全自动智能堆场管理系统浅析

纪辉

（山东朝辉自动化科技有限责任公司，山东 青岛 266000）

近年来，随着物流业的发展，港口码头堆场的工作范围和规模进一步扩大，传统的人工作业效率成果已经难以满足实际需要，与此同时，由于堆场的作业线生产模式的限制，单个设备的问题极有可能造成整体性的影响。为规避上述局限问题，采用全自动智能堆场管理系统进行港口堆场的高效调度和生产操作则成为一项重要的研究内容，应对此予以重点探究。

1 全自动智能堆场管理系统的主要目标及需求分析

1.1 基本业务需求

从目前的实际情况来看，港口码头堆场的管理工作主要分为以下几方面的内容：（1）货物位置的准确性，其主要指各类货物的堆放和运输均需要有明确的位置，确保堆场管理人员和货主能够快速实现对目标货物的定位，以及对货物属性信息（如数量、种类等）的快速识别；（2）堆场利用的规划性，其主要指堆场空间布局的合理规划，根据堆场的实际情况，对各类货物所处的位置予以合理的统筹安排，避免出现局部拥堵或空置等情况；（3）堆场管理的高效性，其主要指数据信息能够在各个模块中快速生成，减少人工参与环节，提升管理效率；（4）堆场管理的实效性，其在实际管理工作中，各类数据信息应当实时显示，并支持查看历史数据，确保实现更为科学的管理，并提升管理工作的安全系数；（5）堆场管理的低碳环保性，系统应当实现对堆场资源的合理调配，确保水资源和电能等的节约应用。

1.2 主要建设目标

结合上文所提及的系统基本建设需求，全自动智能堆场的建设管理目标主要可分为以下两个方面：一方面是要基于高效率的系统架构模型，对堆场内各个功能模块予以高度整合，实现数据的互联互通，以及各个功能模块之间的协调运行。另一方面，该系统应当实现对整体流程的实时监控，推动堆场工作的自动化和智能化发展，满足实际工作需要。

2 全自动智能堆场管理系统的整体架构

2.1 系统基本架构

考虑到实际需求和建设目标，在全自动智能堆场管理系统的基本架构设计中，设计人员通常以物联网技术为基础，融入3D GIS 功能实现可视化设计，确保堆场内各个功能模块和管理系统时间实现实时的数据共享。同时，为确保后期功能拓展的需要，在系统架构设计中也通常融入“模块化”的理念进行设计。

具体来看，在全自动智能堆场管理系统中，其基本架构通常分为以下四个层级：（1）数据传感层，也是整个架构最基础的一个层级，其主要基于各类传感器元件，对堆场的各种设备的数据信息进行采集；（2）网络传输层，其主要基于TCP/IP 协议，将传感器采集的数据传输至数据库中，再进一步传输至中心服务器集群中，实现对数据的初步处理；（3）信息监控平台层，该层级的功能模块相对较多，能够实现静态和动态两方面的信息监控，其中前者主要指堆场的基础地形和固定基础设施两部分，后者则对堆场货物的堆放、传送和装卸等多种要素进行实时监控，以上两方面的监控数据均集中于数字平台上予以显示；（4）终端应用层，其主要基于3D GIS 软件平台，实现堆场运行状态的可视化，实时查看堆场的运行情况，并根据实际情况给出相应的干预措施。

2.2 系统数据库

数据库在该堆场管理系统中同样发挥着不可或缺的作用，其在很大程度上决定着系统的应用效率。一方面，考虑到这一情况，在系统数据库的实际设计工作中，设计人员通常采用MySQL2019 进行数据库的设计，在实际过程中，结合功能上的需要，通常采用如表1 的数据表。

另一方面，在实际的数据库设计环节中，为确保数据库的安全性，设计人员将数据库文件系统设置于云端，并采用RAS 或AES 等加密方法，对数据库中的数据进行加密设计。

3 全自动智能堆场管理系统可实现的主要功能模块浅析

3.1 散货信息管理模块

在堆场中通常存在多种类型的散货，这些散货规模较小，但在以往的堆场中通常占据过多的堆放面积。为规避这一问题，就需要引入散货信息管理模块，对各种散货信息实现并堆，确保货物智能布局，提高堆场运转效率。为实现此模块的设计，设计人员通常根据散货管理过程中的货号、单号和组号等信息，构建基于多属性维度的散货堆场计划模型，以提升散货堆场容积，实现堆场利用效率的进一步提升。具体来看，该模型通常基于动态的聚类算法加以实现，在算法设计环节中，则通过以下几个步骤进行：（1）基于原始数据，建立对象链表objectList，确定大致分类数及初始类中心，并确定两类合并的临界距离及计算密度所用半径d1，以及建立新的类中心的最小临界距离d2（d2 始终大于d1）；（2）输入d1 和d2 的值，计算密度并降序排序，选取排序后的第一个对象作为初始类中心，逐个引进其余对象，计算其与初始类中心的距离，距离大于d2 的对象则作为新的类中心，以此进行计算，最终得到m 个类中心；（3）对非类中心的对象进行聚类，而后计算各类之间的距离，并进行进一步合并操作，直至所有聚类间的距离均降至d1 以下；（4）以每个类中心代表一类，基于距离最近原则，对全部n 个对象重新进行聚类，以完成聚类算法。

3.2 差分车载智能终端模块

差分车载智能终端模块以堆场的可视化管理为基础，其重点对堆场货物的安全性展开管理，其集成了ARM 处理器、GPS 模块、GPRS 模块、语音模块和其他硬件设施等，其中，ARM 处理器采用嵌入式系统进行功能开发，GPS 模块主要用于对堆场内各类要素的精准定位，GPRS 模块则用于通信功能，其他硬件设施均为工业级，其重点在于提升对外界不利环境的应对能力。

