节能减排示范项目集装箱码头集卡全场智能调度系统.doc

节能减排典型示范项目——集装箱码头集卡全场智能调度系统

综合点评：上海港是我国沿海主要港口，也是国家集装箱运输9大干线港之一，2007年完成集装箱吞吐量2615万TEU，居世界第二位。外高桥港区和洋山港区是上海港集装箱装卸作业的主港区，共配有682辆集卡，每年消耗柴油达17600吨以上。为响应国家节能减排号召，提高港口装卸效率，减少集卡空车行驶距离，降低单位能源消耗，上海港以科学发展观为统领，积极研究探索，对传统集装箱装卸工艺进行大胆技术创新，自主开发了先进的集卡全场智能调度系统（Tractor paging subsystem，简称TPS系统）。
    TPS系统是将多种信息技术应用于一体的科技创新产品，是集装箱码头改革传统装卸工艺、实行码头快装快卸、合理控制燃油消耗的成功范例。通过使用该系统，码头管理者可以合理配置水平运输机械，优化集卡调度过程，提高集卡作业效率，从而减少作业成本、降低能源消耗。
    TPS系统的应用改变了集装箱码头传统的集卡管理模式，在国内港口企业中属首创。该系统经过多年的现场调试、应用和运行验证，已取得了良好的节能和经济效果，为企业节能减排工作做出了贡献。
    该系统运行稳定、操作方便，其节能创新理念、系统设计原理及软件产品，在大型专业化集装箱码头具有广泛的推广价值。
上海国际港务（集团）股份有限公司
“集装箱码头集卡全场智能调度系统”推广材料
——交通部节能减排专家工作组
    一、概况
上海国际港务（集团）股份有限公司是中国大陆最大的港口集团之一，同时又是中国大陆最大的集装箱装卸运输集团，占长江三角洲地区港口集装箱吞吐量的四分之一，为中国大陆集装箱航线最多、航班最密、覆盖航区最广的港口集团。上海港经过多年的建设，将逐步形成以码头和集装箱经营为主体，辐射国内、国际市场的跨地区、跨国经营的格局。2007年，上海港货物吞吐量为56145万吨，排名世界第一位；集装箱吞吐量为2615万TEU，首次跃居世界第二，仅次于新加坡港。
    随着集装箱吞吐量的快速增长，一些集装箱码头出现了硬件设施跟不上发展速度的情况，以上港集团振东分公司为例，该公司由外高桥二期和三期集装箱码头组成，位于长江入海口南岸外高桥地区，建设规模为5个大型专业化集装箱泊位，岸线长度1566m，堆场纵深875m，陆域面积165.9万㎡。现有岸边集装箱起重机26台，轮胎式集装箱门式起重机76台，场内水平运输机械集卡119台，设计吞吐量250万TEU/a。该码头投产于2000年，当年吞吐量即达到设计能力，成为当时世界上最先进的集装箱码头之一。
    到2007年，该公司实际集装箱吞吐量已达到590万TEU，港口各作业环节的压力越来越大。集装箱码头亟需进行内部挖潜革新，突破传统装卸工艺系统的瓶颈，提高集装箱码头的综合效率，从而保证港口的良性发展。
    随着通信和计算机技术的快速发展，使现代集装箱码头经营管理的数字化革命成为可能。集装箱码头运营具有信息量大、效率高等特点，没有数字化的支撑，现代集装箱码头无法正常运营和实施有效的管理。因此，世界各港口集装箱码头加速了数字化建设的步伐，数字化已成为现代集装箱码头的重要标志之一。
    为满足集装箱船舶大型化的需要，集装箱码头规模化、高效化的需要和建设资源节约型、环境友好型港口的需要，上港集团领导高度重视集装箱码头数字化建设工作，通过理念创新和开拓思路，以科学发展观为统领，自主研发并不断完善了TPS系统。
   二、基本原理 
    （一）需求分析
    集装箱码头船舶、堆场配载计算机管理系统的发展在国际、国内已经比较成熟，而水平运输车集卡的调度属于集装箱箱流控制的薄弱环节。上海集装箱码头传统装卸工艺采用的是码头配置岸边集装箱起重机、堆场配置轮胎式门式起重机、码头与堆场之间的水平运输采用集卡。传统的做法，每台岸边集装箱起重机按照一定的比例配置集卡数量，一台岸边集装箱起重机配备一定数量的集卡组成一条作业路，由调度人员安排。传统的装卸工艺示意图见图1。

