曾 健

上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

全自動(dòng)化碼頭，因其安全可靠性、作業(yè)效率性、人力成本可控性等方面較傳統(tǒng)碼頭有顯著優(yōu)勢(shì)，成為目前港口業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。目前，自動(dòng)化碼頭的計(jì)劃安排、設(shè)備調(diào)度、普通箱裝卸均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，但岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)軌內(nèi)特種箱裝卸船與艙蓋板作業(yè)時(shí)，仍沿用傳統(tǒng)的人工操作模式。在當(dāng)前模式下的軌內(nèi)特種作業(yè)，需要中斷岸橋的自動(dòng)化流程，由遠(yuǎn)程操作員手動(dòng)操作，增加了遠(yuǎn)程操作員的操作難度，降低了岸橋的作業(yè)效率；軌內(nèi)集卡上檔排隊(duì)仍采用常規(guī)的人工核對(duì)信息、指揮排隊(duì)模式，造成碼頭前沿交通調(diào)度困難、人工信息核對(duì)量大等問(wèn)題，降低了生產(chǎn)效率和對(duì)外服務(wù)質(zhì)量；軌內(nèi)任務(wù)作業(yè)順序調(diào)整采用人工調(diào)整模式，生產(chǎn)組織難度大。因此，洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭需要符合自動(dòng)化流程的特殊作業(yè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)軌內(nèi)特種箱裝卸與艙蓋板作業(yè)的自動(dòng)化與智能化。

2 特殊箱業(yè)務(wù)流程

2.1 自動(dòng)化碼頭岸橋基本情況

岸橋是碼頭海側(cè)船舶裝卸作業(yè)的主要設(shè)備，該自動(dòng)化碼頭岸橋采用雙小車結(jié)構(gòu)，主小車和門(mén)架小車通過(guò)中轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行交互協(xié)同作業(yè)[2]。岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)是主小車與門(mén)架小車的銜接區(qū)域，普通集裝箱鎖扭拆裝與箱號(hào)箱型識(shí)別工作在中轉(zhuǎn)平臺(tái)上完成。岸橋雙軌間距30 m，其中包含2根集卡車道，特殊箱作業(yè)通過(guò)集卡運(yùn)輸，在集卡車道完成裝卸。

2.2 自動(dòng)化碼頭特殊箱作業(yè)現(xiàn)狀分析

該自動(dòng)化集裝箱碼頭的船側(cè)作業(yè)主要分為AGV(自動(dòng)導(dǎo)引車)運(yùn)輸與集卡運(yùn)輸，作業(yè)車道之間通過(guò)圍網(wǎng)進(jìn)行安全隔離。特殊箱包含危險(xiǎn)品箱、超限箱以及框架箱等，此類集裝箱作業(yè)安全管控因素較高，AGV運(yùn)輸無(wú)法滿足特殊箱的托運(yùn)要求。因此，特殊作業(yè)工藝的裝卸任務(wù)，是由集卡進(jìn)行水平運(yùn)輸托運(yùn)，在岸橋雙軌之間由岸橋主小車進(jìn)行吊裝作業(yè)。

相對(duì)于裝卸流程全自動(dòng)化的普通箱作業(yè)任務(wù)，特殊箱裝卸作業(yè)較為繁瑣復(fù)雜，岸橋作業(yè)沒(méi)有自動(dòng)化指令，需要遠(yuǎn)程操作司機(jī)全程手動(dòng)操作，降低碼頭作業(yè)安全性與可靠性。集卡任務(wù)分配隨機(jī)，且沒(méi)有時(shí)間窗口邏輯，任務(wù)過(guò)早分配導(dǎo)致集卡拖箱等待時(shí)間較長(zhǎng)；集卡司機(jī)在碼頭前沿的交通路線，完全依靠人工指揮，并且沒(méi)有有效的信息提示功能，當(dāng)特殊箱任務(wù)較多時(shí)，碼頭岸邊容易造成交通擁堵，降低岸橋作業(yè)效率。特殊箱船側(cè)作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 特殊箱船側(cè)作業(yè)流程圖

