綜合集成智能感知、數(shù)據(jù)融合、人工智能等信息技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)碼頭進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造或無人自動(dòng)化碼頭新建。終極目標(biāo)是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，加快自動(dòng)化碼頭的優(yōu)化升級(jí)，推進(jìn)智慧港口的建設(shè)。碼頭裝備從自動(dòng)化向數(shù)字化升級(jí)、統(tǒng)籌運(yùn)維智能化能力提升已經(jīng)成為關(guān)鍵瓶頸，超級(jí)碼頭已不是單純堆積技術(shù)裝備，更重要的是提升裝備管理的統(tǒng)籌運(yùn)維能力。

1 碼頭裝備作業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀

雖然碼頭自動(dòng)化裝備已經(jīng)獲得大量更新，裝備智能研究應(yīng)用還在初始階段，通常碼頭管理運(yùn)營方主要從傳統(tǒng)業(yè)務(wù)作業(yè)自動(dòng)化為重點(diǎn)，關(guān)注效率的優(yōu)化提高。統(tǒng)籌運(yùn)維的方式偏向于現(xiàn)場運(yùn)維作業(yè)管理，偏向于對(duì)作業(yè)人員的技能、熟練程度等素質(zhì)培訓(xùn)，但整個(gè)中高層運(yùn)維還缺乏系統(tǒng)的統(tǒng)籌智能化管理模式或工具。

現(xiàn)階段對(duì)整體裝備運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)性、配合性、高效性、布局合理性等缺乏科學(xué)的認(rèn)知，工作成果中大多是對(duì)局部點(diǎn)、工位的總結(jié)，也沒有科學(xué)的計(jì)算、評(píng)估依據(jù)。裝備的狀態(tài)、維護(hù)保養(yǎng)、生命周期等主要靠運(yùn)維人員經(jīng)驗(yàn)觀察，仍存在檢查作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不細(xì)致、內(nèi)容更新跟不上新裝備的應(yīng)用等情況。統(tǒng)籌運(yùn)維管理的裝備狀態(tài)不能實(shí)時(shí)化，導(dǎo)致管理預(yù)警功能常常與作業(yè)現(xiàn)場滯后或不符，自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)廠家多、設(shè)備接口類型多、數(shù)據(jù)圖像格式難融合等問題突出，也導(dǎo)致了統(tǒng)籌運(yùn)維智能化水平提升困難。基于智能化的思想把信息化的系統(tǒng)、自動(dòng)化的設(shè)備完全有機(jī)地融為一體，使自動(dòng)化集裝箱碼頭成為一個(gè)“會(huì)思考、能決策”的智能化碼頭，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。當(dāng)前人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)快速發(fā)展，自動(dòng)化集裝箱碼頭應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展面臨新的機(jī)遇，同時(shí)，也給設(shè)備運(yùn)維管理提出更高的要求和挑戰(zhàn)。

2 裝備智能化統(tǒng)籌理論的新動(dòng)態(tài)

我國碼頭裝備運(yùn)維通常是事后維護(hù)方式、定期預(yù)防維護(hù)方式和基于狀態(tài)的維護(hù)方式的綜合應(yīng)用。事后維護(hù)方式(Corrective Maintenance)即等到設(shè)備發(fā)生故障后再進(jìn)行維修，而現(xiàn)代碼頭裝備大型化、自動(dòng)化、智能化的特點(diǎn)，事后維護(hù)方式可能導(dǎo)致作業(yè)流水線停工，代價(jià)高昂，更適合于突發(fā)搶救事件。定期預(yù)防維護(hù)方式(Preventive Maintenance),即依據(jù)各裝備供應(yīng)商的說明書或建議、使用經(jīng)驗(yàn)等分列制訂一個(gè)時(shí)間排序的裝備維護(hù)計(jì)劃,定時(shí)對(duì)裝備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，這種方式將總體統(tǒng)籌具體化至單獨(dú)的裝備時(shí)段，運(yùn)維作業(yè)人員易于理解與執(zhí)行，是現(xiàn)場管理主要采用的裝備管理方式，但總體來講比較機(jī)械,裝備的維護(hù)與碼頭作業(yè)量的變化時(shí)常產(chǎn)生沖突，單臺(tái)設(shè)備的定時(shí)周期維護(hù)反而妨礙了系統(tǒng)作業(yè)整體效率的提升?；跔顟B(tài)的維護(hù)方式(Condition Based Maintenance)是應(yīng)現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種具備先進(jìn)理念和技術(shù)的維護(hù)方式，通過對(duì)裝備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,判斷該裝備的健康狀況,并對(duì)已經(jīng)發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生的裝備異常進(jìn)行預(yù)警，輔助裝備工程師進(jìn)行診斷和分析,理論上為裝備智能化統(tǒng)籌運(yùn)維奠定了基礎(chǔ)。

