天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)構(gòu)建

趙磊+馬全華

加快發(fā)展天津港集裝箱業(yè)務(wù)，將天津港建設(shè)成北方國(guó)際航運(yùn)中心和物流中心，使其成為面向東北亞、輻射中西亞的集裝箱樞紐港，是落實(shí)天津港定位、加快濱海新區(qū)開發(fā)、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的必然選擇，也是增強(qiáng)天津港綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。推進(jìn)港口信息化建設(shè)，提升港口生產(chǎn)作業(yè)智能化水平是增強(qiáng)港口核心競(jìng)爭(zhēng)力、加快港口現(xiàn)代化步伐的重要舉措。本文結(jié)合天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭的裝卸工藝特點(diǎn)，深入分析其信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭的信息技術(shù)應(yīng)用主要經(jīng)歷3個(gè)發(fā)展階段：第一階段，采用先進(jìn)的信息系統(tǒng)提升碼頭業(yè)務(wù)管理水平；第二階段，逐步以計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（如電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等）取代人工操作；第三階段，通過(guò)應(yīng)用智能化技術(shù)（如無(wú)線數(shù)據(jù)終端技術(shù)等）提高碼頭作業(yè)效率。這些有益嘗試對(duì)提高碼頭作業(yè)效率、保證服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生積極影響，并在很大程度上促進(jìn)港口的現(xiàn)代化進(jìn)程。

未來(lái)，隨著全球集裝箱運(yùn)量逐漸增長(zhǎng)及集裝箱船舶大型化趨勢(shì)日益明顯，集裝箱碼頭發(fā)展面臨以下局面：一方面，集裝箱碼頭面臨通過(guò)能力不足以及提高服務(wù)水平、降低運(yùn)營(yíng)成本、提升環(huán)保等級(jí)的壓力；另一方面，基于先進(jìn)科技發(fā)展成果的集裝箱碼頭自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)、設(shè)備和控制軟件得到重視和發(fā)展，并逐步得到推廣應(yīng)用。鑒于此，天津港致力于運(yùn)用最新的裝備制造技術(shù)和信息技術(shù)建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭。

2 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝特點(diǎn)

在岸邊裝卸和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭采用“跨運(yùn)車+新型岸橋”工藝。在堆場(chǎng)裝卸環(huán)節(jié)，自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（Automated Rail- Mounted Container Gantry Crane，ARMG）工藝最為成熟，但其存在帶箱行走距離長(zhǎng)、能耗高等缺點(diǎn)；因此，在此基礎(chǔ)上吸收軌道工藝的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新引入梭車接力運(yùn)輸系統(tǒng)，由梭車完成堆場(chǎng)集裝箱水平運(yùn)輸，由ARMG完成堆場(chǎng)集裝箱裝卸。梭車工藝適于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，與天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭縱深較長(zhǎng)的特點(diǎn)相適應(yīng)，有利于降低堆場(chǎng)裝卸整體能耗；不過(guò)，該工藝對(duì)碼頭信息系統(tǒng)的控制和處理能力提出更高要求。

3 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)構(gòu)建

從天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭實(shí)際裝卸工藝出發(fā)，遵循分工協(xié)作、互聯(lián)互通的原則，構(gòu)建數(shù)據(jù)暢通、功能優(yōu)化、分工明確、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信息管理系統(tǒng)，使其成為碼頭物流和信息流的總調(diào)度。

3.1 明確系統(tǒng)組成

天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)主要由碼頭操作系統(tǒng)（Terminal Operation System，TOS）、設(shè)備控制系統(tǒng)（Equipment Control System，ECS）和數(shù)據(jù)交互接口組成（見圖1）。

圖1 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)

TOS由資源計(jì)劃系統(tǒng)、電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、監(jiān)控及識(shí)別軟件、作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)和設(shè)備控制接口組成，其主要功能是計(jì)劃和指派任務(wù)、管理任務(wù)狀態(tài)以及向ECS發(fā)送指令并接收反饋信息。

