自动化轨道吊管理系统和数据系统功能设计与应用

范唯

近年来，集装箱装卸设备自动化技术发展已趋于成熟，国内外大型港口纷纷新建自动化集装箱码头或对传统集装箱码头实施自动化改造。堆场设备自动化运行是自动化集装箱码头运行的基础。堆场设备实现自动化运行后，为了配合“打散”作业模式，设备出勤率显著提高，连续工作时间明显延长。由于自动化设备长时间停机情况较少，加之缺乏司机反馈信息，传统维保模式已无法满足自动化集装箱码头对设备管理的要求。革新设备维保模式需要精确、详尽的数据支持，因此，设备管理系统和数据系统的功能设计尤为重要。本文阐述自动化轨道吊管理系统和数据系统功能设计的必要性，介绍系统功能及其在实际应用中的效果，并就进一步完善系统功能提出建议。

1 开发自动化轨道吊管理系统和数据系统的必要性

相较于传统轨道吊，自动化轨道吊增设无线射频识别（radio frequency identification，RFID）系统、目标定位系统、集卡引导系统、用于各机构定位的编码器和传感器以及用于视频监控的多种类摄像头等自动化作业所需的系统和元器件。自动化轨道吊之间需要通信，以实现各类信息（包括轨道吊在堆场中的位置、作业状态、指令类型等）互通，且每台轨道吊需要核对自身状态信息与码头操作系统发来的指令是否相符。鉴于此，需要重新设计自动化轨道吊管理系统架构和功能。

传统的设备数据系统多用于事后统计分析设备在一段较长时间内的运行效率，适用于传統维保模式。由于自动化轨道吊采用远程操控，设备管理人员无法第一时间获取即时信息，难以察觉设备隐性故障;虽然在技术上具备实时监控设备关键点位状态的能力，但高昂的安装成本以及对维保人员经验和能力的高要求导致实际实现过程困难重重。鉴于此，有必要设计开发自动化轨道吊数据系统，从码头操作系统数据库读取关键作业信息并加以处理，从而为设备管理人员判断设备隐性故障、部署设备提效举措提供数据支持和理论依据，确保设备安全、高效运行。

2 自动化轨道吊管理系统和数据系统功能设计

2.1 自动化轨道吊管理系统

自动化轨道吊管理系统由起重机管理系统（crane management systme，CMS）和起重机远程监控系统（remote crane monitoring system，RCMS）共同构成。

2.1.1 CMS功能设计

（1）监控整机状态。采用图形化界面（见图1）实时显示设备运行状态，包括主机构速度、位置、电流、电压、力矩以及限位和连锁状态等，便于操作和维护人员直观了解和掌握设备当前运行状态。

（2）记录故障。保存历史故障，记录故障发生时间和复位时间。将设备异常情况按严重程度分为故障（禁止机构运行）、报警和连锁条件等，并分别用红色、黄色和蓝色加以区分（见图2）。

（3）生成故障报表。按照日期和时段、机构分类、故障代码、故障等级等条件生成故障报表。故障记录包含故障代码、发生时间、修复时间和故障描述等信息，可以通过设定筛选条件查询故障并导出报表。

（4）分析故障。统计相同故障发生的次数及其所占比例、相同故障的平均间隔时间，列出发生频次较高的故障等，通过表格、曲线图、柱状图、饼图等多种形式展示统计数据。

（5）提供故障帮助信息并实现故障跳转。一旦设备发生故障，系统可跳转至可编程逻辑控制器、电路原理图或控制程序等相关页面，快速、准确定位故障源，并提供历史故障处理日志，供维修人员参考。

（6）历史回放和储存本机运行历史数据。回放功能可再现某时段内的设备运行状态、故障、报警等事件，便于维护人员查找分析故障。

（7）生成统计和维护报表。统计控制合时间、各主机构运行时间、制动器工作次数等，结合生产维护数据，生成维护报表，向维护人员提示设备维护信息。

2.1.2 RCMS功能设计

RCMS安装在自动化远程操控中心，用于远程监控和采集自动化轨道吊数据、状态和故障等，方便维护人员诊断故障及监测设备运行。RCMS功能结构如图3所示。

（1）堆场总览 实时显示自动化轨道吊状态信息，包括自动化轨道吊在堆场中的位置、是否控制合、是否作业等信息。

（2）单机实时监控 监控自动化轨道吊电气、机械、液压等系统实时运行状态，组合展示相关状态信息;模块化显示各机构和重要部件的实时状态，显示信息包括电机的转速、电压、电流、频率，控制反馈信号、脉冲发生器信号，驱动器、继电器、接触器、制动器等装置的状态、位置、电流、电压、速度信号，以及限位、互锁、传感器、编码器等装置的重要信息。

