(完整版)節(jié)能減排示范項目--集裝箱碼頭集卡全場智能調(diào)度系統(tǒng)

1、節(jié)能減排典型示范項目集裝箱碼頭集卡全場智能調(diào)度系統(tǒng)綜合點評：上海港是我國沿海主要港口， 也是國家集裝箱運輸 9 大干線港之 一，2007年完成集裝箱吞吐量2615萬TEU居世界第二位。外高橋港區(qū)和洋山 港區(qū)是上海港集裝箱裝卸作業(yè)的主港區(qū)，共配有 682 輛集卡，每年消耗柴油達(dá) 17600噸以上。為響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，提高港口裝卸效率，減少集卡空車行 駛距離，降低單位能源消耗，上海港以科學(xué)發(fā)展觀為統(tǒng)領(lǐng)，積極研究探索，對傳 統(tǒng)集裝箱裝卸工藝進(jìn)行大膽技術(shù)創(chuàng)新， 自主開發(fā)了先進(jìn)的集卡全場智能調(diào)度系統(tǒng)（Tractor paging subsystem ，簡稱 TPS系統(tǒng)）。TPS 系統(tǒng)是將多種信息技術(shù)

2、應(yīng)用于一體的科技創(chuàng)新產(chǎn)品，是集裝箱碼頭 改革傳統(tǒng)裝卸工藝、 實行碼頭快裝快卸、 合理控制燃油消耗的成功范例。 通過使 用該系統(tǒng)， 碼頭管理者可以合理配置水平運輸機械， 優(yōu)化集卡調(diào)度過程， 提高集 卡作業(yè)效率，從而減少作業(yè)成本、降低能源消耗。TPS 系統(tǒng)的應(yīng)用改變了集裝箱碼頭傳統(tǒng)的集卡管理模式，在國內(nèi)港口企 業(yè)中屬首創(chuàng)。 該系統(tǒng)經(jīng)過多年的現(xiàn)場調(diào)試、 應(yīng)用和運行驗證， 已取得了良好的節(jié) 能和經(jīng)濟(jì)效果，為企業(yè)節(jié)能減排工作做出了貢獻(xiàn)。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作方便，其節(jié)能創(chuàng)新理念、系統(tǒng)設(shè)計原理及軟件產(chǎn) 品，在大型專業(yè)化集裝箱碼頭具有廣泛的推廣價值。上海國際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司“集裝箱碼頭集卡全場智能調(diào)度

3、系統(tǒng)”推廣材料交通部節(jié)能減排專家工作組一、概況上海國際港務(wù) （集團(tuán)） 股份有限公司是中國大陸最大的港口集團(tuán)之一， 同時 又是中國大陸最大的集裝箱裝卸運輸集團(tuán)， 占長江三角洲地區(qū)港口集裝箱吞吐量 的四分之一，為中國大陸集裝箱航線最多、 航班最密、覆蓋航區(qū)最廣的港口集團(tuán)。 上海港經(jīng)過多年的建設(shè)， 將逐步形成以碼頭和集裝箱經(jīng)營為主體， 輻射國內(nèi)、 國 際市場的跨地區(qū)、跨國經(jīng)營的格局。 2007年，上海港貨物吞吐量為 56145萬噸， 排名世界第一位；集裝箱吞吐量為 2615萬TEU首次躍居世界第二，僅次于新 加坡港。隨著集裝箱吞吐量的快速增長，一些集裝箱碼頭出現(xiàn)了硬件設(shè)施跟不上 發(fā)展速度的情況， 以

