張傳捷

哪吒港航智慧科技(上海)有限公司

1 引言

某自動(dòng)化集裝箱碼頭是目前世界上規(guī)模最大、自動(dòng)化程度最高的全自動(dòng)化集裝箱碼頭，共有7個(gè)15萬t級(jí)集裝箱泊位。設(shè)計(jì)年通過能力初期為400萬TEU，遠(yuǎn)期為630萬TEU[1]。裝卸設(shè)備將由初期投入使用的16臺(tái)岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱岸橋)、88臺(tái)軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱軌道吊)和80臺(tái)AGV(Automated Guided Vehicle，自動(dòng)導(dǎo)引車)，逐步增加到26臺(tái)岸橋、120臺(tái)軌道吊和130臺(tái)AGV[2]。作為全球最大的單體全自動(dòng)化碼頭，采用代表當(dāng)前國(guó)際集裝箱碼頭技術(shù)最高水平的全自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)方案。

2 自動(dòng)化碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)概述

自動(dòng)化集裝箱碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)是一套由計(jì)算機(jī)及其相關(guān)配套設(shè)備、設(shè)施構(gòu)成的，按照一定的應(yīng)用目標(biāo)和規(guī)則實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)組織計(jì)劃、作業(yè)過程控制、裝卸設(shè)備操作、事件監(jiān)控反饋、決策優(yōu)化等全過程的自動(dòng)化與智能化系統(tǒng)，是自動(dòng)化集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)管理的核心，對(duì)碼頭整體作業(yè)效率和對(duì)外服務(wù)質(zhì)量影響巨大。洋山深水港四期自動(dòng)化集裝箱碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)具有4個(gè)方面特點(diǎn)[3]。

(1)功能模塊方面。除傳統(tǒng)外部數(shù)據(jù)交互、信息處理、道口管理、受理計(jì)劃、費(fèi)收管理等基本模塊外，自動(dòng)化集裝箱碼頭還需要智能化(泊位、岸橋、堆場(chǎng)等)生產(chǎn)計(jì)劃模塊、實(shí)時(shí)設(shè)備調(diào)度及協(xié)同控制模塊、異常監(jiān)控及處理模塊等。

(2)系統(tǒng)架構(gòu)方面。由于自動(dòng)化碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)需要控制大量設(shè)備和終端，因此需要搭建標(biāo)準(zhǔn)交互、靈活擴(kuò)展、分布式高并發(fā)的任務(wù)調(diào)度平臺(tái)，構(gòu)建多點(diǎn)交互、多活并發(fā)的全域融合架構(gòu)。

(3)網(wǎng)絡(luò)配置方面。有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)千兆帶寬接入到每一臺(tái)岸橋和軌道吊等主要生產(chǎn)設(shè)備，滿足設(shè)備自動(dòng)化作業(yè)和遠(yuǎn)控作業(yè)的帶寬要求；無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化區(qū)域全覆蓋、低時(shí)延、高容量的要求，滿足水平運(yùn)輸設(shè)備的通訊控制要求。

(4)系統(tǒng)性能及安全方面。由于自動(dòng)化碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)處理量更大、時(shí)效性更高，因此整個(gè)系統(tǒng)性能要求更高(任務(wù)處理ms級(jí))，可靠性、可擴(kuò)展性要求更高，同時(shí)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)等級(jí)也更高。

3 智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設(shè)

3.1 系統(tǒng)功能開發(fā)

3.1.1 智能計(jì)劃和調(diào)度模塊

自動(dòng)化集裝箱碼頭由系統(tǒng)指揮控制設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，人為操作和干預(yù)大幅減少，設(shè)備的執(zhí)行率和穩(wěn)定性更高，因此更適合智能化的計(jì)劃編制模塊，可以大規(guī)模應(yīng)用自動(dòng)CWP(Crane Work Plan，岸橋工作計(jì)劃)、自動(dòng)配載、自動(dòng)發(fā)箱、自動(dòng)堆場(chǎng)計(jì)劃等模塊，并持續(xù)開展這方面的研究、應(yīng)用和優(yōu)化，不斷提升其智能化水平，從而進(jìn)一步降低人為干預(yù)。另外，自動(dòng)化碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)還必須具備智能的設(shè)備調(diào)度控制系統(tǒng)，來指揮控制3大機(jī)種協(xié)同高效自動(dòng)化運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備效率最大化，從而提高碼頭整體運(yùn)營(yíng)效率。

