自動化集裝箱碼頭智能生產管控系統

張傳捷

哪吒港航智慧科技(上海)有限公司

1 引言

某自動化集裝箱碼頭是目前世界上規模最大、自動化程度最高的全自動化集裝箱碼頭，共有7個15萬t級集裝箱泊位。設計年通過能力初期為400萬TEU，遠期為630萬TEU[1]。裝卸設備將由初期投入使用的16臺岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)、88臺軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)和80臺AGV(Automated Guided Vehicle，自動導引車)，逐步增加到26臺岸橋、120臺軌道吊和130臺AGV[2]。作為全球最大的單體全自動化碼頭，采用代表當前國際集裝箱碼頭技術最高水平的全自動化集裝箱碼頭建設方案。

2 自動化碼頭智能生產管控系統概述

自動化集裝箱碼頭智能生產管控系統是一套由計算機及其相關配套設備、設施構成的，按照一定的應用目標和規則實現生產組織計劃、作業過程控制、裝卸設備操作、事件監控反饋、決策優化等全過程的自動化與智能化系統，是自動化集裝箱碼頭運營管理的核心，對碼頭整體作業效率和對外服務質量影響巨大。洋山深水港四期自動化集裝箱碼頭智能生產管控系統具有4個方面特點[3]。

(1)功能模塊方面。除傳統外部數據交互、信息處理、道口管理、受理計劃、費收管理等基本模塊外，自動化集裝箱碼頭還需要智能化(泊位、岸橋、堆場等)生產計劃模塊、實時設備調度及協同控制模塊、異常監控及處理模塊等。

(2)系統架構方面。由于自動化碼頭智能生產管控系統需要控制大量設備和終端，因此需要搭建標準交互、靈活擴展、分布式高并發的任務調度平臺，構建多點交互、多活并發的全域融合架構。

(3)網絡配置方面。有線網絡實現千兆帶寬接入到每一臺岸橋和軌道吊等主要生產設備，滿足設備自動化作業和遠控作業的帶寬要求；無線網絡實現自動化區域全覆蓋、低時延、高容量的要求，滿足水平運輸設備的通訊控制要求。

(4)系統性能及安全方面。由于自動化碼頭智能生產管控系統處理量更大、時效性更高，因此整個系統性能要求更高(任務處理ms級)，可靠性、可擴展性要求更高，同時系統及網絡的安全防護等級也更高。

3 智能生產管控系統建設

3.1 系統功能開發

3.1.1 智能計劃和調度模塊

自動化集裝箱碼頭由系統指揮控制設備進行作業，人為操作和干預大幅減少，設備的執行率和穩定性更高，因此更適合智能化的計劃編制模塊，可以大規模應用自動CWP(Crane Work Plan，岸橋工作計劃)、自動配載、自動發箱、自動堆場計劃等模塊，并持續開展這方面的研究、應用和優化，不斷提升其智能化水平，從而進一步降低人為干預。另外，自動化碼頭生產系統還必須具備智能的設備調度控制系統，來指揮控制3大機種協同高效自動化運作，實現設備效率最大化，從而提高碼頭整體運營效率。

3.1.2 特殊工藝作業模塊

自動化碼頭岸橋配備中轉平臺，箱區海側配備支架，這種交互方式使得作業工藝更加標準，因此更適用于岸橋雙吊具和海側軌道吊雙箱吊等特殊作業工藝。在系統功能設計方面，一是要實現特殊作業工藝本身的系統功能，二是在計劃、調度模塊設計時也要充分考慮這些特殊作業工藝的應用，從而能夠有效提升自動化碼頭的作業效率。

3.1.3 堆場管理模塊

根據自動化集裝箱碼頭堆場布局及自動化的作業工藝，遵循堆存集中與分散的協調原則，設計特有的堆存策略；另外針對兩端式和懸臂式箱區的作業工藝，在堆存策略方面也要做針對性設計，從而充分發揮各自的作業效率。

由于采用自動化軌道吊，在箱區整理方面可以考慮開發以下功能：

(1)防臺防汛自動歸并功能。制訂防風模式下的堆場選位策略，開發根據防風策略開展箱區自動歸并功能，滿足臺風季節箱區的堆存要求。

(2)箱區自動整理功能。利用自動化軌道吊作業空閑，系統根據作業計劃自動開展箱區整理，開發基于外集卡預約信息的箱區自動提前翻箱功能、海陸側進出口箱分布自動歸并功能、空列自動整理功能、基于實配信息的拼箱轉堆以及泊位調整后的自動轉堆功能等。

3.1.4 異常監控及處理模塊

由于設備自動化運作，系統需要對作業過程進行全流程監控，通過任務分析、閥值預設、智能感知等技術，及時發現作業異常，并準確定位，根據異常類型，系統自動進行調整或處理確保作業的連續性，或者通過監控界面及時提醒至船控人員，進行人為干預，避免造成不必要的生產待時，提高作業效率。該模塊對于自動化碼頭作業的連續性至關重要，因此在系統設計之初就應該全面考慮、同步開發。

3.1.5 與公共平臺的協同

與集卡預約平臺對接，充分發揮自動化碼頭陸側作業資源充足的特點，保證預約兌現率。與受理平臺和EIR(Equipment Interchange Receipt，集裝箱設備交接單)平臺對接，實現全程無紙化作業，全面提升外集卡作業效率和服務水平，助力更高效的集卡物流生態環境的建立。

