集裝箱碼頭自動(dòng)感知生產(chǎn)監(jiān)控中心功能及結(jié)構(gòu)

王臺(tái)華　焉政法　柯璐琦　卓宏治　劉桂云

摘 要：建立集裝箱碼頭自動(dòng)感知系統(tǒng)，對(duì)于提高港口生產(chǎn)能力和綜合競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。論文根據(jù)集裝箱碼頭的生產(chǎn)特點(diǎn)，分析了基于物聯(lián)網(wǎng)等自動(dòng)感知技術(shù)的集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)集裝箱碼頭自動(dòng)感知系統(tǒng)的生產(chǎn)監(jiān)控中心功能、結(jié)構(gòu)和信息處理流程等進(jìn)行了重點(diǎn)研究。研究目的旨在提高集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控能力，提升碼頭工作效率和安全性。

關(guān)鍵詞：集裝箱碼頭；自動(dòng)感知；生產(chǎn)監(jiān)控中心

近些年，國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸中的集裝箱運(yùn)輸發(fā)展迅速，我國(guó)港口集裝箱吞吐量是逐年上升。同時(shí)，集裝箱船舶的大型化、高速化、專業(yè)化發(fā)展以及港口碼頭操作箱量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)集裝箱碼頭生產(chǎn)管理提出了更高的要求。我國(guó)已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)集裝箱碼頭運(yùn)作和管理做了大量的研究，包括高華（2009）、魏夢(mèng)月（2009）在碼頭信息系統(tǒng)方面進(jìn)行了分析；錢(qián)永興（2005）、廖志剛（2013）研究了碼頭集卡調(diào)度系統(tǒng)、徐穎（2013），梁宏暉（2013），桑海泉（2008）、陳加敏（2008）等研究了碼頭監(jiān)控系統(tǒng)方面。而現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)在集裝箱碼頭的設(shè)施設(shè)備建設(shè)和生產(chǎn)管理中得到了大量的應(yīng)用。以物聯(lián)網(wǎng)為代表的自動(dòng)感知技術(shù)能夠大大提高信息的自動(dòng)采集能力，減少了人員的重復(fù)操作，減少產(chǎn)生錯(cuò)誤記錄，一些學(xué)者，諸如包雄關(guān)（2013），蔡志剛（2007），Mullen， D.（2005），Twist， D.C.（2005），Nath， B.（2006）等對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）技術(shù)在港口運(yùn)作管理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文基于物聯(lián)網(wǎng)等自動(dòng)感知技術(shù)，對(duì)集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控中心模塊和流程做深入系統(tǒng)的研究。

一、集裝箱碼頭的組成和生產(chǎn)特點(diǎn)

基于集裝箱碼頭業(yè)務(wù)管理、裝卸作業(yè)等基本需要，集裝箱碼頭的主要組成部分有碼頭辦公樓、維修車間、控制塔、靠泊設(shè)施、碼頭前沿、集裝箱編排（組）場(chǎng)、集裝箱堆場(chǎng) 集裝箱碼頭出入大門(mén)、集裝箱貨運(yùn)站等。從集裝箱通過(guò)集裝箱碼頭貨運(yùn)站閘門(mén)、進(jìn)入堆場(chǎng)堆存到裝船出港構(gòu)成了一個(gè)完整的集裝箱生產(chǎn)流程系統(tǒng)，其中無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)效率低下的問(wèn)題，都將會(huì)對(duì)整個(gè)集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)流程的效率造成影響，從而造成資源浪費(fèi)和碼頭經(jīng)營(yíng)成本的提高。因此，統(tǒng)籌整體，各項(xiàng)作業(yè)協(xié)同運(yùn)作緊密配合對(duì)集裝箱碼頭具有重要意義。所以對(duì)于運(yùn)輸系統(tǒng)的任何一個(gè)子系統(tǒng)都需要協(xié)調(diào)一致，碼頭上的各項(xiàng)設(shè)施必須合理布局、形成整體效應(yīng)，保持上下環(huán)節(jié)順暢、高效、銜接無(wú)障礙。只有集卡、船舶、集裝箱的高效周轉(zhuǎn)配合一致，才能有效降低作業(yè)成本、提高作業(yè)效率、并最大化經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，集裝箱運(yùn)量不斷增大，傳統(tǒng)件雜貨運(yùn)輸集裝箱化比例不斷提高，集裝箱業(yè)務(wù)發(fā)展迅速。為了適應(yīng)全球水運(yùn)集裝箱化趨勢(shì)，相應(yīng)的政府組織航運(yùn)企業(yè)加大了對(duì)集裝箱船舶和碼頭的擴(kuò)建與更新，導(dǎo)致集裝箱船舶和港口碼頭越造越大，使得集裝箱船舶運(yùn)輸單位成本越來(lái)越低。集裝箱船舶大型化，勢(shì)必會(huì)延長(zhǎng)船舶在港口進(jìn)行裝卸作業(yè)所需要時(shí)間，造成時(shí)間成本上升。在船舶在港總時(shí)間的組成中，船舶作業(yè)時(shí)間占了很大的一個(gè)比重。因此為了減少船舶在港總時(shí)間，提高碼頭裝卸設(shè)備效率是一個(gè)重要的途徑。現(xiàn)在的集裝箱碼頭普遍配備現(xiàn)代高效自動(dòng)化的裝卸機(jī)械設(shè)備，減少人工及低效率設(shè)備的使用，提高現(xiàn)代集裝箱碼頭相關(guān)操作業(yè)務(wù)的自動(dòng)化程度。

