自动化集装箱码头智能生产管控系统

张传捷

哪吒港航智慧科技(上海)有限公司

1 引言

某自动化集装箱码头是目前世界上规模最大、自动化程度最高的全自动化集装箱码头，共有7个15万t级集装箱泊位。设计年通过能力初期为400万TEU，远期为630万TEU[1]。装卸设备将由初期投入使用的16台岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)、88台轨道式龙门起重机(以下简称轨道吊)和80台AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引车)，逐步增加到26台岸桥、120台轨道吊和130台AGV[2]。作为全球最大的单体全自动化码头，采用代表当前国际集装箱码头技术最高水平的全自动化集装箱码头建设方案。

2 自动化码头智能生产管控系统概述

自动化集装箱码头智能生产管控系统是一套由计算机及其相关配套设备、设施构成的，按照一定的应用目标和规则实现生产组织计划、作业过程控制、装卸设备操作、事件监控反馈、决策优化等全过程的自动化与智能化系统，是自动化集装箱码头运营管理的核心，对码头整体作业效率和对外服务质量影响巨大。洋山深水港四期自动化集装箱码头智能生产管控系统具有4个方面特点[3]。

(1)功能模块方面。除传统外部数据交互、信息处理、道口管理、受理计划、费收管理等基本模块外，自动化集装箱码头还需要智能化(泊位、岸桥、堆场等)生产计划模块、实时设备调度及协同控制模块、异常监控及处理模块等。

(2)系统架构方面。由于自动化码头智能生产管控系统需要控制大量设备和终端，因此需要搭建标准交互、灵活扩展、分布式高并发的任务调度平台，构建多点交互、多活并发的全域融合架构。

(3)网络配置方面。有线网络实现千兆带宽接入到每一台岸桥和轨道吊等主要生产设备，满足设备自动化作业和远控作业的带宽要求；无线网络实现自动化区域全覆盖、低时延、高容量的要求，满足水平运输设备的通讯控制要求。

(4)系统性能及安全方面。由于自动化码头智能生产管控系统处理量更大、时效性更高，因此整个系统性能要求更高(任务处理ms级)，可靠性、可扩展性要求更高，同时系统及网络的安全防护等级也更高。

3 智能生产管控系统建设

3.1 系统功能开发

3.1.1 智能计划和调度模块

自动化集装箱码头由系统指挥控制设备进行作业，人为操作和干预大幅减少，设备的执行率和稳定性更高，因此更适合智能化的计划编制模块，可以大规模应用自动CWP(Crane Work Plan，岸桥工作计划)、自动配载、自动发箱、自动堆场计划等模块，并持续开展这方面的研究、应用和优化，不断提升其智能化水平，从而进一步降低人为干预。另外，自动化码头生产系统还必须具备智能的设备调度控制系统，来指挥控制3大机种协同高效自动化运作，实现设备效率最大化，从而提高码头整体运营效率。

3.1.2 特殊工艺作业模块

自动化码头岸桥配备中转平台，箱区海侧配备支架，这种交互方式使得作业工艺更加标准，因此更适用于岸桥双吊具和海侧轨道吊双箱吊等特殊作业工艺。在系统功能设计方面，一是要实现特殊作业工艺本身的系统功能，二是在计划、调度模块设计时也要充分考虑这些特殊作业工艺的应用，从而能够有效提升自动化码头的作业效率。

3.1.3 堆场管理模块

根据自动化集装箱码头堆场布局及自动化的作业工艺，遵循堆存集中与分散的协调原则，设计特有的堆存策略；另外针对两端式和悬臂式箱区的作业工艺，在堆存策略方面也要做针对性设计，从而充分发挥各自的作业效率。

由于采用自动化轨道吊，在箱区整理方面可以考虑开发以下功能：

(1)防台防汛自动归并功能。制订防风模式下的堆场选位策略，开发根据防风策略开展箱区自动归并功能，满足台风季节箱区的堆存要求。

(2)箱区自动整理功能。利用自动化轨道吊作业空闲，系统根据作业计划自动开展箱区整理，开发基于外集卡预约信息的箱区自动提前翻箱功能、海陆侧进出口箱分布自动归并功能、空列自动整理功能、基于实配信息的拼箱转堆以及泊位调整后的自动转堆功能等。

3.1.4 异常监控及处理模块

由于设备自动化运作，系统需要对作业过程进行全流程监控，通过任务分析、阀值预设、智能感知等技术，及时发现作业异常，并准确定位，根据异常类型，系统自动进行调整或处理确保作业的连续性，或者通过监控界面及时提醒至船控人员，进行人为干预，避免造成不必要的生产待时，提高作业效率。该模块对于自动化码头作业的连续性至关重要，因此在系统设计之初就应该全面考虑、同步开发。

3.1.5 与公共平台的协同

与集卡预约平台对接，充分发挥自动化码头陆侧作业资源充足的特点，保证预约兑现率。与受理平台和EIR(Equipment Interchange Receipt，集装箱设备交接单)平台对接，实现全程无纸化作业，全面提升外集卡作业效率和服务水平，助力更高效的集卡物流生态环境的建立。

