曾 健

上海國際港務(集團)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(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，由遠程操作員手動操作，增加了遠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)效率和對外服務質(zhì)量；軌內(nèi)任務作業(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(自動導引車)運輸與集卡運輸，作業(yè)車道之間通過圍網(wǎng)進行安全隔離。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，是由集卡進行水平運輸托運，在岸橋雙軌之間由岸橋主小車進行吊裝作業(yè)。

相對于裝卸流程全自動化的普通箱作業(yè)任務，特殊箱裝卸作業(yè)較為繁瑣復雜，岸橋作業(yè)沒有自動化指令，需要遠程操作司機全程手動操作，降低碼頭作業(yè)安全性與可靠性。集卡任務分配隨機，且沒有時間窗口邏輯，任務過早分配導致集卡拖箱等待時間較長；集卡司機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，當特殊箱任務較多時，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)應用

3.1 任務調(diào)度自動化技術(shù)

3.1.1 岸橋特殊任務調(diào)度邏輯

岸橋特殊作業(yè)任務調(diào)度，考慮當前作業(yè)任務關(guān)序、岸橋當前作業(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)設置，TOS(Teminal Operation System,碼頭管理系統(tǒng))根據(jù)當前集卡實時狀態(tài)信息以及任務隊列信息，自動調(diào)度岸橋軌內(nèi)特殊作業(yè)任務指令。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)任務不同箱類型，制定特定的業(yè)務規(guī)則。對于普通危險品箱，采用自動模式條件進行調(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，采取不同的任務策略。當集卡處于車道狀態(tài)且任務隊列第一關(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,設備控制系統(tǒng))根據(jù)指令類型，將相應的操作指令傳達至單機程序，岸橋遠程操作員根據(jù)指令信息完成特殊作業(yè)。此外，當岸橋當前正在調(diào)度執(zhí)行特殊作業(yè)工藝任務時，會暫停該岸橋下的AGV調(diào)度配比數(shù)，合理分配場內(nèi)水平運輸機械資源，達到碼頭運轉(zhuǎn)效率最大化。

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

在自動化碼頭作業(yè)過程中，岸橋作業(yè)路的任務隊列排序，會由于各種機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)智能決策進行作業(yè)任務次序的交換，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 設備運行自動化技術(shù)

3.2.1 岸橋特殊任務系統(tǒng)架構(gòu)與信息交互設計

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)任務節(jié)點事件及當前作業(yè)狀態(tài)，TOS與ECS通過數(shù)據(jù)庫為載體，以事件交互形式進行信息傳遞，可避免網(wǎng)絡擁堵、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負責任務的調(diào)度，ECS負責執(zhí)行TOS發(fā)送的作業(yè)任務，并將單機設備執(zhí)行的結(jié)果反饋給TOS，從而使TOS進行下一步的流程動作。整個動作指令之間的事件交互響應及處理速度，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、高效運行。

3.2.2 岸橋特殊作業(yè)執(zhí)行流程

岸橋單機設備在收到自動指令后，進入作業(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，安全高度可進行參數(shù)調(diào)控，下降至安全高度后，進入人工干預半自動模式，對集裝箱進行抓箱作業(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，再次采取人工干預半自動模式進行集裝箱放箱作業(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，精準運行至目標位置上方。此外，在進行超限箱作業(yè)時，也可將吊具重載階段設置成人工操作模式，保障作業(yè)的可靠性。

3.3 集卡協(xié)調(diào)作業(yè)邏輯及功能設計

自動化碼頭特殊作業(yè)工藝的裝卸任務，需要由集卡來進行集裝箱托運工作，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，由TOS來進行智能決策、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)務類型作業(yè)，且保證作業(yè)有效性與及時性，因此，將集卡進行分類。目前，采取2種方式對場內(nèi)集卡進行分組分類。

集卡作業(yè)組與設備組分類。在系統(tǒng)中設定集卡作業(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。

集卡任務作業(yè)類型分類。根據(jù)任務作業(yè)類型，主要分為裝卸、轉(zhuǎn)堆等作業(yè)類型，將集卡設置成對應作業(yè)類型，則集卡僅可分配設定的作業(yè)類型任務。此項分類的應用，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，對集卡托運掛板具有不同的要求，當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)，在任務發(fā)送階段，解析出不同托運條件下的任務，將任務分配至帶有特殊掛板的集卡進行作業(yè)。

(3)集卡調(diào)度時間窗

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

3.3.2 場外集卡導航APP功能

自動化碼頭特種危險貨物直裝直提業(yè)務，需要外集卡直接拖運集裝箱進碼頭前沿，岸橋?qū)ζ溥M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，采用特定開發(fā)的外集卡作業(yè)APP功能，對集卡司機進行任務指令提示、作業(yè)路線導航以及碼頭當前作業(yè)情況概覽顯示等。外集卡司機在進場后，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質(zhì)量。

3.3.3 手持終端機PDA功能

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

(1)任務隊列展示。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，將信息進行排版整合，顯示在手持終端機中，使現(xiàn)場工作人員能夠清晰明了地掌握當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)信息至集卡司機手持終端機，提示司機當前任務隊列具體排序，并顯示跟車提示，告知集卡司機排隊車隊的前車車號。當岸橋特殊工藝作業(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)功能設置。集卡在托運集裝箱過程中，需要在不同的業(yè)務流程節(jié)點進行集卡實時狀態(tài)的設置。在手持終端機上加入集卡狀態(tài)設置功能，可由人工控制集卡狀態(tài)，從而降低業(yè)務過程中頻繁通過對講機進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)階段等顯示于設備監(jiān)控界面，提示當前任務所處階段，以便船舶控制員及時根據(jù)當前業(yè)務情況作出相應的調(diào)整；將集卡當前所分配的任務信息，包括作業(yè)路、關(guān)號、箱號、任務要求位置信息、集卡當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程操作臺界面，將各類特殊作業(yè)工藝任務類型予以區(qū)分。不同于普通裝卸任務，對于特定不同類型任務，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)控界面設計攝像頭自動對焦程序，岸橋在進行特殊作業(yè)時，根據(jù)任務類型，自動對焦至任務目標，確保岸橋遠程操作人員能夠快速、精準地進行鎖頭對位，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)務流程中，簡化了各業(yè)務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。