劉彩云，陳燕燕,2，朱 軍，卓 杰，武茂浦

(1.中船重工信息科技有限公司 江蘇 連云港 222000；2.中船重工集團第七一六研究所 江蘇 連云港 222000)

集裝箱碼頭水平運輸作業(yè)指岸邊與堆場間的集裝箱運輸作業(yè).隨著船舶大型化、作業(yè)高效化發(fā)展，水平運輸作業(yè)越來越成為影響集運疏水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此諸多學(xué)者進行了相關(guān)研究.羅勛杰[1]圍繞技術(shù)參數(shù)、技術(shù)先進性等要素，對兩種主要的運輸方式進行了定性及定量對比分析.李幼萌[2]研究了港口跨運車的應(yīng)用.彭傳圣梳[3]理了正面吊的應(yīng)用與發(fā)展情況.畢艷飛[4]總結(jié)歸納了自動化集裝箱碼頭水平運輸定位技術(shù).不過以上學(xué)者僅分析了運輸方式，并未進行系統(tǒng)的創(chuàng)新性設(shè)計.

大部分學(xué)者對碼頭水平運輸系統(tǒng)的研究集中于車輛調(diào)度優(yōu)化、路徑規(guī)劃.余孟齊[5]等基于改進粒子群算法進行了岸橋和集卡的集成調(diào)度問題研究.馬孫豫[6]基于多層編碼粒子群算法對岸橋與自動導(dǎo)引小車(AGV)系統(tǒng)調(diào)度問題進行了仿真.劉夢夢[7]基于遺傳算法建立了AGV調(diào)度優(yōu)化模型，得到設(shè)備最佳配比.趙金樓[8]從燃料成本和作業(yè)時間兩個角度研究集裝箱碼頭的集卡路徑優(yōu)化問題，基于粒子群算法實現(xiàn)了集卡路徑優(yōu)化.周強[9]基于離散時間動態(tài)理論建立了集裝箱碼頭道路交通仿真分析復(fù)合模型，實現(xiàn)了碼頭道路交通調(diào)度仿真.

部分學(xué)者進行了碼頭水平運輸系統(tǒng)與岸橋或場橋等其余部分子系統(tǒng)[10-13]的協(xié)同研究.不過這種方式無法兼顧碼頭整體作業(yè)環(huán)節(jié)與作業(yè)邏輯，實現(xiàn)裝卸優(yōu)化.

鑒于現(xiàn)有研究多針對集裝箱碼頭水平運輸作業(yè)的某些方面如運輸方式、車輛調(diào)度進行理論分析與設(shè)計等，沒有進行完整作業(yè)的研究與管控系統(tǒng)設(shè)計.本文以碼頭無人運輸車為管控目標(biāo)，形成了水平運輸作業(yè)解決方案，采用虛擬仿真的方法構(gòu)建仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了全面管控.

1 建設(shè)需求

1.1 問題與現(xiàn)狀

1)傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式無法滿足市場

船舶大型化、航道深水化等導(dǎo)致裝卸量激增，而裝卸周期并未延長，傳統(tǒng)人工作業(yè)存在人員作業(yè)疲憊、操作失誤、人工成本高等問題.

2)傳統(tǒng)的運輸模式導(dǎo)致事故頻發(fā)、隱患不斷

傳統(tǒng)集卡車由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障、制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、制動距離、維護保養(yǎng)不到位等問題容易出現(xiàn)人員傷害、車輛碰撞等事故.

3)進出口物品可控化、信息化需求增長

全球貿(mào)易往來日益頻繁，傳統(tǒng)水平運輸作業(yè)依靠調(diào)度員、理貨員、運輸車隊等手工方式生成調(diào)度計劃、進行任務(wù)分配等無法滿足運輸任務(wù)需求；采用對講、短信等方式進行信息交互，時延高、響應(yīng)慢、透明度差.

明確碼頭作業(yè)需求，提高碼頭的信息化以及自動控制水平，設(shè)計高效合理的水平運輸管控系統(tǒng)才能有效提高集裝箱碼頭的服務(wù)能力.

1.2 建設(shè)思路

《深入推進綠色港口建設(shè)行動方案(2018—2022年)》、《公路水路交通運輸節(jié)能減排“十三五”規(guī)劃》等政策推動港口建設(shè)朝著低碳、節(jié)能的方向發(fā)展，在離線充電、大容量鋰電電池包、無線數(shù)據(jù)交換等技術(shù)的發(fā)與應(yīng)用為電力驅(qū)動提供了強有有力支撐.集裝箱碼頭水平運輸系統(tǒng)的建設(shè)要統(tǒng)籌“一關(guān)三檢”、船代、貨代、船公司的運輸需求，以“標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”、“網(wǎng)絡(luò)安全”、“信息安全”為體系支撐，通過“物聯(lián)化”、“協(xié)同化”、“智能化”、“可視化”的信息化建設(shè)策略，開展“智能交互”、“協(xié)同運行”、“數(shù)字管理”等業(yè)務(wù)，實現(xiàn)操作有序、計劃有據(jù)、指揮有方、響應(yīng)有力.設(shè)計思路如圖1所示.

