自動化集裝箱碼頭控制系統安全管理

孫滔然 金 毅

1 上海振華重工(集團)股份有限公司

2 上海國際港務(集團)股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

自動化集裝箱碼頭由于其智能化、無人化特點，能夠在減少碼頭作業人員降低運營成本的同時，通過不斷優化的控制系統持續提升碼頭作業效率和堆場利用率，提高碼頭資源使用率。自動化集裝箱碼頭以電驅為主，相較于傳統集裝箱碼頭更加低碳節能、綠色環保，符合我國當前生態文明建設要求。

隨著自動化集裝箱碼頭建設的不斷深入，自動化集裝箱碼頭控制系統在制造、調試和應用過程中的安全問題開始逐步顯現。由于自動化集裝箱碼頭設備種類多、單機自動化技術要求高以及系統總集成難度大[1]，因此相較于傳統集裝箱碼頭，自動化集裝箱碼頭的安全問題更為多樣化，一旦發生安全事故，可能造成的影響更為嚴重，查找問題原因更為困難，處理問題的方式也更為復雜。因此，自動化集裝箱碼頭控制系統的安全管理應得到重視。目前，針對自動化集裝箱碼頭控制系統安全管理的研究還較為欠缺。通過對現有自動化集裝箱碼頭中控制系統出現的安全問題進行整理和分析，探討了適合自動化集裝箱碼頭控制系統的安全管理對策，提出了相應的安全管理措施。

2 自動化集裝箱碼頭控制系統常見安全問題分析

2.1 常見事故比例分析

自動化集裝箱碼頭控制系統主要分為自動化港口機械和自動化工控網絡兩部分。其中，常見的自動化港口機械有：岸邊集裝箱起重機(以下簡稱為岸橋)、軌道式集裝箱龍門起重機(以下簡稱為軌道吊)、輪胎式集裝箱龍門起重機(以下簡稱為輪胎吊)、自動引導小車(以下簡稱為AGV)、智能引導小車(以下簡稱為IGV)、無人集卡等。常見的自動化工控網絡包含交換機、波導管、服務器集群、工程師工作站等設備以及對應的各種軟件設計。

通過對2015年以來國內外自動化集裝箱碼頭機械發生相關事故分析，可以發現：AGV相關事故占比42%，橋吊相關事故占比33%，軌道吊相關事故占比21%，輪胎吊相關事故占比4%。

相比于傳統集裝箱碼頭，自動化集裝箱碼頭控制系統的安全問題具有普遍性和獨特性。

2.2 常見安全隱患分析

在自動化集裝箱碼頭中，岸橋和軌道吊通過電纜供電，輪胎吊通常使用滑觸線方式供電，AGV設備與IGV設備則通過更換電池包及電池包充電方式進行供電。另外，在工控網絡部分，設備均需要依賴于電力供應才能進行正常工作。自動化集裝箱碼頭中配備的工程部人員、信息部人員在日常檢修維護中，如果沒有正常防護和準備，就存在觸電風險。

由于岸橋處于自動化集裝箱碼頭臨海位置，在調試岸橋時，勢必有臨水作業的內容。如果相關人員在臨水作業前沒有按照規定穿戴好救生衣，就有淹溺的隱患。

自動化集裝箱碼頭中存在2種常見火災隱患。一是由于線路老化、充電裝置受到擠壓等原因，導致線路回路短路，造成大電流瞬時輸出，引發短路線路附近接觸器、保險絲、相關線路起火。二是由于現場動火作業，保護措施不到位，導致火星飛濺至易燃設備引發火災。以上2種火災均有發生迅速、火勢容易蔓延、火災影響較嚴重等問題。

目前，自動化集裝箱碼頭的岸橋起升高度一般為50 m左右。為了提升堆場利用率，越來越多的碼頭提出軌道吊要“堆五過六”甚至“堆六過七”，因此軌道吊的起升高度一般至少為18 m。一旦高空作業沒有相應安全措施，很可能發生高處墜落事故。

除以上4種常見事故隱患外，還存在車輛傷害、機械傷害、起重傷害等事故隱患。但是，由于自動化集裝箱碼頭中操作人員數量大量減少，因此相應事故的發生概率也大大降低。

2.3 常見事故類型分析

整理2015年至今的自動化集裝箱碼頭事故類型，在自動化集裝箱碼頭調試及作業流程中，最常見的安全事故為機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故，占比為69%；機械狀態異常占比為18%；軟件系統故障占比10%；網絡故障占比3%。

機械調試期間常見的機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故發生在AGV與AGV、AGV與AGV伴侶、軌道吊與軌道吊之間；正常使用期間常見的機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故發生在岸橋與船舶、岸橋與集裝箱之間。機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故為一般事故的概率較大，僅有6%和4%的概率為較大事故以及嚴重事故。

機械狀態異常故障屬于常見的自動化集裝箱碼頭事故類型。岸橋大車、小車運行異常、岸橋放箱異常、AGV運行異常等事故都屬于機械狀態異常情況，該情況如果進一步發展，有可能導致機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故。由于機械狀態異常僅影響異常機械本身，并沒有影響到其他交互機械設備，且異常機械一般恢復較快，因此該類事故均為一般事故。

