集装箱港口物流与装备集成技术应用
2006-8-30 20:12:00 来源：物流天下 编辑：56885 关注度：摘要：... ...
上海建设国际航运中心， 必须提高港口集装箱处理的核心竞争力。２００５ 年， 上海港集装箱吞吐量已达 １８０８ 万标准箱， 连续三年保持世界第三。上海港在逐步成为国际集装箱运输枢纽大港的同时， 必须在技术创新、科学管理方面与此同步。上海港技术进步和创新是上海实施 ＂科教兴市 ＂主战略的组成部分， 也是上海建设国际航运中心的技术支撑。
自动化无人堆场系统
２００４ 年 ６ 月， 上海港集团与振华港机、上海交通大学合作， 启动自动化无人堆场系统项目；2００６ 年 ３ 月， 在上海港外高桥二期建成了国际领先的集装箱自动化无人堆场， 并顺利完成了工业性试生产。
１． 堆场装卸工艺方案
该方案创新了一套高、低架轨道龙门吊和缓冲区相结合的接力式堆场装卸工艺系统。
堆场总体布局。堆场面积： ２６４ｍ×２４５ｍ＝ ６４，６８０ｍ２； 堆存能力： ５ 垛×８层×６４ 排×６ 列＝ １５，３６０ＴＥＵ。一期工程： 已完成 ２ 垛。二期： 将完成另 ３ 垛。
堆场的主要特点。一是集卡不进入堆区， 在堆区两端完成装卸， 在自动的作业过程中确保了司机的安全； 二是装卸集卡与堆存箱分别由高架轨道吊（ ＤＲ－ＭＧ） 和低架轨道吊（ ＣＲＭＧ） 通过地面缓冲区进行中转接力完成； 堆区集装箱排列方向和集卡方向一致， 并将垂直作业和水平作业分开； 显著提高了作业效率；三是创新设计独立运行的双小车 ＤＲＭＧ 配上二个吊具， 可以一次起吊二只 ４０英尺或 ４ 只 ２０ 英尺箱； 并具有冗余功能； 四是地面固定式集装箱转接平台， 解决了进出箱装卸能力不平衡的难题， 同时其导板结构保证了集装箱的快速落位， 有助于规范进出箱区集装箱的位置， 提高了 ＤＲＭＧ 提取箱的作业效率； 五是 ＣＲＭＧ 专门用来装卸集卡， 易于实现防摇和定位； 使集卡快速装卸， 大大减少集卡的逗留时间。
２． 堆场智能控制系统
集装箱的堆放策略。相同船公司的集装箱集中堆放； 相同计划任务的集装箱集中堆放； 相同箱型的集装箱集中堆放； 相同箱高的集装箱集中堆放。
操作对象的数字化描述。堆场场地 ／ 缓冲区工位数字化编码， 箱区码＋ 箱区位码＋ 箱区排码＋ 箱区层高码， 如 Ｄ１０１１１ 表示该箱位置为 Ｄ１ 区 ０１ 位第 １ 排第 １ 层。ＣＲＭＧ、ＤＲＭＧ、集卡等装卸装备的数字化编码， 集装箱的数字化标识，如集装箱个体属性： 箱型、箱高，群体属性： 所属公司、作业批次。
缓冲区中转方案优化。进箱或出箱作业过程中， 缓冲区优化分配， 双 ２０＇、单４０＇、单 ４５＇ 与单 ２０＇ 分开堆放， 保证双小车同时作业。进箱或出箱作业过程中， 拼箱方案优化， 后堆放的 ２０＇ 单箱与先堆放的 ２０＇ 单箱集中堆放， 形成双 ２０＇ 堆放。
堆场 ＂山 ＂字形堆放策略。空箱 ＂山 ＂字型堆放， 可以防止倒箱， 增强高垛箱防风能力。可以实现在大车运动时， 吊具同时进行提升作业， 不会和场地上的集装箱发生碰撞， 提高了作业效率和安全性。
３． 堆场智能道口技术
信息识别。自动识别集卡信息和自动识别箱号信息。
信息校验。根据码头生产管理系统， 校验集卡车号和集装箱箱号。
信息反馈。根据堆场箱区业务协调系统（ ＬＤＳ） ， 指示集卡在堆场的作业目的地将进入智能堆场箱区的集卡车号及装载的箱号信息， 反馈提交给码头生产管理系统（ ＧＤＳ） 。
智能道口系统构成。集箱箱号 ＯＣＲ 识别系统、ＲＦＩＤ 车号识别管理系统、道口自助终端系统。
４． 堆场地基不均匀沉降控制