图1  传统的装卸工艺示意图
    这种传统的集装箱生产工艺根据“作业线”来静态配置集卡。一组集卡只为指定的一条作业线服务，即集卡分配给固定的岸边集装箱起重机后，其行车路线相对固定。随着码头吞吐量的增加，这种调度方式变得越来越难于控制和管理。由于作业负荷随时间分布不均匀，在某一时段内，往往出现岸边集装箱起重机、场桥等待集卡拖运集装箱或集卡排队等候、堆场堵塞现象，造成集卡的无序、低效流动局面，过多的空载行驶和等待，严重影响了装卸效率，也大量浪费了能源。而且传统工艺卸船和装船采用分段作业，累计作业时间长。卸船时集卡空车来重车去，装船时集卡重车来空车去。集卡有将近50%的时间在空驶，利用率不高，不利于集卡效率的提高及节约能源。另外，大型集装箱码头集卡数量较多，作业过程中依靠人工调度方式集卡已越来越不能与港口发展相适应，因此，必需按照现场的实际情况，通过计算机系统合理调配集卡。
    （二）功能目标
    上港集团经过多年的研究、实践，为自主开发研制的TPS系统制定了以下功能目标：
    1、尽可能做到集卡重车来重车去，减少集卡空驶现象。本系统综合判断一定时间范围内的任务及集卡的最优组合，为作业任务选择合适并且符合作业要求的集卡，通过无线通讯网络实现自动向集卡发布动态调配指令，提高作业路之间的重进重出率，缩短累计作业时间；
    2、灵活地将全部集卡动态地分为几组，每组包括一定数量的集卡作为一个集卡池，每辆集卡可以根据实际情况动态地分配一条或多条作业路，充分利用集卡资源，优化码头配机，减少集卡忙闲不均造成的效率降低；
    3、在可能条件下，实现装船和卸船同时作业的同bay位同步装卸； 
    4、针对双40尺岸边集装箱起重机的作业工艺，按照双吊具作业集卡同时上档的要求，应实时跟踪集卡位置，优化调度，向集卡发出不同的作业指令，从而提高作业效率，保障双吊具作业的顺利进行。
    （三）工作原理
    根据以上功能目标要求，上港集团充分利用先进的数字化技术，按照以需求为导向、经济实用有效为原则，对TPS系统的数学模型进行了反复研究和设计，形成了如图2所示的系统构成示意图。
    TPS系统是镶嵌在集装箱码头控制系统中的一个子系统。主要由中控室主机、集卡智能调度控制软件、无线集群系统及安装在集卡等装卸机械上的无线数据终端和GPS组成。其中集卡智能调度控制软件的编制是运用规划论、排队论和模糊控制理论，融合现场操作管理人员的智慧和经验，建立箱流、车流调度数学模型，解决非线性尺度变换和模糊逻辑推理规则等问题，实现对全场集卡的智能调度控制管理。

图2  TPS系统构成示意图
       三、实施方案
        TPS系统的建立经历了三个阶段。第一阶段：以无线网络传输数据指令信息代替了传统的寻呼语音对讲系统调度集卡的模式；第二阶段进一步优化升级了TPS自动调度系统；第三阶段运用GPS定位实现了精确的智能调度控制。
        上港集团通过多年来的自主研发，逐步完成了无线网络系统的建立、硬件配套终端设备的研制及软件系统的开发，TPS系统已日趋完善，现已在上海港外高桥港区、洋山港区投入使用。
        （一）主要工作内容
        1、包括无线网络通讯系统、车载终端系统、智能调度软件系统。
        无线网络通讯系统是在集装箱码头原有的无线集群系统基础上进行扩展，实现集卡与TPS系统的数据链接。
        2、研制开发车载无线数据通信终端设备，实现集卡实时接收/响应调度指令。
        3、通过整合上港集团多年来积累的集装箱运营的信息资料，建立了箱流、车流调度数学模型及算法，开发了TPS系统，并在调试运行过程中不断对系统软件进行完善升级，目前软件已由v1.0升级到v5.0版本。
        4、开发应用GPS系统，实现对集卡位置的实时精确调度。
     （二）开发过程及案例
        在上港集团的领导下，2000年起，下属浦集分公司及振东分公司分别同时开展了TPS系统研究，并取得了初步成果。2001年，外高桥码头公司为深入研究开发TPS系统，成立了由技术部、操作部和海勃软件开发公司组成的联合攻关项目组。
        项目组成立后开展了收集整合信息资料，建立箱流、车流调度数学模型、算法及系统软件开发等工作。2001年首先在外高桥二期为10台集卡安装了无线数据终端，对TPS系统进行了现场调试和验证实验。2002年外高桥二期70多台集卡全部安装了无线数据终端（见图3）。实现了由无线通讯数据网络下达集卡调度指令替代寻呼对讲语音传输调度集卡工作的目标，彻底改变了语音传输调度不能及时准确下达调度指令、语音指令不清、指令下达和执行不可追溯等一系列问题。项目实施后，极大地改善了码头堆场的调度运行方式。