ECS包括以下模塊：（1）機(jī)械控制模塊，控制特定的自動(dòng)化設(shè)備（如梭車、軌道吊和橋吊等），該模塊是ECS的核心組件；（2）支持性服務(wù)模塊，負(fù)責(zé)與TOS的數(shù)據(jù)交互；（3）診斷模塊，負(fù)責(zé)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控、關(guān)鍵指標(biāo)分析和作業(yè)日志管理；（4）圖形化顯示模塊，提供圖形化用戶窗口和遠(yuǎn)程操作臺(tái)控制功能。ECS的主要功能包括接收作業(yè)信息、驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行指令、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、向TOS反饋?zhàn)鳂I(yè)信息及設(shè)備狀態(tài)等。

TOS與ECS之間通過(guò)數(shù)據(jù)交互接口實(shí)現(xiàn)任務(wù)指令傳輸和處理。為使數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)更加高效、靈活，設(shè)計(jì)管理總線架構(gòu)（見圖2），由管理總線連接指令模塊與控制模塊，并通過(guò)發(fā)布和訂閱機(jī)制完成高密度數(shù)據(jù)交換。采用管理總線架構(gòu)后，用戶可以根據(jù)需求定制所需要的模塊，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的自由組合和靈活添加，以適應(yīng)未來(lái)碼頭的發(fā)展要求。

圖2 管理總線架構(gòu)

3.2 優(yōu)化系統(tǒng)功能

3.2.1 派位算法優(yōu)化

派位算法按進(jìn)口箱、出口箱、中轉(zhuǎn)箱、存儲(chǔ)箱和其他類型箱進(jìn)行分類。算法分組模式包括混港模式、混航線模式、混船模式、雙箱模式、進(jìn)出口箱混放模式、任意箱型混放模式、不混港模式、不混航線模式、不混船模式、進(jìn)出口箱不混放模式等。堆碼模式包括垂直方向（按列）、水平方向（平鋪）、區(qū)分卸貨港、區(qū)分船舶、區(qū)分質(zhì)量等級(jí)、區(qū)分航線、區(qū)分進(jìn)出口箱、區(qū)分重箱和輕箱的前后順序、區(qū)分危險(xiǎn)貨物等級(jí)、區(qū)分空箱和重箱、區(qū)分特殊要求等。

自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)指令分配以減少堆場(chǎng)操作、提高空間利用率為目標(biāo)，只有綜合考慮作業(yè)時(shí)間、作業(yè)距離、工作量平衡等因素，依靠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程和作業(yè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配，才能提升指令分配和設(shè)備調(diào)配的可控性和有序性。

3.2.2 派工算法優(yōu)化

在集裝箱移動(dòng)過(guò)程中，跨運(yùn)車指令、梭車指令和場(chǎng)橋指令組成一個(gè)完整的循環(huán)，每個(gè)環(huán)節(jié)緊緊相扣、相互控制。派工算法根據(jù)全局代價(jià)、指令優(yōu)先級(jí)、指令超時(shí)等多種因素，合理地生成和排列跨運(yùn)車、梭車、場(chǎng)橋的作業(yè)指令，平衡作業(yè)量，使作業(yè)指令在作業(yè)環(huán)節(jié)等待的時(shí)間最短（如堆場(chǎng)作業(yè)等待時(shí)間最短、海側(cè)交換區(qū)等待時(shí)間最短等）。

3.2.3 異常情況下干預(yù)手段創(chuàng)新

若自動(dòng)化集裝箱碼頭在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生機(jī)械故障、特殊作業(yè)等異常情況，則由人工進(jìn)行干預(yù)處理。為更有針對(duì)性地完成人工操作，ECS中的診斷模塊除負(fù)責(zé)監(jiān)控和分析自動(dòng)化設(shè)備的工作狀態(tài)外，還會(huì)在診斷出問(wèn)題時(shí)給出提示或報(bào)警，以便人工干預(yù)和處理。

3.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)

自動(dòng)化集裝箱碼頭TOS具有與ECS通信的數(shù)據(jù)交互接口。數(shù)據(jù)交互接口由TOS鏈接口、消息隊(duì)列和ECS鏈接口等組成。當(dāng)TOS生成任務(wù)（如指令分配、箱信息、設(shè)備信息）后，通過(guò)TOS鏈接口的Web Service接口將任務(wù)添加到請(qǐng)求消息隊(duì)列中；ECS鏈接口接收到任務(wù)指令后完成設(shè)備控制操作，并將處理結(jié)果發(fā)送到結(jié)果消息隊(duì)列中；TOS調(diào)用Web Service接口獲得返回的結(jié)果信息。

