曹洪岐，董席亮

(天津港中煤華能煤碼頭有限公司 天津300452)

應用技術(shù)

面向全自動散貨碼頭的智能裝船成套技術(shù)及其應用

曹洪岐，董席亮

(天津港中煤華能煤碼頭有限公司 天津300452)

運用智能控制技術(shù)及高速通訊技術(shù)等多種先進技術(shù)，針對岸邊裝船機、取料機、水平運輸系統(tǒng)、計劃調(diào)度系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等散貨碼頭裝船作業(yè)過程中的關鍵環(huán)節(jié)，對散貨碼頭的裝船作業(yè)線進行智能化改造，設計了散貨碼頭一體化智能裝船系統(tǒng)，并最終成功將其應用于天津港散貨碼頭實際裝船生產(chǎn)中，保障港口始終具備大型化船舶的停靠能力，提高大型散貨裝卸設備在各種情況下的自動化水平，完善港口裝卸作業(yè)過程，節(jié)約綜合運營成本，推動未來散貨港口加快擺脫傳統(tǒng)勞動密集型企業(yè)的特征，逐步朝著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、創(chuàng)新型港口方向發(fā)展。

散貨碼頭 智能化 裝船機 智能控制

0 引 言

隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，國際干散貨(如煤炭、糧食、金屬礦石等)的運輸量迅速增長。據(jù)統(tǒng)計，2011年我國港口干散貨吞吐量已經(jīng)達到58.55億 t，占港口吞吐總量比重為58.3%,；2012年受經(jīng)濟放緩影響，干散貨吞吐量與2011年基本持平；2013年，我國干散貨吞吐量超過60億 t。[1-3]隨著貨運量的增加，運輸船舶大型化越來越明顯，船舶結(jié)構(gòu)也向復雜化方向發(fā)展。同時，碼頭與裝卸設備也日趨大型化和專業(yè)化。目前，國外大型散貨碼頭的裝船設備效率可達10,000,t/h，國內(nèi)裝船設備效率也已達到8,000,t/h以上，單船作業(yè)能力高達10,000,t/h以上。[4-5]港口裝卸設備操作人員的工作強度已達到了緊張的水平，雨、風、霧、雪、陰霾等自然環(huán)境因素進一步加劇了這種緊張狀態(tài)，甚至使其超出了人的生理極限，導致裝卸作業(yè)無法進行。統(tǒng)計表明，大、中型碼頭每年由此引起的作業(yè)停止時間平均可達15～30,d，經(jīng)濟損失巨大。[6-7]

散貨碼頭作業(yè)系統(tǒng)是一個連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)，它由一系列裝卸設備組成，包括：抓斗卸船機、皮帶運輸機、堆料機、取料機、裝船機等，任何一個環(huán)節(jié)停止作業(yè)都可能導致整個散貨碼頭作業(yè)系統(tǒng)的中斷甚至癱瘓。[8-9]為了使專業(yè)化散貨碼頭實現(xiàn)高強度、全天候連續(xù)作業(yè)，業(yè)內(nèi)迫切要求實現(xiàn)散貨碼頭裝卸設備的自動化。然而，由于散貨碼頭作業(yè)環(huán)境較差，散貨物料具有一定的流動性，而且浪、涌具有隨機不確定性，大型散貨船舶在作業(yè)時船體位置會發(fā)生復雜變化，因此普通裝卸設備的自動化控制無法達到這一作業(yè)要求。[10-12]針對專業(yè)化散貨碼頭的發(fā)展需求，本文提出了面向全自動散貨碼頭的智能裝船成套技術(shù)的智能裝船系統(tǒng)。這種智能裝船系統(tǒng)通過多機器視覺的信息融合，充分考慮了散貨碼頭嚴苛的裝卸工藝要求以及天氣、環(huán)境對裝卸作業(yè)過程帶來的不利影響，確保裝卸設備在自動化作業(yè)的過程中具備自主感知、自主識別、自主決策以及自主控制能力，對碼頭各種作業(yè)環(huán)境、作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)對象實現(xiàn)實時感知、識別、決策及控制，從而保證港口始終具備大型化船舶的?？磕芰?，提高大型散貨裝卸設備在各種情況下的自動化水平，完善港口裝卸作業(yè)過程，節(jié)約綜合運營成本，使未來散貨港口加快擺脫傳統(tǒng)勞動密集型企業(yè)特性，逐步朝著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、創(chuàng)新型港口方向發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

