全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)淺析

紀(jì)輝

（山東朝輝自動(dòng)化科技有限責(zé)任公司，山東 青島 266000）

近年來(lái)，隨著物流業(yè)的發(fā)展，港口碼頭堆場(chǎng)的工作范圍和規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，傳統(tǒng)的人工作業(yè)效率成果已經(jīng)難以滿(mǎn)足實(shí)際需要，與此同時(shí)，由于堆場(chǎng)的作業(yè)線(xiàn)生產(chǎn)模式的限制，單個(gè)設(shè)備的問(wèn)題極有可能造成整體性的影響。為規(guī)避上述局限問(wèn)題，采用全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行港口堆場(chǎng)的高效調(diào)度和生產(chǎn)操作則成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容，應(yīng)對(duì)此予以重點(diǎn)探究。

1 全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的主要目標(biāo)及需求分析

1.1 基本業(yè)務(wù)需求

從目前的實(shí)際情況來(lái)看，港口碼頭堆場(chǎng)的管理工作主要分為以下幾方面的內(nèi)容：（1）貨物位置的準(zhǔn)確性，其主要指各類(lèi)貨物的堆放和運(yùn)輸均需要有明確的位置，確保堆場(chǎng)管理人員和貨主能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)貨物的定位，以及對(duì)貨物屬性信息（如數(shù)量、種類(lèi)等）的快速識(shí)別；（2）堆場(chǎng)利用的規(guī)劃性，其主要指堆場(chǎng)空間布局的合理規(guī)劃，根據(jù)堆場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)各類(lèi)貨物所處的位置予以合理的統(tǒng)籌安排，避免出現(xiàn)局部擁堵或空置等情況；（3）堆場(chǎng)管理的高效性，其主要指數(shù)據(jù)信息能夠在各個(gè)模塊中快速生成，減少人工參與環(huán)節(jié)，提升管理效率；（4）堆場(chǎng)管理的實(shí)效性，其在實(shí)際管理工作中，各類(lèi)數(shù)據(jù)信息應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)顯示，并支持查看歷史數(shù)據(jù)，確保實(shí)現(xiàn)更為科學(xué)的管理，并提升管理工作的安全系數(shù)；（5）堆場(chǎng)管理的低碳環(huán)保性，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)對(duì)堆場(chǎng)資源的合理調(diào)配，確保水資源和電能等的節(jié)約應(yīng)用。

1.2 主要建設(shè)目標(biāo)

結(jié)合上文所提及的系統(tǒng)基本建設(shè)需求，全自動(dòng)智能堆場(chǎng)的建設(shè)管理目標(biāo)主要可分為以下兩個(gè)方面：一方面是要基于高效率的系統(tǒng)架構(gòu)模型，對(duì)堆場(chǎng)內(nèi)各個(gè)功能模塊予以高度整合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，以及各個(gè)功能模塊之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。另一方面，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整體流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，推動(dòng)堆場(chǎng)工作的自動(dòng)化和智能化發(fā)展，滿(mǎn)足實(shí)際工作需要。

2 全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

考慮到實(shí)際需求和建設(shè)目標(biāo)，在全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，融入3D GIS 功能實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)，確保堆場(chǎng)內(nèi)各個(gè)功能模塊和管理系統(tǒng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)共享。同時(shí)，為確保后期功能拓展的需要，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中也通常融入“模塊化”的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。

具體來(lái)看，在全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)中，其基本架構(gòu)通常分為以下四個(gè)層級(jí)：（1）數(shù)據(jù)傳感層，也是整個(gè)架構(gòu)最基礎(chǔ)的一個(gè)層級(jí)，其主要基于各類(lèi)傳感器元件，對(duì)堆場(chǎng)的各種設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集；（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層，其主要基于TCP/IP 協(xié)議，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)中，再進(jìn)一步傳輸至中心服務(wù)器集群中，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的初步處理；（3）信息監(jiān)控平臺(tái)層，該層級(jí)的功能模塊相對(duì)較多，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面的信息監(jiān)控，其中前者主要指堆場(chǎng)的基礎(chǔ)地形和固定基礎(chǔ)設(shè)施兩部分，后者則對(duì)堆場(chǎng)貨物的堆放、傳送和裝卸等多種要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以上兩方面的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均集中于數(shù)字平臺(tái)上予以顯示；（4）終端應(yīng)用層，其主要基于3D GIS 軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的可視化，實(shí)時(shí)查看堆場(chǎng)的運(yùn)行情況，并根據(jù)實(shí)際情況給出相應(yīng)的干預(yù)措施。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)在該堆場(chǎng)管理系統(tǒng)中同樣發(fā)揮著不可或缺的作用，其在很大程度上決定著系統(tǒng)的應(yīng)用效率。一方面，考慮到這一情況，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員通常采用MySQL2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，在實(shí)際過(guò)程中，結(jié)合功能上的需要，通常采用如表1 的數(shù)據(jù)表。

