陳 培 劉夢蘭 張 煜

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，集裝箱運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展，集裝箱船舶呈現(xiàn)大型化趨勢，港口面臨著提升轉(zhuǎn)運(yùn)效率的迫切需求。同時，環(huán)境保護(hù)、人力成本等問題也逐漸引起了港口行業(yè)的廣泛關(guān)注，傳統(tǒng)集裝箱碼頭需要突破自身局限，進(jìn)行新一次的綠色化智慧化的產(chǎn)業(yè)升級。相較于傳統(tǒng)的集裝箱碼頭，自動化集裝箱碼頭從調(diào)度指令到設(shè)備作業(yè)環(huán)節(jié)大幅減少人工干預(yù)，通過系統(tǒng)程序控制自動作業(yè)，對降低人工成本、提升資源效能和作業(yè)效率，以及規(guī)避安全風(fēng)險具有重要意義[1]。自動化碼頭滿足了當(dāng)前港口形勢的需求，是當(dāng)今港口進(jìn)一步發(fā)展的主流趨勢。

自動化集裝箱碼頭單機(jī)的作業(yè)效率可以保持一個較高的數(shù)值，整體的作業(yè)效率依托于生產(chǎn)工藝、設(shè)備故障率以及場地資源配置等方面。其中，自動化碼頭整體布局、碼頭轉(zhuǎn)運(yùn)屬性、碼頭工藝等不同，對碼頭運(yùn)營調(diào)度提出不同要求。為了實現(xiàn)碼頭最高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須不斷收集碼頭運(yùn)行效率數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的影響因素，在不斷地收集-調(diào)整-反饋的過程中，尋求本碼頭的最優(yōu)效率配置。天津集裝箱碼頭自動化改造項目為邊生產(chǎn)邊改造，需要在改造過程中根據(jù)生產(chǎn)實際情況，不斷地調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度資源的分配，才能夠保證碼頭在改造過程中整體運(yùn)行效率不受影響，甚至可以隨著改造的逐漸深化，進(jìn)一步提高運(yùn)營效率。以天津集裝箱碼頭為例，從TOS(Terminal Operation System，碼頭操作系統(tǒng))、自動化單機(jī)、碼頭資源整體顯示等3個方面介紹自動化碼頭堆場數(shù)據(jù)化的過程及其智慧應(yīng)用。

2 TOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用

在自動化碼頭運(yùn)行過程中，通過TOS與ECS(Equipment Control System，設(shè)備控制系統(tǒng))來收集碼頭運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)內(nèi)部算法邏輯計算出分配碼頭設(shè)施資源的最佳路徑，實現(xiàn)碼頭效率的最大化[2]。由于各個碼頭的整體布局等基本屬性不同，為實現(xiàn)自動化碼頭的效率最優(yōu)化，就需要不斷地收集碼頭整體作業(yè)情況并有針對性地做出修正，在這個過程中，碼頭數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用尤為重要。

TOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集較為便捷，即根據(jù)TOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表格創(chuàng)建一張新的表格，在不影響TOS運(yùn)行的情況下實時訪問TOS的數(shù)據(jù)表格，更新到自建的數(shù)據(jù)表格當(dāng)中。隨后，根據(jù)表格的自有分類，如作業(yè)類型、作業(yè)時間、作業(yè)場地等，以及自身碼頭的數(shù)據(jù)需求，建立適合本碼頭需求的數(shù)據(jù)信息庫。

在自動化改造前，天津港五洲碼頭堆場采用集中式策劃方式，即按照岸邊與堆場的設(shè)備比例，將裝卸船的集裝箱集中到一個或幾個連續(xù)貝位區(qū)域，使堆場設(shè)備能夠以最小的跑動距離實現(xiàn)較快的連續(xù)作業(yè)。但是，這樣的方式不適合面對連續(xù)高峰作業(yè)的港口需求，同時也閑置了一部分設(shè)備設(shè)施資源，不適合自動化堆場的作業(yè)特點(diǎn)。因此，五洲碼頭提出了分散式堆場策劃方式，即充分利用自動化設(shè)備效率穩(wěn)定、及時響應(yīng)指令的特點(diǎn)，對于單一或者多個船舶配比一定比例的場區(qū)，實現(xiàn)效率優(yōu)化，且不浪費(fèi)堆場資源。

