基于WBS 的自動化集裝箱碼頭岸邊集裝箱起重機(jī)效率分析方法

徐建峰 宋 強(qiáng) 魏星馳

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 上海 200125

0 引言

海運一直以來都是國際貿(mào)易的重要途徑，在全球化進(jìn)程中起到關(guān)鍵的資源配置作用。集裝箱運輸作為海運最重要的組成部分，其運力水平與效率極大地影響著碼頭的業(yè)務(wù)量和運營效益。近年來，隨著我國對外開放水平的提高，進(jìn)出口貿(mào)易額不斷增加，作為海、陸運輸中轉(zhuǎn)站的港口集裝箱碼頭的貨運壓力與日俱增，故提升集裝箱的裝卸作業(yè)效率成為碼頭用戶迫切需要分析和解決的問題。

1 效率優(yōu)化分析方法

要實現(xiàn)集裝箱碼頭用戶提升集裝箱裝卸作業(yè)效率的需求，就需要了解裝卸效率制約因素及提高效率的方案和途徑。目前，關(guān)于提高集裝箱碼頭裝卸作業(yè)效率的研究并不廣泛。張穎[1]、孫梓峰等[2]從定性的角度列舉了提高效率的途徑，說明了增加泊位數(shù)、改進(jìn)裝卸工藝、提高設(shè)備和流程的自動化程度有助于提高碼頭裝卸效率；陳建明等[3]從定量的角度提出具體的優(yōu)化方法，利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)針對自動化碼頭的雙小車岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡稱岸橋）主小車流程問題進(jìn)行分析，并通過優(yōu)化前后的效率對比說明優(yōu)化方案的可行性；王曉東[4]通過分析對比優(yōu)化前后的結(jié)果反向證明優(yōu)化方案的效果，從多個角度的效率對比說明了堆場自動化改造對提高碼頭效率的重要意義。

影響自動化碼頭效率的許多因素在建設(shè)階段就已定型，相比于傳統(tǒng)碼頭，自動化碼頭的優(yōu)化難度更大[5]。為了實現(xiàn)用戶關(guān)于工藝方案較固定的、自動化的集裝箱碼頭裝卸作業(yè)效率提升的需求，本文擬采用基于影響因素、目標(biāo)導(dǎo)向的效率分析方法，協(xié)助碼頭用戶利用實際生產(chǎn)作業(yè)的數(shù)據(jù)，定位有問題的流程、異常點，分析問題的原因，并有針對性地解決問題，改進(jìn)作業(yè)流程，提高任務(wù)效率。

1.1 分解目標(biāo)

工作分解結(jié)構(gòu)（Work Breakdown Struture，WBS）是項目管理實踐中用于規(guī)劃和明確工作范圍的工具[6]，是一種以結(jié)果為導(dǎo)向的分析方法。在進(jìn)行碼頭效率分析時，應(yīng)用WBS 分解技術(shù)的原則對主體目標(biāo)進(jìn)行分解細(xì)化，可以確定影響效率的因素，有針對性地進(jìn)行改進(jìn)。

自動化集裝箱碼頭效率分析的主體目標(biāo)是提升碼頭全流程（自動化）作業(yè)效率。以此為導(dǎo)向，結(jié)合碼頭的實際流程，根據(jù)裝卸運輸機(jī)械的不同將主體目標(biāo)分解為岸橋、輪胎式和軌道式集裝箱門式起重機(jī)（以下簡稱場橋）、自動化水平運輸設(shè)備（以下簡稱水平運輸設(shè)備）3 個維度的分目標(biāo)，即分別實現(xiàn)岸橋、場橋和水平運輸作業(yè)的效率最大化。

