基于大数据的集装箱码头基建数字化生产运营优化.pdf

Contninerizaion集装箱化2023年第8 期总第3 8 2 期DOI:10.13340/j.cont.2023.08.0025装备技术基于大数据的集装箱码头基建数字化生产运营优化上海海勃物流软件有限公司J王伟摘要为了持续提高集装箱码头（以下简称“码头”）作业效率并降低作业成本，帮助码头应对日趋复杂化和规模化的集装箱作业问题，以大数据技术为支撑，以码头离散事件动态系统为研究对象，考虑码头生产运营的随机性、动态性、复杂性和不确定性等特点，搭建基于大数据的码头基建数字化生产运营优化系统管理平台。一方面，利用数字李生技术实现码头基建数字化，基于对码头生产运营数据的分析和管理，分析码头生产运营各阶段的作业效率、作业成本、实时作业状态等；另一方面，研究生产运营业务驱动下的码头智能化作业决策优化，协同码头计划作业阶段与实时作业阶段资源配置，构建码头生产运营多阶段集成优化系统。实际应用表明：该平台有效提高码头生产运营效率，减少码头生产运营过程中的人工干预，为码头管理者提供切实可行的决策参考。关键词同集装箱码头；生产运营；大数据；数字李生；智能决策我国是港口大国，在2 0 2 2 年集装箱吞吐量排名全球前10 位的港口中，我国港口占据7 个席位，其中上海港已连续13 年排名全球集装箱港口首位。在集装箱吞吐量激增的背景下，码头需要持续提高作业效率并降低作业成本，以应对日趋复杂化和规模化的集装箱作业问题。随着港口信息化水平不断提高，港口对大数据的认识逐步提升，以大数据为核心的新一代信息技术在码头的创新性应用已成为未来港口的发展方向2。本文分析码头基建数字化生产运营的必要性，提出基于大数据的码头基建数字化生产运营优化系统管理平台架构和优化方案，从而打造码头智能化运营管理中心，提高码头生产作业效率。1码头基建数字化生产运营的必要性1.1满足码头运营特征需求码头是临时堆存和转运进出口集装箱的场所。码头作业系统具有随机性、动态性、复杂性和不确定性等特点，属于典型的离散事件动态系统。随着码头自动化程度的提高及作业规模的扩大，船舶、堆作者简介：王伟（196 9一），男，工程师，从事港航物流信息服务企业管理工作Contoinerizwtion集装箱化62023年第8 期总第3 8 2 期装备技术场和机械设备等作业影响因素更加复杂，系统集成变量之间的随机扰动性更强；因此，有必要构建码头智能管理体系，通过码头基建数字化，使得码头作业系统整体与局部有机协同，从而实现从计划作业到实时作业的码头生产运营全流程最优。1.2满足码头运营实践需求码头生产运营面临降低劳动力成本、节能减排和提高安全性等需求，从而对码头数字化改造提出更高要求。当前，以大数据技术为代表的新一代信息技术已在国内外港口得到广泛应用并取得良好效果。如何将码头基建数字化与生产运营优化相结合，重构码头计划作业阶段与调度作业阶段的内在关系，设计码头基建数字化、智能化作业决策与作业效益评估等相关优化方案，已成为码头数字化生基于码头基建的生产运营全流程数字李生系统物理与虚拟映射生产运营数据船舶集卡堆场桥吊道路场桥集装箱水平运输设备产运营过程中呕待解决的综合性技术难题。2基于大数据的码头基建数字化生产运营优化系统管理平台架构码头作业系统作为复杂的多阶段物流作业系统，具有设备复杂、流程繁复、任务不均衡、业务协同度高、数据规模庞大等特点。针对码头作业系统的特点，设计基于大数据的码头基建数字化生产运营优化系统管理平台架构（见图1）：利用数字李生技术搭建码头基建数字化基础平台，基于数据网络建模方法构建码头生产运营中的任务、设备、动态事件与码头作业系统运行性能之间的复杂关联关系，运用大数据分析引擎实时管控码头作业并提出优化建议，结合运筹优化方法为码头生产作业提供智能化决策方案。