陳智培

（廈門邁凱科機(jī)電設(shè)備有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

集裝箱吊具是集裝箱設(shè)備的重要機(jī)構(gòu)，是集裝箱裝卸作業(yè)所需要的重要部件，在港口集裝箱碼頭作業(yè)中所發(fā)揮的作用非常巨大。集裝箱吊具配置數(shù)量龐大、種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高，加之作業(yè)環(huán)境惡劣，集裝箱吊具故障在集裝箱起重機(jī)全部故障中占60%以上，提高吊具管理水平，減少吊具故障，確保吊具安全可靠的正常工作尤為重要[1]。尤其在近年來，集裝箱吞吐量不斷增長(zhǎng)、生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大和智能化、自動(dòng)化碼頭的迅速發(fā)展的背景下，利用數(shù)字孿生體系大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提高集裝箱吊具管理效率，減少吊具故障率，提高集裝箱設(shè)備的利用率和附加值是保證港口行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)港口各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行和經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展，提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。

1 集裝箱吊具管理系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 集裝箱吊具管理模式

多數(shù)港口集裝箱吊具等相關(guān)設(shè)備的管理、使用、維護(hù)管理采用人工的記錄管理方式，與集裝箱吊具等設(shè)備直接相關(guān)的各種信息，絕大部分由人工的方式進(jìn)行收集、分類、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、管理。這種管理方式必然帶來工作效率低下、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率高、準(zhǔn)確性差等問題。因此，這種管理模式難以提高集裝箱吊具的管理效果。

1.2 集裝箱吊具的維護(hù)分析

設(shè)備維修的發(fā)展分為3 種類型，分別為被動(dòng)維修，預(yù)防維修和預(yù)測(cè)性維修。目前，大多數(shù)港口集裝箱吊具等相關(guān)設(shè)備采用“預(yù)防維修”與“故障維修”相結(jié)合的維護(hù)管理模式，設(shè)備管理人員主要是基于時(shí)間上的預(yù)防維修，它不考慮設(shè)備的健康狀態(tài)，往往造成“維修過剩”。過度的維護(hù)措施，不僅浪費(fèi)維護(hù)資源，而且還縮短了設(shè)備的運(yùn)行周期。以時(shí)間為周期建立一套相關(guān)維護(hù)管理標(biāo)準(zhǔn)在港口集裝箱吊具等設(shè)備廣泛的應(yīng)用，計(jì)劃維修對(duì)于降低設(shè)備的事故率、提高設(shè)備的安全運(yùn)行等方面起到積極的作用，但是維修過度的預(yù)防維修管理模式帶來的還有高昂的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

1.3 集裝箱吊具的備件管理

（1）港口集裝箱吊具的備件管理主要由采購、庫存、使用、維護(hù)管理等方面組成。港口集裝箱吊具種類繁多，配件種類多，并缺乏大數(shù)據(jù)的支持，存在備件種類多樣化，且用量低，需求難于預(yù)測(cè)現(xiàn)象普遍存現(xiàn)[3]。

（2）目前，大部分港口集裝箱吊具的備件進(jìn)口比例大，供貨周期很長(zhǎng)，加上難于預(yù)測(cè)備件的需求，并要確保重點(diǎn)配件不會(huì)缺貨。為實(shí)現(xiàn)集裝箱吊具連續(xù)作業(yè)時(shí)，減少因故障而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)，增大了備件的庫存量，增加了港口公司的運(yùn)行成本。

2 集裝箱吊具可視化零部件的建立

把現(xiàn)實(shí)吊具的物理對(duì)象轉(zhuǎn)換成電腦或移動(dòng)終端可以顯示的3D 虛擬設(shè)備，完成現(xiàn)實(shí)世界到虛擬世界的映射。通過監(jiān)控系統(tǒng)可直觀的了解設(shè)備零件信息。建立設(shè)備的數(shù)字孿生體系，將吊具設(shè)備中的每一個(gè)單元構(gòu)成一個(gè)數(shù)字孿生對(duì)象，單元可能是一個(gè)最小零件、一個(gè)部件、一個(gè)機(jī)構(gòu)、一個(gè)整機(jī)、甚至是一個(gè)碼頭。根據(jù)所設(shè)置的對(duì)象，從具有裝配關(guān)系的3D 虛擬設(shè)備模型中拆解出每一個(gè)對(duì)象的3D 模型，并且將其轉(zhuǎn)換成圖片，這樣每一個(gè)對(duì)象都具有了一個(gè)可視化的圖片，每一個(gè)對(duì)象之間的裝配從屬關(guān)系對(duì)應(yīng)每一張圖片的同樣關(guān)系，圖片之間形成了層級(jí)式的從屬關(guān)系、碼頭是最高層級(jí)而最小零件是最低層級(jí)，利用Web 技術(shù)在高層級(jí)的圖形中增加熱點(diǎn)、點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)可打開下一層級(jí)的對(duì)應(yīng)圖片，這樣就完成了一個(gè)對(duì)象之間相互連接的可視化虛擬設(shè)備。虛擬設(shè)備可以在終端顯示，圖形還可以放大、縮小或移動(dòng)，便于查看設(shè)備的各個(gè)細(xì)節(jié)。以下是集裝箱吊具可視化數(shù)字設(shè)備展現(xiàn)形式的一種：可視化零部件的建立如圖1 所示。