散貨碼頭一體化智能裝船系統(tǒng)主要包括4個智能模塊，分別為智能作業(yè)計劃及調(diào)度系統(tǒng)、智能取料機及水平運輸系統(tǒng)、智能岸邊裝船機以及作業(yè)線智能安全防護系統(tǒng)，如圖1所示。它們分散在散貨碼頭裝船作業(yè)的所有環(huán)節(jié)中，與作業(yè)的各個環(huán)節(jié)融為一體，可為智能裝船作業(yè)的可靠、高效進行提供有力保障。

圖1 散貨碼頭一體化智能裝船系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of integrated intelligent loading system for bulk cargo terminal

2 系統(tǒng)智能模塊

2.1 智能作業(yè)計劃及調(diào)度系統(tǒng)

智能作業(yè)計劃及調(diào)度系統(tǒng)是整個智能裝船系統(tǒng)的控制中心。在裝船作業(yè)之前，該系統(tǒng)充分分析泊位利用率、作業(yè)機械效率、經(jīng)濟效益以及機械維修保養(yǎng)時間等因素，制定出綜合較優(yōu)的作業(yè)計劃，包括泊位計劃以及配工計劃等。在裝船作業(yè)過程中，該系統(tǒng)獲取現(xiàn)場裝船機、取料機等作業(yè)執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)信息，智能決策出高效的作業(yè)計劃及作業(yè)指令，并通過高速通訊技術(shù)下達給現(xiàn)場執(zhí)行系統(tǒng)。

智能作業(yè)線計劃和調(diào)度系統(tǒng)旨在根據(jù)碼頭當前作業(yè)的實際情況，結(jié)合不同的選型參數(shù)進行綜合比較，確定適合特定碼頭的作業(yè)機械選型方案及作業(yè)流程。該系統(tǒng)具備作業(yè)系統(tǒng)自學習能力和作業(yè)線多機協(xié)同智能作業(yè)能力，包括智能排船系統(tǒng)及智能配工系統(tǒng)。

智能排船系統(tǒng)研究煤碼頭排船與配工的混合整數(shù)規(guī)劃模型與啟發(fā)式算法，通過對煤碼頭的現(xiàn)行工藝流程、堆場分配原則和裝卸機械設備特征的詳細分析，提取了排船與配工作業(yè)的詳細規(guī)則，構(gòu)建了排船與配工作業(yè)的混合整數(shù)規(guī)劃模型，并設計了相應的啟發(fā)式算法，最后構(gòu)建了散貨物流組合生產(chǎn)仿真模型，驗證了組合生產(chǎn)的節(jié)能效果。

圖2 智能排船流程圖Fig.2 Flow chart of intelligent vessel arrangement

圖2為智能排船系統(tǒng)工作流程。在該流程中，首先要獲取計劃時的在泊船舶數(shù)據(jù)，同時讀取生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中的船舶代碼數(shù)據(jù)，構(gòu)建船舶選擇模塊中的船舶選擇庫，供排船計劃員選擇計劃時段內(nèi)可作業(yè)的船舶。排船系統(tǒng)用于選擇在計劃時段內(nèi)使煤碼頭完成擬定目標的船舶集合，根據(jù)船舶是否引水、靠泊方向等靠泊要求并利用相關的靠泊規(guī)則指定所有船舶的靠泊時間、靠泊位置、系纜位置、離泊時間。最后將計算結(jié)果可視化呈現(xiàn)，呈現(xiàn)方式為二維坐標圖，橫軸為樁位、縱軸為時間，界面上能夠顯示船的具體信息(系纜的位置、離最近纜的距離、船名等)，如圖3所示。

圖3 智能排船系統(tǒng)決策結(jié)果顯示界面Fig.3 Decision result display interface of intelligent ship arrangement

智能配工系統(tǒng)根據(jù)智能排船系統(tǒng)自動設定的船舶動態(tài)計劃，提供一份碼頭機械配置、作業(yè)時間等計劃。該系統(tǒng)通過分析煤碼頭的到船和作業(yè)現(xiàn)狀，找出了煤碼頭傳統(tǒng)人工作業(yè)方式耗費時間長、無法保證合理性等問題原因，并將決策支持系統(tǒng)從集裝箱碼頭引入煤碼頭的生產(chǎn)作業(yè)計劃，為煤碼頭生產(chǎn)調(diào)度人員提供了一種快速、智能化的配工方法。