（3）多样报表 设计时间报表、维护报表、控制合报表和产量报表等报表功能，其中：时间报表按日期和时段统计自动化轨道吊各机构运行时间;维护报表统计制动器、限位、钢丝绳等损耗部件的运行时间，当运行时间达到额定寿命时，系统报警提示维护人员进行更换;控制合报表记录操作人员在远程操控台上的操作信息，记录自动化轨道吊控制合、控制断时间，方便码头管理人员结合历史回放，分析自动化轨道吊具体作业动作;产量报表按日期和时段统计作业箱量（自然箱量和标准箱量），支持对不同箱型和质量区间的集装箱分组统计，并且支持查询任意一条吊箱记录中的抓箱时间、放箱时间、质量、小车位置和起升位置等详细信息。

（4）其他功能 其他功能与单机CMS功能基本一致。

2.2 自动化轨道吊数据系统

自动化轨道吊数据系统的数据来源于码头操作系统数据库，旨在提取、处理和分析自动化轨道吊作业信息，供码头管理人员参考。系统支持浏览器查看，主要包括效率模块、绩效模块和车辆时序控制模块。

2.2.1 效率模块

（1）作业指令时长报表 作业指令时长报表支持查询任意时段、任意自动化轨道吊的作业箱量和平均作业指令时长，以及内集卡作业指令、外集卡作业指令和翻倒箱作业指令。

（2）作业指令数量报表 作业指令数量报表显示相同年份不同季度、不同月份以及不同年份相同季度、相同月份的作业指令数量。

（3）作业指令时长分布 通过柱状图和饼状图显示作业指令时长区间和各时长区间占比。

（4）堆场作业指令明细 堆场作业指令明细支持查询任意时段各个堆场的作业指令分配情况。

2.2.2 绩效模块

（1）班次平均作业箱量 按工班统计远程操控人员平均作业箱量，方便绩效考核。

（2）集卡作业箱量统计 统计内集卡作业箱量，对集卡司机实施按件计酬。

（3）作业指令循环时长 支持查询各时段作业指令的执行效率，并通过曲线图显示效率趋势。

（4）集卡作业指令时长 支持查询不同时段外集卡执行装船、卸船、集港、疏运和中转等作业指令的时长。

2.2.3 车辆时序控制模块

车辆时序控制模块用于统计堆场道口RFID设备识别集卡的失败次数和频率，从而为判断RFID设备是否出现功能性故障提供佐证。

3 自动化轨道吊管理系统和数据系统应用

自动化轨道吊管理系统和数据系统投入使用后，极大地方便了码头管理人员通过数据分析评估设备状态，并为故障检修、隐性故障识别提供数据支持，应用效果十分显著。

3.1 设备宏观作业效率分析

通过作业指令时长报表，分别对自动化轨道吊的不同作业类型和不同品牌自动化轨道吊的作业指令时长进行分析，得到相关的效率差异，并经过长时间的优化，获得稳定的效率指标（见表1）和对效率水平的科学认知。

对于采用八绳防摇机械结构的自动化轨道吊，内集卡作业指令平均时长可长期稳定在150 s以内，外集卡作业指令平均时长可稳定在180 s以内;对于采用四绳防摇机械结构的自动化轨道吊，内外集卡作业指令平均时长延长30 s以内为正常水平。当个别设备的作业效率出现明显偏差时，设备管理人员开展针对性研究，从主观维保和客观作业环境等方面分析影响效率的不利因素，以便实施优化措施。

3.2 单台设备作业效率分析

单台自动化轨道吊作业效率指标（见表2）反映不同设备在特定时段执行的作业指令数量和平均作业时长。单台设备作业效率分析可用于以下方面。

（1）正确认识特殊环境下的设备作业效率。例如：超高箱、开顶箱等特种集装箱作业需要现场作业人员配合远程操控，导致设备作业效率远低于正常水平;通过作业工艺改进和效率分析，能够确定可接受的效率水平。