图3  车载无线通讯终端显示屏
2004年，通过总结经验和进一步深度开发，对TPS系统进行了软件技术升级，在无线网络调度的基础上，进一步实现了智能化调度（见图4）。达到动态地调动集卡，使每辆集卡对应多条作业路，保证集卡在卸载后可以就近投入到其它需要负载的作业路中，缩短集卡的空载行使时间和距离。

图4  中控室集卡调度操作屏 
        TPS集卡自动调度有两种模式，以岸边桥吊为本的作业模式和以集卡为本的作业模式。但无论采用哪种作业模式，集卡调度系统都存在对集卡的选择性调度问题，也就是说根据一定的选择条件，将作业指令发送给最合适的集卡。
        该系统利用数学规划方法综合判断一定时间范围内的任务与集卡的最优组合，可以为作业任务选择合适的并且符合作业要求的集卡，通过无线设备将该作业指令传送给集卡，提高了作业路重进重出率。见图5。

图5  集卡作业路对比示意图
        在该系统中，可以灵活的将全部集卡动态地分为几组，每组包括一定数量的集卡作为一个集卡池，每个集卡可以根据实际情况动态地分配一条或多条作业路。见图6。

图6  集卡池示意图
        第二阶段目标实现后，港口水平运输系统调度效率得以提升。为进一步实现对集卡的精确定位控制，在系统中又引进了GPS车载定位设备，于2006年在洋山港区进行了新的系统升级，形成了对集卡精确控制的动态实时智能化调度系统。
        2006年，洋山港区投入生产，装卸船配备了双40呎岸边集装箱起重机，这种新的作业模式，对集卡的控制提出了更高的要求，需要能够更及时的跟踪集卡位置，实现精确调度，通过提供双吊具操作的作业流程，从而能够更大限度地发挥双40呎岸边集装箱起重机的效率。
        项目实施过程中，项目组遇到的最大困难是在不中断生产的前提下，进行系统运行的调试。为此制定了从点、线到面分步实施，不断调整优化数学模型，由模拟运行逐步向实施操作过渡的方案，保证了项目顺利完成。
         （三）洋山港区使用具有GPS的TPS系统前后的实际效果对比
         洋山港区使用具有GPS的TPS系统后，实现了集卡的重进重出，减少了集卡的空驶率，缩短了集卡周期（一部集卡从桥边接受到卸船指令到堆场，然后又装箱或空载回到桥边），效果十分显著。
         图7为洋山港区平均集卡周期月度数据分析，图8为洋山港区重进重出月度数据分析。