智能作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)對散貨碼頭的裝船機、取料機、調(diào)度中心之間作業(yè)的運控模式及信息流轉(zhuǎn)等成套技術(shù)進行研發(fā)，以高效、智能為原則，與散貨碼頭智能作業(yè)流程線相配合，實現(xiàn)調(diào)度中心操作員獲得智能排船機配工系統(tǒng)生成的配工計劃，選擇裝取作業(yè)流程線，一鍵啟動作業(yè)流程，并在調(diào)度中心對裝船機、取料機的實時作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)參數(shù)等進行遠程監(jiān)控，自動遠程下發(fā)裝船機、取料機各相關作業(yè)動作指令，所有進行智能化裝取流程線的船舶信息、配工計劃、作業(yè)運行參數(shù)、發(fā)送指令等都保存進歷史數(shù)據(jù)庫，使流轉(zhuǎn)的信息高效化、準確化、實時化、無紙化。

2.2 智能取料機及水平運輸系統(tǒng)

智能取料機及水平輸送系統(tǒng)借助激光雷達陣列和傳統(tǒng)傳感器集群等多種信息化技術(shù)，引入了許多操作人員的取料經(jīng)驗及規(guī)則，并通過這些經(jīng)驗及規(guī)則自動決策每次取料任務時取料機各機構(gòu)的執(zhí)行動作，在保證安全的同時使作業(yè)效率最大化，實現(xiàn)全天候常規(guī)工藝條件下的全自動作業(yè)。同時，智能水平輸送系統(tǒng)根據(jù)取料流量以及裝船效率，實時調(diào)整物料的傳送速度，減少非作業(yè)時間，提高整體作業(yè)效率。

智能取料機由后臺內(nèi)置工藝控制的控制器引導其智能進行取料作業(yè)。通過人機界面，操作員把相應的作業(yè)參數(shù)輸入人機界面，人機界面將該位置值轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)寫入取料機PLC，同時啟動PLC發(fā)出脈沖。PLC計算當前位置與指令位置的變差，得到相應的動作脈沖。在取料機智能化動作過程中，PLC實時檢測位置值，檢測動作是否到位，如在偏差范圍外，立即修正。

圖4為智能取料機系統(tǒng)的軟件界面。

圖4 智能取料機系統(tǒng)軟件界面Fig.4 Software interface of intelligent reclaimer system

斗輪取料機在取料時采用以回轉(zhuǎn)為主的分層取料和以走行為主取料的方法。取料作業(yè)時，取料機的斗輪必須接觸到物料，加上大車、回轉(zhuǎn)、俯仰都有運動，既要保證作業(yè)生產(chǎn)率又要兼顧安全，防止設備過載、結(jié)構(gòu)變形，防止料堆塌方。

智能水平輸送系統(tǒng)旨在根據(jù)前后端裝船機和斗輪機作業(yè)狀態(tài)，實時調(diào)節(jié)物料傳送速度等參數(shù)及根據(jù)人工智能散貨自主作業(yè)控制策略，提前控制機構(gòu)動作，減少非作業(yè)等待時間，提高整體作業(yè)效率。在智能化裝船作業(yè)過程中，通過預測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個智能化作業(yè)系統(tǒng)的預測控制，提高皮帶水平運輸效率。

例如，裝船機在智能化進艙降落大臂過程中，程序計算出最低作業(yè)角度后，當大臂降至15 °以下即自啟作業(yè)流程，并將計算出的最低作業(yè)角度反饋至調(diào)度中心操作員，操作員可根據(jù)作業(yè)規(guī)程選擇符合該作業(yè)角度的取料作業(yè)流量，提前進行智能化取料作業(yè)。當裝船機大臂降至最低作業(yè)角度，可直接進行作業(yè)時，物料已提前進入皮帶輸送系統(tǒng)中，實現(xiàn)了預測控制，節(jié)省了原本手動作業(yè)時的等待準備時間，提高了作業(yè)效率。流程如圖5所示。

圖5 預測控制案例實現(xiàn)流程Fig.5 Implementation process of predictive control case

2.3 智能岸邊裝船機

智能岸邊裝船機是對現(xiàn)有人工手動裝船作業(yè)模式的智能升級，它充分考慮了操作人員、看艙人員、船方代表嚴苛的作業(yè)工藝要求以及天氣、環(huán)境給作業(yè)過程帶來的不利影響，確保作業(yè)設備能在智能化作業(yè)的過程中具備智能決策以及智能控制能力，對岸邊裝船機各種作業(yè)環(huán)境、作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)對象實現(xiàn)實時控制。

智能岸邊裝船系統(tǒng)主要通過激光雷達及輔助傳感器設備來感知船只、船艙特征，結(jié)合裝船作業(yè)量及配工計劃等信息，自主制定船舶的裝船策略，并依照該策略自動完成裝船任務。其裝船作業(yè)如圖6所示，

