自动化集装箱码头堆场数据智慧应用

陈 培 刘梦兰 张 煜

1 天津港第二集装箱码头有限公司 2 武汉理工大学物流工程学院

1 引言

随着我国经济水平的不断提升，集装箱运输业不断发展，集装箱船舶呈现大型化趋势，港口面临着提升转运效率的迫切需求。同时，环境保护、人力成本等问题也逐渐引起了港口行业的广泛关注，传统集装箱码头需要突破自身局限，进行新一次的绿色化智慧化的产业升级。相较于传统的集装箱码头，自动化集装箱码头从调度指令到设备作业环节大幅减少人工干预，通过系统程序控制自动作业，对降低人工成本、提升资源效能和作业效率，以及规避安全风险具有重要意义[1]。自动化码头满足了当前港口形势的需求，是当今港口进一步发展的主流趋势。

自动化集装箱码头单机的作业效率可以保持一个较高的数值，整体的作业效率依托于生产工艺、设备故障率以及场地资源配置等方面。其中，自动化码头整体布局、码头转运属性、码头工艺等不同，对码头运营调度提出不同要求。为了实现码头最高效率运转，就必须不断收集码头运行效率数据以及相应的影响因素，在不断地收集-调整-反馈的过程中，寻求本码头的最优效率配置。天津集装箱码头自动化改造项目为边生产边改造，需要在改造过程中根据生产实际情况，不断地调整生产调度资源的分配，才能够保证码头在改造过程中整体运行效率不受影响，甚至可以随着改造的逐渐深化，进一步提高运营效率。以天津集装箱码头为例，从TOS(Terminal Operation System，码头操作系统)、自动化单机、码头资源整体显示等3个方面介绍自动化码头堆场数据化的过程及其智慧应用。

2 TOS系统数据智慧应用

在自动化码头运行过程中，通过TOS与ECS(Equipment Control System，设备控制系统)来收集码头运行数据，并通过系统内部算法逻辑计算出分配码头设施资源的最佳路径，实现码头效率的最大化[2]。由于各个码头的整体布局等基本属性不同，为实现自动化码头的效率最优化，就需要不断地收集码头整体作业情况并有针对性地做出修正，在这个过程中，码头数据分析与应用尤为重要。

TOS系统的数据采集较为便捷，即根据TOS系统的数据表格创建一张新的表格，在不影响TOS运行的情况下实时访问TOS的数据表格，更新到自建的数据表格当中。随后，根据表格的自有分类，如作业类型、作业时间、作业场地等，以及自身码头的数据需求，建立适合本码头需求的数据信息库。

在自动化改造前，天津港五洲码头堆场采用集中式策划方式，即按照岸边与堆场的设备比例，将装卸船的集装箱集中到一个或几个连续贝位区域，使堆场设备能够以最小的跑动距离实现较快的连续作业。但是，这样的方式不适合面对连续高峰作业的港口需求，同时也闲置了一部分设备设施资源，不适合自动化堆场的作业特点。因此，五洲码头提出了分散式堆场策划方式，即充分利用自动化设备效率稳定、及时响应指令的特点，对于单一或者多个船舶配比一定比例的场区，实现效率优化，且不浪费堆场资源。

基于TOS系统的数据分析，可以实时监控当前的作业效率，也可以与之前时间段的堆场信息进行比对，可为码头管理人员提供明确的反馈[3]。通过观察在不同自动化场地资源配比下的数据信息，码头管理人员可以在不断地调节过程中，综合作业效率、能源功耗、人员调配等相关因素，找到适合本码头的最佳资源配比方式。天津港五洲码头通过“分级策划”、“进出口分区策划”、“进出口全场混合策划”等3个阶段24次的参数调整与优化，实现分散式堆场策划方式的革新与稳定运行，从而提高堆场轨道式龙门起重机(以下简称场桥)的使用均衡度、选位合理性和场地调配的弹性；降低由于进出口比例转换、船舶班期调整等原因对生产作业产生的负面影响，减少装船捣箱总量，进而发挥出自动化场桥作业的效能优势。

图1为天津港五洲集装箱码头自动化改造过程当中的每日平均指令时间统计。可见，开始的集中式策划的资源调度方式，不适合自动化堆场的运行特征，平均指令耗时较长，难以在要求时间内完成生产任务指标，且波动性较大，可控性差。通过改变调度模式并不断调整优化参数，指令耗时大幅缩短，并稳定保持在预期时间范围内，可以确保自动化码头的稳定运行。

图1 生产指令时长走势图

对TOS系统数据的分析，不仅可以帮助码头调度人员调整堆场运行模式，还可以在整个码头堆场正常生产运行过程中，帮助码头管理人员监控堆场指令运行情况，其监控视角可以从整场运行状况到每个作业区域、每一台场桥、每一辆集装箱卡车的运行效率上，便于发现效率低下的堆场设备，并作出相应的对策，为码头的整体把控、维护保养提供良好的依据。

3 自动化场桥数据智慧应用

场桥的监控系统能够较为全面地显示目标场桥的作业信息、作业故障等问题，但是这类应用软件主要以当前的故障问题为中心，旨在辅助维修人员迅速恢复场桥故障问题，不利于码头维护人员对堆场场桥的整体掌控。在码头自动化升级过程中，把码头维护信息进行数据化，可以使维护人员所需信息更加清晰、便捷地呈现出来，从而减少维护人员工作强度，减少维护成本[4]。

