集裝箱碼頭堆場自動化改造項目效率分析

王曉東

大連港股份有限公司

1 引言

目前，集裝箱碼頭堆場自動化改造已經得到了廣泛的認可和推廣。如何進行改造后的效率分析，尋找提高效率的措施是碼頭共同的關注點[1]。以典型的平行岸線布局，裝卸設備采用軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)的傳統碼頭堆場自動化改造為例，進行效率分析研究。

2 集裝箱碼頭堆場自動化改造項目的效率種類和含義

集裝箱碼頭堆場自動化改造項目的效率主要包括單機單作業效率、單機多作業效率、單條街區作業效率和整個堆場作業效率。

2.1 單機單作業效率

單機單作業效率指單機在測試條件下，不動大車，單位時間(以h為單位)內可以完成的將集裝箱從集卡上抓起，經小車運行后，放到堆場內的次數；或者從堆場內抓起，經小車運行后，放到集卡上的次數。該效率主要是測試單機的自動化作業能力。

2.2 單機多作業效率

單機多作業效率是指單機在正常作業條件下，根據TOS(Terminal Operation System，碼頭操作系統)下達的任務指令，單位作業時間(以h為單位)內完成的作業箱量，用于衡量單機經過自動化改造后的運行情況及與TOS聯調后的效果。由于實際作業工況復雜，影響單機多作業效率因素很多，特別是單機接到作業任務時，可能需要移動大車。大車移動距離不同，所需時間難以確定，嚴重影響分析。因此，為簡化分析，假定單機不動大車。

2.3 單條街區作業效率

單條街區作業效率指位于該條街區內的所有設備在單位作業時間(可以h為單位，如果長期統計，可以d為單位)內完成的作業箱量。單條街區作業效率主要用于衡量TOS中的作業任務選擇和多臺(一般多為2臺)設備調度的能力，是單機作業能力和自動化TOS性能的綜合體現。

自動化作業模式下，單條街區作業效率又稱綜合作業效率，計算公式為：

設備接到作業任務指令時間是指當集卡進入街區，觸發RFID識別，若此時設備處于“空閑”狀態，TOS開始給設備發送任務的時間。

2.4 整個堆場作業效率

整個堆場作業效率是指整個堆場上的所有設備在單位作業時間(可以h或d為單位，長期統計，也可以“月”為單位)內完成的作業總量。TOS可以根據裝卸船計劃、收提箱計劃，采取全場考慮、“打散”模式、分配任務、調度設備，同時兼顧現場作業的即時動態，實時調整計劃。整個堆場作業效率主要用于衡量自動化堆場計劃和派位算法的優劣，以及其他關聯系統(如拖車池、配載計劃等)的性能、相互銜接和配合的情況，是整個碼頭的綜合作業效率的體現，也是碼頭最關注的問題。

3 自動化作業與傳統作業效率的對比

3.1 單機單作業效率對比

以某碼頭的雙外伸臂軌道吊自動化改造為例。在傳統作業模式下，單機裝卸船、收提箱的平均耗時約100 s，即單作業效率為36箱/h。自動化作業模式下，單機裝卸船、收提箱的平均耗時大約140 s，即單作業效率為25.7箱/h，其中在外集卡上的抓放箱的人工介入時間為25～35 s。兩者差距是因為傳統人工作業采取“拋物線”形式，而自動化主要采取“門框式”作業(見圖1)。

圖1 門框式和拋物線式

“門框式”作業是吊具抓箱后先起升到安全高度，移動小車，達到目標位上方后，吊具下降到目標位。采取該方式的目的是保障吊具運行過程中的安全，防止與其他箱子相撞。目前，部分知名品牌電控系統供應商的自動化軌道吊具有“路徑優化”功能(“拋物線”形式)，但因吊具起升高度與堆場內集裝箱堆碼高度間距小，路徑優化效果不顯著。

3.2 單機多作業效率對比

堆場自動化改造后，當集卡進入街區口時，觸發RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)識別裝置，若此時設備處于“空閑”狀態，TOS開始給單機發送任務。如果是出箱，單機可以利用等待集卡到達目標貝位的時間，提前將目標箱抓起，在臨近集卡通道上方等待，以節省時間。如果出箱時涉及翻搗，單機可以利用等待時間自動進行翻搗，對于作業相對不繁忙的堆場，效率提高明顯。但對于作業繁忙的堆場，集卡先到目標貝位，等待單機，翻搗時間無法兌沖。傳統人工作業是司機看到作業集卡后才開始目標任務的作業。