3.1.2 特殊工藝作業(yè)模塊

自動(dòng)化碼頭岸橋配備中轉(zhuǎn)平臺(tái)，箱區(qū)海側(cè)配備支架，這種交互方式使得作業(yè)工藝更加標(biāo)準(zhǔn)，因此更適用于岸橋雙吊具和海側(cè)軌道吊雙箱吊等特殊作業(yè)工藝。在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)方面，一是要實(shí)現(xiàn)特殊作業(yè)工藝本身的系統(tǒng)功能，二是在計(jì)劃、調(diào)度模塊設(shè)計(jì)時(shí)也要充分考慮這些特殊作業(yè)工藝的應(yīng)用，從而能夠有效提升自動(dòng)化碼頭的作業(yè)效率。

3.1.3 堆場(chǎng)管理模塊

根據(jù)自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)布局及自動(dòng)化的作業(yè)工藝，遵循堆存集中與分散的協(xié)調(diào)原則，設(shè)計(jì)特有的堆存策略；另外針對(duì)兩端式和懸臂式箱區(qū)的作業(yè)工藝，在堆存策略方面也要做針對(duì)性設(shè)計(jì)，從而充分發(fā)揮各自的作業(yè)效率。

由于采用自動(dòng)化軌道吊，在箱區(qū)整理方面可以考慮開發(fā)以下功能：

(1)防臺(tái)防汛自動(dòng)歸并功能。制訂防風(fēng)模式下的堆場(chǎng)選位策略，開發(fā)根據(jù)防風(fēng)策略開展箱區(qū)自動(dòng)歸并功能，滿足臺(tái)風(fēng)季節(jié)箱區(qū)的堆存要求。

(2)箱區(qū)自動(dòng)整理功能。利用自動(dòng)化軌道吊作業(yè)空閑，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)開展箱區(qū)整理，開發(fā)基于外集卡預(yù)約信息的箱區(qū)自動(dòng)提前翻箱功能、海陸側(cè)進(jìn)出口箱分布自動(dòng)歸并功能、空列自動(dòng)整理功能、基于實(shí)配信息的拼箱轉(zhuǎn)堆以及泊位調(diào)整后的自動(dòng)轉(zhuǎn)堆功能等。

3.1.4 異常監(jiān)控及處理模塊

由于設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)作，系統(tǒng)需要對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行全流程監(jiān)控，通過任務(wù)分析、閥值預(yù)設(shè)、智能感知等技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)作業(yè)異常，并準(zhǔn)確定位，根據(jù)異常類型，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整或處理確保作業(yè)的連續(xù)性，或者通過監(jiān)控界面及時(shí)提醒至船控人員，進(jìn)行人為干預(yù)，避免造成不必要的生產(chǎn)待時(shí)，提高作業(yè)效率。該模塊對(duì)于自動(dòng)化碼頭作業(yè)的連續(xù)性至關(guān)重要，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該全面考慮、同步開發(fā)。

3.1.5 與公共平臺(tái)的協(xié)同

與集卡預(yù)約平臺(tái)對(duì)接，充分發(fā)揮自動(dòng)化碼頭陸側(cè)作業(yè)資源充足的特點(diǎn)，保證預(yù)約兌現(xiàn)率。與受理平臺(tái)和EIR(Equipment Interchange Receipt，集裝箱設(shè)備交接單)平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)全程無紙化作業(yè)，全面提升外集卡作業(yè)效率和服務(wù)水平，助力更高效的集卡物流生態(tài)環(huán)境的建立。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試及聯(lián)調(diào)

