自動(dòng)化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周 峰

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司南通分公司，江蘇南通 226010）

0 引言

近年來(lái)，隨著集裝箱裝卸設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)外港口紛紛建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭，或在原有集裝箱碼頭基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)化改造。集裝碼頭自動(dòng)化管理系統(tǒng)的應(yīng)用，為集裝碼頭的高效運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。隨著堆場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)化升級(jí)改造，將與“打散”作業(yè)模式相結(jié)合，有效提高設(shè)備出勤率和設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。目前集裝箱碼頭自動(dòng)化設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)現(xiàn)象比較少見(jiàn)，且缺乏及時(shí)的操作人員反饋，傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)模式已不能適應(yīng)自動(dòng)化集裝箱碼頭設(shè)備管理。因此，創(chuàng)新設(shè)備運(yùn)維管理模式，提供詳細(xì)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于集裝箱碼頭設(shè)備管理和數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 開(kāi)發(fā)自動(dòng)化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)的必要性及重要性

1.1 必要性

與傳統(tǒng)的軌道吊相比，自動(dòng)軌道吊增加了無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)，目標(biāo)定位系統(tǒng)，集卡導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器，各種監(jiān)控?cái)z像機(jī)等自動(dòng)化系統(tǒng)及部件。為了保證不同的信息（如位置、工作狀態(tài)、指令類(lèi)型等）能夠相互連接，每個(gè)軌道吊都需要檢查它們的運(yùn)行狀態(tài)，確保與港口的操作指令一致。由于軌道吊采用遠(yuǎn)程控制方式，設(shè)備管理者無(wú)法實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)的潛在安全隱患；雖然現(xiàn)有技術(shù)手段能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)重要部件，但安裝成本較高，對(duì)維修人員的經(jīng)驗(yàn)和能力要求也較高。因此，從港口作業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取、分析關(guān)鍵作業(yè)信息，有助于設(shè)備管理者準(zhǔn)確識(shí)別潛在故障，確保設(shè)備安全高效運(yùn)行[1]。

1.2 重要性

隨著國(guó)際航運(yùn)業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)港口產(chǎn)業(yè)與全球經(jīng)濟(jì)有著密切的聯(lián)系。目前，我國(guó)集裝箱港口在運(yùn)行過(guò)程中普遍存在著自動(dòng)化程度低、運(yùn)行效率低等問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)港口改造升級(jí)已完成40%以上，目前大部分港口已引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)。國(guó)外監(jiān)控系統(tǒng)雖然性能優(yōu)良，能夠滿(mǎn)足港口日常運(yùn)行的需要，但存在通信接口不開(kāi)放、二次開(kāi)發(fā)、控制邏輯共享等問(wèn)題。在新港的建設(shè)過(guò)程中，外資企業(yè)的產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足港口的功能需求，但是設(shè)備更新的瓶頸尤其是中后期設(shè)備的使用。此外，國(guó)內(nèi)大型碼頭設(shè)備制造商一般采用總包方式采購(gòu)，后期的安裝、調(diào)試、維護(hù)均由供貨方負(fù)責(zé)。由于國(guó)內(nèi)港口設(shè)備制造企業(yè)甚至連最基本的技術(shù)都不具備，因此深入研究軌道吊的控制技術(shù)，有助于我國(guó)軌道吊的軟硬件兼容，促進(jìn)我國(guó)軌道吊的國(guó)產(chǎn)化和集成開(kāi)發(fā)，提高我國(guó)港口碼頭的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

2 自動(dòng)化軌道吊管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化軌道吊管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）監(jiān)控整機(jī)狀態(tài)。本系統(tǒng)采用圖形界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的即時(shí)監(jiān)測(cè)，主要內(nèi)容有主機(jī)構(gòu)速度、位置、電流、電壓、力矩、限位、連鎖等（圖1）。

圖1 自動(dòng)化軌道吊管理系統(tǒng)起重機(jī)管理系統(tǒng)界面

（2）記錄故障。保存故障歷史，記錄故障發(fā)生和恢復(fù)時(shí)間。根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，將設(shè)備故障分為失效、報(bào)警和連鎖狀態(tài)，并分別用紅、黃、藍(lán)3 種顏色加以區(qū)分。

（3）生成故障報(bào)表。故障報(bào)告是根據(jù)日期、時(shí)段、機(jī)構(gòu)類(lèi)別、故障代碼、故障等級(jí)等因素產(chǎn)生的，故障記錄包含故障代碼、故障發(fā)生時(shí)間、故障修復(fù)時(shí)間、故障說(shuō)明等，并且能夠根據(jù)故障排除條件自動(dòng)生成故障報(bào)告。

