集装箱码头水平运输作业的管控研究

刘彩云，陈燕燕,2，朱 军，卓 杰，武茂浦

(1.中船重工信息科技有限公司 江苏 连云港 222000；2.中船重工集团第七一六研究所 江苏 连云港 222000)

集装箱码头水平运输作业指岸边与堆场间的集装箱运输作业.随着船舶大型化、作业高效化发展，水平运输作业越来越成为影响集运疏水平的关键环节，为此诸多学者进行了相关研究.罗勋杰[1]围绕技术参数、技术先进性等要素，对两种主要的运输方式进行了定性及定量对比分析.李幼萌[2]研究了港口跨运车的应用.彭传圣梳[3]理了正面吊的应用与发展情况.毕艳飞[4]总结归纳了自动化集装箱码头水平运输定位技术.不过以上学者仅分析了运输方式，并未进行系统的创新性设计.

大部分学者对码头水平运输系统的研究集中于车辆调度优化、路径规划.余孟齐[5]等基于改进粒子群算法进行了岸桥和集卡的集成调度问题研究.马孙豫[6]基于多层编码粒子群算法对岸桥与自动导引小车(AGV)系统调度问题进行了仿真.刘梦梦[7]基于遗传算法建立了AGV调度优化模型，得到设备最佳配比.赵金楼[8]从燃料成本和作业时间两个角度研究集装箱码头的集卡路径优化问题，基于粒子群算法实现了集卡路径优化.周强[9]基于离散时间动态理论建立了集装箱码头道路交通仿真分析复合模型，实现了码头道路交通调度仿真.

部分学者进行了码头水平运输系统与岸桥或场桥等其余部分子系统[10-13]的协同研究.不过这种方式无法兼顾码头整体作业环节与作业逻辑，实现装卸优化.

鉴于现有研究多针对集装箱码头水平运输作业的某些方面如运输方式、车辆调度进行理论分析与设计等，没有进行完整作业的研究与管控系统设计.本文以码头无人运输车为管控目标，形成了水平运输作业解决方案，采用虚拟仿真的方法构建仿真系统，实现了全面管控.

1 建设需求

1.1 问题与现状

1)传统的人工作业模式无法满足市场

船舶大型化、航道深水化等导致装卸量激增，而装卸周期并未延长，传统人工作业存在人员作业疲惫、操作失误、人工成本高等问题.

2)传统的运输模式导致事故频发、隐患不断

传统集卡车由于转向系统故障、制动系统的稳定性、制动距离、维护保养不到位等问题容易出现人员伤害、车辆碰撞等事故.

3)进出口物品可控化、信息化需求增长

全球贸易往来日益频繁，传统水平运输作业依靠调度员、理货员、运输车队等手工方式生成调度计划、进行任务分配等无法满足运输任务需求；采用对讲、短信等方式进行信息交互，时延高、响应慢、透明度差.

明确码头作业需求，提高码头的信息化以及自动控制水平，设计高效合理的水平运输管控系统才能有效提高集装箱码头的服务能力.

1.2 建设思路

《深入推进绿色港口建设行动方案(2018—2022年)》、《公路水路交通运输节能减排“十三五”规划》等政策推动港口建设朝着低碳、节能的方向发展，在离线充电、大容量锂电电池包、无线数据交换等技术的发与应用为电力驱动提供了强有有力支撑.集装箱码头水平运输系统的建设要统筹“一关三检”、船代、货代、船公司的运输需求，以“标准规范”、“网络安全”、“信息安全”为体系支撑，通过“物联化”、“协同化”、“智能化”、“可视化”的信息化建设策略，开展“智能交互”、“协同运行”、“数字管理”等业务，实现操作有序、计划有据、指挥有方、响应有力.设计思路如图1所示.

图1 集装箱码头水平运输战略模型

1)物联化

通过传输控制协议(TCP)、超文本传输协议(HTTP)、消息队列遥测传输(MQTT)等互联网协议，采用紫蜂协议(Zigbee)、窄带物联网(NB-IOT)、无线宽带(WIFI)、4G网络等联网方式，基于无线射频、雷达、摄像头等终端，实现港口全面感知、设备状态采集、任务信息采集、资源间互联互通.

2)协同化

整合码头的AGV、集卡、叉车等运输设备，统筹货主需求、船舶离泊计划，以可扩展标记语言信息加密、企业服务总线、云平台等技术为支撑实现车辆协同调度.

3)智能化

基于采集的数据以及码头作业流程，采用深度学习算法、迪杰斯特拉算法、基于网络切片的无线传输优先级及质量控制策略等实现车辆路径实时动态规划、应急避障、风险管控等.

4)可视化

可视化即将用户需求、运输计划以及历史信息、现场作业场景等以图、表、虚拟物理模型等形式展现，从而使用户直观了解任务进程、码头管控人员实时掌握任务动态、码头调度人员进行辅助决策.可视化涉及信息技术、自然科学、统计分析、图形学、交互、地理信息等多种学科，大数据分析、虚拟现实、数据处理架构等关键技术.