圖6 智能岸邊裝船機作業(yè)流程Fig.6 Operation process of intelligent shore loading machine

主要包括以下幾個步驟：

①利用激光雷達配合裝船機大車機構(gòu)行走，在自動作業(yè)之前掃描出船舶的整體輪廓，識別出船舶中的作業(yè)區(qū)域(船艙)，該步驟又稱尋船。②根據(jù)尋船后對船艙的定位，移艙時自動移至相應作業(yè)船艙的中心位置，同時防止降落大臂時溜桶與船艙發(fā)生碰撞。③實現(xiàn)溜桶進、出艙全智能控制，進艙自動降落大臂至作業(yè)角度，進艙完成后可直接等待作業(yè)命令；出艙自動升起大臂至司機選定角度，司機確認能安全移艙后可進行智能化移艙。④實現(xiàn)智能化單艙作業(yè)。智能化單艙作業(yè)根據(jù)后臺程序設定的落料工藝進行智能化作業(yè)，實時控制船艙內(nèi)落料點的轉(zhuǎn)換。

由于智能裝船機在單艙自動作業(yè)過程中嚴格遵循指定的工藝規(guī)則，同時又能夠通過各種傳感器設備實時獲取船舶以及料堆的狀態(tài)信息，所以船艙中的料堆較對稱、平整，適合人工調(diào)水及船舶離港。圖7為智能裝船機實際鋪料效果圖。

圖7 智能裝船機實際鋪料效果圖Fig.7Effect drawing of actual loading of the intelligent loading machine

同時，通過智能岸邊裝船機遠程無線監(jiān)控終端，使碼頭管理人員既能夠?qū)χ悄馨哆呇b船機生產(chǎn)作業(yè)的信息進行監(jiān)控，又可以對智能岸邊裝船機某些關鍵動作決策進行最終確認，如圖8所示。

圖8 智能岸邊裝船機遠程無線監(jiān)控終端Fig.8Remote wireless monitoring terminal for intelligent shore loading machine

2.4 作業(yè)線智能安全防護系統(tǒng)

作業(yè)線智能安全防護系統(tǒng)是智能裝船系統(tǒng)能夠安全、可靠、高效運行的有力保障，其運用多源傳感器技術(shù)、圖像識別技術(shù)等手段，將生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場中需要監(jiān)視的區(qū)域或狀態(tài)納入自身的監(jiān)控范圍。一旦檢測到各種異常狀態(tài)，會立刻啟動異常響應策略，將狀態(tài)信息發(fā)送給智能作業(yè)機械，以輔助作業(yè)機械安全完成作業(yè)任務，并傳送到監(jiān)控中心以詢問監(jiān)管人員是否需要人工干預。

智能散貨裝船作業(yè)幾乎是在無人監(jiān)管的情況下進行的，因此安全保護，尤其是機械區(qū)間防碰撞安全監(jiān)控顯得尤為重要。作業(yè)線安全防護系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準確地區(qū)分和快速識別各種目標單元，能夠?qū)崿F(xiàn)對作業(yè)機械的全天候、全天時、高精度、高可靠的定位功能，并能對作業(yè)機械間的相互碰撞提供防護和預警，提高安全保護。

機械區(qū)間防碰撞安全監(jiān)控包括兩個方面：①作業(yè)機械與船艙及作業(yè)機械與煤料堆間的碰撞監(jiān)控，采用主動防碰方式；②作業(yè)大機之間互相防碰撞監(jiān)控，采用被動防碰撞方式。

主動式防碰撞在智能化作業(yè)過程中，散貨裝船系統(tǒng)根據(jù)對所有作業(yè)機械的作業(yè)狀態(tài)，如走行位置、大臂角度、旋臂位置、溜筒角度、船艙深度等數(shù)據(jù)進行融合及邏輯運算，監(jiān)測智能化作業(yè)過程中可能發(fā)生的碰撞，提前發(fā)出相應的報警、提示或糾正操作。在智能散貨裝船系統(tǒng)生成智能化作業(yè)工藝路徑時，在工藝設計中留有安全距離及安全措施，防止作業(yè)機械與船艙或者作業(yè)機械與煤堆等發(fā)生碰撞。

被動式防碰撞主要通過作業(yè)機械上架設的智能安全防護系統(tǒng)等實現(xiàn)作業(yè)機械之間或作業(yè)機械與船體互相防碰撞監(jiān)控，用于實現(xiàn)對作業(yè)機械的全天候、全天時、高精度、高可靠的定位、導航、測速等功能，并實時提升各作業(yè)機械的相對位置，提高安全保護水平。