基于大数据的码头基建数字化生产运营优化融合码头生产运营业务的大数据应用技术设备实体位置信息泊位计划堆场计划配载计划桥吊计划调度系统设备控制码头过程控制集装箱实体业务流程大数据分析图形化建模参数信息关联信息大数据分析流程化模型算法库流式大数据分析引擎生产运营数据驱动的码头智能化作业决策桥吊作业计划导入数据划分作业块优化调整集成学习运筹优化+船舶配载计划船舶位置时间要求1映射作业顺序在场箱作业位置码头生产运营作业任务码头机械设备资源集成调度优化调度模型机械设备资源与装卸任务实时码头路网桥吊-水平求解算法运输设备场桥资源库在线匹配流量预测时空耦合路径规划图1基于大数据的码头基建数字化生产运营优化系统管理平台架构对码头生产运营业务规则开发支持作业控制的码2.1基于码头基建的生产运营全流程数字李生系统融合大数据、数字李生与虚实融合理论和技术，结合动态仿真概率模型和多维度、全流程交互仿真等技术，构建码头作业实体关联，将码头基建实体映射为数字模型；同时融合码头作业数据，实现码头生产运营仿真信息与实时信息交互连接；进而针头基建设备和流程管理系统，并与码头操作系统统筹协调。2.2融合码头生产运营业务的大数据应用技术为了高效处理码头生产运营过程中产生的高度复杂且相互关联的海量数据，构建基于分布式架构的码头生产运营数据存储管理体系。针对码头生Comtwinerizution集装箱化2023年第8 期总第3 8 2 期7产运营业务关联复杂和种类多样的特点，构建数据、业务、事件多维度融合的大数据管理体系。在此基础上，基于数据分析建模技术，集成各种智能算法，加速码头基建数字化生产运营优化。2.3生产运营数据驱动的码头智能化作业决策基于大数据和码头基建数字李生系统，分析码头生产运营离散事件动态系统，考虑其随机性、动态性、复杂性和不确定性，有机协同计划阶段与调度阶段，构建码头多阶段集成生产运营优化模型。码头生产运营按时间维度分为计划和调度两个层面,其中：计划层面包括堆场计划、桥吊作业计划、配载计划等子问题；调度层面包括桥吊、场桥、水平运输设备资源配置和调度等子问题。针对计划层面的船舶配载和桥吊作业以及调度层面以水平运输设备作业为核心的生产运营，系统分析研究对象本身所涉及的问题与其他子问题的关联关系，并充分考虑不同生产运营场景下作业任务和机械设备对码头作业系统运行性能的影响，建立覆盖码头生产运营全流程的多角度分析评价体系。基于所构建的码头生产运营评价体系，评估码头多阶段作业数据模型，通过不断地运营优化，实现码头作业系统整体与局部有机协同，最终实现从计划作业到实时作业的码头生产运营全流程最优。3基于大数据的码头基建数字化生产运营优化方案3.1石码头基建数字李生基于数字李生模型与数据的虚实融合机制，接入码头生产运营实时数据，将码头实际作业场景实时映射至数字模型，从而构建全流程、高保真、动静态相结合的码头基建数字李生系统，实现对码头现场生产运营业务操作、业务管理和安全监控“一张图”式的一体化管理，并以三维可视化视角对码头生产运营管控和大数据分析作出新的尝试和诠释。码头基建数字李生系统不仅能够即时、高效、简单、直观地展示码头生产运营现场，有效解决传统码头在大数据分析展示中不直观、非即时、无关联等问题，而且能够利用作业大数据实现事前分析指导、事中分析预警和事后分析总结，从而精准指导码头生产运营。（1)码头生产运营实体可视化码头基建数字李生系统按照码头建设施工图，对基础地形、岸线、道路、堆场、建筑物、固定机械设备、流动机械设备、船舶、集装箱、停车场、道口、场景美化等码头生产运营实体实现全方位精细化三维建模（见图2）。系统支持视角高度调整和3 6 0 方向调整，并支持全局展示、程式化演示、自由访问等多种呈现模式，能够为码头集中管控和直观展示提供支撑，从而帮助管理者更好地分析决策和统筹规划。图2 码头基建数字李生系统展示效果(2)码头生产运营数据访问接人码头基建数字李生系统接入船舶作业状态、船舶结构、堆场作业状态、道口作业状态、海侧作业状态、陆侧作业状态、机械设备作业状态、作业效率指标等码头生产运营实时数据和仿真数据，并接入月度、班组、航线等统计数据以及以船舶、堆场、道口、海侧、陆侧、机械设备的关联作业任务为主体的数据，从而为码头生产运营分析决策提供数据支撑。3.2码头基建大数据分析管理实时采集码头作业设备运行状态数据和生产运营数据，利用大数据分析技术，结合码头生产运营各阶段优化方法，统计分析码头各作业实体的作业效率、作业成本、实时作业状态等，并将分析结果实时反映在码头基建数字李生系统中，从而为码头生产运营决策提供直观指导。3.2.1船舶管理基于船舶装卸作业实时数据，分析船舶装卸作业效率和作业成本。