集装箱码头自动感知生产监控中心功能及结构

    王台华　焉政法　柯璐琦　卓宏治　刘桂云

    摘 要：建立集装箱码头自动感知系统，对于提高港口生产能力和综合竞争力具有重要意义。论文根据集装箱码头的生产特点，分析了基于物联网等自动感知技术的集装箱码头生产监控系统的组成结构，进而对集装箱码头自动感知系统的生产监控中心功能、结构和信息处理流程等进行了重点研究。研究目的旨在提高集装箱码头生产监控能力，提升码头工作效率和安全性。

    关键词：集装箱码头；自动感知；生产监控中心

    近些年，国际贸易运输中的集装箱运输发展迅速，我国港口集装箱吞吐量是逐年上升。同时，集装箱船舶的大型化、高速化、专业化发展以及港口码头操作箱量的不断增长，对集装箱码头生产管理提出了更高的要求。我国已经有很多学者对集装箱码头运作和管理做了大量的研究，包括高华（2009）、魏梦月（2009）在码头信息系统方面进行了分析；钱永兴（2005）、廖志刚（2013）研究了码头集卡调度系统、徐颖（2013），梁宏晖（2013），桑海泉（2008）、陈加敏（2008）等研究了码头监控系统方面。而现代无线通信技术、自动化技术在集装箱码头的设施设备建设和生产管理中得到了大量的应用。以物联网为代表的自动感知技术能够大大提高信息的自动采集能力，减少了人员的重复操作，减少产生错误记录，一些学者，诸如包雄关（2013），蔡志刚（2007），Mullen， D.（2005），Twist， D.C.（2005），Nath， B.（2006）等对物联网和RFID（射频识别技术）技术在港口运作管理中的应用进行了研究。本文基于物联网等自动感知技术，对集装箱码头生产监控中心模块和流程做深入系统的研究。

    一、集装箱码头的组成和生产特点

    基于集装箱码头业务管理、装卸作业等基本需要，集装箱码头的主要组成部分有码头办公楼、维修车间、控制塔、靠泊设施、码头前沿、集装箱编排（组）场、集装箱堆场 集装箱码头出入大门、集装箱货运站等。从集装箱通过集装箱码头货运站闸门、进入堆场堆存到装船出港构成了一个完整的集装箱生产流程系统，其中无论哪个环节出现效率低下的问题，都将会对整个集装箱运输系统流程的效率造成影响，从而造成资源浪费和码头经营成本的提高。因此，统筹整体，各项作业协同运作紧密配合对集装箱码头具有重要意义。所以对于运输系统的任何一个子系统都需要协调一致，码头上的各项设施必须合理布局、形成整体效应，保持上下环节顺畅、高效、衔接无障碍。只有集卡、船舶、集装箱的高效周转配合一致，才能有效降低作业成本、提高作业效率、并最大化经济效益。近年来，集装箱运量不断增大，传统件杂货运输集装箱化比例不断提高，集装箱业务发展迅速。为了适应全球水运集装箱化趋势，相应的政府组织航运企业加大了对集装箱船舶和码头的扩建与更新，导致集装箱船舶和港口码头越造越大，使得集装箱船舶运输单位成本越来越低。集装箱船舶大型化，势必会延长船舶在港口进行装卸作业所需要时间，造成时间成本上升。在船舶在港总时间的组成中，船舶作业时间占了很大的一个比重。因此为了减少船舶在港总时间，提高码头装卸设备效率是一个重要的途径。现在的集装箱码头普遍配备现代高效自动化的装卸机械设备，减少人工及低效率设备的使用，提高现代集装箱码头相关操作业务的自动化程度。

    现代集装箱管理业务要求信息录入传递的高效性与无差错性，一方面源于港口当局船货代公司及相关部门之间信息联系的整体性与协调性，采用电子数据交换EDI技术。另一方面在于集装箱操作码头的现场操作各部门各环节采用低差错率的现场数据录入仪，同时对码头工人的技术熟练度与文化素质提出了更高的要求。通过港口高效先进的管理手段，能显著缩短船舶在港时间，保证货物装卸质量提高装卸效率，节约作业成本提高港口效益。