3 自動(dòng)化碼頭岸橋特殊作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 任務(wù)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)

3.1.1 岸橋特殊任務(wù)調(diào)度邏輯

岸橋特殊作業(yè)任務(wù)調(diào)度，考慮當(dāng)前作業(yè)任務(wù)關(guān)序、岸橋當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)，并且結(jié)合碼頭場(chǎng)內(nèi)集卡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，智能決策調(diào)度自動(dòng)化作業(yè)指令。在系統(tǒng)中增加集卡狀態(tài)設(shè)置，TOS(Teminal Operation System,碼頭管理系統(tǒng))根據(jù)當(dāng)前集卡實(shí)時(shí)狀態(tài)信息以及任務(wù)隊(duì)列信息，自動(dòng)調(diào)度岸橋軌內(nèi)特殊作業(yè)任務(wù)指令。TOS將岸橋作業(yè)狀態(tài)分為自動(dòng)和手動(dòng)2個(gè)狀態(tài)，根據(jù)軌內(nèi)任務(wù)不同箱類型，制定特定的業(yè)務(wù)規(guī)則。對(duì)于普通危險(xiǎn)品箱，采用自動(dòng)模式條件進(jìn)行調(diào)度，而針對(duì)超限箱以及大件作業(yè)，則采用手動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)度。將集卡狀態(tài)分為為在途、岸邊、車道3個(gè)階段，系統(tǒng)針對(duì)這3個(gè)集卡階段，采取不同的任務(wù)策略。當(dāng)集卡處于車道狀態(tài)且任務(wù)隊(duì)列第一關(guān)為特殊作業(yè)工藝時(shí)，滿足調(diào)度特殊作業(yè)指令條件，TOS自動(dòng)生成岸橋特殊作業(yè)指令，ECS(Equipment Control System,設(shè)備控制系統(tǒng))根據(jù)指令類型，將相應(yīng)的操作指令傳達(dá)至單機(jī)程序，岸橋遠(yuǎn)程操作員根據(jù)指令信息完成特殊作業(yè)。此外，當(dāng)岸橋當(dāng)前正在調(diào)度執(zhí)行特殊作業(yè)工藝任務(wù)時(shí)，會(huì)暫停該岸橋下的AGV調(diào)度配比數(shù)，合理分配場(chǎng)內(nèi)水平運(yùn)輸機(jī)械資源，達(dá)到碼頭運(yùn)轉(zhuǎn)效率最大化。

3.1.2 系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整作業(yè)關(guān)序邏輯設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化碼頭作業(yè)過(guò)程中，岸橋作業(yè)路的任務(wù)隊(duì)列排序，會(huì)由于各種機(jī)械運(yùn)作情況的變化而產(chǎn)生作業(yè)次序的調(diào)整，若通過(guò)船舶控制員人工調(diào)整關(guān)序，則存在調(diào)整不及時(shí)以及操作不便捷等方面的問(wèn)題。因此，需要系統(tǒng)自動(dòng)判斷任務(wù)隊(duì)列作業(yè)關(guān)序的調(diào)整邏輯，在條件允許且合理作業(yè)的情況下，由系統(tǒng)智能決策進(jìn)行作業(yè)任務(wù)次序的交換，減少人工操作的工作量(見(jiàn)圖2)。

圖2 特殊箱作業(yè)關(guān)序調(diào)整邏輯圖

3.2 設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化技術(shù)

3.2.1 岸橋特殊任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)與信息交互設(shè)計(jì)