以船舶装卸作业过程中的设备周转率、堆场发箱数量、关联的发箱箱区数量、单箱装备技术Cowtoineriztion集装箱化82023年第8 期总第3 8 2 期装备技术作业成本等为评价指标，构建船舶管理评价指标体系，并在船舶装卸作业效率低下时发出预警，从而为码头船舶管理提供支持。3.2.2作业设备管理以桥吊、水平运输设备、场桥等为主要研究对象，分析支撑码头生产运营的关键设备运行情况。（1)基于桥吊作业实时数据，分析桥吊作业效率。以作业箱量、与水平运输设备交互时间、在贝位间移动次数等为评价指标，分析桥吊作业情况，并在桥吊作业效率低下时发出预警。（2)基于水平运输设备作业实时数据，分析水平运输设备作业效率。以单位时间运输箱量、在海侧与堆场间往返次数、与桥吊交互时间、与场桥交互时间等为评价指标，分析影响水平运输设备作业效率的因素，为码头不同作业阶段协同管理提供支持。（3)基于场桥作业实时数据，分析场桥作业效率。以作业箱量、在贝位间移动次数、与水平运输设备交互时间、各收发箱点箱量、单箱作业成本等为评价指标，分析影响场桥作业效率的因素，并在场桥作业效率低下时发出预警。3.2.3集装箱全流程管理基于集装箱流转实时数据，统计集装箱在码头各作业阶段的留存时间，挖掘集装箱流转过程中的关键环节，分析影响集装箱流转效率的因素，并在集装箱流转效率低下时发出预警，从而为码头集装箱全链路管理提供支持。3.3船舶配载计划优化船舶配载计划建立码头在场箱与装船位置的组合映射关系，不仅决定在场箱的装船位置和顺序，而且决定作业调度阶段所有桥吊作业任务的服务时间要求、作业顺序和作业位置（堆场位置），与作业调度直接关联，是作业调度的前置问题和整个码头计划的核心。基于码头生产运营实时数据，建立适用于船舶配载计划的整数规划模型，改进局部搜索元启发式算法,求得在可行时间范围内处理多目标的折中解，从而解决船舶配载大规模、多目标组合优化问题，获得最佳权衡后的船舶配载计划，并为作业阶段资源配置和调度提供船舶装卸作业位置和预估作业时间等参数信息。3.4标桥吊作业计划优化为了保证船期，在考虑船舶装卸作业任务需求的条件下，以船舶在泊时间最短为目标，优化桥吊作业计划，以期利用最少桥吊资源达到最高作业效率。基于以上目标,对船舶装卸作业任务量、船舶吃水、船舶尺寸、船舶到港时间等船舶作业决策变量作归一化处理，建立属性评估模型,用以分析不同属性对桥吊作业整体效率的影响。结合集成学习方法预估已靠泊或未完工船舶的桥吊作业效率，通过大数据分析与深度学习预测当前桥吊作业效率，包括桥吊作业普通箱、危险品箱、冷藏箱、超限箱、垫脚箱、舱盖板的效率，并利用大数据分析与预测技术得到合理的桥吊作业计划算法参数，融合启发式搜索算法搜索模型决策变量，在保证算法效率的前提下得到高精度最优计划方案，实现船舶作业效率和桥吊作业效率的整体提升。桥吊作业计划流程（见图3）分为导人码头生产运营实时数据、划分桥吊作业块、优化调整桥吊作业计划等阶段，需要考虑桥吊作业不同属性集装箱的效率、开关舱作业事件、桥吊移动时间等码头实际生产运营因素。COSCOSHIFCOSCO SHIPPINGContninerizaion集装箱化2023年第8 期总第3 8 2 期9开始导入船图箱导入预配船图人工划分作业块检验作业块冲突人工设置桥吊作业计划设置桥吊作业参数计算桥吊作业计划显示桥吊作业计划人工调整冲突检验结束图3 桥吊作业计划流程3.5石码头机械设备资源集成调度优化为了实现桥吊、水平运输设备和场桥等主要装卸作业设备高效协同配合，必须对以上设备集成调度优化，从而达到以最少资源完成码头生产作业任务的决策目标，最终降低任务延误率，提高码头机械设备资源使用效率。在充分考虑机械设备之间关联性和生产作业时间不确定性的基础上，以任务累计延误时间最短为目标，构建桥吊-水平运输设备-场桥集成调度模作业情况管理模块刷新间隔/min船舶管理模块5桥吊管理模块5水平运输设备管理模块2场桥管理模块2集装箱2全流程管理模块从码头基建智能决策体系的应用效果（见表2）来看：对于计划作业阶段的船舶配载计划和桥吊作业计划，算法能够在15 min以内同时计算10 0 0 自然箱以上的计划方案，并保证效率提升5%以上且人型。考虑桥吊、水平运输设备和场桥的并发耦合关系，以分布式到达时间控制方法为基础建立并行分导入在场箱布式技术框架,构建work-depth计算模型,确定模型间的参数传递关系，为模型求解提供支撑。