自動化集裝箱碼頭堆場數據智慧應用

陳 培 劉夢蘭 張 煜

1 天津港第二集裝箱碼頭有限公司 2 武漢理工大學物流工程學院

1 引言

隨著我國經濟水平的不斷提升，集裝箱運輸業不斷發展，集裝箱船舶呈現大型化趨勢，港口面臨著提升轉運效率的迫切需求。同時，環境保護、人力成本等問題也逐漸引起了港口行業的廣泛關注，傳統集裝箱碼頭需要突破自身局限，進行新一次的綠色化智慧化的產業升級。相較于傳統的集裝箱碼頭，自動化集裝箱碼頭從調度指令到設備作業環節大幅減少人工干預，通過系統程序控制自動作業，對降低人工成本、提升資源效能和作業效率，以及規避安全風險具有重要意義[1]。自動化碼頭滿足了當前港口形勢的需求，是當今港口進一步發展的主流趨勢。

自動化集裝箱碼頭單機的作業效率可以保持一個較高的數值，整體的作業效率依托于生產工藝、設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、碼頭轉運屬性、碼頭工藝等不同，對碼頭運營調度提出不同要求。為了實現碼頭最高效率運轉，就必須不斷收集碼頭運行效率數據以及相應的影響因素，在不斷地收集-調整-反饋的過程中，尋求本碼頭的最優效率配置。天津集裝箱碼頭自動化改造項目為邊生產邊改造，需要在改造過程中根據生產實際情況，不斷地調整生產調度資源的分配，才能夠保證碼頭在改造過程中整體運行效率不受影響，甚至可以隨著改造的逐漸深化，進一步提高運營效率。以天津集裝箱碼頭為例，從TOS(Terminal Operation System，碼頭操作系統)、自動化單機、碼頭資源整體顯示等3個方面介紹自動化碼頭堆場數據化的過程及其智慧應用。

2 TOS系統數據智慧應用

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

TOS系統的數據采集較為便捷，即根據TOS系統的數據表格創建一張新的表格，在不影響TOS運行的情況下實時訪問TOS的數據表格，更新到自建的數據表格當中。隨后，根據表格的自有分類，如作業類型、作業時間、作業場地等，以及自身碼頭的數據需求，建立適合本碼頭需求的數據信息庫。

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備比例，將裝卸船的集裝箱集中到一個或幾個連續貝位區域，使堆場設備能夠以最小的跑動距離實現較快的連續作業。但是，這樣的方式不適合面對連續高峰作業的港口需求，同時也閑置了一部分設備設施資源，不適合自動化堆場的作業特點。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備效率穩定、及時響應指令的特點，對于單一或者多個船舶配比一定比例的場區，實現效率優化，且不浪費堆場資源。

基于TOS系統的數據分析，可以實時監控當前的作業效率，也可以與之前時間段的堆場信息進行比對，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據信息，碼頭管理人員可以在不斷地調節過程中，綜合作業效率、能源功耗、人員調配等相關因素，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”、“進出口分區策劃”、“進出口全場混合策劃”等3個階段24次的參數調整與優化，實現分散式堆場策劃方式的革新與穩定運行，從而提高堆場軌道式龍門起重機(以下簡稱場橋)的使用均衡度、選位合理性和場地調配的彈性；降低由于進出口比例轉換、船舶班期調整等原因對生產作業產生的負面影響，減少裝船搗箱總量，進而發揮出自動化場橋作業的效能優勢。

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

圖1 生產指令時長走勢圖

對TOS系統數據的分析，不僅可以幫助碼頭調度人員調整堆場運行模式，還可以在整個碼頭堆場正常生產運行過程中，幫助碼頭管理人員監控堆場指令運行情況，其監控視角可以從整場運行狀況到每個作業區域、每一臺場橋、每一輛集裝箱卡車的運行效率上，便于發現效率低下的堆場設備，并作出相應的對策，為碼頭的整體把控、維護保養提供良好的依據。

3 自動化場橋數據智慧應用

場橋的監控系統能夠較為全面地顯示目標場橋的作業信息、作業故障等問題，但是這類應用軟件主要以當前的故障問題為中心，旨在輔助維修人員迅速恢復場橋故障問題，不利于碼頭維護人員對堆場場橋的整體掌控。在碼頭自動化升級過程中，把碼頭維護信息進行數據化，可以使維護人員所需信息更加清晰、便捷地呈現出來，從而減少維護人員工作強度，減少維護成本[4]。