根據(jù)WBS 分解原則，上述分目標(biāo)還可結(jié)合設(shè)備作業(yè)流程的具體情況進(jìn)一步細(xì)分為子目標(biāo)。如分解岸橋維度的分目標(biāo)可根據(jù)岸橋作業(yè)流程動作繼續(xù)細(xì)分：以單吊具雙小車岸橋為例，在普通裝、卸船工況的作業(yè)過程中主要包含主小車抓放箱動作和門架小車抓放箱動作，據(jù)此可將該類岸橋的效率優(yōu)化目標(biāo)分解為主小車作業(yè)效率最優(yōu)化和門架小車作業(yè)效率最優(yōu)化這2 個子目標(biāo)。以此類推，場橋維度和水平運輸設(shè)備維度也可以繼續(xù)劃分。

將主體目標(biāo)不斷分解，直至得到不能再細(xì)分的原子級分目標(biāo)即可進(jìn)行下一步，即將根據(jù)目標(biāo)確定可能影響效率的因素作為效率分析的關(guān)鍵指標(biāo)。

1.2 確定關(guān)鍵指標(biāo)

對自動化集裝箱碼頭效率分析目標(biāo)分解的過程也是對碼頭裝卸作業(yè)流程分解的過程，最終得到的原子級分目標(biāo)即最底層可以控制的流程節(jié)點。若要使該類流程節(jié)點的效率最大化，需要先分析該類流程節(jié)點的效率組成。以集裝箱為對象的作業(yè)流程為例，效率通常指1 個（或1 對）集裝箱完成1 次指定類型作業(yè)所用時長，那么該集裝箱作業(yè)的效率組成即為時長和箱量；在一定時間內(nèi)完成更多的箱作業(yè)或單次箱作業(yè)用時長更短，就是效率優(yōu)化的目標(biāo)。由此可知，單次箱作業(yè)各流程節(jié)點的時間是統(tǒng)計的關(guān)鍵指標(biāo)。以此類推，可以得到影響箱作業(yè)的重要因素，并據(jù)此得到所有需要統(tǒng)計的關(guān)鍵指標(biāo)。

除了通過分析箱作業(yè)過程可以得到需要的統(tǒng)計指標(biāo)，還能通過組織專家會議進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，分析組織過程資產(chǎn)中的相關(guān)資料，進(jìn)行用戶需求調(diào)研等方式獲得可供展示的指標(biāo)信息。

擬定需要向用戶展示的關(guān)鍵指標(biāo)后，需要收集原始數(shù)據(jù)，整理成可讀性良好的數(shù)據(jù)報表，即可用于對碼頭裝卸效率現(xiàn)狀與存在問題的分析。

1.3 分析指標(biāo)結(jié)果

通過數(shù)據(jù)平臺收集已確定關(guān)鍵指標(biāo)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過程序加工處理后得到具體報表，該報表將展示自動化集裝箱碼頭各流程節(jié)點當(dāng)前的作業(yè)效率。為了定位各流程中可能存的問題以及潛在的效率優(yōu)化節(jié)點，還應(yīng)向用戶提供理論指標(biāo)范圍，此范圍可利用標(biāo)桿對照、查閱歷史資料記錄、實驗室環(huán)境仿真測試、專家判斷指導(dǎo)等方法獲得。

在進(jìn)行指標(biāo)分析時，根據(jù)報表數(shù)據(jù)和理論指標(biāo)范圍，可以同時從多個角度對碼頭系統(tǒng)運行結(jié)果進(jìn)行分析。以岸橋主小車作業(yè)總時長指標(biāo)為例，可以橫向比較同一時間段內(nèi)不同岸橋的作業(yè)總時長，也可縱向比較不同時間段內(nèi)同一岸橋的作業(yè)總時長，還可應(yīng)用偏差分析的方法將實際與理論上的作業(yè)總時長進(jìn)行比較。通過上述方法可以快速分析出具體岸橋在作業(yè)過程存在異常的時段，并需要排查問題；或是岸橋作業(yè)效率是否優(yōu)秀，可回溯其作業(yè)流程亮點作為流程優(yōu)化的模板。