图7  山港区平均集卡周期月度数据分析

图8  洋山港区重进重出月度数据分析
        依据国际上集卡需要量的计算惯例公式：

        计算得出，在洋山34台桥吊的规模下，按桥吊平均每2分钟完成一次移动，集卡周期每提高一分钟可以节省17部集卡。
表1  采用TPS系统前后指标对比
状态
集卡周期
重进重出率
岸边集装箱起重机
与集卡配比
优化前
20多分钟
0
1：10（340台集卡）
优化后
17分钟（含双吊作业）
40-50%
1：6（170台集卡）
（四）关键技术及创新点
    1、实现了无线数据通讯替代语音传输通讯调度方式，彻底改变了语音传输调度不能及时准确下达调度指令、语音指令不清、指令下达和执行不可追溯等一系列问题。
    2、智能化调度子系统：在水平作业面，运用规划论、排队论及模糊控制理论，融合现场操作和管理人员智慧和经验，研究解决了码头上不同位置距离的非线性尺度变换和模糊逻辑推理规则等问题，并自主开发了先进的集卡全场智能调度软件，达到了根据不同作业重要性、路程远近程度、已等候时间等诸多因素来动态配置水平运输机械，达到了场地上所有的水平运输机械同时为所有的作业线服务，同时具备了经济高效和节约能源的特性。虽然各条“作业线”的负荷随时间分布不均匀，但是计算机调度系统会根据“作业线”需求的优先级，并兼顾路程就近原则根据智能化模糊控制计算结果，自动给集装箱卡车发布动态调配指令，在不同的时间段为不同的“作业线”服务。这样做的结果，使水平运输机械再也不会出现忙闲不一的情况，系统的整体装卸作业能力有了很大的提高。尽可能做到集装箱卡车重车来重车去，避免集装箱卡车空驶现象。同时通过对货物流向进行分析，尽可能的减少轮胎吊翻箱，对生产进行集中控制调度，大大减少堆场翻箱率和集卡空车的运行距离，降低了能源消耗。
 四、主要措施
    TPS系统建设需要有应用体系、技术支撑体系、运行管理体系及人才保障体系的支撑，没有此四项体系做保障，TPS系统的建设将难以实现。
    （一）应用体系
    应用体系是TPS系统的核心。其包括调度人员、中控室操作人员、起重机械司机和集卡司机等人员在内的相关作业人员，是保证集装箱码头正常运行的主体。
    （二）技术支撑体系
    TPS系统主管部门负责系统的日常维护和管理，技术支撑系统的关键在于按照TPS系统建设的内在规律，组织协调支撑体系中的各相关方，培育一支掌握核心技术、具有关键应用开发和维护支撑能力的技术队伍，提供可靠有效的数字化支撑，使TPS系统建设持续、稳定、健康发展。
    （三）运行管理体系
    运行管理体系是指在码头主管部门的主导下，实施对设施设备、系统网络、系统运行、软件开发和维护及网络安全多方面的有效管理，需要由组织机构、管理规章、管理机制作支撑，目的是确保码头生产和经营活动正常进行、码头数字化可持续发展。
    （四）人才保障体系
    人才队伍建设是保障TPS系统正常运行的根本。上港集团培育了一支既懂码头经营管理又懂计算机技术的高素质复合型人才队伍，拥有一批熟练掌握信息技术/技能的应用人才。
    五、项目成效
    （一）社会效益
    交通行业因其生产特点，现已地成为能源消耗特别是燃油消耗的大户之一，每年约消耗全社会成品油总量的近30%，对经济环境、社会环境和生态环境的影响巨大，节能减排已经成为创建节约型行业、促进行业发展的重中之重。那么，从微观管理入手，加强企业节能工作对达到节能减排的行业目标、节约社会资源、促进经济发展都具有重要意义
    伴随着二十一世纪我国港口业突飞猛进的发展，上海港已在世界主要港口中名列前茅，成为国际航运中心和我国海洋运输的桥头堡。上港集团在不断扩大生产规模的同时，向科学要效益，向管理要效益，不断地进行生产技术改造，不断地改进优化港口作业管理组织模式。TPS系统的应用在提高生产效率的同时，减少了单位生产量的机械设备投入，节约了能源，缓解了港口作业对环境的影响，树立了交通行业的良好形象。在企业赢利的同时也为国家的节能减排做出了应有的贡献，社会效益显著。
    （二）经济效益
    从传统的人工调度方法到通过计算机系统软件辅助实现集卡的自动化调度管理，再到最新的基于GPS技术的TPS系统，上海港集装箱码头的生产技术已达到国际先进水平，带来的经济效益亦非常明显。
    TPS系统实现了集卡的重进重出，减少了集卡的空驶率，缩短了集卡周期，降低了集卡与岸桥的配比，同时集卡的燃油单耗也有所下降。保守估计，采用TPS系统，集卡重进重出率能够达到20%左右，运输单位TEU的耗油量降幅在3.5%左右；采用基于GPS技术的TPS系统，集卡重进重出率能够达到40%以上，运输单位TEU的耗油量降幅在7%左右。以上海港2007年装卸2615万TEU计算，如果均采用基于GPS技术的TPS系统，运输单位TEU的耗油量可减少0.05升，当年将会节约1046吨柴油，以每吨柴油6000元人民币计算，将节约燃油成本627.6万元人民币。
如果将此技术推广至全国，以每年1亿TEU吞吐量计算，将会节约4000多吨柴油，节约2000多万元人民币，经济效益十分明显。