自動化軌道吊管理系統和數據系統的功能設計與應用

周 峰

（上海振華重工（集團）股份有限公司南通分公司，江蘇南通 226010）

0 引言

近年來，隨著集裝箱裝卸設備自動化水平的不斷提高，國內外港口紛紛建設自動化集裝箱碼頭，或在原有集裝箱碼頭基礎上進行自動化改造。集裝碼頭自動化管理系統的應用，為集裝碼頭的高效運行奠定了基礎。隨著堆場設備的自動化升級改造，將與“打散”作業模式相結合，有效提高設備出勤率和設備運行時間。目前集裝箱碼頭自動化設備長時間停機現象比較少見，且缺乏及時的操作人員反饋，傳統的設備維護模式已不能適應自動化集裝箱碼頭設備管理。因此，創新設備運維管理模式，提供詳細數據支撐，對于集裝箱碼頭設備管理和數據系統功能設計具有深遠的現實意義。

1 開發自動化軌道吊管理系統和數據系統的必要性及重要性

1.1 必要性

與傳統的軌道吊相比，自動軌道吊增加了無線射頻識別系統，目標定位系統，集卡導航系統、傳感器，各種監控攝像機等自動化系統及部件。為了保證不同的信息（如位置、工作狀態、指令類型等）能夠相互連接，每個軌道吊都需要檢查它們的運行狀態，確保與港口的操作指令一致。由于軌道吊采用遠程控制方式，設備管理者無法實時獲取現場數據，難以及時發現的潛在安全隱患；雖然現有技術手段能夠實時監測重要部件，但安裝成本較高，對維修人員的經驗和能力要求也較高。因此，從港口作業系統數據庫中提取、分析關鍵作業信息，有助于設備管理者準確識別潛在故障，確保設備安全高效運行[1]。

1.2 重要性

隨著國際航運業的迅速發展，我國港口產業與全球經濟有著密切的聯系。目前，我國集裝箱港口在運行過程中普遍存在著自動化程度低、運行效率低等問題。據統計，我國港口改造升級已完成40%以上，目前大部分港口已引進國外先進技術。國外監控系統雖然性能優良，能夠滿足港口日常運行的需要，但存在通信接口不開放、二次開發、控制邏輯共享等問題。在新港的建設過程中，外資企業的產品能夠滿足港口的功能需求，但是設備更新的瓶頸尤其是中后期設備的使用。此外，國內大型碼頭設備制造商一般采用總包方式采購，后期的安裝、調試、維護均由供貨方負責。由于國內港口設備制造企業甚至連最基本的技術都不具備，因此深入研究軌道吊的控制技術，有助于我國軌道吊的軟硬件兼容，促進我國軌道吊的國產化和集成開發，提高我國港口碼頭的綜合競爭力。

2 自動化軌道吊管理系統和數據系統功能設計

2.1 自動化軌道吊管理系統設計

（1）監控整機狀態。本系統采用圖形界面，實現對各機構運行狀態的即時監測，主要內容有主機構速度、位置、電流、電壓、力矩、限位、連鎖等（圖1）。

圖1 自動化軌道吊管理系統起重機管理系統界面

（2）記錄故障。保存故障歷史，記錄故障發生和恢復時間。根據故障的嚴重程度，將設備故障分為失效、報警和連鎖狀態，并分別用紅、黃、藍3 種顏色加以區分。

（3）生成故障報表。故障報告是根據日期、時段、機構類別、故障代碼、故障等級等因素產生的，故障記錄包含故障代碼、故障發生時間、故障修復時間、故障說明等，并且能夠根據故障排除條件自動生成故障報告。

（4）分析故障。對同一故障的出現次數、所占的比例、相同故障的平均間隔時間、出現頻率高的故障等進行了統計。

2.2 起重機遠程監控系統設計

遠程監控系統由自動遙控控制中心遠程監控并收集軌道吊的數據、狀態和故障情況，方便維修人員進行故障診斷和監測（圖2）。

圖2 起重機遠程監控系統

（1）堆場總覽能夠實時顯示自動軌道吊車的狀態信息，包括自動吊車的位置、是否控制合、是否作業等。

（2）實時監控軌道吊電氣、機械和液壓系統，并與相關的狀態相聯系，同時以模塊化方式實時顯示各設備的運行狀況以及電壓、電流、頻率、控制反饋信號等。

（3）設計多種報表，如時間報表、維護報表、控制合報表、產出報表等。其中，時間報表根據時間、時間段，自動軌道吊各個部門的工作時間；維修報告統計制動器、限位、鋼絲繩等磨損零件的使用時間，并在使用期超過規定使用年限后，報警并告知修理工人進行替換；控制合報告記錄了操作人員在遠程控制平臺上的工作狀態，記錄其控制合、中斷時間，方便港口管理者通過對整個過程進行歷史回顧，對具體作業過程進行詳細剖析。

