集裝箱碼頭自動化堆場綜合管理系統(tǒng)設(shè)計

褚英雙

隨著世界經(jīng)濟(jì)和國際貿(mào)易的發(fā)展，集裝箱運輸業(yè)經(jīng)歷了高速發(fā)展階段。然而，近年來，受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的沖擊，航運企業(yè)結(jié)構(gòu)性供需失衡加劇，經(jīng)營下行壓力加大，并逐步向下游企業(yè)傳導(dǎo)，這對集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)和操作模式管理的精細(xì)化、系統(tǒng)化、自動化提出更高要求。集裝箱碼頭傳統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)工藝受人為因素、天氣因素、安全事故、人工成本等影響較大，已經(jīng)很難適應(yīng)新形勢的要求；因此，有必要應(yīng)用堆場設(shè)備自動化及一對多遠(yuǎn)程操控等技術(shù)來提高設(shè)備技術(shù)性能，優(yōu)化資源使用效能，順應(yīng)集裝箱碼頭操作工藝發(fā)展趨勢。本文以天津五洲國際集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱五洲國際碼頭）為例，介紹集裝箱碼頭自動化堆場綜合管理系統(tǒng)，以期為集裝箱碼頭提高堆場作業(yè)效率、完善管理提供途徑。

1 集裝箱碼頭傳統(tǒng)操作工藝存在的問題

（1）集裝箱碼頭現(xiàn)有裝卸工藝以場地使用為核心，在資源的有效配置及其效能的充分發(fā)揮方面存在瓶頸。為此，有必要利用相關(guān)設(shè)備技術(shù)參數(shù)及其高度標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)勢，創(chuàng)新裝卸工藝，優(yōu)化資源使用效能。

（2）集裝箱碼頭場地機(jī)械資源配置滿足覆蓋絕大部分場區(qū)低密度分布的要求，由此帶來場地設(shè)備作業(yè)率低、單位工作時間產(chǎn)出量小等負(fù)面影響。

（3）五洲國際碼頭運行數(shù)據(jù)顯示，在傳統(tǒng)操作模式下，軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡稱軌道吊）運行時間占登錄時間的比例為32.8%，等待時間占比為67.2%，也就是說，軌道吊司機(jī)平均2/3的上機(jī)工作時間均在無動作等待中。

2 集裝箱碼頭自動化堆場綜合管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計目標(biāo)

（1）在分析集裝箱碼頭傳統(tǒng)操作工藝存在問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合順岸型碼頭的布局，分析并完善集裝箱堆場全自動化軌道吊作業(yè)（涉及場到車、車到場、場到場、應(yīng)急作業(yè)等）流程；同時，分析并形成軌道吊與集卡協(xié)同作業(yè)工藝模式，提出內(nèi)集卡和外集卡在全自動化軌道吊跨內(nèi)的遠(yuǎn)程控制工藝模式。

（2）綜合運用視頻圖像采集技術(shù)、超聲波傳感檢測技術(shù)、3D激光掃描技術(shù)、無線射頻技術(shù)等，設(shè)計和研發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、大車防撞系統(tǒng)、吊具定位及防搖系統(tǒng)、集裝箱目標(biāo)定位系統(tǒng)、軌道吊電控系統(tǒng)等，形成軌道吊全自動遠(yuǎn)程操控關(guān)鍵核心技術(shù)。

（3）在集裝箱碼頭原有生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)生產(chǎn)控制優(yōu)化系統(tǒng)和堆場任務(wù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)原有系統(tǒng)與自動化堆場系統(tǒng)的集成，形成集卡與軌道吊協(xié)同作業(yè)碼頭操作系統(tǒng)；通過集卡-軌道吊智能識別定位技術(shù)和集卡自動引導(dǎo)技術(shù)，實現(xiàn)軌道吊與集卡智能協(xié)同作業(yè)。