    二、集装箱码头自动感知生产系统结构

    集装箱码头具有泊位、堆场、岸桥、闸口等设施场地，环境布局往往比较复杂，作业区不允许架明线，不适宜铺设有线网络。转运车辆和其他大型装卸起重设备，其频繁移动性导致只能采用支持移动而定自动感知系统。因此，利用自动感知设备，建立起支持具有高移动性、强保密性和抗干扰性的无线网络，能够很好地满足集装箱码头作业现场业务的需要。系统所应用的自动感知终端主要包括RFID标签、RFID读取器以及无线射频识别技术。本系统采用的是半有源标签，半有源标签适用于自动化控制的灵活性应用技术，其抗干扰能力强，可适应恶劣工作环境，不怕灰尘油渍污染，可替代条码。在无人工操作，无接触、瞄准的情况下就能进行控制和识别工作。半有源标签和对应的读写器分别安装在码头对应设备上， 比如标签装在集装箱的门楣处，读写器安装在岸吊岸桥岸向一侧的吊臂上。场内集卡是辅助集装箱水平移动的主要设备，该系统在每一辆注册过的集卡托运车辆上安装一个电子标签，一般是在托运车辆的前挡风玻璃内侧或者是在场内集卡的平板处上进行安装电子标签。操作人员可以通过简单设置来选择标签的工作模式，分为只读模式和读写工作模式。在每个集装箱的指定位置上安装1到2个电子标签，这些电子标签已经事先存入了装卸港、船舶、集装箱及箱内货物等信息，本车以及所装载集装箱的信息，均可通过设在集卡驾驶室的显示终端显示。通常由安装在堆场吊机龙门吊臂上的RFID监控装置来收集每个集装箱在堆场上的具体位置信息。当装有电子标签的集装箱在通过集装箱货运站的入口时，安装在闸口的读取设备会自动读取这些电子标签，以此获取司机、车牌信息，电子箱号标签和电子关锁数据；安装在路下的地磅秤会测量出集卡的载重吨数信息；通过视频监控技术和来获得集装箱的图像信息。

    三、集装箱码头生产监控中心的组成

    集装箱码头生产监控中心具备在港域水路运输、港口泊位作业、堆场堆存作业、内陆集疏运功能、货物相关服务、口岸监管服务等信息的处理功能，为生产监控和决策提供支持。达到码头生产状态的实时监控，实现集装箱在码头的全过程监控和及时修正码头调度管理中所发生错误命令，提高码头工作效率是构建基于自动感知技术的集装箱码头生产监控系统的主要目的。

    集装箱码头生产监控系统能够自动感知集装箱在码头的位置及所处的状态，及时发现集装箱在装卸、运输以及堆存时的出现异常状态，并作出修正，有效保障集装箱的安全。与此同时，有效的集装箱码头监控系统能够及时发现并解决集装箱码头在生产过程中的出现的设备故障、流程冗余以及管理低效等问题，改进多余环节，实现高效的生产效率，以便进一步提高码头的经济效益。完善的集装箱码头监控系统能够自动跟踪整个码头的生产工作过程，在很大程度上能降低码头调度工作、管理工作对工作人员产生的负担。并且通过集装箱码头生产监控系统，能够有效地提高客户服务水平，增强对客户的吸引力。

    集装箱码头监控的主要内容包括堆场监控、装卸船监控及其他港区操作监控。

    监控中心系统主要由物联网等信息感知终端、信息传输技术、各生产监控子系统、信息监控处理中心组成。信息感知终端由各种各样的传感器及其传感器网关构成，主要负责物体识别和信息采集并通过一定的信息传输技术（例如互联网技术、无线电技术等）传到各个生产监控子系统。生产监控子系统对集装箱码头各个生产过程所传送的信息进行分布式处理。信息监控处理中心通过收集各个生产监控子系统所得出的信息进行综合处理做出各种调度安排，实现对集装箱码头的实时监控和集装箱的全过程控制。在这里采用分布式的处理模式来简化系统，是因为港口的生产信息过于复杂。各种不同的信息在各个子信息库进分类处理之后再统一传送到信息监控处理中心，并进行信息的综合分析和整合，最后反馈给管理者。对信息进行分类处理的目的是统计和整理数据，进行整合处理的目的是对比数据，然后挖掘分析数据，为管理和决策提供支持。

    四、集装箱码头生产监控中心信息处理流程

    集装箱码头生产监控中心处理流程如图3所示。

    集装箱码头生产作业的主要内容是进行对集装箱在码头前沿所进行的装卸船作业，集装箱进出堆场和集装箱在堆场堆存并等待装卸作业的过程。本文所设计的作业流程主要是针对集装箱从堆场闸口进入堆场到最终装上船舶的过程进行分析。

    集装箱码头生产监控中心通过对感知终端采集到的实时信息进行综合处理，并进行分析。一般系统所需要收集的信息包括堆场闸口的延滞情况、集装箱及集卡在堆场的具体三维位置、桥吊的工作效率以及泊位的占用情况等，如果在生产流程中出现问题，监控中心系统将会自动产生报警信息并且及时修正调度和运行管理。