基于TOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，可以實時監(jiān)控當(dāng)前的作業(yè)效率，也可以與之前時間段的堆場信息進(jìn)行比對，可為碼頭管理人員提供明確的反饋[3]。通過觀察在不同自動化場地資源配比下的數(shù)據(jù)信息，碼頭管理人員可以在不斷地調(diào)節(jié)過程中，綜合作業(yè)效率、能源功耗、人員調(diào)配等相關(guān)因素，找到適合本碼頭的最佳資源配比方式。天津港五洲碼頭通過“分級策劃”、“進(jìn)出口分區(qū)策劃”、“進(jìn)出口全場混合策劃”等3個階段24次的參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化，實現(xiàn)分散式堆場策劃方式的革新與穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高堆場軌道式龍門起重機(jī)(以下簡稱場橋)的使用均衡度、選位合理性和場地調(diào)配的彈性；降低由于進(jìn)出口比例轉(zhuǎn)換、船舶班期調(diào)整等原因?qū)ιa(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生的負(fù)面影響，減少裝船搗箱總量，進(jìn)而發(fā)揮出自動化場橋作業(yè)的效能優(yōu)勢。

圖1為天津港五洲集裝箱碼頭自動化改造過程當(dāng)中的每日平均指令時間統(tǒng)計。可見，開始的集中式策劃的資源調(diào)度方式，不適合自動化堆場的運(yùn)行特征，平均指令耗時較長，難以在要求時間內(nèi)完成生產(chǎn)任務(wù)指標(biāo)，且波動性較大，可控性差。通過改變調(diào)度模式并不斷調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，指令耗時大幅縮短，并穩(wěn)定保持在預(yù)期時間范圍內(nèi)，可以確保自動化碼頭的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 生產(chǎn)指令時長走勢圖

對TOS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析，不僅可以幫助碼頭調(diào)度人員調(diào)整堆場運(yùn)行模式，還可以在整個碼頭堆場正常生產(chǎn)運(yùn)行過程中，幫助碼頭管理人員監(jiān)控堆場指令運(yùn)行情況，其監(jiān)控視角可以從整場運(yùn)行狀況到每個作業(yè)區(qū)域、每一臺場橋、每一輛集裝箱卡車的運(yùn)行效率上，便于發(fā)現(xiàn)效率低下的堆場設(shè)備，并作出相應(yīng)的對策，為碼頭的整體把控、維護(hù)保養(yǎng)提供良好的依據(jù)。

3 自動化場橋數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用

場橋的監(jiān)控系統(tǒng)能夠較為全面地顯示目標(biāo)場橋的作業(yè)信息、作業(yè)故障等問題，但是這類應(yīng)用軟件主要以當(dāng)前的故障問題為中心，旨在輔助維修人員迅速恢復(fù)場橋故障問題，不利于碼頭維護(hù)人員對堆場場橋的整體掌控。在碼頭自動化升級過程中，把碼頭維護(hù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)化，可以使維護(hù)人員所需信息更加清晰、便捷地呈現(xiàn)出來，從而減少維護(hù)人員工作強(qiáng)度，減少維護(hù)成本[4]。

以天津港五洲集裝箱碼頭改造為例，自動化單機(jī)CMS(Content Management System，內(nèi)容管理系統(tǒng))較為全面。因此，可以直接通過OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的對象連接與嵌入)讀取對應(yīng)的CMS數(shù)據(jù)，并利用場橋與中央信息處理機(jī)房冗余的帶寬，通過交換機(jī)將所需信息傳輸?shù)綑C(jī)房并存儲到設(shè)定好的設(shè)備上。最后，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，并最終以表格的形式顯示到碼頭維護(hù)人員面前。

通過對場橋的數(shù)據(jù)分析處理，可以把每臺場橋執(zhí)行每一條指令的時間分塊細(xì)化為各個運(yùn)行機(jī)構(gòu)、自動化傳感器的運(yùn)行時間。結(jié)合所收集的場橋的整體使用情況，統(tǒng)計了各個運(yùn)行機(jī)構(gòu)在1周的時間內(nèi)制動器開閉次數(shù)、各個機(jī)構(gòu)運(yùn)行的距離等信息(見圖2)。碼頭維保人員可以根據(jù)機(jī)構(gòu)使用情況更好地掌握各個場橋的維保周期，確保場橋始終保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 場橋各機(jī)構(gòu)運(yùn)行統(tǒng)計

圖3為改造過程中，1周內(nèi)場橋執(zhí)行指令運(yùn)行過程中各個影響因素所占時間比例圖。通過這張圖，碼頭維護(hù)人員可以明確找到場橋運(yùn)行過程中導(dǎo)致執(zhí)行指令時間過長的各個因素，從而在下一步的維護(hù)過程中制定措施，快速解決問題，提高運(yùn)行效率。

圖3 場橋運(yùn)行時間影響因素占比

此外，自動化運(yùn)行情況下，會產(chǎn)生一些次要警報。這類警報會顯示到CMS界面，但不會影響場橋正常作業(yè)。這些次要警報需要引起注意并及時清除，否則故障長期積累可能會對場橋本身產(chǎn)生不良的影響。在沒有對各個場橋的數(shù)據(jù)收集與處理的情況下，需要耗費(fèi)人力成本依次檢查各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況。而建立專門的數(shù)據(jù)處理庫之后，維保人員可以直接得到整個堆場場橋所有的警報信息以及處理時對應(yīng)的硬件圖紙位置和各個機(jī)構(gòu)的位置，并據(jù)此信息快速處理故障(見圖4)。自動化堆場對各個場橋進(jìn)行專門的數(shù)據(jù)收集與處理，使碼頭維護(hù)人員更好地了解和監(jiān)控自動化場橋的運(yùn)行[5]。