（4）開發(fā)自動化堆場綜合管理系統(tǒng)軟硬件平臺，實現(xiàn)全自動化軌道吊與生產(chǎn)作業(yè)管理系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合；開發(fā)堆場作業(yè)指令智能優(yōu)選技術(shù)和堆場中控技術(shù)等，實現(xiàn)軌道吊異步吊箱和遠(yuǎn)程操控作業(yè)；應(yīng)用集卡防吊起技術(shù)、目標(biāo)定位技術(shù)、防撞技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程喊話技術(shù)等，保障自動化堆場的安全運行和管理。

2.2 設(shè)計框架

五洲國際碼頭自動化堆場綜合管理系統(tǒng)主要由生產(chǎn)指揮中心、中央控制室、自動軌道吊等組成，其通過數(shù)據(jù)接口與碼頭原有的COSMOS操作管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。集裝箱碼頭自動化堆場綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.3 設(shè)計內(nèi)容

2.3.1 智能集卡跟蹤系統(tǒng)

智能集卡跟蹤系統(tǒng)集成用于集卡車號識別和定位的有源射頻識別技術(shù)，并結(jié)合電子發(fā)卡器實現(xiàn)外集卡入閘發(fā)卡和出閘收卡的智能物聯(lián)模式。該物聯(lián)模式利用信息提示牌及閘道系統(tǒng)、集卡引導(dǎo)系統(tǒng)，配合紅綠燈等多重保護(hù)裝置完善系統(tǒng)功能，實現(xiàn)集卡準(zhǔn)確定位，是解決堆場與岸線平行布局碼頭自動化模式的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.2 堆場任務(wù)管理系統(tǒng)

堆場任務(wù)管理系統(tǒng)用于堆場資源的管理和分配。首先，該系統(tǒng)根據(jù)客戶信息，在堆場為集港集裝箱預(yù)留箱區(qū)；其次，該系統(tǒng)按照集裝箱的目的港、航線、質(zhì)量、尺寸等，實現(xiàn)集裝箱分類，便于后期集裝箱在預(yù)留箱區(qū)的箱位分配。箱位分配采用啟發(fā)式算法，按照系統(tǒng)默認(rèn)選項或操作人員設(shè)置的選項進(jìn)行，規(guī)則與算法的參數(shù)和模式選擇相關(guān)。如果堆場沒有合適的預(yù)留箱區(qū)，則需要人工為集裝箱安排箱位。堆場任務(wù)管理系統(tǒng)不僅實現(xiàn)箱位分配，而且能夠有效獲取箱區(qū)、貝位、箱位等信息，通過可視化界面快速管理和瀏覽集裝箱堆場。

2.3.3 碼頭生產(chǎn)控制優(yōu)化系統(tǒng)

碼頭生產(chǎn)控制優(yōu)化系統(tǒng)通過指令優(yōu)選，對作業(yè)指令進(jìn)行系統(tǒng)排列，并根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行優(yōu)化后逐條發(fā)送給軌道吊，以便軌道吊按照優(yōu)化后的作業(yè)指令進(jìn)行作業(yè)。優(yōu)先級原則為默認(rèn)規(guī)則，根據(jù)指令到達(dá)時間并結(jié)合集卡定位進(jìn)行指令作業(yè)。如果優(yōu)先級原則為經(jīng)濟(jì)優(yōu)先規(guī)則，系統(tǒng)按照軌道吊當(dāng)前貝位由近至遠(yuǎn)、先出口方向后進(jìn)口方向的原則進(jìn)行指令排序，軌道吊按此順序作業(yè)；如果優(yōu)先級原則為航運優(yōu)先規(guī)則，系統(tǒng)按照軌道吊指令先航運后陸運的原則進(jìn)行指令排序，軌道吊按此順序作業(yè)；如果優(yōu)先級原則為陸運優(yōu)先規(guī)則，系統(tǒng)按照軌道吊指令先陸運后航運的原則進(jìn)行指令排序，軌道吊按此順序作業(yè)；如果優(yōu)先級原則為倒箱優(yōu)先規(guī)則，系統(tǒng)按照軌道吊指令先倒箱后航運和陸運的原則進(jìn)行指令排序，軌道吊按此順序作業(yè)。

2.3.4 設(shè)備遠(yuǎn)程中央監(jiān)控系統(tǒng)

