蔡永豐

摘? ?要：為了優(yōu)化集裝箱碼頭的能源管理，提高碼頭的用能效率，企業(yè)層面的能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)亟待構(gòu)建。文章通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能等設(shè)計，提出碼頭能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)建設(shè)整體方案。文章以大型企業(yè)數(shù)據(jù)庫—能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)為管理數(shù)據(jù)源，系統(tǒng)采用B/S 方式，Web 服務(wù)器充當信息門戶，來實現(xiàn)能源管理模式的數(shù)據(jù)化，以客觀的數(shù)據(jù)、合理的解析算法為考核的基礎(chǔ)，以能源管理為主線，以績效管理為目標，以設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境變動檢測等解析表單為輔助工具，建立完善的能源及生產(chǎn)作業(yè)管理機制。目前，碼頭能源管理得到了系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)支撐，管理效率大大提升。

關(guān)鍵詞：港口;集裝箱碼頭;能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)

能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)（Energy Management Systeam，EMS）是以碼頭企業(yè)生產(chǎn)管理、節(jié)能管理、環(huán)境管理為基礎(chǔ)，以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等有關(guān)信息化技術(shù)為依托，構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的綜合性管理系統(tǒng)，實現(xiàn)碼頭主要用能設(shè)備設(shè)施等能耗情況和港區(qū)范圍內(nèi)環(huán)境狀況的實時監(jiān)測。通過對設(shè)備設(shè)施的能耗和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)情況進行精細化的統(tǒng)計和分析，生成多種數(shù)據(jù)報表，并且可根據(jù)碼頭實際情況構(gòu)建的模型，提供節(jié)能環(huán)保減排的建議，同時借助現(xiàn)場的控制器，實施管控平臺發(fā)出的智能決策以降低碼頭整體運維能耗和保持碼頭整體的環(huán)境優(yōu)良，并對各種節(jié)能措施的節(jié)能環(huán)保效果進行評測，通過分析，得到不同條件下最優(yōu)的節(jié)能環(huán)保措施和解決方法，不斷迭代，提高生產(chǎn)管理、能源能效管理、環(huán)境管理的工作效率和水平。以構(gòu)建碼頭能效管理和環(huán)境監(jiān)測的一體化為首要目的，最終實現(xiàn)“綠色碼頭”的愿景。

1? ? 問題分析

目前，集裝箱碼頭能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)存在系統(tǒng)功能單一、系統(tǒng)功能與企業(yè)管理體制不配套等問題。有些企業(yè)對能源管理認識有所偏差，不恰當?shù)販p少能源的使用，未對能源循環(huán)利用以及對控制能源生產(chǎn)成本的思考;或只重視技術(shù)層面上的管理，卻未考慮人的作用，適當?shù)穆毠す芾碇贫?、激勵制度、培訓制度等能夠與能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)相輔相成。故而，能源動態(tài)監(jiān)控及數(shù)字化管理系統(tǒng)的建立完善，能促使能源平衡趨于最優(yōu)，實現(xiàn)系統(tǒng)性、一體化的節(jié)能降耗管控。

能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)建設(shè)要對港區(qū)內(nèi)的現(xiàn)有耗能設(shè)備、計量儀器和通訊網(wǎng)絡(luò)進行更新改造，建立“分散采集、集中管理”的能耗管控網(wǎng)絡(luò)，收集生產(chǎn)作業(yè)中大量分散的用水、用電、用油等的能耗數(shù)據(jù)，采用智能采集匯總的方式，實現(xiàn)“實時監(jiān)測、自動匯總、靈活報表、動態(tài)分析”的能源及生產(chǎn)作業(yè)管理模式，提供實時及縱向數(shù)據(jù)分析、橫向比對功能，以發(fā)現(xiàn)能源消耗過程和用能結(jié)構(gòu)中存在的問題，通過對用能結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和管理，建立碼頭能耗評估管理體系，提高港口現(xiàn)有用能設(shè)備的效率，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