現(xiàn)代集裝箱管理業(yè)務(wù)要求信息錄入傳遞的高效性與無(wú)差錯(cuò)性，一方面源于港口當(dāng)局船貨代公司及相關(guān)部門(mén)之間信息聯(lián)系的整體性與協(xié)調(diào)性，采用電子數(shù)據(jù)交換EDI技術(shù)。另一方面在于集裝箱操作碼頭的現(xiàn)場(chǎng)操作各部門(mén)各環(huán)節(jié)采用低差錯(cuò)率的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)錄入儀，同時(shí)對(duì)碼頭工人的技術(shù)熟練度與文化素質(zhì)提出了更高的要求。通過(guò)港口高效先進(jìn)的管理手段，能顯著縮短船舶在港時(shí)間，保證貨物裝卸質(zhì)量提高裝卸效率，節(jié)約作業(yè)成本提高港口效益。

二、集裝箱碼頭自動(dòng)感知生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集裝箱碼頭具有泊位、堆場(chǎng)、岸橋、閘口等設(shè)施場(chǎng)地，環(huán)境布局往往比較復(fù)雜，作業(yè)區(qū)不允許架明線，不適宜鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)運(yùn)車輛和其他大型裝卸起重設(shè)備，其頻繁移動(dòng)性導(dǎo)致只能采用支持移動(dòng)而定自動(dòng)感知系統(tǒng)。因此，利用自動(dòng)感知設(shè)備，建立起支持具有高移動(dòng)性、強(qiáng)保密性和抗干擾性的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，能夠很好地滿足集裝箱碼頭作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)的需要。系統(tǒng)所應(yīng)用的自動(dòng)感知終端主要包括RFID標(biāo)簽、RFID讀取器以及無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)。本系統(tǒng)采用的是半有源標(biāo)簽，半有源標(biāo)簽適用于自動(dòng)化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)，其抗干擾能力強(qiáng)，可適應(yīng)惡劣工作環(huán)境，不怕灰塵油漬污染，可替代條碼。在無(wú)人工操作，無(wú)接觸、瞄準(zhǔn)的情況下就能進(jìn)行控制和識(shí)別工作。半有源標(biāo)簽和對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)器分別安裝在碼頭對(duì)應(yīng)設(shè)備上， 比如標(biāo)簽裝在集裝箱的門(mén)楣處，讀寫(xiě)器安裝在岸吊岸橋岸向一側(cè)的吊臂上。場(chǎng)內(nèi)集卡是輔助集裝箱水平移動(dòng)的主要設(shè)備，該系統(tǒng)在每一輛注冊(cè)過(guò)的集卡托運(yùn)車輛上安裝一個(gè)電子標(biāo)簽，一般是在托運(yùn)車輛的前擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)或者是在場(chǎng)內(nèi)集卡的平板處上進(jìn)行安裝電子標(biāo)簽。操作人員可以通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置來(lái)選擇標(biāo)簽的工作模式，分為只讀模式和讀寫(xiě)工作模式。在每個(gè)集裝箱的指定位置上安裝1到2個(gè)電子標(biāo)簽，這些電子標(biāo)簽已經(jīng)事先存入了裝卸港、船舶、集裝箱及箱內(nèi)貨物等信息，本車以及所裝載集裝箱的信息，均可通過(guò)設(shè)在集卡駕駛室的顯示終端顯示。通常由安裝在堆場(chǎng)吊機(jī)龍門(mén)吊臂上的RFID監(jiān)控裝置來(lái)收集每個(gè)集裝箱在堆場(chǎng)上的具體位置信息。當(dāng)裝有電子標(biāo)簽的集裝箱在通過(guò)集裝箱貨運(yùn)站的入口時(shí)，安裝在閘口的讀取設(shè)備會(huì)自動(dòng)讀取這些電子標(biāo)簽，以此獲取司機(jī)、車牌信息，電子箱號(hào)標(biāo)簽和電子關(guān)鎖數(shù)據(jù)；安裝在路下的地磅秤會(huì)測(cè)量出集卡的載重噸數(shù)信息；通過(guò)視頻監(jiān)控技術(shù)和來(lái)獲得集裝箱的圖像信息。