圖1 集裝箱碼頭水平運輸戰(zhàn)略模型

1)物聯(lián)化

通過傳輸控制協(xié)議(TCP)、超文本傳輸協(xié)議(HTTP)、消息隊列遙測傳輸(MQTT)等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，采用紫蜂協(xié)議(Zigbee)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)、無線寬帶(WIFI)、4G網(wǎng)絡(luò)等聯(lián)網(wǎng)方式，基于無線射頻、雷達、攝像頭等終端，實現(xiàn)港口全面感知、設(shè)備狀態(tài)采集、任務(wù)信息采集、資源間互聯(lián)互通.

2)協(xié)同化

整合碼頭的AGV、集卡、叉車等運輸設(shè)備，統(tǒng)籌貨主需求、船舶離泊計劃，以可擴展標(biāo)記語言信息加密、企業(yè)服務(wù)總線、云平臺等技術(shù)為支撐實現(xiàn)車輛協(xié)同調(diào)度.

3)智能化

基于采集的數(shù)據(jù)以及碼頭作業(yè)流程，采用深度學(xué)習(xí)算法、迪杰斯特拉算法、基于網(wǎng)絡(luò)切片的無線傳輸優(yōu)先級及質(zhì)量控制策略等實現(xiàn)車輛路徑實時動態(tài)規(guī)劃、應(yīng)急避障、風(fēng)險管控等.

4)可視化

可視化即將用戶需求、運輸計劃以及歷史信息、現(xiàn)場作業(yè)場景等以圖、表、虛擬物理模型等形式展現(xiàn)，從而使用戶直觀了解任務(wù)進程、碼頭管控人員實時掌握任務(wù)動態(tài)、碼頭調(diào)度人員進行輔助決策.可視化涉及信息技術(shù)、自然科學(xué)、統(tǒng)計分析、圖形學(xué)、交互、地理信息等多種學(xué)科，大數(shù)據(jù)分析、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)處理架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù).

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 作業(yè)流程

碼頭設(shè)備管理系統(tǒng)(ECS)將岸橋編號、岸橋位置、堆場箱位、堆區(qū)編號、堆區(qū)位置等信息發(fā)送至水平運輸管控系統(tǒng)，其任務(wù)管理模塊遍歷碼頭車輛的狀態(tài).若不存在空車則更新待運輸列表；否則進行任務(wù)優(yōu)先級計算、任務(wù)分配、路徑規(guī)劃，進而管控?zé)o人運輸車輛向目的地運行，期間車輛以一定頻率將任務(wù)、環(huán)境、位置等反饋給管控系統(tǒng)，基于應(yīng)急處理機制、交通管制規(guī)則等系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)路徑優(yōu)化與管理，直至無人運輸車輛到達目的地.車輛到達目的地后，一次運輸任務(wù)完成，車輛重新變?yōu)榭臻e狀態(tài)，更新任務(wù)管理模塊，直到所有運輸任務(wù)執(zhí)行完畢，水平運輸作業(yè)結(jié)束.具體流程如圖2所示.

圖2 水平運輸作業(yè)流程

2.2 系統(tǒng)功能

集裝箱碼頭水平運輸管控系統(tǒng)具備以下功能：

1)接收上級系統(tǒng)(ECS)的指令，結(jié)合碼頭車輛狀態(tài)、位置信息、任務(wù)優(yōu)先級等生成車輛調(diào)度計劃、路網(wǎng)規(guī)劃等，并將任務(wù)進程反饋至ECS；

2)向無人運輸車發(fā)送指令，控制車輛按照任務(wù)分配及路徑優(yōu)化結(jié)果運行，同時接收車輛作業(yè)進度以及狀態(tài)反饋，保證車體的自主運行、定位精度等；

3)具備路徑規(guī)劃能力，同時能根據(jù)現(xiàn)場情況動態(tài)優(yōu)化并更新路徑規(guī)劃結(jié)果；

4)能夠進行障礙物判斷及躲避，具備應(yīng)急管理機制，確保車輛安全運行；

5)通信的實時性、延時時間、丟包率及可靠性滿足現(xiàn)場作業(yè)需求.

2.3 系統(tǒng)構(gòu)建

集裝箱碼頭水平運輸作業(yè)管控仿真系統(tǒng)主要由用戶管理模塊、智能體模塊、任務(wù)管理模塊、數(shù)據(jù)顯示與分析模塊組成.其功能模塊組成如圖3所示.