集装箱自动化堆场对土建提出了特殊要求， 地面的平整是确保集装箱准确对位的基础。采用土工格栅处理的方案， 配合振动碾压与降水的联合的方法以解决堆场地基的不均匀沉降问题。
５． ＣＲＭＧ 装卸作业定位系统
研制了一种集装箱作业的自动定位系统， 在世界上首次实现了对集卡的无人自动对箱和落箱。工业性试验情况。从 ２００６ 年 ３ 月 １５ 日起， 正式启用自动化堆场， 进行工业性试生产。截止 ２００６ 年 ４ 月 １５ 日， 系统共完成了 ５１４６ＴＥＵ 作业。２００６ 年 ４ 月底， 无人堆场投入正式运营。
港口数字化智能化管理系统
１． 大型机械设备实时监控系统
ＲＣＭＳ 监控系统功能。大型机械设备运行状态的远程实时监控、故障诊断和维护管理， 包括对轮胎吊（ ＲＴＧ） 的 ＧＰＳ实时定位； 与集装箱生产实时管理系统（ ＣＴＭＳ） 的接口；通过 ＩＥ 浏览器实时查看起重机设备的工作状态、业务生产数据及故障信息。
２． 基于桥吊效率最优化实时配载系统
桥吊效率是集装箱码头发挥效率的决定因素。针对港口＂先进港、后放关 ＂的口岸环境所带来的多次加载问题， 在分析影响桥机装船效率主要因素的基础上， 提出了提高效率的配载规则， 建立了配载优化模型； 基于 ＣＴＭＳ 系统， 加入计算机智能辅助配载； 通过提高管理质量， 从根本上提高桥机效率。
３． 最优进出场规划系统
从实际装船要求出发， 为提高堆场出箱能力， 采用基于规则的多层搜索算法、启发式广度优先算法、＂预分配 ＂和 ＂抢占 ＂技术， 开发了：（ １） 堆场的自动配位系统（ ＣＡＧ） 。代替人工劳动， 在集装箱进入堆场时由计算机为其规划合适的堆放位置；（ ２） 最小预翻箱系统（ ＴＩＢＳ） 。在码头装卸过程的间隙对堆场箱区作进一步的整理， 为装船作业做准备。
４． 数据分析决策系统
建立了企业级的数据存储机制， 为企业提供了丰富全面的数据来源； 实现了智能化、参数化的报表生成、数据显示和利用。
数据查询功能。固定信息查询， 提供相对固定信息资料的展现， 满足报上级报表的需求， 以及企业相对固定报表格式的需求； 即席查询， 最终用户根据自己的需求来组织报表的内容和格式， 通过查询及时获得所需的数据。
商务智能分析。实现对数据的各种整合分析， 为把握潜在市场提供科学依据。分析功能。集装箱、客户、船舶及航线、机械设备、收入、竞争对手、设备成本及效率分析。
５． 无线实时理货系统
通过手持 ＰＤＡ， 经港口无线局域网与码头生产管理系统和外理生产系统进行船图等信息交换， 实现了码头现场理货无纸化， 开创了该工艺及技术在全国港口中应用的先例； 码头公司实际装船船图和外理实际装船船图的一致； 理货的“ 零签证 ＂和信息的 ＂零延时 ＂， 确保船期。
集装箱电子标签系统
１． 集装箱电子标签应用示范的意义
现代集装箱码头的信息化水平的高低已经成为制约集装箱运输的关键。目前， 集装箱在运载过程中的信息传递还依赖于传统的方式。集装箱的流向、流转和识别基本上还是处于人工、半人工状态。近几年来， 在运输中对卡车采用了条形码、图像软件识别技术和无源电子标签等技术， 但是由于其识别距离近， 可靠性差， 而且只能识别卡车， 无法识别集装箱， 更不能实时跟踪记载集装箱运输过程中的物流信息， 因此无法满足需要。国际上为了防恐的安全需要， 美国和欧盟纷纷提出集装箱运输安全锁的概念， 先后提出了许多解决方案， 但因技术和成本的原因， 其发展多处于试验阶段。我国集装箱运输如何适应国际的潮流， 需要研发实用的电子安全锁技术。我们开发和部署的具有国际先进水平的一体化的集装箱自动识别技术应用系统 － － 集装箱电子标签系统， 使集装箱作为信息流的载体， 将信息流和物流融为一体，对集装箱运输的物流和信息流进行实时跟踪， 消除集装箱在运输过程中的错箱、漏箱， 提高通关速度， 提高运输的安全性、可靠性， 全面提升集装箱运输的服务水平。