（4）分析故障。對(duì)同一故障的出現(xiàn)次數(shù)、所占的比例、相同故障的平均間隔時(shí)間、出現(xiàn)頻率高的故障等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

2.2 起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由自動(dòng)遙控控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控并收集軌道吊的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和故障情況，方便維修人員進(jìn)行故障診斷和監(jiān)測(cè)（圖2）。

圖2 起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

（1）堆場(chǎng)總覽能夠?qū)崟r(shí)顯示自動(dòng)軌道吊車(chē)的狀態(tài)信息，包括自動(dòng)吊車(chē)的位置、是否控制合、是否作業(yè)等。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控軌道吊電氣、機(jī)械和液壓系統(tǒng)，并與相關(guān)的狀態(tài)相聯(lián)系，同時(shí)以模塊化方式實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的運(yùn)行狀況以及電壓、電流、頻率、控制反饋信號(hào)等。

（3）設(shè)計(jì)多種報(bào)表，如時(shí)間報(bào)表、維護(hù)報(bào)表、控制合報(bào)表、產(chǎn)出報(bào)表等。其中，時(shí)間報(bào)表根據(jù)時(shí)間、時(shí)間段，自動(dòng)軌道吊各個(gè)部門(mén)的工作時(shí)間；維修報(bào)告統(tǒng)計(jì)制動(dòng)器、限位、鋼絲繩等磨損零件的使用時(shí)間，并在使用期超過(guò)規(guī)定使用年限后，報(bào)警并告知修理工人進(jìn)行替換；控制合報(bào)告記錄了操作人員在遠(yuǎn)程控制平臺(tái)上的工作狀態(tài)，記錄其控制合、中斷時(shí)間，方便港口管理者通過(guò)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行歷史回顧，對(duì)具體作業(yè)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)剖析。

（4）其他功能與起重機(jī)管理系統(tǒng)的功能基本相同。

3 自動(dòng)化軌道吊數(shù)據(jù)系統(tǒng)

自動(dòng)軌道吊數(shù)據(jù)系統(tǒng)是從碼頭操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取、處理和分析的，為港口管理者提供數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)支持瀏覽器瀏覽功能，包括效率模塊、性能模塊、車(chē)輛調(diào)度模塊等。

3.1 效率模塊

（1）作業(yè)指令時(shí)程報(bào)告，可查詢(xún)?nèi)我鈺r(shí)段、任一自動(dòng)軌道吊的作業(yè)箱數(shù)和作業(yè)時(shí)間，并能提供集卡作業(yè)指令、外集卡作業(yè)指令、翻轉(zhuǎn)作業(yè)指令。

（2）工作命令數(shù)量報(bào)告工作命令數(shù)量報(bào)告顯示同一年不同季度、月和同一年的同一季度和月的工作命令數(shù)量。

（3）工作命令持續(xù)時(shí)間分布用條形圖和點(diǎn)陣圖表示任務(wù)時(shí)間間隔與時(shí)間間隔的比例。

（4）詳細(xì)的堆場(chǎng)操作指令，可以隨時(shí)查詢(xún)不同堆場(chǎng)的操作指令。

3.2 績(jī)效模塊

（1）根據(jù)班組平均工作箱數(shù)，根據(jù)班組實(shí)際情況，統(tǒng)計(jì)遠(yuǎn)程操作人員工作箱數(shù)，便于績(jī)效考核。

（2）工作命令周期持續(xù)時(shí)間可查詢(xún)每個(gè)周期的執(zhí)行效率，并以圖表表示效率趨勢(shì)。

（3）集卡操作時(shí)間支持查詢(xún)不同時(shí)間段外集卡的裝船、卸貨、集港、疏運(yùn)、轉(zhuǎn)運(yùn)等操作時(shí)間。

3.3 車(chē)輛時(shí)序控制模塊

利用車(chē)輛時(shí)序控制模塊，識(shí)別堆場(chǎng)道口RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）設(shè)備，并統(tǒng)計(jì)其失效次數(shù)及發(fā)生頻率，作為判定該裝置是否功能失效的依據(jù)。

