全自動智能堆場管理系統淺析

紀輝

（山東朝輝自動化科技有限責任公司，山東 青島 266000）

近年來，隨著物流業的發展，港口碼頭堆場的工作范圍和規模進一步擴大，傳統的人工作業效率成果已經難以滿足實際需要，與此同時，由于堆場的作業線生產模式的限制，單個設備的問題極有可能造成整體性的影響。為規避上述局限問題，采用全自動智能堆場管理系統進行港口堆場的高效調度和生產操作則成為一項重要的研究內容，應對此予以重點探究。

1 全自動智能堆場管理系統的主要目標及需求分析

1.1 基本業務需求

從目前的實際情況來看，港口碼頭堆場的管理工作主要分為以下幾方面的內容：（1）貨物位置的準確性，其主要指各類貨物的堆放和運輸均需要有明確的位置，確保堆場管理人員和貨主能夠快速實現對目標貨物的定位，以及對貨物屬性信息（如數量、種類等）的快速識別；（2）堆場利用的規劃性，其主要指堆場空間布局的合理規劃，根據堆場的實際情況，對各類貨物所處的位置予以合理的統籌安排，避免出現局部擁堵或空置等情況；（3）堆場管理的高效性，其主要指數據信息能夠在各個模塊中快速生成，減少人工參與環節，提升管理效率；（4）堆場管理的實效性，其在實際管理工作中，各類數據信息應當實時顯示，并支持查看歷史數據，確保實現更為科學的管理，并提升管理工作的安全系數；（5）堆場管理的低碳環保性，系統應當實現對堆場資源的合理調配，確保水資源和電能等的節約應用。

1.2 主要建設目標

結合上文所提及的系統基本建設需求，全自動智能堆場的建設管理目標主要可分為以下兩個方面：一方面是要基于高效率的系統架構模型，對堆場內各個功能模塊予以高度整合，實現數據的互聯互通，以及各個功能模塊之間的協調運行。另一方面，該系統應當實現對整體流程的實時監控，推動堆場工作的自動化和智能化發展，滿足實際工作需要。

2 全自動智能堆場管理系統的整體架構

2.1 系統基本架構

考慮到實際需求和建設目標，在全自動智能堆場管理系統的基本架構設計中，設計人員通常以物聯網技術為基礎，融入3D GIS 功能實現可視化設計，確保堆場內各個功能模塊和管理系統時間實現實時的數據共享。同時，為確保后期功能拓展的需要，在系統架構設計中也通常融入“模塊化”的理念進行設計。

具體來看，在全自動智能堆場管理系統中，其基本架構通常分為以下四個層級：（1）數據傳感層，也是整個架構最基礎的一個層級，其主要基于各類傳感器元件，對堆場的各種設備的數據信息進行采集；（2）網絡傳輸層，其主要基于TCP/IP 協議，將傳感器采集的數據傳輸至數據庫中，再進一步傳輸至中心服務器集群中，實現對數據的初步處理；（3）信息監控平臺層，該層級的功能模塊相對較多，能夠實現靜態和動態兩方面的信息監控，其中前者主要指堆場的基礎地形和固定基礎設施兩部分，后者則對堆場貨物的堆放、傳送和裝卸等多種要素進行實時監控，以上兩方面的監控數據均集中于數字平臺上予以顯示；（4）終端應用層，其主要基于3D GIS 軟件平臺，實現堆場運行狀態的可視化，實時查看堆場的運行情況，并根據實際情況給出相應的干預措施。

2.2 系統數據庫

數據庫在該堆場管理系統中同樣發揮著不可或缺的作用，其在很大程度上決定著系統的應用效率。一方面，考慮到這一情況，在系統數據庫的實際設計工作中，設計人員通常采用MySQL2019 進行數據庫的設計，在實際過程中，結合功能上的需要，通常采用如表1 的數據表。