綜上，如果作業任務較多，趨近連續作業，集卡等待單機，自動化和傳統作業比較的是單機作業能力，傳統作業效率高于自動化作業效率。如果作業任務很少，1小時內僅有幾個作業任務，決定效率的還是自動化和人工的單機作業能力，傳統作業效率仍高于自動化作業效率。

只有作業任務數量適中，因TOS提前進行設備調度，設備利用等待集卡時間啟動，特別是翻搗任務多時，自動化作業效率才能接近傳統作業效率，甚至超過傳統作業效率。

3.3 單條街區作業效率對比

單條街區作業效率主要對比的是自動化TOS和傳統TOS的設備調度能力。

合理選擇最優任務和最優設備，并調度設備完成任務是自動化TOS的核心功能，根據現場的實時變化情況做出調整是自動化TOS的特點。而傳統TOS任務分配算法相對簡單，如按照設備作業區域劃分進行任務分配，無法合理調配設備。同時，缺乏根據現場情況即時變化，實時調整作業計劃。

同單機多作業相同，如果作業任務很多，各設備都趨近連續作業，或者作業任務很少，自動化TOS優化的調度算法無從發揮，傳統作業效率仍高于自動化作業效率。

如果作業任務數量正常，自動化TOS的算法優勢可以正常發揮，根據不同工況，合理調度設備，對實時發生的事件，按照預先規則處理，自動化作業效率要高于傳統作業效率。

3.4 整個堆場作業效率對比

整個堆場作業效率是碼頭綜合作業效率的體現，最顯著的2個指標是船舶平均在泊時間和外集卡在港時間。以天津五洲國際為例，經過堆場自動化改造，船舶平均在泊時間由2018年的23.45 h，縮減到2019年底的19.15 h，降幅18.33%，進一步釋放了泊位資源；外集卡在港時間由2018年的50.9 min，縮減至23.2 min，降幅54.42%，提升了對外服務水平。上述2個指標充分體現了自動化改造后的堆場對整個碼頭作業效率提高的貢獻。

4 改進堆場自動化作業效率的思路

研究堆場自動化改造后的效率是希望通過分析，找到影響效率的原因，并進行改進和優化，從而提高改造項目的整體效果。

4.1 改進單機及附屬設施性能

4.1.1 設備運行“路徑優化”

最典型的“路徑優化”就是各機構的聯動，由“串行”變“并行”。如單機到不同貝位的作業任務，需要大車和小車的聯動；同貝位的作業任務，需要起升和小車的聯動。輔以檢測和防撞系統，以及后臺的算法，實現單機機構運行的“路徑優化”，提高作業效率。

除機構聯動外，對于機構運行的指令也可以通過“串行”改“并行”，實現“路徑優化”，即前一個指令執行過程中，根據現場實際情況，系統提前發出后一個指令，使前后指令連續執行，減少中間環節的減速、停止、加速等步驟，提高運行速度。

4.1.2 提高單機各系統和機構性能

提高效率的有效方法之一是提高自動化系統運行的速度和檢測的精度。例如，對于目前通用的3D激光目標檢測系統，如果可以在盡可能短的時間內達到更高的精度，勢必會提高作業效率。但通常情況下，精度和速度是成反比關系，精度要求越高，所需時間越長，速度越低。反之，如果檢測速度提高，檢測精度可能會降低。這就需要權衡，選擇一個合理的精度，配以相應可以接受的速度，否則該系統需要優化或改型。

最有效和最直接的提高效率的方法是增加機構的運行速度和加速度，但這需要更換電機、調速系統，甚至減速箱、聯軸節等。即使存在更換的可行性，最后還需要驗證整體金屬機構是否可以滿足上述速度和加速度的增加，所以該方式缺乏可實施性。但可以通過系統優化，合理調節機構的減速區和減速點，在保證安全的前提下，盡可能縮短運行時間，提高單機整體作業效率。