3.2 系統測試及聯調

3.2.1 搭建實驗室測試環境

開發生產管控仿真系統和設備擬真系統，搭建實驗室測試環境，提前開展生產管控系統和設備自動化控制系統的測試工作，加快前期的調試進度。在試生產之前搭建實驗室仿真環境、現場單機種調試環境以及現場多機種聯合調試環境，其中實驗室仿真環境側重于系統功能和系統設備交互測試，現場單機種調試環境側重于單機自動化控制系統測試，現場多機種聯合調試環境側重于全流程作業測試。

3.2.2 搭建多機種聯合調試環境

進入試生產或生產階段后，為了持續開展系統和設備性能的優化，除保留實驗室仿真測試環境外，建議在現場動態搭建多機種聯合調試的環境，用于系統、單機程序版本更新和新功能上線之前的現場真實環境的測試。該測試環境的資源配置可以根據實際生產情況動態調整。

3.2.3 擬定生產調試計劃，組建測試團隊

設備上岸之前，建議先擬定生產調試計劃再確定設備上岸順序，避免試生產區域與調試區域間的沖突。組建測試團隊，編制覆蓋所有工況的測試用例，建立測試量、驗收及回退標準，實現仿真測試標準化，有效提高系統功能升級更新后的穩定性。

3.3 作業評價體系建立

自動化集裝箱碼頭的作業整體過程和系統控制與傳統碼頭有較大差異，各環節的數據要素比傳統碼頭多50倍左右，這對整體作業效率的分析提出了極大的挑戰。傳統的單節點或單模塊的作業報表分析方式無法滿足要求，需要對自動化碼頭所有環節的數據進行有效地匯聚、梳理，而后再開展分析。因此在系統建設階段，需要同步構建自動化集裝箱碼頭全流程作業評價體系，來指導生產組織、系統及設備的持續優化。

(1)梳理作業流程、剖析重點環節，找到影響作業要素，編制全流程監控以及作業評價指標方案。

(2)建立岸橋、軌道吊、AGV作業指標體系，將所有過程控制中的關鍵節點信息以數據流的方式進行全面管理，進而開展數據節點分析及作業效率分析[4]。

(3)通過界面展示分析結果，直觀、清晰地反應各環節的作業效率影響因素。作業數據分析結果將進一步為系統、設備及生產組織優化提供支撐，循序漸進，實現增效閉環。

3.4 系統硬件及網絡搭建

3.4.1 系統架構

由于自動化碼頭生產系統需要控制大量設備和終端，進行大量系統層面的數據交互，因此需要制訂標準統一的交互方式，同時要具備靈活的擴展性。相較于傳統碼頭，系統處理量成幾何倍增長，進而需要搭建分布式高并發的任務調度平臺，構建多點交互、多活并發的全域融合架構，滿足系統任務高效處理的要求。除此之外，建議系統功能模塊化開發，制訂標準的接口規范，便于后續功能升級替換。

3.4.2 網絡配置

按照設備自動化運作和遠程操控的需求，必須實現穩定的、低時延、高帶寬的網絡接入。其中，岸橋和軌道吊的位置相對固定，采用千兆光纖直接有線接入，確保設備遠程操控的要求，同時可以考慮利用5G這類高帶寬、低時延的無線網絡作為備份鏈路。建議AGV的無線網絡獨立建設，和其他手持終端或對講網絡從物理層面進行區分，確保AGV控制通訊的穩定，同時在無線網絡建設方面要充分考慮大容量(1個局部區域內大量AGV接入)、低時延(車輛控制級時延)、全覆蓋(AGV所到之處)等方面問題。另外，考慮到工控網絡安全，建議核心交換機宜符合SDN(Software Defined Network，軟件定義網絡)理念，可識別或自定義工業控制協議，并與應用系統對接。應用系統可以智能調度網絡控制層面，從而實現網絡資源自動、靈活地匹配業務層面的數據轉發及帶寬要求。

3.4.3 系統高可用性

自動化集裝箱碼頭的運作高度依賴信息化系統，因此系統的高可用設計，最重要的是滿足碼頭24 h生產不間斷的需求。這就需要系統在整體上，盡可能抵抗計劃內或計劃外停機因素對整個生產信息系統運行的影響。因此在系統的設計和建設上要確定以下2個目標：

(1)核心機房的主要設施、核心網絡設備及整體拓撲、數據庫主機系統、核心應用層，必須搭建冗余架構及應急響應機制，特別要提醒設備控制系統的冗余架構部署。

(2)小區域的故障不影響系統整體運行，合理有序的管理系統能盡快定位故障源，縮短修復時間。

3.4.4 工控網絡安全

自動化集裝箱碼頭應用了大量自動化控制系統，并與信息化系統高度融合，整個工控系統已從原來封閉、孤立的系統轉變為開放、互聯的系統，在實現遠程控制與維護的同時，也面臨著嚴重的網絡安全威脅，因此必須從管理和技術兩方面加強自動化碼頭工控系統的安全防護，達到關鍵信息基礎設施網絡安全等級保護三級。這方面的工作應該在系統設計之初就予以考慮，與網絡建設同步進行，并要持續運維。

4 結語

以某自動化集裝箱碼頭為背景，闡述了其智能生產管控系統建設的特點及其系統建設的主要內容。多年實際運行情況表明，該系統結構合理，技術成熟，可為同類自動化集裝箱碼頭智能生產管控系統建設提供參考。