2? ? 系統(tǒng)架構(gòu)

能源及環(huán)境管理信息系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的采集、傳輸及分析通過4層實現(xiàn)：現(xiàn)場設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、數(shù)據(jù)集成層和應(yīng)用服務(wù)層，這4層通過各級通信網(wǎng)絡(luò)連接在一起。能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)場設(shè)備層具備運行狀態(tài)監(jiān)視功能和設(shè)備能耗測量。能耗設(shè)備包括龍門吊、橋吊、流機、高桿燈和冷藏箱等。現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備包括多功能電表、遠傳水表、油耗儀表等，儀表數(shù)據(jù)通過具備通信功能的RTU設(shè)備進行采集上傳，通過光纖、屏蔽雙絞線和無線通信等，向上一級數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中心傳輸測量值、信號量信息并執(zhí)行控制輸出?？梢酝ㄟ^通信管理機獲取設(shè)施部分已接入第三方系統(tǒng)儀表的數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)通信層是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的紐帶，完成數(shù)據(jù)集成層、應(yīng)用服務(wù)層與現(xiàn)場設(shè)備層之間的實時信息交換，完成智能設(shè)備的接入，實現(xiàn)通信物理介質(zhì)和規(guī)約的接入和轉(zhuǎn)換。通信接口層設(shè)備包括Modbus網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備，用于現(xiàn)場間隔層測量設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和接入，并與系統(tǒng)的監(jiān)控平臺實現(xiàn)快速穩(wěn)定的以太網(wǎng)通信。

數(shù)據(jù)集成層和應(yīng)用服務(wù)層由硬件設(shè)備（服務(wù)器、計算機等）和軟件（采集軟件、系統(tǒng)軟件、監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫等）構(gòu)成，是系統(tǒng)的控制中心，用于布置能源管理系統(tǒng)平臺，顯示人機界面，具備對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，并通過相應(yīng)權(quán)限對設(shè)備進行控制。

3? ? 系統(tǒng)功能

3.1? 用能實時數(shù)據(jù)

能源及生產(chǎn)作業(yè)管理需要準確、客觀的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。EMS系統(tǒng)旨在通過對能耗數(shù)據(jù)的收集和分析，因此，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集的功能，通過對碼頭的各能源數(shù)據(jù)采集，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、監(jiān)視、報警、分析、計算、統(tǒng)計的功能，能源及生產(chǎn)管控的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集。

3.1.1? 用能預(yù)警

數(shù)據(jù)的分析是整個能源在線監(jiān)管系統(tǒng)的核心部分，是在對港區(qū)采集的能耗、用電特征等信息進行深入分析與挖掘的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)港區(qū)用能的直觀展示，為用能策略的制定提供依據(jù)。

決策輔助功能是EMS系統(tǒng)自動根據(jù)以往的有效數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合生產(chǎn)系統(tǒng)任務(wù)分析，設(shè)備、設(shè)施用能和環(huán)境情況是否處于正常范圍內(nèi)，并進行提示預(yù)警。

當班用能預(yù)警通過監(jiān)控班組的用能、百箱轉(zhuǎn)場數(shù)、用電轉(zhuǎn)場比、移箱比等數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控生產(chǎn)用能科學性，提供操作部門適時調(diào)整資源。相應(yīng)的當班用能預(yù)警的輸出按照圖x的權(quán)重進行計算。

3.1.2? 當班單機用能預(yù)警

當班用能預(yù)警通過監(jiān)控班組的動作數(shù)、實際用能、用電量、用油量、轉(zhuǎn)場數(shù)及作業(yè)時間等數(shù)據(jù)，實時評估單機用能科學性，提供操作部門適時調(diào)整資源。相應(yīng)的當班單機用能預(yù)警的輸出按照權(quán)重進行計算。