TOS與ECS的數(shù)據(jù)交換采用消息機(jī)制，通過(guò)消息隊(duì)列和Web Service接口實(shí)現(xiàn)以下信息交互：（1）任務(wù)指派，即單條或批量任務(wù)的生成、更新和取消；（2）設(shè)備狀態(tài)交互，涉及設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)和實(shí)際位置反饋以及與設(shè)備操作狀態(tài)相關(guān)的信息反饋；（3）堆垛狀態(tài)交互，涉及區(qū)域（冷藏區(qū)、海側(cè)交換區(qū)、陸側(cè)交換區(qū)）狀態(tài)信息以及設(shè)備或人員到達(dá)信息；（4）堆場(chǎng)地圖更新，初始化時(shí)，ECS從TOS獲取堆場(chǎng)集裝箱位置更新信息，任務(wù)進(jìn)行時(shí)，ECS根據(jù)任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新堆場(chǎng)地圖，TOS根據(jù)ECS返回的任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新堆場(chǎng)地圖。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

加快發(fā)展天津港集裝箱業(yè)務(wù)，將天津港建設(shè)成北方國(guó)際航運(yùn)中心和物流中心，使其成為面向東北亞、輻射中西亞的集裝箱樞紐港，是落實(shí)天津港定位、加快濱海新區(qū)開發(fā)、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的必然選擇，也是增強(qiáng)天津港綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。推進(jìn)港口信息化建設(shè)，提升港口生產(chǎn)作業(yè)智能化水平是增強(qiáng)港口核心競(jìng)爭(zhēng)力、加快港口現(xiàn)代化步伐的重要舉措。本文結(jié)合天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭的裝卸工藝特點(diǎn)，深入分析其信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭的信息技術(shù)應(yīng)用主要經(jīng)歷3個(gè)發(fā)展階段：第一階段，采用先進(jìn)的信息系統(tǒng)提升碼頭業(yè)務(wù)管理水平；第二階段，逐步以計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（如電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等）取代人工操作；第三階段，通過(guò)應(yīng)用智能化技術(shù)（如無(wú)線數(shù)據(jù)終端技術(shù)等）提高碼頭作業(yè)效率。這些有益嘗試對(duì)提高碼頭作業(yè)效率、保證服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生積極影響，并在很大程度上促進(jìn)港口的現(xiàn)代化進(jìn)程。

未來(lái)，隨著全球集裝箱運(yùn)量逐漸增長(zhǎng)及集裝箱船舶大型化趨勢(shì)日益明顯，集裝箱碼頭發(fā)展面臨以下局面：一方面，集裝箱碼頭面臨通過(guò)能力不足以及提高服務(wù)水平、降低運(yùn)營(yíng)成本、提升環(huán)保等級(jí)的壓力；另一方面，基于先進(jìn)科技發(fā)展成果的集裝箱碼頭自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)、設(shè)備和控制軟件得到重視和發(fā)展，并逐步得到推廣應(yīng)用。鑒于此，天津港致力于運(yùn)用最新的裝備制造技術(shù)和信息技術(shù)建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭。

2 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝特點(diǎn)

在岸邊裝卸和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭采用“跨運(yùn)車+新型岸橋”工藝。在堆場(chǎng)裝卸環(huán)節(jié)，自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（Automated Rail- Mounted Container Gantry Crane，ARMG）工藝最為成熟，但其存在帶箱行走距離長(zhǎng)、能耗高等缺點(diǎn)；因此，在此基礎(chǔ)上吸收軌道工藝的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新引入梭車接力運(yùn)輸系統(tǒng)，由梭車完成堆場(chǎng)集裝箱水平運(yùn)輸，由ARMG完成堆場(chǎng)集裝箱裝卸。梭車工藝適于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，與天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭縱深較長(zhǎng)的特點(diǎn)相適應(yīng)，有利于降低堆場(chǎng)裝卸整體能耗；不過(guò)，該工藝對(duì)碼頭信息系統(tǒng)的控制和處理能力提出更高要求。