圖1 零部件可視化虛擬設(shè)備

3 集裝箱吊具大數(shù)據(jù)的建設(shè)

根據(jù)港口集裝箱吊具的功能，在大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)建立集裝箱吊具的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理中心，將對(duì)象與其相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形成集裝箱吊具大數(shù)據(jù)的建立。大數(shù)據(jù)建設(shè)系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 大數(shù)據(jù)建設(shè)系統(tǒng)

3.1 集裝箱吊具數(shù)據(jù)的采集

集裝箱吊具數(shù)據(jù)采集是通過對(duì)港口集裝箱吊具設(shè)備數(shù)據(jù)的最大限度及最大范圍的采集。集裝箱吊具PLC、各類傳感器等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過4G/5G 邊緣控制器及無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，零件的基本信息、技術(shù)規(guī)格書、完工圖、手冊(cè)、維保記錄、圖片、影像、語音、文字等數(shù)據(jù)通過手機(jī)、平板、PC 等集裝箱吊具管理終端傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心，以及通過計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)采集與港口集裝箱吊具關(guān)聯(lián)的設(shè)備、環(huán)境以及故障處理等主數(shù)據(jù)[3]。

3.2 集裝箱吊具數(shù)據(jù)的處理

（1）根據(jù)集裝箱吊具及關(guān)聯(lián)設(shè)備的對(duì)象信息定義統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化、互通互融的數(shù)據(jù)變量名，把所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)及根據(jù)不同算法得出的相關(guān)數(shù)據(jù)賦予對(duì)應(yīng)的變量名中。將集裝箱吊具分散的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)變量名集成到一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、為基于大數(shù)據(jù)分析港口集裝箱吊具的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)港口集裝箱吊具設(shè)備的特性把數(shù)據(jù)歸類為狀態(tài)、變量、故障、統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。將不同類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)、減少數(shù)據(jù)處理中心識(shí)別、存儲(chǔ)、加工、分類、歸并的工作量，提高數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)處理速度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)易化、高效化。

（3）4G/5G 邊緣控制器及無線網(wǎng)關(guān)將港口集裝箱吊具設(shè)備不同對(duì)象參數(shù)特征采集的數(shù)據(jù)，通過傅里葉（FT）變化、快速的傅里葉（FFT）變化、包絡(luò)分析（DEA）、線性預(yù)測(cè)系數(shù)特征矢量（LPC）、倒譜特征矢量（LPCC）、Mel 倒譜參數(shù)（MFCC）等數(shù)據(jù)分析方法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、加工、計(jì)算、轉(zhuǎn)換等處理[4]。提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析能力，過濾無效數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量及傳輸頻率，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，加快?shù)據(jù)處理中心的處理速度，可節(jié)省80%以上的數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)行成本。

（4）數(shù)量處理中心將圖片、影像、語音、文字等數(shù)據(jù)通過圖像識(shí)別、語音識(shí)別、計(jì)算、文字識(shí)別等技術(shù)轉(zhuǎn)化成能夠快速識(shí)別的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化、互通互融的數(shù)據(jù)信息；根據(jù)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性將需要進(jìn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算得出新數(shù)據(jù)；根據(jù)集裝箱吊具設(shè)備的特征屬性，將原始數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)、計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸類處理。實(shí)現(xiàn)圖片、影像、語音、文字等數(shù)據(jù)與PLC、各類傳感器的數(shù)據(jù)信息有機(jī)結(jié)合。

3.3 集裝箱吊具數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

集裝箱吊具的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)把不同集裝箱吊具設(shè)備數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理中心，包含數(shù)據(jù)、文檔、圖片、影像、語音等信息。利用大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)可實(shí)時(shí)挖掘分析集裝箱吊具的數(shù)據(jù)信息，為基于大數(shù)據(jù)分析集裝箱吊具預(yù)測(cè)性維護(hù)管理提供數(shù)據(jù)支持。通過手機(jī)、平板、PC 等終端可實(shí)時(shí)調(diào)用所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。

4 集裝箱吊具預(yù)測(cè)性維護(hù)管理

集裝箱吊具預(yù)測(cè)性維護(hù)管理是利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)并結(jié)合AI 技術(shù)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用數(shù)學(xué)模型建模與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式挖掘更深層次的數(shù)據(jù)規(guī)律，采用理論值法、歷史曲線法、邊界值法、數(shù)量統(tǒng)計(jì)法等分析方法得出的結(jié)果對(duì)集裝箱吊具進(jìn)行預(yù)防性維修，減少設(shè)備故障，提高設(shè)備使用率。