3.2? 能源管理體系化

包括作業(yè)隊及個人季度及年度能源管理績效。用于能源管理的持續(xù)改進

3.2.1? 能源管理基準

建立能源管理基準和標桿是能源管理體系的一項基礎(chǔ)的、不可缺少的工作，依據(jù)所確定的基準、標桿進行能源績效的縱向比較和橫向比較。同時，基準和標桿也是確定能源目標的基礎(chǔ)。碼頭依據(jù)一定邊界條件和生產(chǎn)、設(shè)備正常狀態(tài)下一定時期的能源消耗和能源效率水平來確定能源基準。確定基準主要用于自身跨期比較，進而在綜合能耗方面確定、評價能源管理目標，評估能源績效。這里取2017年的綜合能源單耗實際值為基準。

3.2.2? 能源管理目標

能源目標是指所要實現(xiàn)的降低能源消耗、提高能源利用效率的總體要求。能源目標通常是定性的，針對某一具體的能源因素提出總體要求，而能源指標通常是定量的并且是可測量的，如用電量指標、用電轉(zhuǎn)場率指標、移箱率指標等。能源目標和指標通常是“內(nèi)外結(jié)合的比較要求”。碼頭在建立能源目標和指標時規(guī)定統(tǒng)計計算的方法、考核準則等。碼頭在總體及各部門層次上建立、實施和保持能源目標和指標，并根據(jù)能源使用的客觀變化，特別是主要能源使用變更時，例如：龍門吊油改電、龍門吊用電轉(zhuǎn)場等情況，這時應(yīng)適時更新或調(diào)整能源目標和指標，以適用變化的要求。碼頭每年進行一次能源管理目標的制定。

3.2.3? 能源管理參數(shù)

明確影響運行控制的績效參數(shù)，能源績效參數(shù)可以是直接測量的參數(shù)，也可以是模型計算獲得的參數(shù)模型，該系統(tǒng)選用操作比、移箱比例、萬箱轉(zhuǎn)場次數(shù)、用電轉(zhuǎn)場比例等作為能源管理參數(shù)。此類參數(shù)與監(jiān)控對象（如用能設(shè)備、用能系統(tǒng)）的能源績效水平密切相關(guān)。碼頭通過對能源績效參數(shù)的監(jiān)視和測量，可實時掌握能源績效水平，定期評估，尋找管理提升機會，采取控制措施，確保能源目標和指標的實現(xiàn)。

能源績效參數(shù)和能源基準是能源管理體系中相互關(guān)聯(lián)的兩個主要因素。能源績效參數(shù)的主要作用是量化整個碼頭不同部分的能源績效。能源基準的主要作用是比較一段時間內(nèi)的能源績效并量化能源績效的變化。

建立能源基準時，應(yīng)使用在基準期內(nèi)所收集的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，使用能源績效參數(shù)的測量值和能源基準對能源績效的變化進行評估，并評價能源績效參數(shù)和能源基準是否適用。能源績效參數(shù)和能源基準確定、使用和更新過程如圖2所示。

通常使用線性回歸等統(tǒng)計方法對能耗模型進行歸一或建模。用歸一化的能源績效參數(shù)和能源基準來計算能源績效的一般方法如圖3所示。將報告期內(nèi)的實際能耗與歸一化后的基準期能耗進行比較，則能夠得出能源績效的優(yōu)化情況。

能源績效參數(shù)模型通常都基于基準期的相關(guān)變量值來建立。能源績效參數(shù)（本例以每月龍門吊用能為例）模型可以用能耗與相關(guān)變量之間的數(shù)學關(guān)系來表達，如果采用線性回歸，可以采用表達式（1）：