在实际应用中，为实现对指令的实时处理，该模块的基本操作流程如下：（1）模块对本地配置文件进行读取，根据配置文件中的服务器IP 地址和通信端口，与GPRS 模块建立连接；（2）系统对GPS 定位坐标信息的实时读取，并将这些信息发送给GPRS 模块，再由GPRS 模块将信息发送给ARM 处理器；（3）ARM 处理器对信息处理后，控制硬件设备操作，完成指令的实时处理。

3.3 智能管控模块

智能管控模块主要以物联网技术架构为核心，辅以RFID 和差分GPS 等技术，实现对堆场的可视化管理，这种管理在精准度上更具优势。具体来看，在该模块的实际应用中，主要基于以下几方面的技术加以实现：（1）差分定位技术（DGPS），其主要在GPS 技术的基础上利用差分技术进行优化，实现定位精度的进一步提升。（2）GIS（地理信息）技术，基于这项技术，可在计算机中形成码头堆场的电子地图，由此码头堆场的各类要素及布局也就一目了然，当然，受到技术水平的限制，当堆场因主客观因素影响而需要调整时，需要由工作人员手持终端设备进行“跑垛”处理，以实现地图要素信息的更新。（3）机械动态监控及调度相关技术，此类技术主要基于车载终端设备，对涉及的机械设备进行快速定位，此环节通常基于RFID 电子标签进行识别和定位，并基于无线通信模块和PLC 模块，发送相应的生产作业指令，确保机械设备能够按照要求完成装卸作业，避免作业分布不均匀等问题的产生。（4）堆场作业的安全管理模块，该模块通常通过数据比对的方式，对机械设备的作业指令及动态参数进行校验，并设定安全阈值，当机械设备部分运行参数超出安全阈值时，其即可发出警告信号，带动其他模块对机械设备的运行参数进行干预和调整，以此确保现场作业的安全。

3.4 搬倒疏运模块

在搬倒疏运模块中，通过在现场机械上安装GPS 终端，中控室方面即可实时获取堆场各类机械设备的运行情况及具体位置，以实现对机械设备的合理调整。同时在该模块中，进行搬倒疏运作业的车辆设备均配备RFID电子标签，在进出堆场时，系统将对其标签信息进行自动识别，校验无误后即可放行，从理论上而言，其对于提升搬倒疏运的效率和质量均发挥着重要作用。为进一步提升搬倒疏运模块的运行效率，研究人员也进行了大量的研究，考虑到作业机械之间存在相互制约的情况，因此，在该模块的设计中，通常引入搬倒作业控制算法进行效率的提高，其中的重点则是单机效率的提升（即单个装卸机械设备的效率），因此，在算法的设计中，通常首先设定装载机与自卸车的数量比例为自变量，以此构建函数，并对此分别求偏导数，令偏导数的值为0，此时，所对应的装卸机与自卸车比例数值即为最优解，进而确定搬倒疏运模块中装卸机和自卸车的数量。

3.5 系统管理模块

在全自动智能堆场管理系统中，系统管理模块的核心内容则是用户的权限管理部分，由于用户的需求不同，且堆场管理方存在着不同的职能，因此，需要对各类权限进行分别设置。在该模块下，用户必须注册账号并输入正确的账号密码后，方可登录系统进行访问，这种设计方法将有效提升系统的安全性。在此基础上，为进一步提高系统的安全性，在系统设计过程中，设计人员通常对用户密码设计进行优化，如采用密码加密算法，构建数字和大小写字母的混合密码模式，并确保密码长度在10 位或更高，有效降低了密码被暴力破解的可能。在该模块中，密码是用户登录系统平台的主要依据。当用户登录系统平台后，一方面，根据用户身份的不同，平台将对用户赋予其应有的操作权限，避免出现非法访问等情况。另一方面，为实现对相关用户账户行为的管理，设计人员通常会采用get_user_monitor_data(self)函数进行监控，以实时查看用户的操作行为，避免用户出现非法操作等问题。

4 全自动智能堆场管理系统的未来发展展望

当前，全自动智能堆场管理系统的发展尚属于初级阶段，其仍然有着较高的发展空间。预计，随着科学技术的进一步发展，全自动智能堆场管理系统在未来也将取得进一步的发展，从而发挥更大的作用。具体来看，在未来发展中，全自动智能堆场管理系统将在以下两个方面取得进一步发展。

（1）发展的“多元化”特点，由于全自动智能堆场管理系统的模块化特点较为突出，因此，未来该系统将根据堆场工作的不同需要，呈现出多元化发展的态势，结合具体工作需要推出更多的非标定制的功能模块，以及这些设备模块中的新功能，都将得到进一步开发，预计，该系统未来将迎来通用与定制化需求相结合的多元化发展格局。

（2）“数字孪生”技术方法的进一步推进应用。在这种技术模式下，其能够对堆场整体系统进行数字化精确建模和状态信息的实时传感。在此基础上，其可进一步建立传感数据与数字化模型的连接映射，使得数字化模型能够实时、真实反映物理系统在现实世界的行为，并通过人工智能算法实现对系统当前状态的精确分析和未来状态的科学预测。预计，随着这种技术方法的应用，未来的堆场管理工作将更具“前瞻性”，从而进一步提高系统管理的效率和质量。

5 结语

总而言之，当前全自动智能堆场管理系统还是一个较为新兴的概念，其应用有待于进一步推进，对于这方面的技术及理论研究还有着较大的发展空间。因此，在今后的工作中，应当始终结合堆场方面工作的动态发展变化，在算法和系统架构设计等多个领域对系统的功能模块做进一步的优化设计，不断突破当前技术层面的限制，纳入更多的相关要素，以实现全自动智能堆场管理系统的高效应用。