另一方面，在實際的數據庫設計環節中，為確保數據庫的安全性，設計人員將數據庫文件系統設置于云端，并采用RAS 或AES 等加密方法，對數據庫中的數據進行加密設計。

3 全自動智能堆場管理系統可實現的主要功能模塊淺析

3.1 散貨信息管理模塊

在堆場中通常存在多種類型的散貨，這些散貨規模較小，但在以往的堆場中通常占據過多的堆放面積。為規避這一問題，就需要引入散貨信息管理模塊，對各種散貨信息實現并堆，確保貨物智能布局，提高堆場運轉效率。為實現此模塊的設計，設計人員通常根據散貨管理過程中的貨號、單號和組號等信息，構建基于多屬性維度的散貨堆場計劃模型，以提升散貨堆場容積，實現堆場利用效率的進一步提升。具體來看，該模型通常基于動態的聚類算法加以實現，在算法設計環節中，則通過以下幾個步驟進行：（1）基于原始數據，建立對象鏈表objectList，確定大致分類數及初始類中心，并確定兩類合并的臨界距離及計算密度所用半徑d1，以及建立新的類中心的最小臨界距離d2（d2 始終大于d1）；（2）輸入d1 和d2 的值，計算密度并降序排序，選取排序后的第一個對象作為初始類中心，逐個引進其余對象，計算其與初始類中心的距離，距離大于d2 的對象則作為新的類中心，以此進行計算，最終得到m 個類中心；（3）對非類中心的對象進行聚類，而后計算各類之間的距離，并進行進一步合并操作，直至所有聚類間的距離均降至d1 以下；（4）以每個類中心代表一類，基于距離最近原則，對全部n 個對象重新進行聚類，以完成聚類算法。

3.2 差分車載智能終端模塊

差分車載智能終端模塊以堆場的可視化管理為基礎，其重點對堆場貨物的安全性展開管理，其集成了ARM 處理器、GPS 模塊、GPRS 模塊、語音模塊和其他硬件設施等，其中，ARM 處理器采用嵌入式系統進行功能開發，GPS 模塊主要用于對堆場內各類要素的精準定位，GPRS 模塊則用于通信功能，其他硬件設施均為工業級，其重點在于提升對外界不利環境的應對能力。

在實際應用中，為實現對指令的實時處理，該模塊的基本操作流程如下：（1）模塊對本地配置文件進行讀取，根據配置文件中的服務器IP 地址和通信端口，與GPRS 模塊建立連接；（2）系統對GPS 定位坐標信息的實時讀取，并將這些信息發送給GPRS 模塊，再由GPRS 模塊將信息發送給ARM 處理器；（3）ARM 處理器對信息處理后，控制硬件設備操作，完成指令的實時處理。

3.3 智能管控模塊

智能管控模塊主要以物聯網技術架構為核心，輔以RFID 和差分GPS 等技術，實現對堆場的可視化管理，這種管理在精準度上更具優勢。具體來看，在該模塊的實際應用中，主要基于以下幾方面的技術加以實現：（1）差分定位技術（DGPS），其主要在GPS 技術的基礎上利用差分技術進行優化，實現定位精度的進一步提升。（2）GIS（地理信息）技術，基于這項技術，可在計算機中形成碼頭堆場的電子地圖，由此碼頭堆場的各類要素及布局也就一目了然，當然，受到技術水平的限制，當堆場因主客觀因素影響而需要調整時，需要由工作人員手持終端設備進行“跑垛”處理，以實現地圖要素信息的更新。（3）機械動態監控及調度相關技術，此類技術主要基于車載終端設備，對涉及的機械設備進行快速定位，此環節通常基于RFID 電子標簽進行識別和定位，并基于無線通信模塊和PLC 模塊，發送相應的生產作業指令，確保機械設備能夠按照要求完成裝卸作業，避免作業分布不均勻等問題的產生。（4）堆場作業的安全管理模塊，該模塊通常通過數據比對的方式，對機械設備的作業指令及動態參數進行校驗，并設定安全閾值，當機械設備部分運行參數超出安全閾值時，其即可發出警告信號，帶動其他模塊對機械設備的運行參數進行干預和調整，以此確保現場作業的安全。