采用混设置作业块参数合元启发式算法求解模型，建立码头机械设备集成自动划分作业块表1码头基建大数据分析管理体系应用效果作业瓶颈预估决策支持有效率准确率/%98959595929095929590工调整率不超过5%，可有效满足码头计划作业阶段的生产要求；对于调度作业阶段的码头机械设备资源集成调度，算法能够以秒级实时计算方式同时调度2 0 0 台以上设备，并保证设备作业（下转第13 页）装备技术调度方案的邻域结构，生成有向无环图并行计算，并在局部搜索过程中利用约束规划加快求解邻域最优解，从而快速获得最佳调度方案。4基于大数据的码头基建数字化生产运营优化系统管理平台应用效果目前，基于大数据的码头基建数字化生产运营优化系统管理平台已实际应用于上海港多家码头。从应用效果来看，该平台能够有效提高码头作业效率，改善码头生产运营管理模式，降低码头生产运营成本，其中，以数据驱动的运筹优化核心智能算法能够提供能耗最低的码头生产作业方案。作为该平台的数据底座，码头基建数字李生模块以三维可视化方式直观展示码头基建大数据分析管理模块和码头基建智能决策模块的运行结果，从而有效提高码头管理人员和业务人员获取关键信息的能力，充分满足相关人员管理和分析需求，进而提高码头决策效能。从码头基建大数据分析管理体系的应用效果（见表1）来看：各管理模块的作业情况刷新间隔为25min,作业瓶颈预估准确率和决策支持有效率达到或超过90%，并提供多种分析子模块，能够较好地满足码头生产运营对系统实时性的要求。船舶作业效率管理、船舶作业统计管理桥吊作业效率管理、桥吊移动路线管理水平运输设备作业效率管理、水平运输设备移动路线管理场桥作业效率管理、场桥移动路线管理集装箱流转效率管理、集装箱作业瓶颈分析功能支持Contninerizaion集装箱化2023年第8 期总第3 8 2 期13集装箱码头与珠三角地区各支线码头之间的驳船互联网运输并实现稳定运行，有效避免了珠三角地区驳船数据监控中心用户GPS/北斗卫星导航系统凡集装箱码头图4 基于地理围栏技术的集装箱电子锁监控系统应用流程示意2.2应用效果经过前期的试运行测试，基于地理围栏技术的集装箱电子锁监控系统已应用于深圳港西部港区装备技术运输过程中集装箱货物被盗或丢失现象。此外，由于电子锁可重复使用，在提高集装箱运输安全性的同时，还能帮助相关企业节约成本，提高客户满意度和市场竞争力。3结束语电子锁为了保障集装箱货物运输安全，结合GPS和北斗卫星导航系统、无线通信、地理围栏、自动控制等在途监控支线码头先进技术，设计适用于集装箱水路运输安全监控的集装箱电子锁监控系统，并应用于珠三角地区驳船运输。该系统的应用不仅满足客户对集装箱运输的实时监控需求，而且大大提高码头自动化作业水平，具有进一步推广应用的价值。（编辑：曹莉琼收稿日期：2 0 2 3-0 7-19）（上接第9页）效率提升10%以上且设备调度周转时间缩短10%，可有效满足码头调度作业阶段的表2 码头基建智能决策体系应用效果效率提升率/项目优化性能船舶配载计划支持同时配载超10 0 0 自然箱桥吊作业计划支持同时制定超10 0 0 自然箱作业计划码头机械设备资源支持同时调度超2 0 0 台设备集成调度上海港某码头应用该平台后，码头协同作业效率大幅提升，设备作业效率平均提升3 0%以上，跨作业阶段的协调时间缩短，作业成本降低6 0%以上，取得显著的经济效益。5结束语基于大数据的码头基建数字化生产运营优化系统管理平台融合数字李生技术，以计划和调度决策算法、智能分析决策算法为核心，实现智能计划、集成调度和实时控制，具备事前决策、事中监控、事实时反馈要求。人工调整率/计算时间%5510后分析功能。该平台打破国内港口工业软件市场长期被国外企业垄断的局面，为我国传统码头智能化改造提供强大支撑，有力推进我国世界一流港口建设步伐。参考文献：1范宝文.港口码头系统智能化应用的现状与发展分析 .科技创新与应用,2 0 19(2 9）：18 4-18 5.2黄桁.上海港智能化港口发展路径 J.港口科技,2 0 2 0(10)：10-11.（编辑：张敏收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 6）功能支持%15min 以内510min以内5秒级实时5计算算法参数标准化、多船配载多船同时调度、不同作业工艺设备调度周转时间缩短10%