集裝箱碼頭自動感知生產監控中心功能及結構

王臺華　焉政法　柯璐琦　卓宏治　劉桂云

摘 要：建立集裝箱碼頭自動感知系統，對于提高港口生產能力和綜合競爭力具有重要意義。論文根據集裝箱碼頭的生產特點，分析了基于物聯網等自動感知技術的集裝箱碼頭生產監控系統的組成結構，進而對集裝箱碼頭自動感知系統的生產監控中心功能、結構和信息處理流程等進行了重點研究。研究目的旨在提高集裝箱碼頭生產監控能力，提升碼頭工作效率和安全性。

關鍵詞：集裝箱碼頭；自動感知；生產監控中心

近些年，國際貿易運輸中的集裝箱運輸發展迅速，我國港口集裝箱吞吐量是逐年上升。同時，集裝箱船舶的大型化、高速化、專業化發展以及港口碼頭操作箱量的不斷增長，對集裝箱碼頭生產管理提出了更高的要求。我國已經有很多學者對集裝箱碼頭運作和管理做了大量的研究，包括高華（2009）、魏夢月（2009）在碼頭信息系統方面進行了分析；錢永興（2005）、廖志剛（2013）研究了碼頭集卡調度系統、徐穎（2013），梁宏暉（2013），桑海泉（2008）、陳加敏（2008）等研究了碼頭監控系統方面。而現代無線通信技術、自動化技術在集裝箱碼頭的設施設備建設和生產管理中得到了大量的應用。以物聯網為代表的自動感知技術能夠大大提高信息的自動采集能力，減少了人員的重復操作，減少產生錯誤記錄，一些學者，諸如包雄關（2013），蔡志剛（2007），Mullen， D.（2005），Twist， D.C.（2005），Nath， B.（2006）等對物聯網和RFID（射頻識別技術）技術在港口運作管理中的應用進行了研究。本文基于物聯網等自動感知技術，對集裝箱碼頭生產監控中心模塊和流程做深入系統的研究。

一、集裝箱碼頭的組成和生產特點

基于集裝箱碼頭業務管理、裝卸作業等基本需要，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、靠泊設施、碼頭前沿、集裝箱編排（組）場、集裝箱堆場 集裝箱碼頭出入大門、集裝箱貨運站等。從集裝箱通過集裝箱碼頭貨運站閘門、進入堆場堆存到裝船出港構成了一個完整的集裝箱生產流程系統，其中無論哪個環節出現效率低下的問題，都將會對整個集裝箱運輸系統流程的效率造成影響，從而造成資源浪費和碼頭經營成本的提高。因此，統籌整體，各項作業協同運作緊密配合對集裝箱碼頭具有重要意義。所以對于運輸系統的任何一個子系統都需要協調一致，碼頭上的各項設施必須合理布局、形成整體效應，保持上下環節順暢、高效、銜接無障礙。只有集卡、船舶、集裝箱的高效周轉配合一致，才能有效降低作業成本、提高作業效率、并最大化經濟效益。近年來，集裝箱運量不斷增大，傳統件雜貨運輸集裝箱化比例不斷提高，集裝箱業務發展迅速。為了適應全球水運集裝箱化趨勢，相應的政府組織航運企業加大了對集裝箱船舶和碼頭的擴建與更新，導致集裝箱船舶和港口碼頭越造越大，使得集裝箱船舶運輸單位成本越來越低。集裝箱船舶大型化，勢必會延長船舶在港口進行裝卸作業所需要時間，造成時間成本上升。在船舶在港總時間的組成中，船舶作業時間占了很大的一個比重。因此為了減少船舶在港總時間，提高碼頭裝卸設備效率是一個重要的途徑。現在的集裝箱碼頭普遍配備現代高效自動化的裝卸機械設備，減少人工及低效率設備的使用，提高現代集裝箱碼頭相關操作業務的自動化程度。

現代集裝箱管理業務要求信息錄入傳遞的高效性與無差錯性，一方面源于港口當局船貨代公司及相關部門之間信息聯系的整體性與協調性，采用電子數據交換EDI技術。另一方面在于集裝箱操作碼頭的現場操作各部門各環節采用低差錯率的現場數據錄入儀，同時對碼頭工人的技術熟練度與文化素質提出了更高的要求。通過港口高效先進的管理手段，能顯著縮短船舶在港時間，保證貨物裝卸質量提高裝卸效率，節約作業成本提高港口效益。