式中：E為每月能源消耗，單位為tce/month;A為每月能耗基本負荷，單位為tce/month;B為單箱能耗，單位為tce/（month·teu）;P為每月箱量，單位為：箱量/月;C為月平均溫度每變化1℃的單箱能耗變化量，單位為tce/℃;ΔT為本月平均溫度變化量，單位為℃。A，B，C項來自線性或非線性回歸，或來自對一些基于工程理論的系統(tǒng)理解。同時，該模型公式應(yīng)能通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)的檢驗，可通過確定系數(shù)、變異系數(shù)或者方差等方式檢驗。公式中的獨立變量或者相關(guān)變量也應(yīng)是可統(tǒng)計的影響能耗變化的重要參數(shù)，為了評估他們的重要性，每個變量都應(yīng)滿足特定的統(tǒng)計學要求。

如果模型計算的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)差別很大.則需要進行檢查：

（1）相關(guān)變量可能缺失。（2）剔除離樣數(shù)據(jù)。（3）改變數(shù)據(jù)收集頻率和時期（例如每小時、每天，或者每月等）。

將報告期內(nèi)相關(guān)變量數(shù)值代入已建立的歸一化能耗模型，即得到歸一化后的基期能耗值，表達式見式（2）：

式中：ER為歸一化后的基期能耗值;A，B，C為同3.1式中的系數(shù);PR為報告期內(nèi)與箱量相關(guān)的測量數(shù)據(jù);ΔTR為報告期內(nèi)的月平均溫度變化測量數(shù)據(jù)。

為計算能源績效的變化，可將歸一化后的基期能耗值與報告期的實際能耗值進行比較，能耗的變化量可由式（3）計算：

式中：ΔE為能耗變化值;ER為歸一化后的基期能耗值;EA為報告期實際能耗值。這樣就能夠得出能源績效的改進情況。

3.3? 績效考核

績效管理需要有客觀、準確的數(shù)據(jù)支持。隨著對EMS系統(tǒng)的摸索應(yīng)用，EMS對于司機作業(yè)的管理已經(jīng)成為不可或缺的一部分，它所記錄的數(shù)據(jù)信息是死的，但通過對管理所需的數(shù)據(jù)分析，利用相應(yīng)的考核算法對作業(yè)隊及個人進行評分，提供有效的數(shù)據(jù)支持績效考核。

作業(yè)隊考核采取縱向考核即對各個作業(yè)隊各個季度及年度的能效進行考核的模式?？v向考核分析作業(yè)隊在不同時段的能效，有助于分析作業(yè)隊發(fā)展的階段和趨勢，使得團隊績效能夠持續(xù)提升。

機種司機個人考核采取橫向考核即對各個司機單耗進行比對的考核模式。橫向考核能使司機了解與其他司機的差異，從而引導全員養(yǎng)成學習思考的習慣，認識自己的長處與不足，避免認識上的局限與狹隘，培育職業(yè)人素質(zhì)，強化工作意愿，進而提高工作技能。

3.4? 社會效益評估

廢氣、廢水、廢渣的排放嚴重破壞著生態(tài)環(huán)境。為積極響應(yīng)國家節(jié)能減排，建設(shè)節(jié)約型社會的號召，碼頭通過構(gòu)建能源及生產(chǎn)作業(yè)管控系統(tǒng)對環(huán)境綜合進行監(jiān)控，對大氣污染進行監(jiān)控。適時地對社會效益進行評估，對萬箱節(jié)能的噸標煤進行分析計算，達成節(jié)能減排實現(xiàn)經(jīng)濟效益與社會效益的雙贏的效果。

隨著碼頭產(chǎn)量的與日俱增，各種能源消耗量也日漸增加（見表1）。目前，對于能源管理尚處于分散簡單的初級階段，存在諸多漏洞，無法保證公司生產(chǎn)成本的管控、節(jié)能降耗最優(yōu)化，影響綠色環(huán)保碼頭的建設(shè)。所以，建設(shè)一套先進的能源管理平臺，對能源進行全面合理的管控將具有重大意義。

這一系統(tǒng)將使得企業(yè)減少成本和能源消耗趨于最優(yōu)，使企業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展更進一步。

這一管理技術(shù)革新在充分體現(xiàn)了科學管理和以人為本相結(jié)合的理念，擁有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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