4、上港集團(tuán)振東分公司為例， 該公司由外高橋二期和三期集裝 箱碼頭組成， 位于長江入?？谀习锻飧邩虻貐^(qū)， 建設(shè)規(guī)模為 5 個大型專業(yè)化集裝 箱泊位，岸線長度1566m堆場縱深875m陸域面積165.9萬卅?，F(xiàn)有岸邊集裝 箱起重機 26 臺，輪胎式集裝箱門式起重機 76 臺，場內(nèi)水平運輸機械集卡 119 臺，設(shè)計吞吐量250萬TEU/a。該碼頭投產(chǎn)于2000年，當(dāng)年吞吐量即達(dá)到設(shè)計 能力，成為當(dāng)時世界上最先進(jìn)的集裝箱碼頭之一。到2007年，該公司實際集裝箱吞吐量已達(dá)到 590萬TEU港口各作業(yè)環(huán) 節(jié)的壓力越來越大。 集裝箱碼頭亟需進(jìn)行內(nèi)部挖潛革新， 突破傳統(tǒng)裝卸工藝系統(tǒng) 的瓶頸，提高集裝箱碼頭的綜合

5、效率，從而保證港口的良性發(fā)展。隨著通信和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使現(xiàn)代集裝箱碼頭經(jīng)營管理的數(shù)字 化革命成為可能。 集裝箱碼頭運營具有信息量大、 效率高等特點， 沒有數(shù)字化的 支撐，現(xiàn)代集裝箱碼頭無法正常運營和實施有效的管理。 因此，世界各港口集裝 箱碼頭加速了數(shù)字化建設(shè)的步伐，數(shù)字化已成為現(xiàn)代集裝箱碼頭的重要標(biāo)志之 一。為滿足集裝箱船舶大型化的需要，集裝箱碼頭規(guī)?；⒏咝Щ男枰?建設(shè)資源節(jié)約型、 環(huán)境友好型港口的需要， 上港集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)高度重視集裝箱碼頭數(shù) 字化建設(shè)工作， 通過理念創(chuàng)新和開拓思路， 以科學(xué)發(fā)展觀為統(tǒng)領(lǐng)， 自主研發(fā)并不 斷完善了 TPS系統(tǒng)。二、基本原理（一）需求分析1。集裝箱碼頭

6、船舶、堆場配載計算機管理系統(tǒng)的發(fā)展在國際、國內(nèi)已經(jīng)比 較成熟，而水平運輸車集卡的調(diào)度屬于集裝箱箱流控制的薄弱環(huán)節(jié)。 上海集裝箱 碼頭傳統(tǒng)裝卸工藝采用的是碼頭配置岸邊集裝箱起重機、 堆場配置輪胎式門式起 重機、碼頭與堆場之間的水平運輸采用集卡。 傳統(tǒng)的做法， 每臺岸邊集裝箱起重 機按照一定的比例配置集卡數(shù)量， 一臺岸邊集裝箱起重機配備一定數(shù)量的集卡組 成一條作業(yè)路，由調(diào)度人員安排。傳統(tǒng)的裝卸工藝示意圖見圖圖1 傳統(tǒng)的裝卸工藝示意圖這種傳統(tǒng)的集裝箱生產(chǎn)工藝根據(jù)“作業(yè)線”來靜態(tài)配置集卡。一組集卡只為指定的一條作業(yè)線服務(wù)，即集卡分配給固定的岸邊集裝箱起重機后， 其行車 路線相對固定。隨著碼頭吞吐量的增

7、加，這種調(diào)度方式變得越來越難于控制和管 理。由于作業(yè)負(fù)荷隨時間分布不均勻， 在某一時段內(nèi)，往往出現(xiàn)岸邊集裝箱起重 機、場橋等待集卡拖運集裝箱或集卡排隊等候、 堆場堵塞現(xiàn)象，造成集卡的無序、 低效流動局面，過多的空載行駛和等待，嚴(yán)重影響了裝卸效率，也大量浪費了能 源。而且傳統(tǒng)工藝卸船和裝船采用分段作業(yè)， 累計作業(yè)時間長。卸船時集卡空車 來重車去，裝船時集卡重車來空車去。集卡有將近 50%勺時間在空駛，利用率不 高，不利于集卡效率的提高及節(jié)約能源。另外，大型集裝箱碼頭集卡數(shù)量較多， 作業(yè)過程中依靠人工調(diào)度方式集卡已越來越不能與港口發(fā)展相適應(yīng)，因此，必需按照現(xiàn)場的實際情況，通過計算機系統(tǒng)合理調(diào)配集卡