二、集裝箱碼頭自動感知生產系統結構

集裝箱碼頭具有泊位、堆場、岸橋、閘口等設施場地，環境布局往往比較復雜，作業區不允許架明線，不適宜鋪設有線網絡。轉運車輛和其他大型裝卸起重設備，其頻繁移動性導致只能采用支持移動而定自動感知系統。因此，利用自動感知設備，建立起支持具有高移動性、強保密性和抗干擾性的無線網絡，能夠很好地滿足集裝箱碼頭作業現場業務的需要。系統所應用的自動感知終端主要包括RFID標簽、RFID讀取器以及無線射頻識別技術。本系統采用的是半有源標簽，半有源標簽適用于自動化控制的靈活性應用技術，其抗干擾能力強，可適應惡劣工作環境，不怕灰塵油漬污染，可替代條碼。在無人工操作，無接觸、瞄準的情況下就能進行控制和識別工作。半有源標簽和對應的讀寫器分別安裝在碼頭對應設備上， 比如標簽裝在集裝箱的門楣處，讀寫器安裝在岸吊岸橋岸向一側的吊臂上。場內集卡是輔助集裝箱水平移動的主要設備，該系統在每一輛注冊過的集卡托運車輛上安裝一個電子標簽，一般是在托運車輛的前擋風玻璃內側或者是在場內集卡的平板處上進行安裝電子標簽。操作人員可以通過簡單設置來選擇標簽的工作模式，分為只讀模式和讀寫工作模式。在每個集裝箱的指定位置上安裝1到2個電子標簽，這些電子標簽已經事先存入了裝卸港、船舶、集裝箱及箱內貨物等信息，本車以及所裝載集裝箱的信息，均可通過設在集卡駕駛室的顯示終端顯示。通常由安裝在堆場吊機龍門吊臂上的RFID監控裝置來收集每個集裝箱在堆場上的具體位置信息。當裝有電子標簽的集裝箱在通過集裝箱貨運站的入口時，安裝在閘口的讀取設備會自動讀取這些電子標簽，以此獲取司機、車牌信息，電子箱號標簽和電子關鎖數據；安裝在路下的地磅秤會測量出集卡的載重噸數信息；通過視頻監控技術和來獲得集裝箱的圖像信息。

三、集裝箱碼頭生產監控中心的組成

集裝箱碼頭生產監控中心具備在港域水路運輸、港口泊位作業、堆場堆存作業、內陸集疏運功能、貨物相關服務、口岸監管服務等信息的處理功能，為生產監控和決策提供支持。達到碼頭生產狀態的實時監控，實現集裝箱在碼頭的全過程監控和及時修正碼頭調度管理中所發生錯誤命令，提高碼頭工作效率是構建基于自動感知技術的集裝箱碼頭生產監控系統的主要目的。endprint

集裝箱碼頭生產監控系統能夠自動感知集裝箱在碼頭的位置及所處的狀態，及時發現集裝箱在裝卸、運輸以及堆存時的出現異常狀態，并作出修正，有效保障集裝箱的安全。與此同時，有效的集裝箱碼頭監控系統能夠及時發現并解決集裝箱碼頭在生產過程中的出現的設備故障、流程冗余以及管理低效等問題，改進多余環節，實現高效的生產效率，以便進一步提高碼頭的經濟效益。完善的集裝箱碼頭監控系統能夠自動跟蹤整個碼頭的生產工作過程，在很大程度上能降低碼頭調度工作、管理工作對工作人員產生的負擔。并且通過集裝箱碼頭生產監控系統，能夠有效地提高客戶服務水平，增強對客戶的吸引力。

集裝箱碼頭監控的主要內容包括堆場監控、裝卸船監控及其他港區操作監控。

監控中心系統主要由物聯網等信息感知終端、信息傳輸技術、各生產監控子系統、信息監控處理中心組成。信息感知終端由各種各樣的傳感器及其傳感器網關構成，主要負責物體識別和信息采集并通過一定的信息傳輸技術（例如互聯網技術、無線電技術等）傳到各個生產監控子系統。生產監控子系統對集裝箱碼頭各個生產過程所傳送的信息進行分布式處理。信息監控處理中心通過收集各個生產監控子系統所得出的信息進行綜合處理做出各種調度安排，實現對集裝箱碼頭的實時監控和集裝箱的全過程控制。在這里采用分布式的處理模式來簡化系統，是因為港口的生產信息過于復雜。各種不同的信息在各個子信息庫進分類處理之后再統一傳送到信息監控處理中心，并進行信息的綜合分析和整合，最后反饋給管理者。對信息進行分類處理的目的是統計和整理數據，進行整合處理的目的是對比數據，然后挖掘分析數據，為管理和決策提供支持。