除此之外，還可利用其他分析技術(shù)對各指標(biāo)進(jìn)行分析，如因果分析法、根本原因分析法等。通過這些方法能進(jìn)一步追溯異常指標(biāo)出現(xiàn)的原因，并有針對性地進(jìn)行改進(jìn)。綜合上述方法，可完成效率分析報告，達(dá)到快速定位指示問題點與效率優(yōu)化點、提升碼頭裝卸作業(yè)效率的目標(biāo)。

2 岸橋效率分析

2.1 岸橋效率分析子目標(biāo)確定

某碼頭使用單吊具雙小車岸橋和全自動化軌道式集裝箱門式起重機(jī)（Automated Rail-Mounted Gantry，ARMG）作為碼頭前沿和堆場的集裝箱裝卸設(shè)備。為完成提升該碼頭集裝箱裝卸作業(yè)效率的總目標(biāo)，對碼頭當(dāng)前作業(yè)狀況進(jìn)行了效率分析。

首先，使用分解技術(shù)對當(dāng)前總目標(biāo)進(jìn)行分解。該碼頭的陸側(cè)和海側(cè)作業(yè)主要由ARMG 和岸橋分別與其他水平運輸設(shè)備協(xié)作完成，作業(yè)流程大致可分解為ARMG或岸橋從指定位置抓箱，然后放到另一指定位置。在此過程中，海側(cè)作業(yè)根據(jù)箱作業(yè)類型的不同有起止位置的區(qū)別，如圖1 所示。

圖1 海側(cè)作業(yè)流程圖

其次，針對岸橋本身作業(yè)的流程進(jìn)行分解。雙小車岸橋主小車可分為純手動操作和半自動操作，本文主要關(guān)注半自動操作，門架小車不作區(qū)分，對主小車和門架小車的操作進(jìn)行Step 定義。

1）主小車半自動操作Step 定義

11/21：吊具開鎖時，去到目標(biāo)位置的階段；

12/22：吊具開鎖時，對箱階段；

13/23：開鎖時，吊具著箱去閉鎖（第一次著箱即認(rèn)為進(jìn)入Step 13/23）；

14/24：吊具閉鎖后，著箱信號消失，起升上升至安全高度或小車離開1 m（可配置）的階段；

15/25：吊具閉鎖時，去到目標(biāo)位置的階段；

16/26：吊具閉鎖時，對箱階段；

17/27：閉鎖時，吊具著箱去開鎖（第1 次著箱即認(rèn)為進(jìn)入Step 17/27）；

18/28：吊具開鎖后，著箱信號消失，起升上升至安全高度或小車離開1 m（可配置）的階段。

2）門架小車操作Step 定義

11：吊具開鎖時，去到目標(biāo)位置的階段；

12：吊具開鎖時，對箱階段；

13：吊具開鎖時，吊具著箱去閉鎖（第1 次著箱即認(rèn)為進(jìn)入Step 13）；

14：吊具閉鎖后，著箱信號消失，起升上升到指令結(jié)束的階段；

15：吊具閉鎖時，去到目標(biāo)位置的階段；

16：吊具閉鎖時，對箱階段；

17：吊具閉鎖時，吊具著箱去開鎖（第1 次著箱即認(rèn)為進(jìn)入Step 17）；

18：吊具開鎖后，著箱信號消失，起升上升到指令結(jié)束的階段。

根據(jù)上述Step 定義，不同Step 切換時機(jī)，結(jié)合雙小車岸橋機(jī)械設(shè)備運行特點，可將圖1 流程繼續(xù)分解，歸納出圖2、圖3 所示主小車裝、卸船操作階段，具體各階段為：A 為等待位；B 為水平運輸設(shè)備上方安全高度； C 為水平運輸設(shè)備側(cè)著箱點；D 為水平運輸設(shè)備上方安全高度；E 為船側(cè)安全高度；F 為船側(cè)著箱點；G 為船側(cè)安全高度。