3.4 搬倒疏運模塊

在搬倒疏運模塊中，通過在現場機械上安裝GPS 終端，中控室方面即可實時獲取堆場各類機械設備的運行情況及具體位置，以實現對機械設備的合理調整。同時在該模塊中，進行搬倒疏運作業的車輛設備均配備RFID電子標簽，在進出堆場時，系統將對其標簽信息進行自動識別，校驗無誤后即可放行，從理論上而言，其對于提升搬倒疏運的效率和質量均發揮著重要作用。為進一步提升搬倒疏運模塊的運行效率，研究人員也進行了大量的研究，考慮到作業機械之間存在相互制約的情況，因此，在該模塊的設計中，通常引入搬倒作業控制算法進行效率的提高，其中的重點則是單機效率的提升（即單個裝卸機械設備的效率），因此，在算法的設計中，通常首先設定裝載機與自卸車的數量比例為自變量，以此構建函數，并對此分別求偏導數，令偏導數的值為0，此時，所對應的裝卸機與自卸車比例數值即為最優解，進而確定搬倒疏運模塊中裝卸機和自卸車的數量。

3.5 系統管理模塊

在全自動智能堆場管理系統中，系統管理模塊的核心內容則是用戶的權限管理部分，由于用戶的需求不同，且堆場管理方存在著不同的職能，因此，需要對各類權限進行分別設置。在該模塊下，用戶必須注冊賬號并輸入正確的賬號密碼后，方可登錄系統進行訪問，這種設計方法將有效提升系統的安全性。在此基礎上，為進一步提高系統的安全性，在系統設計過程中，設計人員通常對用戶密碼設計進行優化，如采用密碼加密算法，構建數字和大小寫字母的混合密碼模式，并確保密碼長度在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，密碼是用戶登錄系統平臺的主要依據。當用戶登錄系統平臺后，一方面，根據用戶身份的不同，平臺將對用戶賦予其應有的操作權限，避免出現非法訪問等情況。另一方面，為實現對相關用戶賬戶行為的管理，設計人員通常會采用get_user_monitor_data(self)函數進行監控，以實時查看用戶的操作行為，避免用戶出現非法操作等問題。

4 全自動智能堆場管理系統的未來發展展望

當前，全自動智能堆場管理系統的發展尚屬于初級階段，其仍然有著較高的發展空間。預計，隨著科學技術的進一步發展，全自動智能堆場管理系統在未來也將取得進一步的發展，從而發揮更大的作用。具體來看，在未來發展中，全自動智能堆場管理系統將在以下兩個方面取得進一步發展。

（1）發展的“多元化”特點，由于全自動智能堆場管理系統的模塊化特點較為突出，因此，未來該系統將根據堆場工作的不同需要，呈現出多元化發展的態勢，結合具體工作需要推出更多的非標定制的功能模塊，以及這些設備模塊中的新功能，都將得到進一步開發，預計，該系統未來將迎來通用與定制化需求相結合的多元化發展格局。

（2）“數字孿生”技術方法的進一步推進應用。在這種技術模式下，其能夠對堆場整體系統進行數字化精確建模和狀態信息的實時傳感。在此基礎上，其可進一步建立傳感數據與數字化模型的連接映射，使得數字化模型能夠實時、真實反映物理系統在現實世界的行為，并通過人工智能算法實現對系統當前狀態的精確分析和未來狀態的科學預測。預計，隨著這種技術方法的應用，未來的堆場管理工作將更具“前瞻性”，從而進一步提高系統管理的效率和質量。

5 結語

總而言之，當前全自動智能堆場管理系統還是一個較為新興的概念，其應用有待于進一步推進，對于這方面的技術及理論研究還有著較大的發展空間。因此，在今后的工作中，應當始終結合堆場方面工作的動態發展變化，在算法和系統架構設計等多個領域對系統的功能模塊做進一步的優化設計，不斷突破當前技術層面的限制，納入更多的相關要素，以實現全自動智能堆場管理系統的高效應用。