四、集裝箱碼頭生產監控中心信息處理流程

集裝箱碼頭生產監控中心處理流程如圖3所示。

集裝箱碼頭生產作業的主要內容是進行對集裝箱在碼頭前沿所進行的裝卸船作業，集裝箱進出堆場和集裝箱在堆場堆存并等待裝卸作業的過程。本文所設計的作業流程主要是針對集裝箱從堆場閘口進入堆場到最終裝上船舶的過程進行分析。

集裝箱碼頭生產監控中心通過對感知終端采集到的實時信息進行綜合處理，并進行分析。一般系統所需要收集的信息包括堆場閘口的延滯情況、集裝箱及集卡在堆場的具體三維位置、橋吊的工作效率以及泊位的占用情況等，如果在生產流程中出現問題，監控中心系統將會自動產生報警信息并且及時修正調度和運行管理。

處理流程按其所發生的地點具體可分為兩大部分，即堆場監控和泊位監控。

在堆場監控流程中，當有在指定位置安裝了包含相關數據信息的FRID電子標簽的集卡和集裝箱通過集裝箱堆場的專用驗證閘口時，監控中心系統在閘口上的布置的自動感知終端會自動采集集裝箱和集卡的相關信息，然后傳輸到監控中心，系統對信息分析處理，及時做出這個集裝箱的堆場安排計劃。并且，系統通過安裝在室外的顯示屏，顯示引導集卡開往指定地點的信息。堆場查驗人員確認信息無誤后放行，同時系統把采集到的集裝箱信息通過網絡傳遞到調度中心，使該集裝箱進入堆場作業隊列。等到了計劃安排好的時間后，調度中心指揮裝卸設備（龍門吊）進行作業，把集裝箱運往碼頭前沿進行裝船作業。如果是具有優先級的集裝箱則直接安排龍門吊對其進行作業。

在泊位監控上，監控系統利用安裝在泊位的視頻監控終端，結合提交的配載安排計劃表，可清楚地了解到發生在泊位上的實時裝卸情況。主要包含了橋吊的實時作業效率及作業狀態下的拖車集卡的往返頻率和時間。生產監控中心通過這些數據可及時掌握橋吊的和拖車的預計完成工作時間。并且，生產監控中心可根據此信息，及時地調整橋吊作業路線，指派其他空閑集卡到優先級集裝箱區域進行作業，合理平衡了各個作業泊位區的裝卸延遲時間，以最快的效率、完成船舶裝卸任務，避免各路作業進度的不平衡性所造成的裝卸運輸機械空置等待的情況，提高了裝卸作業機械和集卡拖車的使用效率，同時縮短了船舶的在港總時間。這一措施能同時提高碼頭和船方兩方的經濟效益，產生更多的社會效益。

基于RFID 技運術的集裝箱碼頭生產監控系統實現了對集裝箱在港口的全過程監控，加強了港口公司對集裝箱監控的能力，這樣在極大程度上方便了船公司和客戶查詢作業船舶的動態，同時實現了集裝箱碼頭管理的自動化、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。

五、結束語

基于自動感知技術的生產監控系統實踐應用在集裝箱碼頭領域，雖然在實踐的過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效益，保障生產安全，為我國建設具有國際一流水平的自動化、信息化的智慧港口點明了發展方向。集裝箱碼頭安裝并應用生產監控系統能夠極大地改善傳統集裝箱碼頭在信息管理工作方面所體現出問題。并且通過該系統港口公司能達到對集裝箱的自動識別以及集裝箱從進港到裝船出港全過程監控的目的，同時縮短了集裝箱在港口的周轉時間，為集裝箱在港口的安全提供了有效的保障。但是，在具體的系統建設應用中，必須要結合碼頭的實際生產情況，因地制宜，選擇合適的自動感知終端安裝位置、信息傳輸方式，并設計符合碼頭自身監控功能和結構。

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