3.2.1 搭建實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境

開發(fā)生產(chǎn)管控仿真系統(tǒng)和設(shè)備擬真系統(tǒng)，搭建實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境，提前開展生產(chǎn)管控系統(tǒng)和設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的測(cè)試工作，加快前期的調(diào)試進(jìn)度。在試生產(chǎn)之前搭建實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)種調(diào)試環(huán)境以及現(xiàn)場(chǎng)多機(jī)種聯(lián)合調(diào)試環(huán)境，其中實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境側(cè)重于系統(tǒng)功能和系統(tǒng)設(shè)備交互測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)種調(diào)試環(huán)境側(cè)重于單機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)多機(jī)種聯(lián)合調(diào)試環(huán)境側(cè)重于全流程作業(yè)測(cè)試。

3.2.2 搭建多機(jī)種聯(lián)合調(diào)試環(huán)境

進(jìn)入試生產(chǎn)或生產(chǎn)階段后，為了持續(xù)開展系統(tǒng)和設(shè)備性能的優(yōu)化，除保留實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試環(huán)境外，建議在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)搭建多機(jī)種聯(lián)合調(diào)試的環(huán)境，用于系統(tǒng)、單機(jī)程序版本更新和新功能上線之前的現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境的測(cè)試。該測(cè)試環(huán)境的資源配置可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.2.3 擬定生產(chǎn)調(diào)試計(jì)劃，組建測(cè)試團(tuán)隊(duì)

設(shè)備上岸之前，建議先擬定生產(chǎn)調(diào)試計(jì)劃再確定設(shè)備上岸順序，避免試生產(chǎn)區(qū)域與調(diào)試區(qū)域間的沖突。組建測(cè)試團(tuán)隊(duì)，編制覆蓋所有工況的測(cè)試用例，建立測(cè)試量、驗(yàn)收及回退標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)仿真測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化，有效提高系統(tǒng)功能升級(jí)更新后的穩(wěn)定性。

3.3 作業(yè)評(píng)價(jià)體系建立

自動(dòng)化集裝箱碼頭的作業(yè)整體過程和系統(tǒng)控制與傳統(tǒng)碼頭有較大差異，各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)要素比傳統(tǒng)碼頭多50倍左右，這對(duì)整體作業(yè)效率的分析提出了極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單節(jié)點(diǎn)或單模塊的作業(yè)報(bào)表分析方式無法滿足要求，需要對(duì)自動(dòng)化碼頭所有環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地匯聚、梳理，而后再開展分析。因此在系統(tǒng)建設(shè)階段，需要同步構(gòu)建自動(dòng)化集裝箱碼頭全流程作業(yè)評(píng)價(jià)體系，來指導(dǎo)生產(chǎn)組織、系統(tǒng)及設(shè)備的持續(xù)優(yōu)化。

(1)梳理作業(yè)流程、剖析重點(diǎn)環(huán)節(jié)，找到影響作業(yè)要素，編制全流程監(jiān)控以及作業(yè)評(píng)價(jià)指標(biāo)方案。

(2)建立岸橋、軌道吊、AGV作業(yè)指標(biāo)體系，將所有過程控制中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息以數(shù)據(jù)流的方式進(jìn)行全面管理，進(jìn)而開展數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分析及作業(yè)效率分析[4]。

(3)通過界面展示分析結(jié)果，直觀、清晰地反應(yīng)各環(huán)節(jié)的作業(yè)效率影響因素。作業(yè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果將進(jìn)一步為系統(tǒng)、設(shè)備及生產(chǎn)組織優(yōu)化提供支撐，循序漸進(jìn)，實(shí)現(xiàn)增效閉環(huán)。