由于自動化集裝箱碼頭依賴于遠程控制系統、自動控制系統、設備管理系統以及生產調度系統的管理和調配，因此以上系統的安全性、規范性和穩定性的缺失，都可能造成軟件系統故障。由于涉及系統較多，因此查找軟件系統故障原因較難，查找時間較長，對碼頭生產影響較大，嚴重時可能導致船期推遲等影響。雖然軟件系統故障僅占自動化集裝箱碼頭常見事故的10%，但是其較大事故和嚴重事故各占該事故的15%，應當予以重視。

自動化集裝箱碼頭的工控網絡設備集群建立在信息化集群基礎上，相比于傳統集裝箱碼頭對于網絡的依賴性更強。目前發生的網絡故障一般為服務器宕機、任務指令刷新間隔時差較長等。另外，電腦病毒對于自動化集裝箱碼頭也是一種挑戰。港口外部的攻擊和港口內部的感染都可能造成網絡故障。碼頭現場一旦出現網絡故障，就會導致設備大面積故障或者作業停滯，對正常生產運營產生嚴重的影響[2]。目前自動化集裝箱碼頭發生的網絡故障中，50%為較大事故，50%為嚴重事故。因此，網絡故障在自動化集裝箱碼頭設計之初就應該加以防范。

3 主要安全問題原因分析

自動化集裝箱碼頭事故中，1個事故可能有多個關鍵原因導致。統計2015年至今的自動化集裝箱碼頭事故原因，可以發現：人員違規操作引起的事故占比為39%，其中中控人員操作事故占比13%，調試人員違規操作占比12%，司機操作違規占比10%，其他人員違規占比4%；機械和設備故障占比61%，其中功能缺陷占比38%，軟件漏洞占比19%，機械故障占比4%。

3.1 人員因素

中控人員操作原因、司機操作原因、調試人員違規、其他人員違規均屬于人員因素，約占整體事故原因比例39%。其中中控人員主要負責碼頭各設備管理系統和生產調度系統的監管以及異常處理工作。這4類人員因素主要是由于人員操作不規范、操作失誤等原因導致。

3.2 功能缺陷

功能缺陷是導致自動化集裝箱碼頭控制系統安全事故最為常見的原因。自動化港口機械控制系統缺陷有：機械自動化作業校驗條件缺失、機械交互流程條件缺失、系統軟件連鎖保護不周全、人工介入處理機制不健全等。由于當前自動化集裝箱碼頭還處在發展初期階段，因此控制系統功能缺陷是不可避免的。分析功能缺陷導致的不同類型事故的概率和事故嚴重程度概率，同自動化集裝箱碼頭所有事故對應的概率相當，可見功能缺陷不會影響事故類型概率。從時間上分析，功能缺陷多發生于自動化港口機械調試末期及使用前期。考慮到自動化港口機械調試前期主要目標是保證機械基礎功能完備，而自動化港口機械應用一段時間后，控制系統也趨于穩定，這與該事故原因發生時間也相匹配。

3.3 軟件漏洞

由于軟件漏洞而導致的控制系統安全事故是自動化集裝箱碼頭中較為特殊的一類故障原因。與自動化集裝箱碼頭所有事故對應的概率相比，軟件漏洞導致的機械剮蹭、碰撞、擠壓和損傷事故較少，導致機械狀態異常事故較多；導致一般事故較多，較大事故和嚴重事故較少。

4 自動化集裝箱碼頭控制系統安全管理

4.1 控制系統的持續優化

自動化集裝箱碼頭控制系統需要根據碼頭實際需求、當前科技發展情況、項目可行性、項目安全性、項目經濟性等多方面因素統籌考慮，持續優化。整理自動化集裝箱碼頭控制系統常見事故類型，目的是通過數據形式確定控制系統的關鍵部位和薄弱環節，從而確定控制系統持續優化方向，使控制系統趨向更好的狀態，確保控制系統滿足規定的安全要求。

針對功能缺陷和軟件漏洞，可以通過開展技術交流會、頭腦風暴等多種方式，不斷完善軟件開發設計。當發生控制系統事故時，及時總結事故原因，確定改進措施，實現控制系統的持續優化。

4.2 加強安全相關培訓工作

人員因素是導致自動化集裝箱碼頭控制系統事故的一個重要原因，加強安全培訓工作是安全管理中一個重要的手段。自動化集裝箱碼頭需要不同機種、不同系統、不同專業相互配合，系統復雜程度高，對人員的專業性要求也很高。因此，有計劃定期開展專業性培訓、經常性開展常規培訓，對降低安全事故發生概率有直接影響。

4.3 建立安全管理制度

自動化集裝箱碼頭作為特殊的集裝箱碼頭，必須有其相應的安全管理制度。建立并完善相關安全管理制度，落實安全主體責任，強化安全監管，將信息技術與安全生產深度融合，對防止和避免安全事故的發生非常重要。針對自動化集裝箱碼頭設備情況，建立不同自動化港口機械的調試安全規范，確定自動化調試每日安全交底內容，規范自動化集裝箱碼頭作業流程，都能夠降低安全事故風險。同時，規定軟件部署到現場前必須經過仿真模擬測試，可以減少現場調試的固有風險。

5 結語

通過控制系統持續優化，應用新技術、新工藝、新材料，加強安全相關培訓工作，建立安全管理制度等方法，能進一步加強自動化集裝箱碼頭控制系統的安全管理。同時，還應加強對自動化集裝箱碼頭控制系統安全問題深度挖掘分析，結合先進的安全管理思路，為自動化集裝箱碼頭控制系統建設提供有力支撐，促進自動化集裝箱碼頭更好地發展。