    处理流程按其所发生的地点具体可分为两大部分，即堆场监控和泊位监控。

    在堆场监控流程中，当有在指定位置安装了包含相关数据信息的FRID电子标签的集卡和集装箱通过集装箱堆场的专用验证闸口时，监控中心系统在闸口上的布置的自动感知终端会自动采集集装箱和集卡的相关信息，然后传输到监控中心，系统对信息分析处理，及时做出这个集装箱的堆场安排计划。并且，系统通过安装在室外的显示屏，显示引导集卡开往指定地点的信息。堆场查验人员确认信息无误后放行，同时系统把采集到的集装箱信息通过网络传递到调度中心，使该集装箱进入堆场作业队列。等到了计划安排好的时间后，调度中心指挥装卸设备（龙门吊）进行作业，把集装箱运往码头前沿进行装船作业。如果是具有优先级的集装箱则直接安排龙门吊对其进行作业。

    在泊位监控上，监控系统利用安装在泊位的视频监控终端，结合提交的配载安排计划表，可清楚地了解到发生在泊位上的实时装卸情况。主要包含了桥吊的实时作业效率及作业状态下的拖车集卡的往返频率和时间。生产监控中心通过这些数据可及时掌握桥吊的和拖车的预计完成工作时间。并且，生产监控中心可根据此信息，及时地调整桥吊作业路线，指派其他空闲集卡到优先级集装箱区域进行作业，合理平衡了各个作业泊位区的装卸延迟时间，以最快的效率、完成船舶装卸任务，避免各路作业进度的不平衡性所造成的装卸运输机械空置等待的情况，提高了装卸作业机械和集卡拖车的使用效率，同时缩短了船舶的在港总时间。这一措施能同时提高码头和船方两方的经济效益，产生更多的社会效益。

    基于RFID 技运术的集装箱码头生产监控系统实现了对集装箱在港口的全过程监控，加强了港口公司对集装箱监控的能力，这样在极大程度上方便了船公司和客户查询作业船舶的动态，同时实现了集装箱码头管理的自动化、信息化，在减少集装箱码员工工作量和人为失误上做出了一定贡献。

    五、结束语

    基于自动感知技术的生产监控系统实践应用在集装箱码头领域，虽然在实践的过程中还存在着许多障碍，但是它的确能够提高集装箱码头的生产效益，保障生产安全，为我国建设具有国际一流水平的自动化、信息化的智慧港口点明了发展方向。集装箱码头安装并应用生产监控系统能够极大地改善传统集装箱码头在信息管理工作方面所体现出问题。并且通过该系统港口公司能达到对集装箱的自动识别以及集装箱从进港到装船出港全过程监控的目的，同时缩短了集装箱在港口的周转时间，为集装箱在港口的安全提供了有效的保障。但是，在具体的系统建设应用中，必须要结合码头的实际生产情况，因地制宜，选择合适的自动感知终端安装位置、信息传输方式，并设计符合码头自身监控功能和结构。

    参考文献：

    [1]高华.装箱码头管理信息系统应用[J].分析商场现代化，2009（26） 5

    [2]魏梦月.码头信息系统在集装箱单证作业中的应用[J].中国新技术新产品，2009，（20）：39

    [3]钱永兴.集装箱码头集卡调度系统[J].水运工程，2005（5）：62-66

    [4]廖志刚.基于GPS和无线系统的集装箱码头集卡调度优化研究[D].2013

    [5]徐颖，王良群.无线监控系统在港区码头的应用[J].港口科技，2010（11）33-35

    [6]梁宏晖.浅析无线监控系统在港区码头的应用[J].城市建设理论研究，2013（34）

    [7]桑海泉，康荣学，魏利军.石油化工码头安全监控系统研究[J].中国安全生产科学技术，2008（4）：27-31

    [8]陈加敏，薛士龙，张宁，曹金虎.自动化集装箱码头监控系统设计.上海海事大学学报，2011（3）：16-31

    [9]包雄关，刘桂云等.基于自动感知技术的集装箱码头生产监控系统[J].大连海事大学学报，2013（3）：95-98

    [10]包雄关.智慧港口的内涵及系统结构[J].中国航海，2013，36（2）：120-123

    [11]蔡志刚.集装箱无线射频识别技术应用研究[J].港口装卸2007，7（4）：142-144

    [12]Mullen， D.， 2005. The Application of RFID Technology in a Port， Port Technology International， 181-182

    [13] Twist， D.C.， 2005. The Impact of Radio Frequency Identification on Supply Chain Facilities.Journal of Facilities Management， 3：226-239.

    [14] Nath， B.， Reynolds， F.， and Want， R.， 2006. RFID Technology and Applications， IEEE Pervasive Computing， 5（1）：22-24.