3 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)構(gòu)建

從天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭實(shí)際裝卸工藝出發(fā)，遵循分工協(xié)作、互聯(lián)互通的原則，構(gòu)建數(shù)據(jù)暢通、功能優(yōu)化、分工明確、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信息管理系統(tǒng)，使其成為碼頭物流和信息流的總調(diào)度。

3.1 明確系統(tǒng)組成

天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)主要由碼頭操作系統(tǒng)（Terminal Operation System，TOS）、設(shè)備控制系統(tǒng)（Equipment Control System，ECS）和數(shù)據(jù)交互接口組成（見圖1）。

圖1 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)

TOS由資源計(jì)劃系統(tǒng)、電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、監(jiān)控及識(shí)別軟件、作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)和設(shè)備控制接口組成，其主要功能是計(jì)劃和指派任務(wù)、管理任務(wù)狀態(tài)以及向ECS發(fā)送指令并接收反饋信息。

ECS包括以下模塊：（1）機(jī)械控制模塊，控制特定的自動(dòng)化設(shè)備（如梭車、軌道吊和橋吊等），該模塊是ECS的核心組件；（2）支持性服務(wù)模塊，負(fù)責(zé)與TOS的數(shù)據(jù)交互；（3）診斷模塊，負(fù)責(zé)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控、關(guān)鍵指標(biāo)分析和作業(yè)日志管理；（4）圖形化顯示模塊，提供圖形化用戶窗口和遠(yuǎn)程操作臺(tái)控制功能。ECS的主要功能包括接收作業(yè)信息、驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行指令、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、向TOS反饋?zhàn)鳂I(yè)信息及設(shè)備狀態(tài)等。

TOS與ECS之間通過(guò)數(shù)據(jù)交互接口實(shí)現(xiàn)任務(wù)指令傳輸和處理。為使數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)更加高效、靈活，設(shè)計(jì)管理總線架構(gòu)（見圖2），由管理總線連接指令模塊與控制模塊，并通過(guò)發(fā)布和訂閱機(jī)制完成高密度數(shù)據(jù)交換。采用管理總線架構(gòu)后，用戶可以根據(jù)需求定制所需要的模塊，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的自由組合和靈活添加，以適應(yīng)未來(lái)碼頭的發(fā)展要求。

圖2 管理總線架構(gòu)

3.2 優(yōu)化系統(tǒng)功能

3.2.1 派位算法優(yōu)化

派位算法按進(jìn)口箱、出口箱、中轉(zhuǎn)箱、存儲(chǔ)箱和其他類型箱進(jìn)行分類。算法分組模式包括混港模式、混航線模式、混船模式、雙箱模式、進(jìn)出口箱混放模式、任意箱型混放模式、不混港模式、不混航線模式、不混船模式、進(jìn)出口箱不混放模式等。堆碼模式包括垂直方向（按列）、水平方向（平鋪）、區(qū)分卸貨港、區(qū)分船舶、區(qū)分質(zhì)量等級(jí)、區(qū)分航線、區(qū)分進(jìn)出口箱、區(qū)分重箱和輕箱的前后順序、區(qū)分危險(xiǎn)貨物等級(jí)、區(qū)分空箱和重箱、區(qū)分特殊要求等。

自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)指令分配以減少堆場(chǎng)操作、提高空間利用率為目標(biāo)，只有綜合考慮作業(yè)時(shí)間、作業(yè)距離、工作量平衡等因素，依靠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程和作業(yè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配，才能提升指令分配和設(shè)備調(diào)配的可控性和有序性。

3.2.2 派工算法優(yōu)化

在集裝箱移動(dòng)過(guò)程中，跨運(yùn)車指令、梭車指令和場(chǎng)橋指令組成一個(gè)完整的循環(huán)，每個(gè)環(huán)節(jié)緊緊相扣、相互控制。派工算法根據(jù)全局代價(jià)、指令優(yōu)先級(jí)、指令超時(shí)等多種因素，合理地生成和排列跨運(yùn)車、梭車、場(chǎng)橋的作業(yè)指令，平衡作業(yè)量，使作業(yè)指令在作業(yè)環(huán)節(jié)等待的時(shí)間最短（如堆場(chǎng)作業(yè)等待時(shí)間最短、海側(cè)交換區(qū)等待時(shí)間最短等）。