（2）通过设备作业效率排序，能够确定某个阶段单台设备的作业效率上限。设备管理人员调取状态最优的设备参数，将其配置到需要执行效率优化的设备，并不断跟进调整，从而为每台设备配置最优的个性化参数，提升作业效率。在开展此项工作的同时，也确定了当前阶段效率优化的“及格线”和“最优极限”。

（3）通过对比设备执行作业指令数量的期望值与实际值，優化作业指令自动分配算法，尽可能将作业指令平均分配到每台轨道吊，从而最大程度地发挥设备资源效能。

3.3 作业效率影响因素分析

自动化轨道吊作业效率受主客观因素的共同影响，其中：主观因素可以直接体现在故障报表中，如集卡识别故障、集卡引导故障、目标识别失败、未检测到集卡入场等;客观因素则无法直接体现在故障报表中，需要导出关键作业信息并加以处理分析，如大车跑动距离、大车过电缆坑、内外集卡作业指令占比、天气状况等。

（1）内外集卡作业指令占比 对比分析自动化轨道吊作业效率发现，平均作业指令时长与外集卡作业指令占比正相关，即外集卡作业指令占比越高，平均作业指令时长就越长（见表3）。基于此结论，作业计划人员可以通过集疏运预约系统及时调整未来作业计划。

（2）天气状况 分析不同天气状况下的设备故障报表发现，大风和恶劣雨雪天气对设备作业效率影响较大，主要体现在垂缆出筐导致作业暂停、大车激光防撞装置出现高频短时的误动作导致设备限速等方面。对此采取针对性处理措施，升级激光防撞器功能，从而基本消除误动作的影响;但在大风天气下，仍需要对起升机构作限速处理。调度人员根据天气预警信息推断作业进度，调整对装卸设备和水平运输设备的调度，以保证原定作业计划能够按时完成。

（3）大车跑动距离 数据库记录每条作业指令的贝位，按时间排序并导出作业指令，即可通过Excel表格计算相应时段内的大车跑动距离。大车跑动距离、内外集卡作业时长占比、设备自动化功能故障率等为单机作业效率分析提供数据支持（见表4）。在故障率正常、大车跑动距离偏长的情况下，单机作业效率偏低属于正常现象。

（4）大车过电缆坑 过电缆坑必定会对自动化轨道吊作业效率产生影响。经测算，大车单次过坑比正常行走多耗费10 s。在已划定轨道吊作业区域的条件下，分析大车过坑频率。如果过坑频率过高，建议堆场设备调度人员重新划定区域，并在自动化轨道吊管理系统中重新设置作业区域，从而尽可能降低大车过电缆坑对设备作业效率的不利影响。

3.4 实现“打散式”维保

自动化堆场采用“打散式”作业工艺，设备少有长时间停机机会，不利于设备日常检查和保养;因此，实现轨道吊“打散式”针对性维保至关重要。自动化轨道吊“打散式”维保步骤如下。

（1）查看自动化轨道吊管理系统中的事件报表，提取其中的异常信息，例如：设备吊具某个开闭锁限位的动作状态与其他开闭锁限位明显不同步，导致设备多次重复执行开闭锁指令;设备某机构电机油位、油温异常，虽然尚未造成故障或导致设备停机，但影响作业连贯性，且有引发故障的风险。

（2）针对上述情况，向生产调度部门申请临时停机30～120 min，快速排查已明确的隐藏故障点，保养或更换配件，使设备保持良好状态。设备常规巡检和部分维保项目也可在短暂停机时穿插执行。码头操作系统能够预测未来数小时的设备作业箱量，并具备智能微调作业安排的能力;因此，短暂停机不会对整体装卸计划产生影响。

3.5 故障统计

若设备出现故障导致作业中断，抢修人员须介入维修;此时，自动化轨道吊管理系统记录相关信息并3.5 故障统计生成故障统计表（见表5）。日常维保人员根据故障统计表追溯详细故障报表，并将高发故障和长时间故障确定为下一阶段维保工作的重点。

4 结束语

本文以提高自动化轨道吊作业安全性和效率为目标，以发现作业效率影响因素为导向，设计自动化轨道吊管理系统和数据系统功能并开发相关系统，从而为设备管理人员诊断故障、生产调度人员调整策略提供数据支持和理论支撑，并取得良好应用效果。后续，将逐步完善系统对数据的智能化处理功能，提高运算速度和报表质量，使其更好地适应自动化轨道吊的维保需求，契合集装箱运输行业发展理念。