２． 集装箱电子标签的行业特征和研发的目标
集装箱电子标签有着非常典型的行业特征。作业环境复 杂、技术难度很大， 提出的各项技术指标、工艺性指标、功能性需求都远不同于电子标签的其它应用领域； 集装箱电子标签的应用只能在一个巨大的、涉及范围十分广泛的物流信息网络环境下才能形成； 集装箱电子标签的应用范围很广， 涉及多个领域， 对其整体协调和安全性、可靠性、经济性提出很高的要求。
集装箱电子标签的防冲突性设计。集装箱电子标签中基于随机延迟的防冲突机制。集装箱电子标签多读写器协调ＣｏｌｏｒＷａｖｅ 防冲突算法。
集装箱电子标签读取可靠性分析。龙门吊、桥吊、门机作业环境下对电子标签的读取可靠性分析。集装箱电子标签。采用全球通行的 ＩＳＭ ２．４ＧＨｚ 工作频段； 有源电子标签， 作用距离 ０～３０ 米可调节， 可读写， ３２ｋ字节存储容量； 独特的超低功耗技术， 使用寿命可达 １０ 年；高安全性数据传输机制， 采用非对称性加 ／ 解密； 固态封装， 可靠防拆卸功能， 满足工业环境要求。
集装箱电子封条。首次实现集装箱物流、信息流、安全流多源融合下的数据载体； 采用全球通行的 ＩＳＭ ２．４ＧＨｚ 工作频段； 支持集装箱非法侵入和开关门的自动监测及事件记录； 支持总线扩展温度、湿度、振动等其他传感单元； 加密计算与认证， 确保数据安全， 防止链路窃听与数据破解。
经过四年多的努力， 课题组于 ２００５ 年 １２ 月 ３ 日正式开启了 ＂两港一航 ＂工业性试验， 中国第一条装有电子标签的集装箱航线 ＂浙海 ３２５＂轮从烟台正式起航， 在上海港至烟台港的这条航线上完全实现了集装箱运输环节的自动识别和实时信息交换， 截至 ２００６ 年 １ 月 １９ 日， ＂两港一航 ＂示范线箱量累计已完成 ５２９４ＴＥＵ。
自动化无人堆场系统
２００４ 年 ６ 月， 上海港集团与振华港机、上海交通大学合作， 启动自动化无人堆场系统项目；2００６ 年 ３ 月， 在上海港外高桥二期建成了国际领先的集装箱自动化无人堆场， 并顺利完成了工业性试生产。
１． 堆场装卸工艺方案
该方案创新了一套高、低架轨道龙门吊和缓冲区相结合的接力式堆场装卸工艺系统。
堆场总体布局。堆场面积： ２６４ｍ×２４５ｍ＝ ６４，６８０ｍ２； 堆存能力： ５ 垛×８层×６４ 排×６ 列＝ １５，３６０ＴＥＵ。一期工程： 已完成 ２ 垛。二期： 将完成另 ３ 垛。
堆场的主要特点。一是集卡不进入堆区， 在堆区两端完成装卸， 在自动的作业过程中确保了司机的安全； 二是装卸集卡与堆存箱分别由高架轨道吊（ ＤＲ－ＭＧ） 和低架轨道吊（ ＣＲＭＧ） 通过地面缓冲区进行中转接力完成； 堆区集装箱排列方向和集卡方向一致， 并将垂直作业和水平作业分开； 显著提高了作业效率；三是创新设计独立运行的双小车 ＤＲＭＧ 配上二个吊具， 可以一次起吊二只 ４０英尺或 ４ 只 ２０ 英尺箱； 并具有冗余功能； 四是地面固定式集装箱转接平台， 解决了进出箱装卸能力不平衡的难题， 同时其导板结构保证了集装箱的快速落位， 有助于规范进出箱区集装箱的位置， 提高了 ＤＲＭＧ 提取箱的作业效率； 五是 ＣＲＭＧ 专门用来装卸集卡， 易于实现防摇和定位； 使集卡快速装卸， 大大减少集卡的逗留时间。
２． 堆场智能控制系统
集装箱的堆放策略。相同船公司的集装箱集中堆放； 相同计划任务的集装箱集中堆放； 相同箱型的集装箱集中堆放； 相同箱高的集装箱集中堆放。