自動(dòng)化碼頭岸橋特殊作業(yè)系統(tǒng)，通過(guò)共享數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行信息交互，建立數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)庫(kù)(DB)，數(shù)據(jù)庫(kù)能同時(shí)接收、處理、儲(chǔ)存TOS和ECS發(fā)送的作業(yè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)事件及當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)，TOS與ECS通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)為載體，以事件交互形式進(jìn)行信息傳遞，可避免網(wǎng)絡(luò)擁堵、減少垃圾數(shù)據(jù)產(chǎn)生，最大限度實(shí)現(xiàn)全數(shù)據(jù)共享[3]。其中，TOS負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度，ECS負(fù)責(zé)執(zhí)行TOS發(fā)送的作業(yè)任務(wù)，并將單機(jī)設(shè)備執(zhí)行的結(jié)果反饋給TOS，從而使TOS進(jìn)行下一步的流程動(dòng)作。整個(gè)動(dòng)作指令之間的事件交互響應(yīng)及處理速度，都在1 s內(nèi)完成數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)算，并傳遞運(yùn)算結(jié)果至系統(tǒng)，做到了精準(zhǔn)、高效運(yùn)行。

3.2.2 岸橋特殊作業(yè)執(zhí)行流程

岸橋單機(jī)設(shè)備在收到自動(dòng)指令后，進(jìn)入作業(yè)階段，根據(jù)動(dòng)作指令分布解析，空吊具自動(dòng)化運(yùn)行至指定作業(yè)位置上方安全高度，其中，安全高度可進(jìn)行參數(shù)調(diào)控，下降至安全高度后，進(jìn)入人工干預(yù)半自動(dòng)模式，對(duì)集裝箱進(jìn)行抓箱作業(yè)，吊具閉鎖起升拉至安全高度，由系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行至目的位置上方安全高度后，再次采取人工干預(yù)半自動(dòng)模式進(jìn)行集裝箱放箱作業(yè)，吊具開(kāi)鎖起升后完成指令整套動(dòng)作流程。為確保特殊作業(yè)工藝流程的安全性，吊具自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程可進(jìn)行參數(shù)調(diào)控，控制吊具運(yùn)行速度，通過(guò)自動(dòng)防搖防扭以及自動(dòng)定位等輔助功能，精準(zhǔn)運(yùn)行至目標(biāo)位置上方。此外，在進(jìn)行超限箱作業(yè)時(shí)，也可將吊具重載階段設(shè)置成人工操作模式，保障作業(yè)的可靠性。

3.3 集卡協(xié)調(diào)作業(yè)邏輯及功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)化碼頭特殊作業(yè)工藝的裝卸任務(wù)，需要由集卡來(lái)進(jìn)行集裝箱托運(yùn)工作，良好的集卡協(xié)調(diào)作業(yè)能力，是提高岸橋特殊作業(yè)工藝任務(wù)的關(guān)鍵[4]。

3.3.1 場(chǎng)內(nèi)集卡調(diào)度邏輯

自動(dòng)化碼頭場(chǎng)內(nèi)集卡的任務(wù)，由TOS來(lái)進(jìn)行智能決策、合理分配。

(1)集卡分類調(diào)度

由于碼頭作業(yè)類型多種多樣，集卡的分配需要滿足不同業(yè)務(wù)類型作業(yè)，且保證作業(yè)有效性與及時(shí)性，因此，將集卡進(jìn)行分類。目前，采取2種方式對(duì)場(chǎng)內(nèi)集卡進(jìn)行分組分類。

集卡作業(yè)組與設(shè)備組分類。在系統(tǒng)中設(shè)定集卡作業(yè)組概念，可將多輛集卡綁定至同一集卡作業(yè)組，并對(duì)作業(yè)組進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)將作業(yè)組綁定至具體岸橋號(hào)。其中可以將作業(yè)組綁定單岸橋或多個(gè)岸橋構(gòu)成的設(shè)備組，實(shí)現(xiàn)集卡與岸橋之間的多對(duì)多指定作業(yè)，極大程度減少船舶控制員之間以及船舶控制員與集卡司機(jī)之間的溝通交流，使得集卡分配由系統(tǒng)分組實(shí)現(xiàn)智能分配原則，提高船舶作業(yè)特殊工藝裝卸的作業(yè)效率。