3.2.3 異常情況下干預(yù)手段創(chuàng)新

若自動(dòng)化集裝箱碼頭在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生機(jī)械故障、特殊作業(yè)等異常情況，則由人工進(jìn)行干預(yù)處理。為更有針對(duì)性地完成人工操作，ECS中的診斷模塊除負(fù)責(zé)監(jiān)控和分析自動(dòng)化設(shè)備的工作狀態(tài)外，還會(huì)在診斷出問(wèn)題時(shí)給出提示或報(bào)警，以便人工干預(yù)和處理。

3.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)

自動(dòng)化集裝箱碼頭TOS具有與ECS通信的數(shù)據(jù)交互接口。數(shù)據(jù)交互接口由TOS鏈接口、消息隊(duì)列和ECS鏈接口等組成。當(dāng)TOS生成任務(wù)（如指令分配、箱信息、設(shè)備信息）后，通過(guò)TOS鏈接口的Web Service接口將任務(wù)添加到請(qǐng)求消息隊(duì)列中；ECS鏈接口接收到任務(wù)指令后完成設(shè)備控制操作，并將處理結(jié)果發(fā)送到結(jié)果消息隊(duì)列中；TOS調(diào)用Web Service接口獲得返回的結(jié)果信息。

TOS與ECS的數(shù)據(jù)交換采用消息機(jī)制，通過(guò)消息隊(duì)列和Web Service接口實(shí)現(xiàn)以下信息交互：（1）任務(wù)指派，即單條或批量任務(wù)的生成、更新和取消；（2）設(shè)備狀態(tài)交互，涉及設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)和實(shí)際位置反饋以及與設(shè)備操作狀態(tài)相關(guān)的信息反饋；（3）堆垛狀態(tài)交互，涉及區(qū)域（冷藏區(qū)、海側(cè)交換區(qū)、陸側(cè)交換區(qū)）狀態(tài)信息以及設(shè)備或人員到達(dá)信息；（4）堆場(chǎng)地圖更新，初始化時(shí)，ECS從TOS獲取堆場(chǎng)集裝箱位置更新信息，任務(wù)進(jìn)行時(shí)，ECS根據(jù)任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新堆場(chǎng)地圖，TOS根據(jù)ECS返回的任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新堆場(chǎng)地圖。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）

加快發(fā)展天津港集裝箱業(yè)務(wù)，將天津港建設(shè)成北方國(guó)際航運(yùn)中心和物流中心，使其成為面向東北亞、輻射中西亞的集裝箱樞紐港，是落實(shí)天津港定位、加快濱海新區(qū)開發(fā)、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的必然選擇，也是增強(qiáng)天津港綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。推進(jìn)港口信息化建設(shè)，提升港口生產(chǎn)作業(yè)智能化水平是增強(qiáng)港口核心競(jìng)爭(zhēng)力、加快港口現(xiàn)代化步伐的重要舉措。本文結(jié)合天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭的裝卸工藝特點(diǎn)，深入分析其信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭的信息技術(shù)應(yīng)用主要經(jīng)歷3個(gè)發(fā)展階段：第一階段，采用先進(jìn)的信息系統(tǒng)提升碼頭業(yè)務(wù)管理水平；第二階段，逐步以計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（如電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等）取代人工操作；第三階段，通過(guò)應(yīng)用智能化技術(shù)（如無(wú)線數(shù)據(jù)終端技術(shù)等）提高碼頭作業(yè)效率。這些有益嘗試對(duì)提高碼頭作業(yè)效率、保證服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生積極影響，并在很大程度上促進(jìn)港口的現(xiàn)代化進(jìn)程。