以天津港五洲集裝箱碼頭改造為例，自動化單機CMS(Content Management System，內容管理系統)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)讀取對應的CMS數據，并利用場橋與中央信息處理機房冗余的帶寬，通過交換機將所需信息傳輸到機房并存儲到設定好的設備上。最后，對這些數據進行分類處理，并最終以表格的形式顯示到碼頭維護人員面前。

通過對場橋的數據分析處理，可以把每臺場橋執行每一條指令的時間分塊細化為各個運行機構、自動化傳感器的運行時間。結合所收集的場橋的整體使用情況，統計了各個運行機構在1周的時間內制動器開閉次數、各個機構運行的距離等信息(見圖2)。碼頭維保人員可以根據機構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行狀態。

圖2 場橋各機構運行統計

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

圖3 場橋運行時間影響因素占比

此外，自動化運行情況下，會產生一些次要警報。這類警報會顯示到CMS界面，但不會影響場橋正常作業。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生不良的影響。在沒有對各個場橋的數據收集與處理的情況下，需要耗費人力成本依次檢查各個機構的運行情況。而建立專門的數據處理庫之后，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的硬件圖紙位置和各個機構的位置，并據此信息快速處理故障(見圖4)。自動化堆場對各個場橋進行專門的數據收集與處理，使碼頭維護人員更好地了解和監控自動化場橋的運行[5]。

圖4 各場橋警報數據分析表

4 碼頭整體運轉數據智慧應用

天津港五洲集裝箱碼頭在改造過程中，結合碼頭自身堆場地理信息、場橋運行狀態、集卡GPS位置信息等數據，為碼頭量身打造生產作業實時輔助指揮信息系統，可實時輔助指揮系統統合堆場信息，并通過3D畫面顯示出碼頭整體運行信息，使調度人員可以清晰看到碼頭全部作業單元的實時工作狀態、位置以及生產運營數據(見圖5)。輔助指揮信息系統可提供現代化集裝箱碼頭的全景支持，包括對岸邊集裝箱起重機、場橋和集卡的監控，收集碼頭設備的運營數據，使碼頭管理、操作和維護隊伍能夠協同監控、管理生產過程和設備運行，有效提升碼頭生產指揮的決策效率。

圖5 實時輔助指揮系統組成

實時輔助指揮信息系統主要功能包括：

(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：通過設定顏色顯示當前哪個箱子將被移動，根據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)水平運輸車輛位置：碼頭車輛位置信息接入到輔助指揮信息系統后，場地位置信息、水平運輸車輛位置等顯示在輔助指揮信息系統。

(4)起重機生產報告：該報告顯示指定起重機在某一時間段內的生產報告列表，每一次運行都有詳細的信息記錄，包括開始時間、結束時間、作業類型、作業負載重量等。

(5)常見事件總體報告：該報告顯示指定起重機在指定時間段內發生的常見故障數量和內容，每行顯示該故障在指定時間段內發生的次數之和，用于掌握和排查單機的常見故障發生情況(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前所有不同起重機的不同的事件數量，每天某一事件在每臺機的發生數量，用于分析統計同類故障的發生頻率。

(7)實時視頻：允許操作員監控某臺起重機的實時視頻。

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

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

(10)狀態/報警顯示：顯示每一臺起重機當前的狀態信息和報警信息等，例如機構的速度、位置、傳動電流、力矩、電壓、限位狀態、機構聯鎖、當前事件的報警、故障信息等。

(11)查閱圖紙：允許維護人員調用設備的電氣或機械圖紙，便于維護人員及時查閱設備信息。

5 結語

相對于傳統碼頭，自動化碼頭本身具備完善的信息交互網絡，為碼頭運行數據的自動采集和存儲提供了良好的基礎，便于數據的傳輸和存儲抓取。利用自動化碼頭本身的數據平臺，結合碼頭行業本身的運行特征，充分發揮數據分析的優勢，可提高碼頭運行效率，節省生產運營成本，為建設世界一流的智慧化碼頭提供支持。