3 裝備智能化統(tǒng)籌系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

從管理理論的范式、規(guī)范、系統(tǒng)等要求出發(fā)，規(guī)劃設(shè)計(jì)碼頭的統(tǒng)籌管理模型，匹配計(jì)算機(jī)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的平臺(tái)搭建流程，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合、分析、計(jì)算方法，在裝備作業(yè)現(xiàn)場和裝備本身安裝傳感器和數(shù)據(jù)、圖像等采集終端，依托工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息處理、動(dòng)態(tài)更新、并發(fā)管理和解決服務(wù)；依托智能運(yùn)維平臺(tái)，賦能整個(gè)運(yùn)維管理系統(tǒng)，使其具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等能力，變革港口生產(chǎn)和運(yùn)維方式，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌運(yùn)維碼頭裝備智能化的目的。裝備智能統(tǒng)籌運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 碼頭裝備智能化統(tǒng)籌管理運(yùn)維云平臺(tái)架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)框架包括終端設(shè)備、傳輸設(shè)備、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和統(tǒng)籌運(yùn)維平臺(tái)。其中終端設(shè)備主要包括閘口、橋吊、軌道吊、AGV、鎖鈕拆裝等碼頭核心設(shè)備；傳輸設(shè)備包括5G終端、WIFI、光纖、專網(wǎng)；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集、信息處理、動(dòng)態(tài)更新、開發(fā)管理、接口服務(wù)；統(tǒng)籌運(yùn)維平臺(tái)包括智能感知、數(shù)據(jù)融合、管理模型、云平臺(tái)，管理模型主要包括數(shù)據(jù)分析、視頻解析、圖像識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、專家模型等。

4 統(tǒng)籌運(yùn)維平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 智能感知技術(shù)

自動(dòng)化集裝箱碼頭相對(duì)于傳統(tǒng)人工集裝箱碼頭，最直觀的變化是運(yùn)行管理依據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，大量布設(shè)的傳感器實(shí)時(shí)感知碼頭的運(yùn)行情況，包括海水對(duì)設(shè)備的腐蝕、港口作業(yè)區(qū)域大氣情況、大型設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)荷載情況、廠區(qū)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測等。

依靠大量的傳感器實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確反饋信息，為系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和統(tǒng)籌運(yùn)維等提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)支撐。為獲得完整、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的傳感數(shù)據(jù)，重點(diǎn)針對(duì)傳感器的選址選型、部署安裝、調(diào)試運(yùn)維等展開研究。針對(duì)傳感器的選型、部署、調(diào)試等都要嚴(yán)格的要求，要能夠適應(yīng)極端自然環(huán)境，如高溫、高濕、高鹽、低溫、微生物等；傳感器安裝部署要滿足復(fù)雜工況和復(fù)雜電磁環(huán)境環(huán)境；傳感器要滿足長時(shí)間、高頻率、高穩(wěn)定工作，需要科學(xué)合理設(shè)置預(yù)警門限，并對(duì)采集上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪清洗。

4.2 智能聯(lián)接技術(shù)

基于高可靠的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)港機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)、場區(qū)全場景調(diào)度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知和智能預(yù)警，需要將港口的人、裝、車、船、物、貨等與數(shù)字世界進(jìn)行聯(lián)接，鋪就智慧港口的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。課題組將設(shè)備接入和通信方式進(jìn)行有效融合，依托5G、WiFi、光纖、專網(wǎng)等通信設(shè)備構(gòu)建多路冗余復(fù)用的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)以光纖、5G、WIFI為骨干的港區(qū)局域網(wǎng)，以專網(wǎng)、5G為骨干的集團(tuán)廣域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)底層接入、骨干網(wǎng)絡(luò)、冗余網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。同時(shí)充分利用5G通信網(wǎng)絡(luò)低延時(shí)、高帶寬的特點(diǎn)，支持大量設(shè)備控制指令、底層感知數(shù)據(jù)和現(xiàn)場高清視頻回傳。

4.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

自動(dòng)化碼頭設(shè)備型號(hào)多、數(shù)據(jù)格式多、數(shù)據(jù)接口多、數(shù)據(jù)量大，如何對(duì)海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、匯總、分析，需要通過科學(xué)的算法融合數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和目標(biāo)識(shí)別。課題組通過對(duì)比分析，采用決策層信息融合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。該方式依托同一觀測目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的多個(gè)傳感器，利用其自身數(shù)據(jù)處理能力，根據(jù)各自采集的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行初步研判、分析、決策，然后將多個(gè)傳感器的運(yùn)算結(jié)果再次進(jìn)行融合、分析、決策，大幅提高了異構(gòu)傳感器和整個(gè)系統(tǒng)的兼容性和適應(yīng)性，數(shù)據(jù)融合分層計(jì)算，運(yùn)算量減小，實(shí)時(shí)性提高，有效解決了運(yùn)算與時(shí)效的優(yōu)化平衡。