未來(lái)，隨著全球集裝箱運(yùn)量逐漸增長(zhǎng)及集裝箱船舶大型化趨勢(shì)日益明顯，集裝箱碼頭發(fā)展面臨以下局面：一方面，集裝箱碼頭面臨通過(guò)能力不足以及提高服務(wù)水平、降低運(yùn)營(yíng)成本、提升環(huán)保等級(jí)的壓力；另一方面，基于先進(jìn)科技發(fā)展成果的集裝箱碼頭自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)、設(shè)備和控制軟件得到重視和發(fā)展，并逐步得到推廣應(yīng)用。鑒于此，天津港致力于運(yùn)用最新的裝備制造技術(shù)和信息技術(shù)建設(shè)自動(dòng)化集裝箱碼頭。

2 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸工藝特點(diǎn)

在岸邊裝卸和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭采用“跨運(yùn)車+新型岸橋”工藝。在堆場(chǎng)裝卸環(huán)節(jié)，自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（Automated Rail- Mounted Container Gantry Crane，ARMG）工藝最為成熟，但其存在帶箱行走距離長(zhǎng)、能耗高等缺點(diǎn)；因此，在此基礎(chǔ)上吸收軌道工藝的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新引入梭車接力運(yùn)輸系統(tǒng)，由梭車完成堆場(chǎng)集裝箱水平運(yùn)輸，由ARMG完成堆場(chǎng)集裝箱裝卸。梭車工藝適于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，與天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭縱深較長(zhǎng)的特點(diǎn)相適應(yīng)，有利于降低堆場(chǎng)裝卸整體能耗；不過(guò)，該工藝對(duì)碼頭信息系統(tǒng)的控制和處理能力提出更高要求。

3 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)構(gòu)建

從天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭實(shí)際裝卸工藝出發(fā)，遵循分工協(xié)作、互聯(lián)互通的原則，構(gòu)建數(shù)據(jù)暢通、功能優(yōu)化、分工明確、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信息管理系統(tǒng)，使其成為碼頭物流和信息流的總調(diào)度。

3.1 明確系統(tǒng)組成

天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)主要由碼頭操作系統(tǒng)（Terminal Operation System，TOS）、設(shè)備控制系統(tǒng)（Equipment Control System，ECS）和數(shù)據(jù)交互接口組成（見圖1）。

圖1 天津港自動(dòng)化集裝箱碼頭信息管理系統(tǒng)

TOS由資源計(jì)劃系統(tǒng)、電子數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、監(jiān)控及識(shí)別軟件、作業(yè)計(jì)劃系統(tǒng)和設(shè)備控制接口組成，其主要功能是計(jì)劃和指派任務(wù)、管理任務(wù)狀態(tài)以及向ECS發(fā)送指令并接收反饋信息。

ECS包括以下模塊：（1）機(jī)械控制模塊，控制特定的自動(dòng)化設(shè)備（如梭車、軌道吊和橋吊等），該模塊是ECS的核心組件；（2）支持性服務(wù)模塊，負(fù)責(zé)與TOS的數(shù)據(jù)交互；（3）診斷模塊，負(fù)責(zé)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控、關(guān)鍵指標(biāo)分析和作業(yè)日志管理；（4）圖形化顯示模塊，提供圖形化用戶窗口和遠(yuǎn)程操作臺(tái)控制功能。ECS的主要功能包括接收作業(yè)信息、驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行指令、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、向TOS反饋?zhàn)鳂I(yè)信息及設(shè)備狀態(tài)等。

TOS與ECS之間通過(guò)數(shù)據(jù)交互接口實(shí)現(xiàn)任務(wù)指令傳輸和處理。為使數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)更加高效、靈活，設(shè)計(jì)管理總線架構(gòu)（見圖2），由管理總線連接指令模塊與控制模塊，并通過(guò)發(fā)布和訂閱機(jī)制完成高密度數(shù)據(jù)交換。采用管理總線架構(gòu)后，用戶可以根據(jù)需求定制所需要的模塊，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的自由組合和靈活添加，以適應(yīng)未來(lái)碼頭的發(fā)展要求。

圖2 管理總線架構(gòu)