4.1 關(guān)鍵元器件全壽命周期管理

大數(shù)據(jù)服務(wù)器記錄著每一個(gè)關(guān)鍵元器件的從生到死的全部過程，包括數(shù)據(jù)的變化、數(shù)據(jù)的收集。基于元器件設(shè)計(jì)的理論壽命結(jié)合吊具的運(yùn)行工況建立一套關(guān)鍵元器件的壽命管理體系。點(diǎn)擊設(shè)備科直接了解設(shè)備及零件的信息、啟用信息、使用壽命、剩余壽命等信息。按“赤、橙、黃、綠”不同顏色展示設(shè)備的剩余壽命情況。當(dāng)零部件剩余壽命低于理論壽命5%時(shí)，提示維修人員及時(shí)安排更換，避免零部件在運(yùn)行中損壞導(dǎo)致設(shè)備故障，提高設(shè)備的使用性能及經(jīng)濟(jì)性。

4.2 薄弱環(huán)節(jié)的管理

持續(xù)跟蹤零部件的數(shù)據(jù)變化過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的健康狀態(tài)、維保狀況、經(jīng)濟(jì)性能、消耗預(yù)警、潛在的故障預(yù)測(cè)等[2]。通過大數(shù)據(jù)分析并結(jié)合AI 技術(shù)可及時(shí)評(píng)估零部件的薄弱環(huán)節(jié)，推送給相關(guān)維修人員及時(shí)安排處理。

4.3 設(shè)備運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性管理

通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和AI 技術(shù)，建立特定的算法及模型（如理論值法，邊界值法，數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，故障預(yù)測(cè)模型、歷史曲線法，圖像識(shí)別法、異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型等）對(duì)各設(shè)備、各機(jī)構(gòu)、各零部件的運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的健康狀態(tài)及經(jīng)濟(jì)性能，建議相關(guān)管理人員優(yōu)化維護(hù)方案，減少設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本，提升設(shè)備的運(yùn)行效率。

5 集裝箱吊具備件優(yōu)化管理

集裝箱吊具備件優(yōu)化管理是基于集裝箱吊具的對(duì)象，通過大數(shù)據(jù)分析和AI 人工智能技術(shù)，從采購、庫存、使用、維護(hù)等方面分析集裝箱吊具備件的種類、通用性、用量的預(yù)測(cè)性、質(zhì)量的控制等可視化管理。優(yōu)化的管理方法有以下4 種：

（1）備件采購策略管理。系統(tǒng)根據(jù)出庫的頻率分析，識(shí)別常用配件，并對(duì)所有的物料出庫頻率分析出出庫頻率級(jí)別。對(duì)出庫高等級(jí)物料系統(tǒng)自行建議最低及最高庫存，經(jīng)特定管理責(zé)任人確認(rèn)后，系統(tǒng)將承擔(dān)大部分的常規(guī)物料的采購申報(bào)。系統(tǒng)根據(jù)備件的使用壽命情況結(jié)合采購周期進(jìn)行分析，在確保設(shè)備正常運(yùn)行的前提下將提前建議備件的采購時(shí)間，減少備件閑置時(shí)間，提高備件的使用率，減少備件的管理成本。

（2）備件過濾策略管理。系統(tǒng)根據(jù)備件的基本參數(shù)、技術(shù)規(guī)格書、圖紙、安裝方式等信息進(jìn)行識(shí)別，將相似度高的物料系統(tǒng)推送給相關(guān)人員確認(rèn)，確保備件的唯一性。系統(tǒng)自行建議不同品牌的相同產(chǎn)品的相互替換性，經(jīng)特定管理責(zé)任人確認(rèn)，結(jié)合備件的質(zhì)量控制可篩選出性價(jià)比高的備件作為備件采購的優(yōu)先選擇；降低備件種類及庫存量，減少備件的維護(hù)管理成本。

（3）備件質(zhì)量控制策略管理。系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤備件的使用情況，將備件不同的使用壽命周期和質(zhì)量可靠性的高低推送給相關(guān)管理人員確認(rèn)。系統(tǒng)自行建議管理人員購買壽命周期長(zhǎng)、質(zhì)量可靠性高的產(chǎn)品，提高設(shè)備的安全性、可靠性。

（4）備件性價(jià)比策略管理。系統(tǒng)通過備件的質(zhì)量、壽命、成本、維護(hù)等信息進(jìn)行分析，系統(tǒng)將自行建議高性價(jià)比的備件并推送給相關(guān)管理負(fù)責(zé)人進(jìn)行確認(rèn)。從備件采購、使用、維保等方面提高設(shè)備運(yùn)行效率，為降低設(shè)備運(yùn)行成本提出可行的建議。

6 結(jié)束語

在大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、AI 技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，利用數(shù)字孿生體系大數(shù)據(jù)分析的港口集裝箱吊具管理對(duì)于港口發(fā)展而言是必然事件，同時(shí)也能提高企業(yè)管理的水平。在大數(shù)據(jù)時(shí)代為提高集裝箱吊具管理水平和管理效果，可從集裝箱吊具的可視化管理理念、大數(shù)據(jù)的建立、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)及AI 技術(shù)等多方面入手，加強(qiáng)管理，從而提升集裝箱吊具設(shè)備管理水平和管理效果，為港口各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行和經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展提供動(dòng)力。