8、。（二）功能目標(biāo)上港集團(tuán)經(jīng)過多年的研究、實踐，為自主開發(fā)研制的TPS系統(tǒng)制定了以下功能目標(biāo)：1、盡可能做到集卡重車來重車去，減少集卡空駛現(xiàn)象。本系統(tǒng)綜合判斷一定時間范圍內(nèi)的任務(wù)及集卡的最優(yōu)組合， 為作業(yè)任務(wù)選擇合適并且符合作業(yè)要 求的集卡，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動向集卡發(fā)布動態(tài)調(diào)配指令，提高作業(yè)路之間的重進(jìn)重出率，縮短累計作業(yè)時間；2、靈活地將全部集卡動態(tài)地分為幾組，每組包括一定數(shù)量的集卡作為一個集卡池，每輛集卡可以根據(jù)實際情況動態(tài)地分配一條或多條作業(yè)路，充分利用集卡資源，優(yōu)化碼頭配機，減少集卡忙閑不均造成的效率降低；3、在可能條件下，實現(xiàn)裝船和卸船同時作業(yè)的同 bay位同步裝卸；4、針對雙4

9、0尺岸邊集裝箱起重機的作業(yè)工藝，按照雙吊具作業(yè)集卡同時上檔的要求，應(yīng)實時跟蹤集卡位置，優(yōu)化調(diào)度，向集卡發(fā)出不同的作業(yè)指令, 從而提高作業(yè)效率，保障雙吊具作業(yè)的順利進(jìn)行。（三）工作原理根據(jù)以上功能目標(biāo)要求，上港集團(tuán)充分利用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，按照以 需求為導(dǎo)向、經(jīng)濟(jì)實用有效為原則，對TPS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了反復(fù)研究和設(shè) 計，形成了如圖2所示的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。TPS系統(tǒng)是鑲嵌在集裝箱碼頭控制系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。主要由中控室主機、集卡智能調(diào)度控制軟件、無線集群系統(tǒng)及安裝在集卡等裝卸機械上的無線 數(shù)據(jù)終端和GPS組成。其中集卡智能調(diào)度控制軟件的編制是運用規(guī)劃論、排隊論 和模糊控制理論，融合現(xiàn)場操作管理

10、人員的智慧和經(jīng)驗， 建立箱流、車流調(diào)度數(shù) 學(xué)模型，解決非線性尺度變換和模糊邏輯推理規(guī)則等問題， 實現(xiàn)對全場集卡的智能調(diào)度控制管理4f 1口綣 Ji T 也七 無趕鞫口SHiT k nntA.上違轉(zhuǎn)曜圖2 TPS系統(tǒng)構(gòu)成示意圖三、實施方案TPS系統(tǒng)的建立經(jīng)歷了三個階段。第一階段：以無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)指令信息 代替了傳統(tǒng)的尋呼語音對講系統(tǒng)調(diào)度集卡的模式；第二階段進(jìn)一步優(yōu)化升級了 TPS自動調(diào)度系統(tǒng)；第三階段運用 GPS定位實現(xiàn)了精確的智能調(diào)度控制。上港集團(tuán)通過多年來的自主研發(fā)，逐步完成了無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立、 硬件配 套終端設(shè)備的研制及軟件系統(tǒng)的開發(fā)，TPS系統(tǒng)已日趨完善，現(xiàn)已在上海港外高 橋港區(qū)、洋