圖2 岸橋主小車半自動裝船作業(yè)階段劃分

圖3 岸橋主小車半自動卸船作業(yè)階段劃分

門架小車裝、卸船操作階段分別如圖4、圖5 所示，具體各階段為：A 為等待位；B 為小車從A 點去水平運輸設(shè)備側(cè)開始起升下降的聯(lián)動點；C 為起升從D 點上升開始動小車的聯(lián)動點，到達(dá)對位高度等待微動到位才能下降去水平運輸設(shè)備著箱；D 為水平運輸設(shè)備側(cè)著箱點；E 為小車從A 點去平臺側(cè)開始起升下降的聯(lián)動點；F 為起升從H 點上升開始動小車的聯(lián)動點；G 為平臺側(cè)著箱點，起升到達(dá)對位高度等待微動到位才能下降去平臺著箱。

圖5 岸橋門架小車卸船作業(yè)階段劃分

至此，可以確定該碼頭效率分析的原子級分目標(biāo)是分別提升了岸橋主小車和門架小車各階段的作業(yè)效率。

2.2 岸橋效率分析關(guān)鍵指標(biāo)確定

分析該碼頭箱作業(yè)效率的分目標(biāo)，結(jié)合主小車、門架小車操作階段與單機(jī)可收集的數(shù)據(jù)，可知其效率組成分別為主小車各類時長和箱量，門架小車各類時長和箱量。由相關(guān)文獻(xiàn)和其他自動化集裝箱碼頭歷史資料可知，該碼頭集裝箱作業(yè)生命周期可能包括的時長類型有作業(yè)時長、等待時長和故障時長3 類，影響時長的關(guān)鍵因素可分為人力因素和機(jī)械因素，即岸橋司機(jī)操作效率和機(jī)械設(shè)備作業(yè)效率?？傁淞坑缮a(chǎn)計劃決定，一般情況下是靜態(tài)的、確定不變的。

綜上所述，可歸納出與效率目標(biāo)相對應(yīng)的指標(biāo)卡，其指標(biāo)內(nèi)容包括：1）時間類，如作業(yè)持續(xù)時間、循環(huán)時間（包括平均循環(huán)時間、最長循環(huán)時間和最短循環(huán)時間）、故障時長、著箱時間、手動介入時間、等待介入時間、等待集卡時間、等待平臺時間等；2）箱量類，如總箱量（以TEU 或Unit 為單位）、按作業(yè)類型統(tǒng)計的箱量、按箱尺寸統(tǒng)計的箱量等；3）其他類，如故障次數(shù)、作業(yè)效率等。

2.3 岸橋效率分析指標(biāo)及結(jié)果

在確定效率分析關(guān)鍵指標(biāo)后，根據(jù)用戶需求定制效率分析模版。岸橋作業(yè)效率按周統(tǒng)計做報表，統(tǒng)計1 周內(nèi)所有岸橋總作業(yè)情況和單機(jī)作業(yè)情況；分析主小車和門架小車的效率；統(tǒng)計自動化和人工操作的作業(yè)情況；統(tǒng)計故障和異常情況。根據(jù)以上統(tǒng)計，選擇合適的數(shù)據(jù)展示形式，最終獲得效率分析周報表。以該碼頭某周為例，其周報表部分內(nèi)容表1 所示。

表1 某碼頭某周岸橋效率分析指標(biāo)結(jié)果報表

根據(jù)表1 所示數(shù)據(jù)可以更方便地對比分析出碼頭作業(yè)流程中可能存在的問題點和優(yōu)化點，將歷史標(biāo)桿對比與經(jīng)驗判斷等方法相結(jié)合，找到表中的異常數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，需要回溯作業(yè)流程，找到問題的出處，判斷是否為偶發(fā)問題，確定處理、優(yōu)化的方式。

由表1 可知，岸橋號為QC007 的設(shè)備作業(yè)效率最低，遂針對該岸橋進(jìn)行效率分析。首先，通過縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)QC007 的故障總時長是所有岸橋中最長的，等待總時長亦較長。按照前述處理流程對2 項指標(biāo)的相關(guān)作業(yè)流程進(jìn)行回溯分析后可知，二者屬于影響岸橋效率的關(guān)鍵指標(biāo)與可優(yōu)化點，需對其進(jìn)行進(jìn)一步分析與問題溯源。