集卡任務(wù)作業(yè)類型分類。根據(jù)任務(wù)作業(yè)類型，主要分為裝卸、轉(zhuǎn)堆等作業(yè)類型，將集卡設(shè)置成對(duì)應(yīng)作業(yè)類型，則集卡僅可分配設(shè)定的作業(yè)類型任務(wù)。此項(xiàng)分類的應(yīng)用，可有效提高各作業(yè)類型間的集卡分配及時(shí)性，高效結(jié)合碼頭前后場(chǎng)集卡作業(yè)，提升碼頭整體作業(yè)能力。

(2)集卡托運(yùn)掛板調(diào)度條件

碼頭特殊工藝作業(yè)任務(wù)，對(duì)集卡托運(yùn)掛板具有不同的要求，當(dāng)集裝箱屬于超限箱且超限數(shù)值超過(guò)一定值時(shí)，需要通過(guò)特殊掛板進(jìn)行托運(yùn)。針對(duì)不同的集裝箱采取不同的托運(yùn)條件，系統(tǒng)讀取船圖中集裝箱的超限數(shù)據(jù)，在任務(wù)發(fā)送階段，解析出不同托運(yùn)條件下的任務(wù)，將任務(wù)分配至帶有特殊掛板的集卡進(jìn)行作業(yè)。

(3)集卡調(diào)度時(shí)間窗

自動(dòng)化碼頭特殊作業(yè)任務(wù)的生成時(shí)間點(diǎn)，是根據(jù)具體的業(yè)務(wù)生產(chǎn)情況及船舶積載位置而定的。TOS根據(jù)作業(yè)任務(wù)隊(duì)列的任務(wù)類型、作業(yè)關(guān)序、起始與目的位置等，智能計(jì)算出任務(wù)所需時(shí)長(zhǎng)，統(tǒng)籌決策特殊作業(yè)工藝任務(wù)的要求時(shí)間，從而控制內(nèi)集卡任務(wù)分配的時(shí)機(jī)，節(jié)省集卡無(wú)任務(wù)閑置等待時(shí)間。

3.3.2 場(chǎng)外集卡導(dǎo)航APP功能

自動(dòng)化碼頭特種危險(xiǎn)貨物直裝直提業(yè)務(wù)，需要外集卡直接拖運(yùn)集裝箱進(jìn)碼頭前沿，岸橋?qū)ζ溥M(jìn)行特殊裝卸工藝作業(yè)。洋山深水港四期自動(dòng)化碼頭的外集卡直裝直提業(yè)務(wù)，采用特定開(kāi)發(fā)的外集卡作業(yè)APP功能，對(duì)集卡司機(jī)進(jìn)行任務(wù)指令提示、作業(yè)路線導(dǎo)航以及碼頭當(dāng)前作業(yè)情況概覽顯示等。外集卡司機(jī)在進(jìn)場(chǎng)后，通過(guò)明確的提示信息，快速高效地駛往目的岸橋位置，有效提升外集卡作業(yè)效率及碼頭對(duì)外服務(wù)質(zhì)量。

3.3.3 手持終端機(jī)PDA功能

自動(dòng)化碼頭特殊作業(yè)工藝業(yè)務(wù)，需要現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行交通指揮、集卡狀態(tài)設(shè)置，因此現(xiàn)場(chǎng)工作人員配備的手持終端機(jī)需滿足相應(yīng)配套功能：

(1)任務(wù)隊(duì)列展示。在碼頭船舶控制員發(fā)送的指令信息中，解析出任務(wù)的隊(duì)列信息，提取有效信息，包含岸橋號(hào)、關(guān)號(hào)、箱號(hào)、ISO信息、場(chǎng)箱位信息、船箱位信息、托運(yùn)集卡號(hào)等，將信息進(jìn)行排版整合，顯示在手持終端機(jī)中，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員能夠清晰明了地掌握當(dāng)前岸橋特殊工藝作業(yè)情況。