另一方面，在實(shí)際的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，為確保數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性，設(shè)計(jì)人員將數(shù)據(jù)庫(kù)文件系統(tǒng)設(shè)置于云端，并采用RAS 或AES 等加密方法，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密設(shè)計(jì)。

3 全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的主要功能模塊淺析

3.1 散貨信息管理模塊

在堆場(chǎng)中通常存在多種類(lèi)型的散貨，這些散貨規(guī)模較小，但在以往的堆場(chǎng)中通常占據(jù)過(guò)多的堆放面積。為規(guī)避這一問(wèn)題，就需要引入散貨信息管理模塊，對(duì)各種散貨信息實(shí)現(xiàn)并堆，確保貨物智能布局，提高堆場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。為實(shí)現(xiàn)此模塊的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員通常根據(jù)散貨管理過(guò)程中的貨號(hào)、單號(hào)和組號(hào)等信息，構(gòu)建基于多屬性維度的散貨堆場(chǎng)計(jì)劃模型，以提升散貨堆場(chǎng)容積，實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)利用效率的進(jìn)一步提升。具體來(lái)看，該模型通?；趧?dòng)態(tài)的聚類(lèi)算法加以實(shí)現(xiàn)，在算法設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，則通過(guò)以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：（1）基于原始數(shù)據(jù)，建立對(duì)象鏈表objectList，確定大致分類(lèi)數(shù)及初始類(lèi)中心，并確定兩類(lèi)合并的臨界距離及計(jì)算密度所用半徑d1，以及建立新的類(lèi)中心的最小臨界距離d2（d2 始終大于d1）；（2）輸入d1 和d2 的值，計(jì)算密度并降序排序，選取排序后的第一個(gè)對(duì)象作為初始類(lèi)中心，逐個(gè)引進(jìn)其余對(duì)象，計(jì)算其與初始類(lèi)中心的距離，距離大于d2 的對(duì)象則作為新的類(lèi)中心，以此進(jìn)行計(jì)算，最終得到m 個(gè)類(lèi)中心；（3）對(duì)非類(lèi)中心的對(duì)象進(jìn)行聚類(lèi)，而后計(jì)算各類(lèi)之間的距離，并進(jìn)行進(jìn)一步合并操作，直至所有聚類(lèi)間的距離均降至d1 以下；（4）以每個(gè)類(lèi)中心代表一類(lèi)，基于距離最近原則，對(duì)全部n 個(gè)對(duì)象重新進(jìn)行聚類(lèi)，以完成聚類(lèi)算法。

3.2 差分車(chē)載智能終端模塊

差分車(chē)載智能終端模塊以堆場(chǎng)的可視化管理為基礎(chǔ)，其重點(diǎn)對(duì)堆場(chǎng)貨物的安全性展開(kāi)管理，其集成了ARM 處理器、GPS 模塊、GPRS 模塊、語(yǔ)音模塊和其他硬件設(shè)施等，其中，ARM 處理器采用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)，GPS 模塊主要用于對(duì)堆場(chǎng)內(nèi)各類(lèi)要素的精準(zhǔn)定位，GPRS 模塊則用于通信功能，其他硬件設(shè)施均為工業(yè)級(jí)，其重點(diǎn)在于提升對(duì)外界不利環(huán)境的應(yīng)對(duì)能力。