其次，由表2 中故障匯總統(tǒng)計與表3 中異常匯總統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可知，硬件故障中耗時最高的是門架小車（表中前4 位），尤其是高速制動器和行程故障，這4 類故障共發(fā)生總計371 次，總耗時約2 h，說明門架小車的高速制動器不穩(wěn)定，需要碼頭工程部詳細(xì)排查相應(yīng)硬件問題。軟件異常中耗時最高的是吊具檢測系統(tǒng)(Spreader Detection System，SDS)故障，耗時超過87 min，發(fā)生頻次最高的是主小車指令異常（數(shù)據(jù)表中前2 位），達(dá)135 次，說明岸橋設(shè)備管理系統(tǒng)（Quality Chain Management System，QCMS）與岸橋自動化PLC 在指令處理環(huán)節(jié)的異常頻次過多，需要相關(guān)人員對SDS 系統(tǒng)和QCMS 進(jìn)行更深層次軟件系統(tǒng)問題的排查與優(yōu)化。同時，橫向?qū)Ρ裙收吓c異常2 張表，發(fā)現(xiàn)無論是發(fā)生頻次還是耗時硬件故障都遠(yuǎn)高于軟件異常，說明硬件優(yōu)化空間大，優(yōu)化后對效率的提升會更多，故排查優(yōu)先級更高的。

表2 某碼頭岸橋故障頻次前10 的數(shù)據(jù)匯總表

由表4 所示門架小車效率分析表中的數(shù)據(jù)計算可知，門架小車的平均等待時長約為117 s。根據(jù)歷史資料可知，門架小車?yán)硐氲钠骄却龝r長為0 ～30 s，對比實際數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)等待時長超時很多，綜合圖2 ～圖5 所示作業(yè)階段與實際業(yè)務(wù)流程可定位門架小車問題在于等待水平運輸設(shè)備的環(huán)節(jié)耗時過多，說明水平運輸設(shè)備供給不足，需要通過增加水平運輸設(shè)備供給或優(yōu)化水平運輸設(shè)備調(diào)度策略的方式減少等待，提高效率。

表4 某碼頭岸橋門架小車岸橋效率分析表

除了根據(jù)表1 逐層分解確定優(yōu)化目標(biāo)，還可根據(jù)子報表單獨分析優(yōu)化目標(biāo)。由表5 所示主小車效率分析數(shù)據(jù)計算可知，主小車總?cè)斯て骄僮鲿r長約為97 s，而歷史資料顯示理想的人工平均操作時長為45 s 左右，由此對比可知實際人工操作時長超時較多，可定位問題為該岸橋的司機(jī)操作不熟練，需要通過加強(qiáng)培訓(xùn)與練習(xí)的方式提高操作速度。

至此，可得出針對QC007 的效率分析結(jié)論為：制約QC007 作業(yè)效率的關(guān)鍵問題在于門架小車的故障時長和等待時長過長，問題原因分別是門架小車硬件故障和水平運輸設(shè)備供給不足。除此以外，主小車的軟件異常和人工操作不熟練也是影響效率的重要因素。用戶需要通過有針對性地深入排查問題，流程優(yōu)化和業(yè)務(wù)培訓(xùn)等方式提高海側(cè)作業(yè)效率，進(jìn)而提高碼頭整體作業(yè)效率。

3 結(jié)語

本文對自動化集裝箱碼頭進(jìn)行了效率分析，找到并優(yōu)化了問題點，有利于進(jìn)一步提高碼頭的運營成本和服務(wù)質(zhì)量。正確地選用效率分析方法，有助于碼頭用戶快速定位效率瓶頸，分析問題原因，減少時間和人力等各項成本，提高企業(yè)效益。自動化集裝箱碼頭的效率分析報表是指導(dǎo)碼頭優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)的基礎(chǔ)性資料，如何合理地利用這些資料，在同時考慮成本與收益的前提下，采取適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施完成效率優(yōu)化的目標(biāo)，將是今后研究的方向。