4.1.3 提高設備可靠性

與傳統碼頭一樣，設備的可靠性直接影響作業效率，并且由于自動化改造，增加了許多機構和檢測裝置，勢必帶來更多的故障點。如果發生故障，需要“跳臺”，遠程人工處理，占用遠程操作臺，影響其他設備正常的遠程操作。因此，穩定的設備是自動化高效率運行的基礎。

4.1.4 優化附屬設施性能

堆場自動化改造的附屬設施性能直接影響自動化運行的效果。例如街區端口的車號識別系統，如果將其識別率提高，減少車號識別的異常情況發生，可以大幅降低因無法識別車號而等待超時報警的時間，對提高作業效率的作用明顯。

4.2 優化TOS性能

要提高整個堆場的作業效率，必須不斷優化TOS的性能。在持續改進已有的最優任務選擇、設備調度、自動翻搗等功能的基礎上，開發宏觀堆場派位管理功能，由傳統的“堆垛”模式改為“打散”模式，多場多點分配，利用自動化改造后可以多設備參與作業的特點，發揮堆場自動化的優勢，提高整個堆場作業效率。

4.3 提高人工操作水平

在堆場自動化作業過程中，涉及人工操作有兩部分。一部分是針對外集卡作業，人工遠程抓放箱；另一部分是目前內、外集卡的人工駕駛。

4.3.1 人工遠程操作

人工遠程操作中，熟練司機可以達到25 s內完成1個外集卡抓放箱作業，但新手則可能超過50 s，甚至更長時間。遠控司機操作不熟練，不僅影響當前聯機的單機作業，且如果現場作業繁忙，遠控操作臺無法及時釋放，會導致沒有足夠數量的遠控操作臺作業，產生連鎖反應，影響整個堆場作業。

4.3.2 集卡司機操作

集卡司機的熟練程度主要體現在集卡對位過程中。目前，單機均配有CPS(Chassis Positioning System，集卡對位系統)，用于引導集卡對準作業位置，協助吊具準確抓、放箱。CPS配備LED顯示屏，提示集卡司機向前或向后移動集卡，直至對位完成，精度可達3～5 cm。對于熟練司機，可以一步到位，而有些司機因為不熟練，或作業習慣難改，不停前后移動集卡，始終無法對準作業位置，嚴重影響作業效率。

由于目前的技術所限，自動化碼頭還不能完全脫離人工操作，因此提高人工的操作水平可以直接改善整個堆場的作業效率。

4.4 及時處理異常情況

無論對于傳統作業模式，還是自動化作業模式，異常情況都存在。如何及時處理異常情況，成為兩種作業模式下效率差距的原因之一。

4.4.1 處理方式不同

傳統作業模式下，各設備上的司機在遵守碼頭操作規范的前提下，針對不同的異常情況，可以根據自己所處的環境及其他影響因素，自主的做出決策。而自動化改造后的設備現階段還不具備上述自主處理異常情況的功能，必須將異常情況反饋給TOS進行處理，或者反饋遠控中心，人工介入處理。該過程需要花費大量時間，影響作業效率。

4.4.2 發現模式不同

對于如何發現異常情況，兩者差別也很大。傳統作業模式下，設備上的司機可以第一時間發現異常情況，采取相應的措施進行解決。而自動化改造后的設備及系統在多數情況下，不能第一時間發現異常情況，基本上是通過超時或操作次數超過設定值，引發異常報警，嚴重拖后處理時間。

針對上述情況，可采取如下針對性措施：

(1)優化設備、設施性能，提高可靠性，降低異常情況的發生概率。

(2)針對影響嚴重的異常情況，增加檢測裝置，在第一時間發現并反饋，將異常情況發生的影響降低到最小。

(3)加速技術迭代，開發單機“邊緣計算”方案，使單機由“自動”向“自主”轉變。

5 結語

影響堆場自動化效率的因素很多，包括系統、設備、設施、人員等，需要統籌考慮。堆場自動化需要與其他系統及設備配合，否則無法充分發揮自動化的優勢。同時，評估堆場自動化的維度很多，不能僅考慮效率，需要綜合考量，選擇最優方案，否則可能帶來大量的資源的消耗、成本的浪費。