4.4 智能管理模型

現(xiàn)階段自動(dòng)化集裝箱碼頭在運(yùn)行過程中采集了大量數(shù)據(jù)，具備數(shù)據(jù)規(guī)模海量、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)快速、數(shù)據(jù)類型多樣、價(jià)值密度低等特征，是典型的大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景，其獲取、存儲(chǔ)、管理、分析等已超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力，已具備構(gòu)建智能決策大數(shù)據(jù)知識(shí)庫的基礎(chǔ)。但在實(shí)際運(yùn)用方面，僅停留在對(duì)數(shù)據(jù)的簡單采集、分析、匯總，沒有通過數(shù)據(jù)挖掘，將傳感器、部件、設(shè)備、系統(tǒng)，以及運(yùn)維管理人員進(jìn)行整體勾聯(lián)，構(gòu)建智能管理模型，提高統(tǒng)籌運(yùn)維作業(yè)能力和實(shí)施效率是核心要?jiǎng)?wù)。課題組開展基于大數(shù)據(jù)的碼頭智能運(yùn)維管理研究，包括數(shù)據(jù)分析、視頻解析、圖像識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、專家模型等研究探索，完善了智能統(tǒng)籌運(yùn)維功能，提升了狀態(tài)感知和事故預(yù)警的智能化水平，構(gòu)建了碼頭統(tǒng)籌運(yùn)維管理的運(yùn)算和決策中心。

4.5 統(tǒng)籌運(yùn)維云平臺(tái)技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活性有限、拓展性不足，難以低成本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及時(shí)調(diào)整，難以滿足日益增長的碼頭智能化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算需求的難題，課題組通過分析碼頭數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀，搭建基于云計(jì)算、云部署的統(tǒng)籌運(yùn)維管理云平臺(tái)，建立了企業(yè)級(jí)虛擬化云平臺(tái)。通過建設(shè)雙活數(shù)據(jù)中心，搭建高可用性的數(shù)據(jù)庫集群，采用運(yùn)維故障轉(zhuǎn)移技術(shù)提高數(shù)據(jù)安全性，虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)管理，數(shù)據(jù)庫快照技術(shù)實(shí)現(xiàn)災(zāi)備功能，保障碼頭業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)的不間斷和無感切換。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬化的資源統(tǒng)一管理、自動(dòng)智能調(diào)度、動(dòng)態(tài)彈性虛擬獲取和應(yīng)用快速部署，具備易伸縮、高可用、負(fù)載均衡的特點(diǎn)。

5 統(tǒng)籌運(yùn)維平臺(tái)應(yīng)用實(shí)踐

智能運(yùn)維管理系統(tǒng)主要包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析、設(shè)備健康狀態(tài)分析、設(shè)備部件維修數(shù)量分析、傳感器預(yù)警走勢分析、傳感器預(yù)警實(shí)時(shí)顯示、預(yù)警部件數(shù)量及類型分析、維修計(jì)劃執(zhí)行結(jié)果分析和當(dāng)前設(shè)備維修計(jì)劃和執(zhí)行分析等8個(gè)模塊，系統(tǒng)數(shù)據(jù)看板如圖2所示。系統(tǒng)通過傳感數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化碼頭大型設(shè)備、機(jī)構(gòu)、部件的實(shí)時(shí)感知、智能預(yù)警和健康監(jiān)測，有效提高了碼頭運(yùn)行效率，增加了碼頭運(yùn)維時(shí)效性和安全性。

圖2 智能運(yùn)維管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)看板

6 結(jié)語

集裝箱碼頭信息化建設(shè)的快速發(fā)展，特別是碼頭裝備智能化統(tǒng)籌運(yùn)維平臺(tái)的建設(shè)實(shí)施，在提高口岸服務(wù)能力、港口集疏運(yùn)能力、客戶服務(wù)能力和企業(yè)管理能力等四大轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略任務(wù)中起到舉足輕重作用。碼頭統(tǒng)籌管理智能化的升級(jí)實(shí)施，增強(qiáng)了主動(dòng)式運(yùn)維能力，將安全事件的識(shí)別效率大幅提升；通過視頻解析、圖像識(shí)別等，實(shí)現(xiàn)了近實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警碼頭運(yùn)維安監(jiān)標(biāo)的檢查，保障碼頭作業(yè)可靠、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。