集装箱码头远程控制智能堆场系统设计及实施
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在“一带一路”倡议的引领下，产业与区域协同发展日新月异，取得显著成果，在推动我国沿海港口吞吐量增长的同时，也对港口集疏运能力提出更高要求。为了提高码头作业效率，减少人力成本支出，顺应新时代港口发展需求，厦门港、青岛港和上海港等港口相继建设并运营自动化集装箱码头。在自动化集装箱码头建设浪潮的影响下，传统集装箱码头也开始探索改造升级之路，包括实施设备远程控制改造、建设智能堆场、研发和应用无人集卡等。本文以天津港太平洋国际集装箱码头有限公司（以下简称“太平洋国际码头”）堆场改造项目为例，介绍集装箱码头远程控制智能堆场系统，以期探索基于智能化和远程控制的集装箱码头堆场作业新模式。
1 集装箱码头远程控制智能堆场系统设计
1.1 设计目标
（1）系统功能层面：实现堆场贝位倒箱、移箱全自动作业模式与集卡配合作业时人工抓箱、放箱半自动作业模式相结合;基于堆场集卡列表，实现作业指令的智能派发，从而提升轮胎吊与集卡协同作业能力以及堆场整体作业效率。
（2）效率和效益层面：实现单人远程操控4～6台轮胎吊，使单台轮胎吊的作业效率达到25自然箱/h。
（3）人机安全层面：采用视频识别、激光扫描等智能感知技术，确保堆场作业安全。
1.2 系统架构
太平洋国际码头远程控制智能堆场系统主要由堆场作业智能管控系统、设备综合控制中心系统、设备智能控制系统、远程控制系统等构成（见图1），并通过数据接口接入天津港集装箱码头一体化操作系统。
1.3 系统功能
1.3.1 堆场作业智能管控系统
堆场作业智能管控系统由智能堆场闸口管理子系统、智能闸口集卡队列管理子系统和作业指令智能控制子系统组成，其主要功能是实现轮胎吊作业指令的智能控制。该系统针对太平洋国际码头堆场单车道作业模式而设计，并与码头操作系统对接。
智能堆场闸口管理子系统由无线射频识别读卡器、地感线圈和电子挡杆等模块组成，其主要功能是识别车辆和人员以及控制挡杆起落。
智能闸口集卡队列管理子系统的主要功能是控制外集卡进场数量，避免因堆场拥堵而影响作业效率。
作业指令智能控制子系统是堆场作业智能管控系统的核心模块，其主要功能包括：与码头操作系统对接，获取堆场轮胎吊和集卡作业指令;按照作业效率最高原则，基于集卡进场顺序、当前轮胎吊位置和作业指令优先级，智能派发轮胎吊作业指令;为智能闸口集卡队列管理子系统提供当前各堆场的内集卡和外集卡信息，實现智能闸口集卡队列管理子系统对集卡的智能管控。
1.3.2 设备综合控制中心系统
设备综合控制中心系统是堆场轮胎吊的综合控制枢纽，其主要功能包括：接收指令与设备控制接口服务系统推送的指令，从中解析轮胎吊设备编号、作业类型和作业起止位置等信息，并将作业指令推送给指定轮胎吊的智能控制系统;根据现场轮胎吊的作业类型和作业执行状态，为特定轮胎吊分配空闲的远程控制台;借助设备状态实时监控系统，将设备状态上传至堆场作业智能管控系统，并智能控制轮胎吊大车移动，从而为堆场作业轮胎吊提供软件层面的大车防撞保护。
1.3.3 指令与设备控制接口服务系统
指令与设备控制接口服务系统的主要功能是：实现堆场作业智能管控系统与设备综合控制中心系统之间的数据交互，并将交互数据存储在Oracle 12C服务数据库中，实现控制信息的缓存及历史数据的存储和查询。指令与设备控制数据交互功能见表1，其中：包含自动派发和手动请求在内的双重指令派发模式是对传统集装箱码头堆场实施自动化改造的有益探索，其既能满足正常工况下指令优化和智能派发的要求，又能降低异常工况下人工处理的难度，在确保堆场作业效率的同时简化人工操作。