在實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)指令的實(shí)時(shí)處理，該模塊的基本操作流程如下：（1）模塊對(duì)本地配置文件進(jìn)行讀取，根據(jù)配置文件中的服務(wù)器IP 地址和通信端口，與GPRS 模塊建立連接；（2）系統(tǒng)對(duì)GPS 定位坐標(biāo)信息的實(shí)時(shí)讀取，并將這些信息發(fā)送給GPRS 模塊，再由GPRS 模塊將信息發(fā)送給ARM 處理器；（3）ARM 處理器對(duì)信息處理后，控制硬件設(shè)備操作，完成指令的實(shí)時(shí)處理。

3.3 智能管控模塊

智能管控模塊主要以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)為核心，輔以RFID 和差分GPS 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)堆場(chǎng)的可視化管理，這種管理在精準(zhǔn)度上更具優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)看，在該模塊的實(shí)際應(yīng)用中，主要基于以下幾方面的技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)：（1）差分定位技術(shù)（DGPS），其主要在GPS 技術(shù)的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)定位精度的進(jìn)一步提升。（2）GIS（地理信息）技術(shù)，基于這項(xiàng)技術(shù)，可在計(jì)算機(jī)中形成碼頭堆場(chǎng)的電子地圖，由此碼頭堆場(chǎng)的各類(lèi)要素及布局也就一目了然，當(dāng)然，受到技術(shù)水平的限制，當(dāng)堆場(chǎng)因主客觀(guān)因素影響而需要調(diào)整時(shí)，需要由工作人員手持終端設(shè)備進(jìn)行“跑垛”處理，以實(shí)現(xiàn)地圖要素信息的更新。（3）機(jī)械動(dòng)態(tài)監(jiān)控及調(diào)度相關(guān)技術(shù)，此類(lèi)技術(shù)主要基于車(chē)載終端設(shè)備，對(duì)涉及的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行快速定位，此環(huán)節(jié)通?；赗FID 電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別和定位，并基于無(wú)線(xiàn)通信模塊和PLC 模塊，發(fā)送相應(yīng)的生產(chǎn)作業(yè)指令，確保機(jī)械設(shè)備能夠按照要求完成裝卸作業(yè)，避免作業(yè)分布不均勻等問(wèn)題的產(chǎn)生。（4）堆場(chǎng)作業(yè)的安全管理模塊，該模塊通常通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)的方式，對(duì)機(jī)械設(shè)備的作業(yè)指令及動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，并設(shè)定安全閾值，當(dāng)機(jī)械設(shè)備部分運(yùn)行參數(shù)超出安全閾值時(shí)，其即可發(fā)出警告信號(hào)，帶動(dòng)其他模塊對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行干預(yù)和調(diào)整，以此確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全。

3.4 搬倒疏運(yùn)模塊

在搬倒疏運(yùn)模塊中，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械上安裝GPS 終端，中控室方面即可實(shí)時(shí)獲取堆場(chǎng)各類(lèi)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況及具體位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的合理調(diào)整。同時(shí)在該模塊中，進(jìn)行搬倒疏運(yùn)作業(yè)的車(chē)輛設(shè)備均配備RFID電子標(biāo)簽，在進(jìn)出堆場(chǎng)時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)其標(biāo)簽信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，校驗(yàn)無(wú)誤后即可放行，從理論上而言，其對(duì)于提升搬倒疏運(yùn)的效率和質(zhì)量均發(fā)揮著重要作用。為進(jìn)一步提升搬倒疏運(yùn)模塊的運(yùn)行效率，研究人員也進(jìn)行了大量的研究，考慮到作業(yè)機(jī)械之間存在相互制約的情況，因此，在該模塊的設(shè)計(jì)中，通常引入搬倒作業(yè)控制算法進(jìn)行效率的提高，其中的重點(diǎn)則是單機(jī)效率的提升（即單個(gè)裝卸機(jī)械設(shè)備的效率），因此，在算法的設(shè)計(jì)中，通常首先設(shè)定裝載機(jī)與自卸車(chē)的數(shù)量比例為自變量，以此構(gòu)建函數(shù)，并對(duì)此分別求偏導(dǎo)數(shù)，令偏導(dǎo)數(shù)的值為0，此時(shí)，所對(duì)應(yīng)的裝卸機(jī)與自卸車(chē)比例數(shù)值即為最優(yōu)解，進(jìn)而確定搬倒疏運(yùn)模塊中裝卸機(jī)和自卸車(chē)的數(shù)量。