以天津港五洲集装箱码头改造为例，自动化单机CMS(Content Management System，内容管理系统)较为全面。因此，可以直接通过OPC(OLE for Process Control，用于过程控制的对象连接与嵌入)读取对应的CMS数据，并利用场桥与中央信息处理机房冗余的带宽，通过交换机将所需信息传输到机房并存储到设定好的设备上。最后，对这些数据进行分类处理，并最终以表格的形式显示到码头维护人员面前。

通过对场桥的数据分析处理，可以把每台场桥执行每一条指令的时间分块细化为各个运行机构、自动化传感器的运行时间。结合所收集的场桥的整体使用情况，统计了各个运行机构在1周的时间内制动器开闭次数、各个机构运行的距离等信息(见图2)。码头维保人员可以根据机构使用情况更好地掌握各个场桥的维保周期，确保场桥始终保持良好的运行状态。

图2 场桥各机构运行统计

图3为改造过程中，1周内场桥执行指令运行过程中各个影响因素所占时间比例图。通过这张图，码头维护人员可以明确找到场桥运行过程中导致执行指令时间过长的各个因素，从而在下一步的维护过程中制定措施，快速解决问题，提高运行效率。

图3 场桥运行时间影响因素占比

此外，自动化运行情况下，会产生一些次要警报。这类警报会显示到CMS界面，但不会影响场桥正常作业。这些次要警报需要引起注意并及时清除，否则故障长期积累可能会对场桥本身产生不良的影响。在没有对各个场桥的数据收集与处理的情况下，需要耗费人力成本依次检查各个机构的运行情况。而建立专门的数据处理库之后，维保人员可以直接得到整个堆场场桥所有的警报信息以及处理时对应的硬件图纸位置和各个机构的位置，并据此信息快速处理故障(见图4)。自动化堆场对各个场桥进行专门的数据收集与处理，使码头维护人员更好地了解和监控自动化场桥的运行[5]。

图4 各场桥警报数据分析表

4 码头整体运转数据智慧应用

天津港五洲集装箱码头在改造过程中，结合码头自身堆场地理信息、场桥运行状态、集卡GPS位置信息等数据，为码头量身打造生产作业实时辅助指挥信息系统，可实时辅助指挥系统统合堆场信息，并通过3D画面显示出码头整体运行信息，使调度人员可以清晰看到码头全部作业单元的实时工作状态、位置以及生产运营数据(见图5)。辅助指挥信息系统可提供现代化集装箱码头的全景支持，包括对岸边集装箱起重机、场桥和集卡的监控，收集码头设备的运营数据，使码头管理、操作和维护队伍能够协同监控、管理生产过程和设备运行，有效提升码头生产指挥的决策效率。

图5 实时辅助指挥系统组成

实时辅助指挥信息系统主要功能包括：

(1)3D堆场地图：可实时显示堆场每个集装箱的位置信息，并通过不同颜色加以区分，每一种颜色可以在配置时代表一类信息(见图6)。

图6 码头堆场3D显示

(2)集装箱分颜色显示：通过设定颜色显示当前哪个箱子将被移动，根据TOS指令信息，不同的颜色代表不同的船、时间范围、移动类型。

(3)水平运输车辆位置：码头车辆位置信息接入到辅助指挥信息系统后，场地位置信息、水平运输车辆位置等显示在辅助指挥信息系统。

(4)起重机生产报告：该报告显示指定起重机在某一时间段内的生产报告列表，每一次运行都有详细的信息记录，包括开始时间、结束时间、作业类型、作业负载重量等。

(5)常见事件总体报告：该报告显示指定起重机在指定时间段内发生的常见故障数量和内容，每行显示该故障在指定时间段内发生的次数之和，用于掌握和排查单机的常见故障发生情况(见图7)。

图7 场桥故障以及辅助处理

(6)事件总体报告：该报告以图形或柱状图的形式显示当前所有不同起重机的不同的事件数量，每天某一事件在每台机的发生数量，用于分析统计同类故障的发生频率。

(7)实时视频：允许操作员监控某台起重机的实时视频。

(8)历史回放：允许在辅助指挥信息系统的窗口上回放某一台起重机CMS记录的历史记录，便于查阅和排查故障。

(9)生产绩效报警：如果某一台起重机的每小时作业量低于设定值，在3D窗口会有一个可视化的报警来提示。

(10)状态/报警显示：显示每一台起重机当前的状态信息和报警信息等，例如机构的速度、位置、传动电流、力矩、电压、限位状态、机构联锁、当前事件的报警、故障信息等。

(11)查阅图纸：允许维护人员调用设备的电气或机械图纸，便于维护人员及时查阅设备信息。

5 结语

相对于传统码头，自动化码头本身具备完善的信息交互网络，为码头运行数据的自动采集和存储提供了良好的基础，便于数据的传输和存储抓取。利用自动化码头本身的数据平台，结合码头行业本身的运行特征，充分发挥数据分析的优势，可提高码头运行效率，节省生产运营成本，为建设世界一流的智慧化码头提供支持。