操作对象的数字化描述。堆场场地 ／ 缓冲区工位数字化编码， 箱区码＋ 箱区位码＋ 箱区排码＋ 箱区层高码， 如 Ｄ１０１１１ 表示该箱位置为 Ｄ１ 区 ０１ 位第 １ 排第 １ 层。ＣＲＭＧ、ＤＲＭＧ、集卡等装卸装备的数字化编码， 集装箱的数字化标识，如集装箱个体属性： 箱型、箱高，群体属性： 所属公司、作业批次。
缓冲区中转方案优化。进箱或出箱作业过程中， 缓冲区优化分配， 双 ２０＇、单４０＇、单 ４５＇ 与单 ２０＇ 分开堆放， 保证双小车同时作业。进箱或出箱作业过程中， 拼箱方案优化， 后堆放的 ２０＇ 单箱与先堆放的 ２０＇ 单箱集中堆放， 形成双 ２０＇ 堆放。
堆场 ＂山 ＂字形堆放策略。空箱 ＂山 ＂字型堆放， 可以防止倒箱， 增强高垛箱防风能力。可以实现在大车运动时， 吊具同时进行提升作业， 不会和场地上的集装箱发生碰撞， 提高了作业效率和安全性。
３． 堆场智能道口技术
信息识别。自动识别集卡信息和自动识别箱号信息。
信息校验。根据码头生产管理系统， 校验集卡车号和集装箱箱号。
信息反馈。根据堆场箱区业务协调系统（ ＬＤＳ） ， 指示集卡在堆场的作业目的地将进入智能堆场箱区的集卡车号及装载的箱号信息， 反馈提交给码头生产管理系统（ ＧＤＳ） 。
智能道口系统构成。集箱箱号 ＯＣＲ 识别系统、ＲＦＩＤ 车号识别管理系统、道口自助终端系统。
４． 堆场地基不均匀沉降控制
集装箱自动化堆场对土建提出了特殊要求， 地面的平整是确保集装箱准确对位的基础。采用土工格栅处理的方案， 配合振动碾压与降水的联合的方法以解决堆场地基的不均匀沉降问题。
５． ＣＲＭＧ 装卸作业定位系统
研制了一种集装箱作业的自动定位系统， 在世界上首次实现了对集卡的无人自动对箱和落箱。工业性试验情况。从 ２００６ 年 ３ 月 １５ 日起， 正式启用自动化堆场， 进行工业性试生产。截止 ２００６ 年 ４ 月 １５ 日， 系统共完成了 ５１４６ＴＥＵ 作业。２００６ 年 ４ 月底， 无人堆场投入正式运营。
港口数字化智能化管理系统
１． 大型机械设备实时监控系统
ＲＣＭＳ 监控系统功能。大型机械设备运行状态的远程实时监控、故障诊断和维护管理， 包括对轮胎吊（ ＲＴＧ） 的 ＧＰＳ实时定位； 与集装箱生产实时管理系统（ ＣＴＭＳ） 的接口；通过 ＩＥ 浏览器实时查看起重机设备的工作状态、业务生产数据及故障信息。
２． 基于桥吊效率最优化实时配载系统
桥吊效率是集装箱码头发挥效率的决定因素。针对港口＂先进港、后放关 ＂的口岸环境所带来的多次加载问题， 在分析影响桥机装船效率主要因素的基础上， 提出了提高效率的配载规则， 建立了配载优化模型； 基于 ＣＴＭＳ 系统， 加入计算机智能辅助配载； 通过提高管理质量， 从根本上提高桥机效率。
３． 最优进出场规划系统
从实际装船要求出发， 为提高堆场出箱能力， 采用基于规则的多层搜索算法、启发式广度优先算法、＂预分配 ＂和 ＂抢占 ＂技术， 开发了：（ １） 堆场的自动配位系统（ ＣＡＧ） 。代替人工劳动， 在集装箱进入堆场时由计算机为其规划合适的堆放位置；（ ２） 最小预翻箱系统（ ＴＩＢＳ） 。在码头装卸过程的间隙对堆场箱区作进一步的整理， 为装船作业做准备。
４． 数据分析决策系统
建立了企业级的数据存储机制， 为企业提供了丰富全面的数据来源； 实现了智能化、参数化的报表生成、数据显示和利用。
数据查询功能。固定信息查询， 提供相对固定信息资料的展现， 满足报上级报表的需求， 以及企业相对固定报表格式的需求； 即席查询， 最终用户根据自己的需求来组织报表的内容和格式， 通过查询及时获得所需的数据。