三、集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控中心的組成

集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控中心具備在港域水路運(yùn)輸、港口泊位作業(yè)、堆場(chǎng)堆存作業(yè)、內(nèi)陸集疏運(yùn)功能、貨物相關(guān)服務(wù)、口岸監(jiān)管服務(wù)等信息的處理功能，為生產(chǎn)監(jiān)控和決策提供支持。達(dá)到碼頭生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)集裝箱在碼頭的全過(guò)程監(jiān)控和及時(shí)修正碼頭調(diào)度管理中所發(fā)生錯(cuò)誤命令，提高碼頭工作效率是構(gòu)建基于自動(dòng)感知技術(shù)的集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的。endprint

集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)感知集裝箱在碼頭的位置及所處的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)集裝箱在裝卸、運(yùn)輸以及堆存時(shí)的出現(xiàn)異常狀態(tài)，并作出修正，有效保障集裝箱的安全。與此同時(shí)，有效的集裝箱碼頭監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決集裝箱碼頭在生產(chǎn)過(guò)程中的出現(xiàn)的設(shè)備故障、流程冗余以及管理低效等問(wèn)題，改進(jìn)多余環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)效率，以便進(jìn)一步提高碼頭的經(jīng)濟(jì)效益。完善的集裝箱碼頭監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)跟蹤整個(gè)碼頭的生產(chǎn)工作過(guò)程，在很大程度上能降低碼頭調(diào)度工作、管理工作對(duì)工作人員產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)。并且通過(guò)集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效地提高客戶服務(wù)水平，增強(qiáng)對(duì)客戶的吸引力。

集裝箱碼頭監(jiān)控的主要內(nèi)容包括堆場(chǎng)監(jiān)控、裝卸船監(jiān)控及其他港區(qū)操作監(jiān)控。

監(jiān)控中心系統(tǒng)主要由物聯(lián)網(wǎng)等信息感知終端、信息傳輸技術(shù)、各生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)、信息監(jiān)控處理中心組成。信息感知終端由各種各樣的傳感器及其傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)物體識(shí)別和信息采集并通過(guò)一定的信息傳輸技術(shù)（例如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)等）傳到各個(gè)生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)。生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)對(duì)集裝箱碼頭各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所傳送的信息進(jìn)行分布式處理。信息監(jiān)控處理中心通過(guò)收集各個(gè)生產(chǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)所得出的信息進(jìn)行綜合處理做出各種調(diào)度安排，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱碼頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控和集裝箱的全過(guò)程控制。在這里采用分布式的處理模式來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)，是因?yàn)楦劭诘纳a(chǎn)信息過(guò)于復(fù)雜。各種不同的信息在各個(gè)子信息庫(kù)進(jìn)分類處理之后再統(tǒng)一傳送到信息監(jiān)控處理中心，并進(jìn)行信息的綜合分析和整合，最后反饋給管理者。對(duì)信息進(jìn)行分類處理的目的是統(tǒng)計(jì)和整理數(shù)據(jù)，進(jìn)行整合處理的目的是對(duì)比數(shù)據(jù)，然后挖掘分析數(shù)據(jù)，為管理和決策提供支持。

四、集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控中心信息處理流程

集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控中心處理流程如圖3所示。

集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)的主要內(nèi)容是進(jìn)行對(duì)集裝箱在碼頭前沿所進(jìn)行的裝卸船作業(yè)，集裝箱進(jìn)出堆場(chǎng)和集裝箱在堆場(chǎng)堆存并等待裝卸作業(yè)的過(guò)程。本文所設(shè)計(jì)的作業(yè)流程主要是針對(duì)集裝箱從堆場(chǎng)閘口進(jìn)入堆場(chǎng)到最終裝上船舶的過(guò)程進(jìn)行分析。

集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控中心通過(guò)對(duì)感知終端采集到的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行綜合處理，并進(jìn)行分析。一般系統(tǒng)所需要收集的信息包括堆場(chǎng)閘口的延滯情況、集裝箱及集卡在堆場(chǎng)的具體三維位置、橋吊的工作效率以及泊位的占用情況等，如果在生產(chǎn)流程中出現(xiàn)問(wèn)題，監(jiān)控中心系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信息并且及時(shí)修正調(diào)度和運(yùn)行管理。