3.5 系統(tǒng)管理模塊

在全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)管理模塊的核心內(nèi)容則是用戶(hù)的權(quán)限管理部分，由于用戶(hù)的需求不同，且堆場(chǎng)管理方存在著不同的職能，因此，需要對(duì)各類(lèi)權(quán)限進(jìn)行分別設(shè)置。在該模塊下，用戶(hù)必須注冊(cè)賬號(hào)并輸入正確的賬號(hào)密碼后，方可登錄系統(tǒng)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，這種設(shè)計(jì)方法將有效提升系統(tǒng)的安全性。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通常對(duì)用戶(hù)密碼設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，如采用密碼加密算法，構(gòu)建數(shù)字和大小寫(xiě)字母的混合密碼模式，并確保密碼長(zhǎng)度在10 位或更高，有效降低了密碼被暴力破解的可能。在該模塊中，密碼是用戶(hù)登錄系統(tǒng)平臺(tái)的主要依據(jù)。當(dāng)用戶(hù)登錄系統(tǒng)平臺(tái)后，一方面，根據(jù)用戶(hù)身份的不同，平臺(tái)將對(duì)用戶(hù)賦予其應(yīng)有的操作權(quán)限，避免出現(xiàn)非法訪(fǎng)問(wèn)等情況。另一方面，為實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)用戶(hù)賬戶(hù)行為的管理，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)采用get_user_monitor_data(self)函數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)時(shí)查看用戶(hù)的操作行為，避免用戶(hù)出現(xiàn)非法操作等問(wèn)題。

4 全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展展望

當(dāng)前，全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的發(fā)展尚屬于初級(jí)階段，其仍然有著較高的發(fā)展空間。預(yù)計(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)在未來(lái)也將取得進(jìn)一步的發(fā)展，從而發(fā)揮更大的作用。具體來(lái)看，在未來(lái)發(fā)展中，全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)將在以下兩個(gè)方面取得進(jìn)一步發(fā)展。

（1）發(fā)展的“多元化”特點(diǎn)，由于全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的模塊化特點(diǎn)較為突出，因此，未來(lái)該系統(tǒng)將根據(jù)堆場(chǎng)工作的不同需要，呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的態(tài)勢(shì)，結(jié)合具體工作需要推出更多的非標(biāo)定制的功能模塊，以及這些設(shè)備模塊中的新功能，都將得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)，該系統(tǒng)未來(lái)將迎來(lái)通用與定制化需求相結(jié)合的多元化發(fā)展格局。

（2）“數(shù)字孿生”技術(shù)方法的進(jìn)一步推進(jìn)應(yīng)用。在這種技術(shù)模式下，其能夠?qū)Χ褕?chǎng)整體系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化精確建模和狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)傳感。在此基礎(chǔ)上，其可進(jìn)一步建立傳感數(shù)據(jù)與數(shù)字化模型的連接映射，使得數(shù)字化模型能夠?qū)崟r(shí)、真實(shí)反映物理系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界的行為，并通過(guò)人工智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的精確分析和未來(lái)狀態(tài)的科學(xué)預(yù)測(cè)。預(yù)計(jì)，隨著這種技術(shù)方法的應(yīng)用，未來(lái)的堆場(chǎng)管理工作將更具“前瞻性”，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)管理的效率和質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，當(dāng)前全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)還是一個(gè)較為新興的概念，其應(yīng)用有待于進(jìn)一步推進(jìn)，對(duì)于這方面的技術(shù)及理論研究還有著較大的發(fā)展空間。因此，在今后的工作中，應(yīng)當(dāng)始終結(jié)合堆場(chǎng)方面工作的動(dòng)態(tài)發(fā)展變化，在算法和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的功能模塊做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不斷突破當(dāng)前技術(shù)層面的限制，納入更多的相關(guān)要素，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能堆場(chǎng)管理系統(tǒng)的高效應(yīng)用。