圖3 水平運輸作業(yè)管控仿真系統(tǒng)功能組成

1)用戶管理模塊.主要包含用戶登錄、注銷、修改密碼、用戶等級設(shè)置、用戶角色設(shè)置等基本用戶管理以及操作功能.

2)智能體模塊.集裝箱碼頭的各類資源，例如場橋、堆區(qū)等均可被抽象為智能體(agent)，通過添加屬性為智能體賦予各種功能特性.以集裝箱為例，可以添加集裝箱編號、集裝箱待轉(zhuǎn)運無人車編號、集裝箱所在堆區(qū)箱位、集裝箱船圖倉位、集裝箱尺寸、集裝箱類型等等.各智能體的屬性以及邏輯關(guān)系如圖4所示.

3)任務(wù)管理模塊.主要包含系統(tǒng)輸入界面、任務(wù)優(yōu)先級劃分、車輛路徑規(guī)劃、車輛動態(tài)管控、視景漫游等功能模塊.實現(xiàn)仿真方案選取與更新、仿真作業(yè)優(yōu)化、仿真可視化視景開發(fā)等.

圖4 系統(tǒng)智能體邏輯關(guān)系圖

4)數(shù)據(jù)顯示與分析模塊.能夠根據(jù)任務(wù)進度實現(xiàn)實時作業(yè)數(shù)據(jù)采集與處理，進而向用戶展現(xiàn)碼頭實時作業(yè)信息、車輛狀態(tài)信息、車輛使用率等內(nèi)容，為決策提供依據(jù).

3 案例應(yīng)用

3.1 場景布局

某集裝箱碼頭年吞吐量100萬TEU，碼頭內(nèi)部車輛運輸區(qū)域呈“夾層式”[14]布局，布置連續(xù)泊位可供停放不同尺寸的船舶，維修區(qū)域的布置靠近海側(cè)，以便提高維護效率；采用雙小車軌道式岸橋，海側(cè)無人車運行及暫停區(qū)域的寬度為45～60 m.堆場堆區(qū)長度小于350 m，按照平行方式布置[15]，采用“堆五過六”的堆存方式，每個堆區(qū)配置2臺無懸臂自動化軌道吊；無人運輸車不進入堆場內(nèi)部，根據(jù)運輸需求在堆區(qū)一端設(shè)置若干無人運輸車停放位，堆場側(cè)面無人運輸車道路行駛寬度45～50 m；堆區(qū)另一端設(shè)有外集卡停放位以及運行車道.堆場后方布置外集卡運行區(qū)域，緊靠閘口以及車輛緩沖區(qū)域.目標(biāo)碼頭布局如圖5所示.

圖5 目標(biāo)碼頭布局圖

3.2 仿真運行

船舶?？繒r間為12 h，大中小型船舶分別配置3、2、1臺岸橋.每個堆區(qū)配置1臺場橋，每個堆區(qū)端部布置2個停車位.車輛載重最大直行速度5 m/s，直行空載最大速度8 m/s，彎道速度3 m/s.依據(jù)以上碼頭布局、參數(shù)信息等，進行系統(tǒng)仿真運行，系統(tǒng)主管控界面如圖6所示.

圖6 水平運輸系統(tǒng)主管控界面

水平運輸管控仿真系統(tǒng)能夠?qū)囕v行駛區(qū)域進行路徑規(guī)劃，實現(xiàn)作業(yè)管理等、數(shù)據(jù)處理與顯示等.系統(tǒng)的可視管理界面、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析界面分別如圖7、8所示.

圖7 系統(tǒng)維虛擬仿真場景

4 結(jié) 語

針對集裝箱碼頭水平運輸作業(yè)的人工成本高、意外事故頻發(fā)、信息化管控程度低等問題，本文進行了系統(tǒng)建設(shè)思路梳理、工藝流程設(shè)計、功能設(shè)計.基于Anylogic仿真引擎，構(gòu)建了集裝箱碼頭水平運輸管控仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)具備以下優(yōu)點：采用虛擬仿真方式，能夠通過改變系統(tǒng)輸入等方法，多次實現(xiàn)碼頭調(diào)度設(shè)備配置方案驗證、任務(wù)優(yōu)化等功能，投入成本低且效率高；系統(tǒng)擁有可視化視景，能實現(xiàn)作業(yè)場景虛擬展現(xiàn)、漫游、告警等可視化操作.通過案例應(yīng)用，驗證了系統(tǒng)任務(wù)管理、可視化、數(shù)據(jù)分析等功能.后續(xù)團隊將基于此系統(tǒng)進行車輛路徑優(yōu)化研究.

圖8 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析與顯示界面