圖4 各場橋警報數(shù)據(jù)分析表

4 碼頭整體運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)智慧應(yīng)用

天津港五洲集裝箱碼頭在改造過程中，結(jié)合碼頭自身堆場地理信息、場橋運(yùn)行狀態(tài)、集卡GPS位置信息等數(shù)據(jù)，為碼頭量身打造生產(chǎn)作業(yè)實時輔助指揮信息系統(tǒng)，可實時輔助指揮系統(tǒng)統(tǒng)合堆場信息，并通過3D畫面顯示出碼頭整體運(yùn)行信息，使調(diào)度人員可以清晰看到碼頭全部作業(yè)單元的實時工作狀態(tài)、位置以及生產(chǎn)運(yùn)營數(shù)據(jù)(見圖5)。輔助指揮信息系統(tǒng)可提供現(xiàn)代化集裝箱碼頭的全景支持，包括對岸邊集裝箱起重機(jī)、場橋和集卡的監(jiān)控，收集碼頭設(shè)備的運(yùn)營數(shù)據(jù)，使碼頭管理、操作和維護(hù)隊伍能夠協(xié)同監(jiān)控、管理生產(chǎn)過程和設(shè)備運(yùn)行，有效提升碼頭生產(chǎn)指揮的決策效率。

圖5 實時輔助指揮系統(tǒng)組成

實時輔助指揮信息系統(tǒng)主要功能包括：

(1)3D堆場地圖：可實時顯示堆場每個集裝箱的位置信息，并通過不同顏色加以區(qū)分，每一種顏色可以在配置時代表一類信息(見圖6)。

圖6 碼頭堆場3D顯示

(2)集裝箱分顏色顯示：通過設(shè)定顏色顯示當(dāng)前哪個箱子將被移動，根據(jù)TOS指令信息，不同的顏色代表不同的船、時間范圍、移動類型。

(3)水平運(yùn)輸車輛位置：碼頭車輛位置信息接入到輔助指揮信息系統(tǒng)后，場地位置信息、水平運(yùn)輸車輛位置等顯示在輔助指揮信息系統(tǒng)。

(4)起重機(jī)生產(chǎn)報告：該報告顯示指定起重機(jī)在某一時間段內(nèi)的生產(chǎn)報告列表，每一次運(yùn)行都有詳細(xì)的信息記錄，包括開始時間、結(jié)束時間、作業(yè)類型、作業(yè)負(fù)載重量等。

(5)常見事件總體報告：該報告顯示指定起重機(jī)在指定時間段內(nèi)發(fā)生的常見故障數(shù)量和內(nèi)容，每行顯示該故障在指定時間段內(nèi)發(fā)生的次數(shù)之和，用于掌握和排查單機(jī)的常見故障發(fā)生情況(見圖7)。

圖7 場橋故障以及輔助處理

(6)事件總體報告：該報告以圖形或柱狀圖的形式顯示當(dāng)前所有不同起重機(jī)的不同的事件數(shù)量，每天某一事件在每臺機(jī)的發(fā)生數(shù)量，用于分析統(tǒng)計同類故障的發(fā)生頻率。

(7)實時視頻：允許操作員監(jiān)控某臺起重機(jī)的實時視頻。

(8)歷史回放：允許在輔助指揮信息系統(tǒng)的窗口上回放某一臺起重機(jī)CMS記錄的歷史記錄，便于查閱和排查故障。

(9)生產(chǎn)績效報警：如果某一臺起重機(jī)的每小時作業(yè)量低于設(shè)定值，在3D窗口會有一個可視化的報警來提示。

(10)狀態(tài)/報警顯示：顯示每一臺起重機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)信息和報警信息等，例如機(jī)構(gòu)的速度、位置、傳動電流、力矩、電壓、限位狀態(tài)、機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖、當(dāng)前事件的報警、故障信息等。

(11)查閱圖紙：允許維護(hù)人員調(diào)用設(shè)備的電氣或機(jī)械圖紙，便于維護(hù)人員及時查閱設(shè)備信息。

5 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)碼頭，自動化碼頭本身具備完善的信息交互網(wǎng)絡(luò)，為碼頭運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動采集和存儲提供了良好的基礎(chǔ)，便于數(shù)據(jù)的傳輸和存儲抓取。利用自動化碼頭本身的數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合碼頭行業(yè)本身的運(yùn)行特征，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢，可提高碼頭運(yùn)行效率，節(jié)省生產(chǎn)運(yùn)營成本，為建設(shè)世界一流的智慧化碼頭提供支持。