處理流程按其所發(fā)生的地點(diǎn)具體可分為兩大部分，即堆場(chǎng)監(jiān)控和泊位監(jiān)控。

在堆場(chǎng)監(jiān)控流程中，當(dāng)有在指定位置安裝了包含相關(guān)數(shù)據(jù)信息的FRID電子標(biāo)簽的集卡和集裝箱通過(guò)集裝箱堆場(chǎng)的專用驗(yàn)證閘口時(shí)，監(jiān)控中心系統(tǒng)在閘口上的布置的自動(dòng)感知終端會(huì)自動(dòng)采集集裝箱和集卡的相關(guān)信息，然后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，系統(tǒng)對(duì)信息分析處理，及時(shí)做出這個(gè)集裝箱的堆場(chǎng)安排計(jì)劃。并且，系統(tǒng)通過(guò)安裝在室外的顯示屏，顯示引導(dǎo)集卡開(kāi)往指定地點(diǎn)的信息。堆場(chǎng)查驗(yàn)人員確認(rèn)信息無(wú)誤后放行，同時(shí)系統(tǒng)把采集到的集裝箱信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到調(diào)度中心，使該集裝箱進(jìn)入堆場(chǎng)作業(yè)隊(duì)列。等到了計(jì)劃安排好的時(shí)間后，調(diào)度中心指揮裝卸設(shè)備（龍門(mén)吊）進(jìn)行作業(yè)，把集裝箱運(yùn)往碼頭前沿進(jìn)行裝船作業(yè)。如果是具有優(yōu)先級(jí)的集裝箱則直接安排龍門(mén)吊對(duì)其進(jìn)行作業(yè)。

在泊位監(jiān)控上，監(jiān)控系統(tǒng)利用安裝在泊位的視頻監(jiān)控終端，結(jié)合提交的配載安排計(jì)劃表，可清楚地了解到發(fā)生在泊位上的實(shí)時(shí)裝卸情況。主要包含了橋吊的實(shí)時(shí)作業(yè)效率及作業(yè)狀態(tài)下的拖車集卡的往返頻率和時(shí)間。生產(chǎn)監(jiān)控中心通過(guò)這些數(shù)據(jù)可及時(shí)掌握橋吊的和拖車的預(yù)計(jì)完成工作時(shí)間。并且，生產(chǎn)監(jiān)控中心可根據(jù)此信息，及時(shí)地調(diào)整橋吊作業(yè)路線，指派其他空閑集卡到優(yōu)先級(jí)集裝箱區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，合理平衡了各個(gè)作業(yè)泊位區(qū)的裝卸延遲時(shí)間，以最快的效率、完成船舶裝卸任務(wù)，避免各路作業(yè)進(jìn)度的不平衡性所造成的裝卸運(yùn)輸機(jī)械空置等待的情況，提高了裝卸作業(yè)機(jī)械和集卡拖車的使用效率，同時(shí)縮短了船舶的在港總時(shí)間。這一措施能同時(shí)提高碼頭和船方兩方的經(jīng)濟(jì)效益，產(chǎn)生更多的社會(huì)效益。

基于RFID 技運(yùn)術(shù)的集裝箱碼頭生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)集裝箱在港口的全過(guò)程監(jiān)控，加強(qiáng)了港口公司對(duì)集裝箱監(jiān)控的能力，這樣在極大程度上方便了船公司和客戶查詢作業(yè)船舶的動(dòng)態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了集裝箱碼頭管理的自動(dòng)化、信息化，在減少集裝箱碼員工工作量和人為失誤上做出了一定貢獻(xiàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

基于自動(dòng)感知技術(shù)的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用在集裝箱碼頭領(lǐng)域，雖然在實(shí)踐的過(guò)程中還存在著許多障礙，但是它的確能夠提高集裝箱碼頭的生產(chǎn)效益，保障生產(chǎn)安全，為我國(guó)建設(shè)具有國(guó)際一流水平的自動(dòng)化、信息化的智慧港口點(diǎn)明了發(fā)展方向。集裝箱碼頭安裝并應(yīng)用生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)能夠極大地改善傳統(tǒng)集裝箱碼頭在信息管理工作方面所體現(xiàn)出問(wèn)題。并且通過(guò)該系統(tǒng)港口公司能達(dá)到對(duì)集裝箱的自動(dòng)識(shí)別以及集裝箱從進(jìn)港到裝船出港全過(guò)程監(jiān)控的目的，同時(shí)縮短了集裝箱在港口的周轉(zhuǎn)時(shí)間，為集裝箱在港口的安全提供了有效的保障。但是，在具體的系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用中，必須要結(jié)合碼頭的實(shí)際生產(chǎn)情況，因地制宜，選擇合適的自動(dòng)感知終端安裝位置、信息傳輸方式，并設(shè)計(jì)符合碼頭自身監(jiān)控功能和結(jié)構(gòu)。

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