2 系统设计

2.1 作业流程

码头设备管理系统(ECS)将岸桥编号、岸桥位置、堆场箱位、堆区编号、堆区位置等信息发送至水平运输管控系统，其任务管理模块遍历码头车辆的状态.若不存在空车则更新待运输列表；否则进行任务优先级计算、任务分配、路径规划，进而管控无人运输车辆向目的地运行，期间车辆以一定频率将任务、环境、位置等反馈给管控系统，基于应急处理机制、交通管制规则等系统实现动态路径优化与管理，直至无人运输车辆到达目的地.车辆到达目的地后，一次运输任务完成，车辆重新变为空闲状态，更新任务管理模块，直到所有运输任务执行完毕，水平运输作业结束.具体流程如图2所示.

图2 水平运输作业流程

2.2 系统功能

集装箱码头水平运输管控系统具备以下功能：

1)接收上级系统(ECS)的指令，结合码头车辆状态、位置信息、任务优先级等生成车辆调度计划、路网规划等，并将任务进程反馈至ECS；

2)向无人运输车发送指令，控制车辆按照任务分配及路径优化结果运行，同时接收车辆作业进度以及状态反馈，保证车体的自主运行、定位精度等；

3)具备路径规划能力，同时能根据现场情况动态优化并更新路径规划结果；

4)能够进行障碍物判断及躲避，具备应急管理机制，确保车辆安全运行；

5)通信的实时性、延时时间、丢包率及可靠性满足现场作业需求.

2.3 系统构建

集装箱码头水平运输作业管控仿真系统主要由用户管理模块、智能体模块、任务管理模块、数据显示与分析模块组成.其功能模块组成如图3所示.

图3 水平运输作业管控仿真系统功能组成

1)用户管理模块.主要包含用户登录、注销、修改密码、用户等级设置、用户角色设置等基本用户管理以及操作功能.

2)智能体模块.集装箱码头的各类资源，例如场桥、堆区等均可被抽象为智能体(agent)，通过添加属性为智能体赋予各种功能特性.以集装箱为例，可以添加集装箱编号、集装箱待转运无人车编号、集装箱所在堆区箱位、集装箱船图仓位、集装箱尺寸、集装箱类型等等.各智能体的属性以及逻辑关系如图4所示.

3)任务管理模块.主要包含系统输入界面、任务优先级划分、车辆路径规划、车辆动态管控、视景漫游等功能模块.实现仿真方案选取与更新、仿真作业优化、仿真可视化视景开发等.

图4 系统智能体逻辑关系图

4)数据显示与分析模块.能够根据任务进度实现实时作业数据采集与处理，进而向用户展现码头实时作业信息、车辆状态信息、车辆使用率等内容，为决策提供依据.

3 案例应用

3.1 场景布局

某集装箱码头年吞吐量100万TEU，码头内部车辆运输区域呈“夹层式”[14]布局，布置连续泊位可供停放不同尺寸的船舶，维修区域的布置靠近海侧，以便提高维护效率；采用双小车轨道式岸桥，海侧无人车运行及暂停区域的宽度为45～60 m.堆场堆区长度小于350 m，按照平行方式布置[15]，采用“堆五过六”的堆存方式，每个堆区配置2台无悬臂自动化轨道吊；无人运输车不进入堆场内部，根据运输需求在堆区一端设置若干无人运输车停放位，堆场侧面无人运输车道路行驶宽度45～50 m；堆区另一端设有外集卡停放位以及运行车道.堆场后方布置外集卡运行区域，紧靠闸口以及车辆缓冲区域.目标码头布局如图5所示.

图5 目标码头布局图

3.2 仿真运行

船舶停靠时间为12 h，大中小型船舶分别配置3、2、1台岸桥.每个堆区配置1台场桥，每个堆区端部布置2个停车位.车辆载重最大直行速度5 m/s，直行空载最大速度8 m/s，弯道速度3 m/s.依据以上码头布局、参数信息等，进行系统仿真运行，系统主管控界面如图6所示.

图6 水平运输系统主管控界面

水平运输管控仿真系统能够对车辆行驶区域进行路径规划，实现作业管理等、数据处理与显示等.系统的可视管理界面、数据统计与分析界面分别如图7、8所示.

图7 系统维虚拟仿真场景

4 结 语

针对集装箱码头水平运输作业的人工成本高、意外事故频发、信息化管控程度低等问题，本文进行了系统建设思路梳理、工艺流程设计、功能设计.基于Anylogic仿真引擎，构建了集装箱码头水平运输管控仿真系统，系统具备以下优点：采用虚拟仿真方式，能够通过改变系统输入等方法，多次实现码头调度设备配置方案验证、任务优化等功能，投入成本低且效率高；系统拥有可视化视景，能实现作业场景虚拟展现、漫游、告警等可视化操作.通过案例应用，验证了系统任务管理、可视化、数据分析等功能.后续团队将基于此系统进行车辆路径优化研究.

图8 系统数据分析与显示界面