4 作業(yè)效率影響因素分析

自動(dòng)化集裝箱碼頭主要由遠(yuǎn)程控制的岸上集裝箱吊、智能水平運(yùn)輸系統(tǒng)和自動(dòng)場(chǎng)橋自動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備組成[3]。自動(dòng)軌道吊的作業(yè)效率與水平運(yùn)輸、車(chē)道布置、堆場(chǎng)工藝有關(guān)，其運(yùn)行效率直接影響堆場(chǎng)的運(yùn)力和整體裝卸能力。

4.1 內(nèi)外集卡作業(yè)指令占比

通過(guò)比較自動(dòng)軌道吊的運(yùn)行效率，得出平均運(yùn)行時(shí)間與外部集卡運(yùn)行比例呈正相關(guān)關(guān)系，即外部集卡運(yùn)行數(shù)量越多運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)。因此，作業(yè)規(guī)劃人員可以根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整作業(yè)計(jì)劃。

4.2 天氣狀況

通過(guò)對(duì)不同氣象條件下設(shè)備運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)、雨、雪等因素對(duì)作業(yè)效率影響較大，如吊繩拋籃造成作業(yè)暫停、大車(chē)激光防碰撞裝置高頻、短暫誤操作造成設(shè)備速度受限等。因此，提出改進(jìn)措施，改善系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，解決誤動(dòng)作問(wèn)題。但是在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下，起重機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速會(huì)受到一定限制，調(diào)度人員要通過(guò)分析天氣預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)作業(yè)進(jìn)度，調(diào)整裝卸機(jī)械和橫向輸送機(jī)械的進(jìn)度，以保證原計(jì)劃穩(wěn)定進(jìn)行。

4.3 大車(chē)跑動(dòng)距離

數(shù)據(jù)庫(kù)記錄每個(gè)工作命令的比特，并按時(shí)間順序輸出工作命令，利用Excel 表計(jì)算出相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)車(chē)輛的行駛距離。通過(guò)分析大型車(chē)輛跑動(dòng)距離、內(nèi)外集卡作業(yè)時(shí)間比例、設(shè)備自動(dòng)化功能故障率等指標(biāo)，為分析單臺(tái)設(shè)備運(yùn)行效率提供依據(jù)。在正常故障率高、大車(chē)跑程長(zhǎng)的情況下，單臺(tái)工作效率一般較低。

4.4 大車(chē)過(guò)電纜坑

通過(guò)電纜坑必然會(huì)影響自動(dòng)化軌道吊的工作效率。通過(guò)計(jì)算，一輛大車(chē)一次通過(guò)隧道需要花費(fèi)10 s 的時(shí)間，分析軌道吊車(chē)作業(yè)范圍內(nèi)大車(chē)過(guò)坑的次數(shù)。當(dāng)過(guò)坑率過(guò)高時(shí)，應(yīng)由堆場(chǎng)設(shè)備調(diào)度員重新劃分場(chǎng)地，在自動(dòng)軌道吊車(chē)管理系統(tǒng)中重新設(shè)置工作區(qū)，盡量減少車(chē)輛通過(guò)電纜坑對(duì)設(shè)備運(yùn)行的不利影響。

4.5 實(shí)現(xiàn)“打散式”維保

檢查自動(dòng)軌道吊管理系統(tǒng)的事故報(bào)告，從中提取故障信息，例如：某一開(kāi)閉限位操作狀態(tài)與其他開(kāi)閉限位不一致，致使裝置多次執(zhí)行開(kāi)閉指令；某機(jī)械設(shè)備電機(jī)油位、油溫不正常，雖未造成設(shè)備故障或停機(jī)，但會(huì)影響工作的連續(xù)性和故障。

根據(jù)以上情況，生產(chǎn)計(jì)劃部門(mén)應(yīng)在30～120 min 內(nèi)暫時(shí)停機(jī)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，并維修或更換零件，確保設(shè)備正常運(yùn)行。設(shè)備例行檢查和維修項(xiàng)目也可在臨時(shí)停機(jī)期間進(jìn)行。由于作業(yè)系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)小時(shí)內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行量，具有智能調(diào)整調(diào)度功能，因此短期停運(yùn)不會(huì)影響整個(gè)裝卸過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析影響生產(chǎn)效率的因素，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的控制策略，為生產(chǎn)調(diào)度人員進(jìn)行故障診斷、制定相應(yīng)的控制策略提供數(shù)據(jù)和理論支持。未來(lái)將逐步完善數(shù)據(jù)處理能力，提高計(jì)算效率，提高報(bào)告質(zhì)量，以滿(mǎn)足軌道吊維修的需求，符合集裝箱運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。