1.3.4 设备智能控制系统
设备智能控制系统的主要功能是：将设备综合控制中心系统下达的作业任务分解为大车移动、小车移动、开锁、闭锁等指令，并在安全防护子系统和自动定位子系统的辅助下安全、高效、精准地完成各项指令。
安全防护子系统在原有的集卡防吊起和轮胎吊大车防撞等技术的基础上，借助视频监控、雷达探测、激光扫描等智能感知技术，实现对人员和设备的安全防护。
自动定位子系统的主要功能包括：智能感知并自动确定轮胎吊大车、小车和吊具位置;实现轮胎吊大车运行自主纠偏;自动识别、定位并引导集卡。
1.3.5 远程控制系统
远程控制系统作为人机交互的核心系统，通过指示灯和远程控制界面实时显示作业现场设备状态和指令执行状态，并通过遥控手柄、机械按钮和GP触摸屏等输入设备实现对轮胎吊的控制以及与堆场作业智能管控系统的交互等功能。当远程控制台对特定轮胎吊切入控制时，视频和语音控制系统智能切入相应轮胎吊的视频画面和语音，从而使远程操控人员能够实时了解作业现场情况，并与集卡司机及时沟通。
1.3.6 设备状态实时监控系统
设备状态实时监控系统的主要功能是：实时监控全场轮胎吊的状态、位置等，并将相关信息上传至设备综合控制中心系统，从而实现对全场轮胎吊的实时调度和防撞功能，并辅助堆场作业智能管控系统实现智能决策。
1.3.7 异常工况应急处置机制
为了提升系统处置异常工况的灵活性，增强系统容错能力，针对堆场作业过程中可能出现的异常情况建立应急处置机制，例如：在系统未检测到进出闸口集卡信息的情况下，允许远程操控人员手工输入集卡信息;在系统发布的作业指令与实际作业任务不符的情况下，允许远程操控人员自主选择作业指令。此外，为了避免因服务器发生故障而导致作业全面瘫痪，对作业指令智能控制子系统、设备综合控制中心系统等涉及全局性作业的模块采取主服务器和备用服务器双活配置，使备用服务器在主服务器发生故障后能够及时接管报务，从而确保堆场作业的持续性和安全性。
2 集装箱码头远程控制智能堆场系统实施
太平洋国际码头远程控制智能堆场系统一期工程需要改造2个冷藏箱堆场和4台轮胎吊，涉及现场土建施工、设备硬件改造、软件系统开发等，工期紧且任务重。为了确保项目顺利实施并兼顾堆场日常作业，项目组加强时间控制、质量控制、成本控制以及合同管理、安全管理、协调管理，力争在工期内保质、保量地完成各项任务指标。在系统实施过程（见图2）中，针对软件系统开发进度不一致、无线射频识别读卡器测试不达标等问题，项目组迅速协调各方资源，加强软件系统开发人员之间的沟通和配合，确保各系统协调开发、高效集成，并及时更换
无线射频识别读卡器。目前太平洋国际码头远程控制智能堆场系统项目实施工作已进入尾声，后期项目组将根据现场作业情况，从效率、安全、节能、环保等方面对系统实施优化升级，推动码头堆场作业向智能化、绿色化方向发展。
3 结束语
集装箱码头远程控制智能堆场系统能够对堆场作业资源实施全程监控和全局调度，优化资源配置，并实现人机分离和一对多作业，从而使人力成本大幅降低，设备利用率显著提高。太平洋国际码头远程控制智能堆场系统的设计和实施是对传统集装箱码头应用“智能化+远程控制”堆场作业新模式的有益探索，有利于推动智慧港口建设和发展。
（编辑：张敏 收稿日期：2019-03-05）
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