設(shè)備遠(yuǎn)程中央監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示起重機(jī)的所有信息，模擬仿真起重機(jī)，監(jiān)控設(shè)備異常信息，并具有提供設(shè)備故障幫助信息以及故障追蹤診斷的功能。設(shè)備維護(hù)畫面通常用來監(jiān)控起重機(jī)各個工作組的狀態(tài)，包括發(fā)動機(jī)運行時間、制動器和計數(shù)器工作狀態(tài)等。性能報表便于客戶獲悉起重機(jī)運行和生產(chǎn)狀況，包括任意時間內(nèi)集裝箱作業(yè)量查詢、起重機(jī)各大機(jī)構(gòu)工作時間及故障發(fā)生次數(shù)等。設(shè)備遠(yuǎn)程中央監(jiān)控系統(tǒng)提供的故障報表具有故障過濾、故障幫助、保存打印等功能，例如，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以通過發(fā)送短信和郵件的方式通知用戶。設(shè)備遠(yuǎn)程中央監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2.3.5 中央控制室

中央控制室由多個遠(yuǎn)程操作臺組成，操作員通過多個遠(yuǎn)程操作臺監(jiān)控更多個自動軌道吊。遠(yuǎn)程操作臺包括1臺主機(jī)、3臺顯示器、1個輸入/輸出模塊、按鈕手柄和1套通信設(shè)備。在地面集卡裝卸位的側(cè)面安裝雙向廣播設(shè)備，該設(shè)備與遠(yuǎn)程操作臺上的通信設(shè)備進(jìn)行廣播通信。當(dāng)監(jiān)控中心監(jiān)控人員需要提醒自動軌道吊下的集卡司機(jī)或指揮集卡司機(jī)時，可以使用監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程操作臺，通過設(shè)在自動軌道吊大車位置的擴(kuò)音喇叭進(jìn)行喊話。監(jiān)控人員可以根據(jù)遠(yuǎn)程操作臺顯示的信息遠(yuǎn)程監(jiān)控整個自動化堆場，也可以輔助某臺自動軌道吊完成較精細(xì)的動作（如抓箱等）或處理應(yīng)急事件。

2.3.6 自動軌道吊

自動軌道吊設(shè)計涉及軌道吊可編程邏輯控制器和自動化控制器。軌道吊可編程邏輯控制器主要實現(xiàn)自動軌道吊與遠(yuǎn)程操作臺的信號切換和對接以及軌道吊機(jī)構(gòu)的半自動運行等功能。自動化控制器主要實現(xiàn)自動控制數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集：一方面，其直接與軌道吊上原有可編程邏輯控制器通信模塊進(jìn)行實時交互，實現(xiàn)對軌道吊各機(jī)構(gòu)運行的半自動化控制；另一方面，其與遠(yuǎn)程中央控制室系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信。中央控制室系統(tǒng)服務(wù)器為中央控制室數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)與COSMOS碼頭操作系統(tǒng)通信以及遠(yuǎn)程操作臺動態(tài)分配。

3 結(jié)束語

五洲國際碼頭通過實施自動化堆場綜合管理系統(tǒng)，在保證整體作業(yè)效率的前提下，實現(xiàn)堆場全自動化作業(yè)和管理，提高堆場作業(yè)智能化水平，實現(xiàn)全天候作業(yè)，大幅降低碼頭生產(chǎn)作業(yè)成本。自動化堆場綜合管理系統(tǒng)的成功應(yīng)用推進(jìn)五洲國際碼頭整體堆場的全自動化改造，進(jìn)而使該碼頭率先建成天津港首個全自動化、智能化集裝箱碼頭堆場。

集裝箱碼頭自動化堆場綜合管理系統(tǒng)是形成智能化堆場軌道吊自動操控的關(guān)鍵技術(shù)，為港口建設(shè)全自動化集裝箱碼頭提供強有力的技術(shù)支撐，是集裝箱碼頭實施堆場自動化改造的成功探索，有助于提高集裝箱碼頭整體效率，推動“智慧港口”的建設(shè)和發(fā)展。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2014-03-25）