商务智能分析。实现对数据的各种整合分析， 为把握潜在市场提供科学依据。分析功能。集装箱、客户、船舶及航线、机械设备、收入、竞争对手、设备成本及效率分析。
５． 无线实时理货系统
通过手持 ＰＤＡ， 经港口无线局域网与码头生产管理系统和外理生产系统进行船图等信息交换， 实现了码头现场理货无纸化， 开创了该工艺及技术在全国港口中应用的先例； 码头公司实际装船船图和外理实际装船船图的一致； 理货的“ 零签证 ＂和信息的 ＂零延时 ＂， 确保船期。
集装箱电子标签系统
１． 集装箱电子标签应用示范的意义
现代集装箱码头的信息化水平的高低已经成为制约集装箱运输的关键。目前， 集装箱在运载过程中的信息传递还依赖于传统的方式。集装箱的流向、流转和识别基本上还是处于人工、半人工状态。近几年来， 在运输中对卡车采用了条形码、图像软件识别技术和无源电子标签等技术， 但是由于其识别距离近， 可靠性差， 而且只能识别卡车， 无法识别集装箱， 更不能实时跟踪记载集装箱运输过程中的物流信息， 因此无法满足需要。国际上为了防恐的安全需要， 美国和欧盟纷纷提出集装箱运输安全锁的概念， 先后提出了许多解决方案， 但因技术和成本的原因， 其发展多处于试验阶段。我国集装箱运输如何适应国际的潮流， 需要研发实用的电子安全锁技术。我们开发和部署的具有国际先进水平的一体化的集装箱自动识别技术应用系统 － － 集装箱电子标签系统， 使集装箱作为信息流的载体， 将信息流和物流融为一体，对集装箱运输的物流和信息流进行实时跟踪， 消除集装箱在运输过程中的错箱、漏箱， 提高通关速度， 提高运输的安全性、可靠性， 全面提升集装箱运输的服务水平。
２． 集装箱电子标签的行业特征和研发的目标
集装箱电子标签有着非常典型的行业特征。作业环境复 杂、技术难度很大， 提出的各项技术指标、工艺性指标、功能性需求都远不同于电子标签的其它应用领域； 集装箱电子标签的应用只能在一个巨大的、涉及范围十分广泛的物流信息网络环境下才能形成； 集装箱电子标签的应用范围很广， 涉及多个领域， 对其整体协调和安全性、可靠性、经济性提出很高的要求。
集装箱电子标签的防冲突性设计。集装箱电子标签中基于随机延迟的防冲突机制。集装箱电子标签多读写器协调ＣｏｌｏｒＷａｖｅ 防冲突算法。
集装箱电子标签读取可靠性分析。龙门吊、桥吊、门机作业环境下对电子标签的读取可靠性分析。集装箱电子标签。采用全球通行的 ＩＳＭ ２．４ＧＨｚ 工作频段； 有源电子标签， 作用距离 ０～３０ 米可调节， 可读写， ３２ｋ字节存储容量； 独特的超低功耗技术， 使用寿命可达 １０ 年；高安全性数据传输机制， 采用非对称性加 ／ 解密； 固态封装， 可靠防拆卸功能， 满足工业环境要求。
集装箱电子封条。首次实现集装箱物流、信息流、安全流多源融合下的数据载体； 采用全球通行的 ＩＳＭ ２．４ＧＨｚ 工作频段； 支持集装箱非法侵入和开关门的自动监测及事件记录； 支持总线扩展温度、湿度、振动等其他传感单元； 加密计算与认证， 确保数据安全， 防止链路窃听与数据破解。
经过四年多的努力， 课题组于 ２００５ 年 １２ 月 ３ 日正式开启了 ＂两港一航 ＂工业性试验， 中国第一条装有电子标签的集装箱航线 ＂浙海 ３２５＂轮从烟台正式起航， 在上海港至烟台港的这条航线上完全实现了集装箱运输环节的自动识别和实时信息交换， 截至 ２００６ 年 １ 月 １９ 日， ＂两港一航 ＂示范线箱量累计已完成 ５２９４ＴＥＵ。
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