3.2 優(yōu)化系統(tǒng)功能

3.2.1 派位算法優(yōu)化

派位算法按進(jìn)口箱、出口箱、中轉(zhuǎn)箱、存儲(chǔ)箱和其他類型箱進(jìn)行分類。算法分組模式包括混港模式、混航線模式、混船模式、雙箱模式、進(jìn)出口箱混放模式、任意箱型混放模式、不混港模式、不混航線模式、不混船模式、進(jìn)出口箱不混放模式等。堆碼模式包括垂直方向（按列）、水平方向（平鋪）、區(qū)分卸貨港、區(qū)分船舶、區(qū)分質(zhì)量等級(jí)、區(qū)分航線、區(qū)分進(jìn)出口箱、區(qū)分重箱和輕箱的前后順序、區(qū)分危險(xiǎn)貨物等級(jí)、區(qū)分空箱和重箱、區(qū)分特殊要求等。

自動(dòng)化集裝箱碼頭作業(yè)指令分配以減少堆場(chǎng)操作、提高空間利用率為目標(biāo)，只有綜合考慮作業(yè)時(shí)間、作業(yè)距離、工作量平衡等因素，依靠標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程和作業(yè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配，才能提升指令分配和設(shè)備調(diào)配的可控性和有序性。

3.2.2 派工算法優(yōu)化

在集裝箱移動(dòng)過(guò)程中，跨運(yùn)車指令、梭車指令和場(chǎng)橋指令組成一個(gè)完整的循環(huán)，每個(gè)環(huán)節(jié)緊緊相扣、相互控制。派工算法根據(jù)全局代價(jià)、指令優(yōu)先級(jí)、指令超時(shí)等多種因素，合理地生成和排列跨運(yùn)車、梭車、場(chǎng)橋的作業(yè)指令，平衡作業(yè)量，使作業(yè)指令在作業(yè)環(huán)節(jié)等待的時(shí)間最短（如堆場(chǎng)作業(yè)等待時(shí)間最短、海側(cè)交換區(qū)等待時(shí)間最短等）。

3.2.3 異常情況下干預(yù)手段創(chuàng)新

若自動(dòng)化集裝箱碼頭在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生機(jī)械故障、特殊作業(yè)等異常情況，則由人工進(jìn)行干預(yù)處理。為更有針對(duì)性地完成人工操作，ECS中的診斷模塊除負(fù)責(zé)監(jiān)控和分析自動(dòng)化設(shè)備的工作狀態(tài)外，還會(huì)在診斷出問(wèn)題時(shí)給出提示或報(bào)警，以便人工干預(yù)和處理。

3.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)

自動(dòng)化集裝箱碼頭TOS具有與ECS通信的數(shù)據(jù)交互接口。數(shù)據(jù)交互接口由TOS鏈接口、消息隊(duì)列和ECS鏈接口等組成。當(dāng)TOS生成任務(wù)（如指令分配、箱信息、設(shè)備信息）后，通過(guò)TOS鏈接口的Web Service接口將任務(wù)添加到請(qǐng)求消息隊(duì)列中；ECS鏈接口接收到任務(wù)指令后完成設(shè)備控制操作，并將處理結(jié)果發(fā)送到結(jié)果消息隊(duì)列中；TOS調(diào)用Web Service接口獲得返回的結(jié)果信息。

TOS與ECS的數(shù)據(jù)交換采用消息機(jī)制，通過(guò)消息隊(duì)列和Web Service接口實(shí)現(xiàn)以下信息交互：（1）任務(wù)指派，即單條或批量任務(wù)的生成、更新和取消；（2）設(shè)備狀態(tài)交互，涉及設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)和實(shí)際位置反饋以及與設(shè)備操作狀態(tài)相關(guān)的信息反饋；（3）堆垛狀態(tài)交互，涉及區(qū)域（冷藏區(qū)、海側(cè)交換區(qū)、陸側(cè)交換區(qū)）狀態(tài)信息以及設(shè)備或人員到達(dá)信息；（4）堆場(chǎng)地圖更新，初始化時(shí)，ECS從TOS獲取堆場(chǎng)集裝箱位置更新信息，任務(wù)進(jìn)行時(shí)，ECS根據(jù)任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新堆場(chǎng)地圖，TOS根據(jù)ECS返回的任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新堆場(chǎng)地圖。

（編輯：謝塵 收稿日期：2014-11-26）