3.2 系统测试及联调

3.2.1 搭建实验室测试环境

开发生产管控仿真系统和设备拟真系统，搭建实验室测试环境，提前开展生产管控系统和设备自动化控制系统的测试工作，加快前期的调试进度。在试生产之前搭建实验室仿真环境、现场单机种调试环境以及现场多机种联合调试环境，其中实验室仿真环境侧重于系统功能和系统设备交互测试，现场单机种调试环境侧重于单机自动化控制系统测试，现场多机种联合调试环境侧重于全流程作业测试。

3.2.2 搭建多机种联合调试环境

进入试生产或生产阶段后，为了持续开展系统和设备性能的优化，除保留实验室仿真测试环境外，建议在现场动态搭建多机种联合调试的环境，用于系统、单机程序版本更新和新功能上线之前的现场真实环境的测试。该测试环境的资源配置可以根据实际生产情况动态调整。

3.2.3 拟定生产调试计划，组建测试团队

设备上岸之前，建议先拟定生产调试计划再确定设备上岸顺序，避免试生产区域与调试区域间的冲突。组建测试团队，编制覆盖所有工况的测试用例，建立测试量、验收及回退标准，实现仿真测试标准化，有效提高系统功能升级更新后的稳定性。

3.3 作业评价体系建立

自动化集装箱码头的作业整体过程和系统控制与传统码头有较大差异，各环节的数据要素比传统码头多50倍左右，这对整体作业效率的分析提出了极大的挑战。传统的单节点或单模块的作业报表分析方式无法满足要求，需要对自动化码头所有环节的数据进行有效地汇聚、梳理，而后再开展分析。因此在系统建设阶段，需要同步构建自动化集装箱码头全流程作业评价体系，来指导生产组织、系统及设备的持续优化。

(1)梳理作业流程、剖析重点环节，找到影响作业要素，编制全流程监控以及作业评价指标方案。

(2)建立岸桥、轨道吊、AGV作业指标体系，将所有过程控制中的关键节点信息以数据流的方式进行全面管理，进而开展数据节点分析及作业效率分析[4]。

(3)通过界面展示分析结果，直观、清晰地反应各环节的作业效率影响因素。作业数据分析结果将进一步为系统、设备及生产组织优化提供支撑，循序渐进，实现增效闭环。

3.4 系统硬件及网络搭建

3.4.1 系统架构

由于自动化码头生产系统需要控制大量设备和终端，进行大量系统层面的数据交互，因此需要制订标准统一的交互方式，同时要具备灵活的扩展性。相较于传统码头，系统处理量成几何倍增长，进而需要搭建分布式高并发的任务调度平台，构建多点交互、多活并发的全域融合架构，满足系统任务高效处理的要求。除此之外，建议系统功能模块化开发，制订标准的接口规范，便于后续功能升级替换。

3.4.2 网络配置

按照设备自动化运作和远程操控的需求，必须实现稳定的、低时延、高带宽的网络接入。其中，岸桥和轨道吊的位置相对固定，采用千兆光纤直接有线接入，确保设备远程操控的要求，同时可以考虑利用5G这类高带宽、低时延的无线网络作为备份链路。建议AGV的无线网络独立建设，和其他手持终端或对讲网络从物理层面进行区分，确保AGV控制通讯的稳定，同时在无线网络建设方面要充分考虑大容量(1个局部区域内大量AGV接入)、低时延(车辆控制级时延)、全覆盖(AGV所到之处)等方面问题。另外，考虑到工控网络安全，建议核心交换机宜符合SDN(Software Defined Network，软件定义网络)理念，可识别或自定义工业控制协议，并与应用系统对接。应用系统可以智能调度网络控制层面，从而实现网络资源自动、灵活地匹配业务层面的数据转发及带宽要求。

3.4.3 系统高可用性

自动化集装箱码头的运作高度依赖信息化系统，因此系统的高可用设计，最重要的是满足码头24 h生产不间断的需求。这就需要系统在整体上，尽可能抵抗计划内或计划外停机因素对整个生产信息系统运行的影响。因此在系统的设计和建设上要确定以下2个目标：

(1)核心机房的主要设施、核心网络设备及整体拓扑、数据库主机系统、核心应用层，必须搭建冗余架构及应急响应机制，特别要提醒设备控制系统的冗余架构部署。

(2)小区域的故障不影响系统整体运行，合理有序的管理系统能尽快定位故障源，缩短修复时间。

3.4.4 工控网络安全

自动化集装箱码头应用了大量自动化控制系统，并与信息化系统高度融合，整个工控系统已从原来封闭、孤立的系统转变为开放、互联的系统，在实现远程控制与维护的同时，也面临着严重的网络安全威胁，因此必须从管理和技术两方面加强自动化码头工控系统的安全防护，达到关键信息基础设施网络安全等级保护三级。这方面的工作应该在系统设计之初就予以考虑，与网络建设同步进行，并要持续运维。

4 结语

以某自动化集装箱码头为背景，阐述了其智能生产管控系统建设的特点及其系统建设的主要内容。多年实际运行情况表明，该系统结构合理，技术成熟，可为同类自动化集装箱码头智能生产管控系统建设提供参考。