(2)集卡上檔作業(yè)提示信息。集卡司機(jī)在碼頭岸線排隊(duì)時(shí)，系統(tǒng)提供清晰的作業(yè)信息至集卡司機(jī)手持終端機(jī)，提示司機(jī)當(dāng)前任務(wù)隊(duì)列具體排序，并顯示跟車提示，告知集卡司機(jī)排隊(duì)車隊(duì)的前車車號(hào)。當(dāng)岸橋特殊工藝作業(yè)下一關(guān)即將作業(yè)該輛集卡時(shí)，推送上檔作業(yè)提示信息，并同時(shí)發(fā)送語(yǔ)音提示信息。

(3)集卡狀態(tài)功能設(shè)置。集卡在托運(yùn)集裝箱過(guò)程中，需要在不同的業(yè)務(wù)流程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集卡實(shí)時(shí)狀態(tài)的設(shè)置。在手持終端機(jī)上加入集卡狀態(tài)設(shè)置功能，可由人工控制集卡狀態(tài)，從而降低業(yè)務(wù)過(guò)程中頻繁通過(guò)對(duì)講機(jī)進(jìn)行人工交流的工作量。

3.4 作業(yè)信息實(shí)時(shí)展示功能

在自動(dòng)化碼頭控制操作界面中，完整展示特殊箱作業(yè)信息。將集卡的作業(yè)關(guān)號(hào)、空重車狀態(tài)、集卡作業(yè)階段等顯示于設(shè)備監(jiān)控界面，提示當(dāng)前任務(wù)所處階段，以便船舶控制員及時(shí)根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)情況作出相應(yīng)的調(diào)整；將集卡當(dāng)前所分配的任務(wù)信息，包括作業(yè)路、關(guān)號(hào)、箱號(hào)、任務(wù)要求位置信息、集卡當(dāng)前所處階段等顯示于內(nèi)集卡控制界面，同時(shí)，增加集卡池與設(shè)備池操作窗口，便于對(duì)集卡作業(yè)分類，將信息簡(jiǎn)潔明了地整合起來(lái)，使得船舶控制員的操作與監(jiān)控更加便捷。

在自動(dòng)化碼頭岸橋遠(yuǎn)程操作臺(tái)界面，將各類特殊作業(yè)工藝任務(wù)類型予以區(qū)分。不同于普通裝卸任務(wù)，對(duì)于特定不同類型任務(wù)，比如普通危險(xiǎn)品、超限箱、艙蓋板等，均有特定的岸橋作業(yè)模式。岸橋視頻監(jiān)控界面設(shè)計(jì)攝像頭自動(dòng)對(duì)焦程序，岸橋在進(jìn)行特殊作業(yè)時(shí)，根據(jù)任務(wù)類型，自動(dòng)對(duì)焦至任務(wù)目標(biāo)，確保岸橋遠(yuǎn)程操作人員能夠快速、精準(zhǔn)地進(jìn)行鎖頭對(duì)位，在吊具閉鎖起升后，視頻監(jiān)控自動(dòng)切換至全景模式，確保作業(yè)的安全可靠性。完成特殊作業(yè)后，視頻監(jiān)控界面自動(dòng)切換至正常裝卸鏡頭作業(yè)模式，并支持手動(dòng)微調(diào)視角與對(duì)焦等參數(shù)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化集裝箱碼頭岸橋特殊作業(yè)工藝系統(tǒng)的應(yīng)用，節(jié)省了岸橋特殊工藝作業(yè)時(shí)間，減少了船舶作業(yè)整體時(shí)間，為自動(dòng)化碼頭拓展業(yè)務(wù)能級(jí)水平，提高年吞吐量打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；同時(shí)，集卡平均等待時(shí)間顯著降低，周轉(zhuǎn)時(shí)間減少，降低了集卡能耗水平。自動(dòng)化碼頭特殊作業(yè)工藝業(yè)務(wù)流程中，簡(jiǎn)化了各業(yè)務(wù)崗位之間的操作步驟，降低了操作強(qiáng)度，減少了繁瑣的溝通及確認(rèn)工作，極大程度地降低了由于人員溝通信息不明確等產(chǎn)生的外部不利因素，提高了碼頭特殊作業(yè)工藝的安全性與可靠性。