3.4 系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)搭建

3.4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

由于自動(dòng)化碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)需要控制大量設(shè)備和終端，進(jìn)行大量系統(tǒng)層面的數(shù)據(jù)交互，因此需要制訂標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的交互方式，同時(shí)要具備靈活的擴(kuò)展性。相較于傳統(tǒng)碼頭，系統(tǒng)處理量成幾何倍增長(zhǎng)，進(jìn)而需要搭建分布式高并發(fā)的任務(wù)調(diào)度平臺(tái)，構(gòu)建多點(diǎn)交互、多活并發(fā)的全域融合架構(gòu)，滿足系統(tǒng)任務(wù)高效處理的要求。除此之外，建議系統(tǒng)功能模塊化開發(fā)，制訂標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范，便于后續(xù)功能升級(jí)替換。

3.4.2 網(wǎng)絡(luò)配置

按照設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)作和遠(yuǎn)程操控的需求，必須實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、低時(shí)延、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)接入。其中，岸橋和軌道吊的位置相對(duì)固定，采用千兆光纖直接有線接入，確保設(shè)備遠(yuǎn)程操控的要求，同時(shí)可以考慮利用5G這類高帶寬、低時(shí)延的無線網(wǎng)絡(luò)作為備份鏈路。建議AGV的無線網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立建設(shè)，和其他手持終端或?qū)χv網(wǎng)絡(luò)從物理層面進(jìn)行區(qū)分，確保AGV控制通訊的穩(wěn)定，同時(shí)在無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面要充分考慮大容量(1個(gè)局部區(qū)域內(nèi)大量AGV接入)、低時(shí)延(車輛控制級(jí)時(shí)延)、全覆蓋(AGV所到之處)等方面問題。另外，考慮到工控網(wǎng)絡(luò)安全，建議核心交換機(jī)宜符合SDN(Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò))理念，可識(shí)別或自定義工業(yè)控制協(xié)議，并與應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)接。應(yīng)用系統(tǒng)可以智能調(diào)度網(wǎng)絡(luò)控制層面，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源自動(dòng)、靈活地匹配業(yè)務(wù)層面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及帶寬要求。

3.4.3 系統(tǒng)高可用性

自動(dòng)化集裝箱碼頭的運(yùn)作高度依賴信息化系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的高可用設(shè)計(jì)，最重要的是滿足碼頭24 h生產(chǎn)不間斷的需求。這就需要系統(tǒng)在整體上，盡可能抵抗計(jì)劃內(nèi)或計(jì)劃外停機(jī)因素對(duì)整個(gè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)運(yùn)行的影響。因此在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)上要確定以下2個(gè)目標(biāo)：

(1)核心機(jī)房的主要設(shè)施、核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及整體拓?fù)?、?shù)據(jù)庫主機(jī)系統(tǒng)、核心應(yīng)用層，必須搭建冗余架構(gòu)及應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，特別要提醒設(shè)備控制系統(tǒng)的冗余架構(gòu)部署。

(2)小區(qū)域的故障不影響系統(tǒng)整體運(yùn)行，合理有序的管理系統(tǒng)能盡快定位故障源，縮短修復(fù)時(shí)間。

3.4.4 工控網(wǎng)絡(luò)安全

自動(dòng)化集裝箱碼頭應(yīng)用了大量自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并與信息化系統(tǒng)高度融合，整個(gè)工控系統(tǒng)已從原來封閉、孤立的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放、互聯(lián)的系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與維護(hù)的同時(shí)，也面臨著嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)安全威脅，因此必須從管理和技術(shù)兩方面加強(qiáng)自動(dòng)化碼頭工控系統(tǒng)的安全防護(hù)，達(dá)到關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)三級(jí)。這方面的工作應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就予以考慮，與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)同步進(jìn)行，并要持續(xù)運(yùn)維。

4 結(jié)語

以某自動(dòng)化集裝箱碼頭為背景，闡述了其智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設(shè)的特點(diǎn)及其系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容。多年實(shí)際運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)成熟，可為同類自動(dòng)化集裝箱碼頭智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)建設(shè)提供參考。