天津港中煤華能煤碼頭岸邊裝船機上架設的智能安全防護系統(tǒng)的設備安裝如圖9所示，其通過激光雷達對防護區(qū)域內(nèi)的對象做出精確掃描及識別，從而有效規(guī)避可能的風險。

圖9 智能安全防護系統(tǒng)設備安裝位置Fig.9Installation locations of intelligent safety protection system equipment

3 試驗結(jié)果

散貨碼頭一體化智能裝船系統(tǒng)已在天津港中煤華能煤碼頭進行了連續(xù)數(shù)月的試運行，期間多次試驗了各個組合生產(chǎn)模塊系統(tǒng)，已逐步完善了各閾值的設定，優(yōu)化了算法，并在2013年4月通過天津港技術(shù)中心驗收評審。在多次的智能散貨裝船系統(tǒng)組合生產(chǎn)試驗中，對裝船機整船智能化作業(yè)跟蹤測試，具體測試結(jié)果如表1所示：

表1 智能散貨裝船系統(tǒng)裝船作業(yè)記錄Tab.1 Loading record of intelligent bulk loading system

表1為某36,000,t散貨船舶裝船作業(yè)在天津港中煤華能煤碼頭連續(xù)兩年的作業(yè)記錄。其中從2011年10月4日～2012年12月28日間的4次裝船作業(yè)為手動作業(yè)方式，而在2013年3月13日則使用智能裝船系統(tǒng)對其進行自動化裝船作業(yè)。通過比較發(fā)現(xiàn)，近兩年間該船舶在天津港每次作業(yè)量基本一致，而采用智能散貨裝船系統(tǒng)進行自動化裝船作業(yè)后，由于系統(tǒng)各模塊間的協(xié)同作業(yè)以及可靠精確的安全防護能力，使得作業(yè)時間極大縮減。智能裝船作業(yè)后，船艙內(nèi)物料較平，四周稍高，中間稍低，兩邊向中間層層推進，這也減少了調(diào)水時間，使調(diào)水時間控制在30,min左右。智能安全防護系統(tǒng)在提高移艙環(huán)節(jié)安全性的同時，略微犧牲了移艙速度，造成移艙時間增加?？紤]裝船作業(yè)量及作業(yè)總時間，能夠簡單計算出各裝船記錄中的作業(yè)效率。在前4次手動裝船中，效率最高時能夠達到2,636,t/h，而最低時只有1,871,t/h，4次平均裝船作業(yè)效率為2,219,t/h。而使用智能裝船系統(tǒng)后，整體平均作業(yè)效率能夠達到2,818,t/h，與前4次手動裝船平均效率相比提高了27%，與最佳時候的手動作業(yè)相比，效率提高了7%,。

4 結(jié) 語

當前，在世界港口開始由第3代港口過渡到第4代智慧港口的過程中，已有不少集裝箱碼頭完成了智能化改建并得到實際運行。而散貨碼頭鮮有智能碼頭的解決方案，因此天津港務集團智能散貨裝船系統(tǒng)成套技術(shù)應用及研究項目十分具有前瞻性。通過智能散貨裝船系統(tǒng)的前臺智能岸邊裝船機、后臺智能取料機和水平運輸系統(tǒng)及中控智能作業(yè)計劃與調(diào)度系統(tǒng)的多系統(tǒng)技術(shù)融合，組成了智能散貨裝船系統(tǒng)的成套技術(shù)，跨出了散貨碼頭智能化的第一步，具有現(xiàn)實意義。

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Complete Set Technology of Intelligent Loading for Full Automatic Bulk Cargo Terminal and Its Application

CAO Hongqi，DONG Xiliang
(Tianjin Port China Coal Hua’neng Coal Terminal Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China)

Using intelligent control technology，high speed communication technology and other advanced technologies，a bulk cargo wharf loading operating line was intellectually reconstructed in its key links，including shoreside loading machine，reclaimer，horizontal transportation system，planning and scheduling system，security systems and other bulk cargo wharf loading operation processes.In addition，a bulk terminal integrated intelligent shipping system was designed，which has been applied in actual shipment production in Tianjin Port bulk cargo wharf to ensure the large ship docking capacity，improve large bulk cargo handling equipment in all automation levels and improve the port loading and unloading process，save operating costs，and gradually develop it towards a resource-saving，environment-friendly and innovative port.

bulk cargo terminal；intelligent；loading machine；intelligent control

TP20

：A

：1006-8945(2016)04-0048-06

2016-02-22