（4）其他功能與起重機管理系統的功能基本相同。

3 自動化軌道吊數據系統

自動軌道吊數據系統是從碼頭操作系統數據庫中提取、處理和分析的，為港口管理者提供數據支持。該系統支持瀏覽器瀏覽功能，包括效率模塊、性能模塊、車輛調度模塊等。

3.1 效率模塊

（1）作業指令時程報告，可查詢任意時段、任一自動軌道吊的作業箱數和作業時間，并能提供集卡作業指令、外集卡作業指令、翻轉作業指令。

（2）工作命令數量報告工作命令數量報告顯示同一年不同季度、月和同一年的同一季度和月的工作命令數量。

（3）工作命令持續時間分布用條形圖和點陣圖表示任務時間間隔與時間間隔的比例。

（4）詳細的堆場操作指令，可以隨時查詢不同堆場的操作指令。

3.2 績效模塊

（1）根據班組平均工作箱數，根據班組實際情況，統計遠程操作人員工作箱數，便于績效考核。

（2）工作命令周期持續時間可查詢每個周期的執行效率，并以圖表表示效率趨勢。

（3）集卡操作時間支持查詢不同時間段外集卡的裝船、卸貨、集港、疏運、轉運等操作時間。

3.3 車輛時序控制模塊

利用車輛時序控制模塊，識別堆場道口RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）設備，并統計其失效次數及發生頻率，作為判定該裝置是否功能失效的依據。

4 作業效率影響因素分析

自動化集裝箱碼頭主要由遠程控制的岸上集裝箱吊、智能水平運輸系統和自動場橋自動運輸設備組成[3]。自動軌道吊的作業效率與水平運輸、車道布置、堆場工藝有關，其運行效率直接影響堆場的運力和整體裝卸能力。

4.1 內外集卡作業指令占比

通過比較自動軌道吊的運行效率，得出平均運行時間與外部集卡運行比例呈正相關關系，即外部集卡運行數量越多運行時間越長。因此，作業規劃人員可以根據調度系統實時調整作業計劃。

4.2 天氣狀況

通過對不同氣象條件下設備運行情況的統計分析，發現強風、雨、雪等因素對作業效率影響較大，如吊繩拋籃造成作業暫停、大車激光防碰撞裝置高頻、短暫誤操作造成設備速度受限等。因此，提出改進措施，改善系統運行狀態，解決誤動作問題。但是在強風環境下，起重機構的轉速會受到一定限制，調度人員要通過分析天氣預報，準確預測作業進度，調整裝卸機械和橫向輸送機械的進度，以保證原計劃穩定進行。

4.3 大車跑動距離

數據庫記錄每個工作命令的比特，并按時間順序輸出工作命令，利用Excel 表計算出相應時間段內車輛的行駛距離。通過分析大型車輛跑動距離、內外集卡作業時間比例、設備自動化功能故障率等指標，為分析單臺設備運行效率提供依據。在正常故障率高、大車跑程長的情況下，單臺工作效率一般較低。

4.4 大車過電纜坑

通過電纜坑必然會影響自動化軌道吊的工作效率。通過計算，一輛大車一次通過隧道需要花費10 s 的時間，分析軌道吊車作業范圍內大車過坑的次數。當過坑率過高時，應由堆場設備調度員重新劃分場地，在自動軌道吊車管理系統中重新設置工作區，盡量減少車輛通過電纜坑對設備運行的不利影響。

4.5 實現“打散式”維保

檢查自動軌道吊管理系統的事故報告，從中提取故障信息，例如：某一開閉限位操作狀態與其他開閉限位不一致，致使裝置多次執行開閉指令；某機械設備電機油位、油溫不正常，雖未造成設備故障或停機，但會影響工作的連續性和故障。

根據以上情況，生產計劃部門應在30～120 min 內暫時停機，及時發現潛在故障，并維修或更換零件，確保設備正常運行。設備例行檢查和維修項目也可在臨時停機期間進行。由于作業系統能夠預測未來數小時內設備的運行量，具有智能調整調度功能，因此短期停運不會影響整個裝卸過程。

5 結束語

通過分析影響生產效率的因素，開發出相應的控制策略，為生產調度人員進行故障診斷、制定相應的控制策略提供數據和理論支持。未來將逐步完善數據處理能力，提高計算效率，提高報告質量，以滿足軌道吊維修的需求，符合集裝箱運輸行業的發展趨勢。