11、山港區(qū)投入使用。（一）主要工作內(nèi)容1包括無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、車載終端系統(tǒng)、智能調(diào)度軟件系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)是在集裝箱碼頭原有的無線集群系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴展，實現(xiàn)集卡與TPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈接。2研制開發(fā)車載無線數(shù)據(jù)通信終端設(shè)備，實現(xiàn)集卡實時接收/響應(yīng)調(diào)度指令。3、通過整合上港集團(tuán)多年來積累的集裝箱運營的信息資料，建立了箱流、 車流調(diào)度數(shù)學(xué)模型及算法，開發(fā)了 TPS系統(tǒng)，并在調(diào)試運行過程中不斷對系統(tǒng) 軟件進(jìn)行完善升級，目前軟件已由 v1.0升級到v5.0版本。4、開發(fā)應(yīng)用GPS系統(tǒng)，實現(xiàn)對集卡位置的實時精確調(diào)度。（二）開發(fā)過程及案例在上港集團(tuán)的領(lǐng)導(dǎo)下，2000年起，下屬浦集分公司及振東分公司分別同時

12、開展了 TPS系統(tǒng)研究，并取得了初步成果。2001年，外高橋碼頭公司為深入研 究開發(fā)TPS系統(tǒng)，成立了由技術(shù)部、操作部和海勃軟件開發(fā)公司組成的聯(lián)合攻 關(guān)項目組。項目組成立后開展了收集整合信息資料，建立箱流、車流調(diào)度數(shù)學(xué)模型、算法及系統(tǒng)軟件開發(fā)等工作。2001年首先在外高橋二期為10臺集卡安裝了無線數(shù) 據(jù)終端，對TPS系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試和驗證實驗。2002年外高橋二期70多臺集 卡全部安裝了無線數(shù)據(jù)終端（見圖 3）。實現(xiàn)了由無線通訊數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)下達(dá)集卡調(diào) 度指令替代尋呼對講語音傳輸調(diào)度集卡工作的目標(biāo)， 徹底改變了語音傳輸調(diào)度不 能及時準(zhǔn)確下達(dá)調(diào)度指令、語音指令不清、指令下達(dá)和執(zhí)行不可追溯等一系列問題

13、。項目實施后，極大地改善了碼頭堆場的調(diào)度運行方式圖3 車載無線通訊終端顯示屏2004年，通過總結(jié)經(jīng)驗和進(jìn)一步深度開發(fā)，對 TPS系統(tǒng)進(jìn)行了軟件技術(shù)升級，在無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)了智能化調(diào)度（見圖4）。達(dá)到動態(tài) 地調(diào)動集卡，使每輛集卡對應(yīng)多條作業(yè)路，保證集卡在卸載后可以就近投入到其它需要負(fù)載的作業(yè)路中，縮短集卡的空載行使時間和距離圖4中控室集卡調(diào)度操作屏TPS集卡自動調(diào)度有兩種模式，以岸邊橋吊為本的作業(yè)模式和以集卡為本的 作業(yè)模式。但無論采用哪種作業(yè)模式，集卡調(diào)度系統(tǒng)都存在對集卡的選擇性調(diào)度 問題，也就是說根據(jù)一定的選擇條件，將作業(yè)指令發(fā)送給最合適的集卡。該系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法綜合判斷

14、一定時間范圍內(nèi)的任務(wù)與集卡的最優(yōu)組 合，可以為作業(yè)任務(wù)選擇合適的并且符合作業(yè)要求的集卡， 通過無線設(shè)備將該作 業(yè)指令傳送給集卡，提高了作業(yè)路重進(jìn)重出率。見圖5。圖5集卡作業(yè)路對比示意圖在該系統(tǒng)中，可以靈活的將全部集卡動態(tài)地分為幾組， 每組包括一定數(shù)量的 集卡作為一個集卡池，每個集卡可以根據(jù)實際情況動態(tài)地分配一條或多條作業(yè) 路。見圖6。圖6集卡池示意圖第二階段目標(biāo)實現(xiàn)后， 港口水平運輸系統(tǒng)調(diào)度效率得以提升。 為進(jìn)一步實現(xiàn) 對集卡的精確定位控制，在系統(tǒng)中又引進(jìn)了 GPS車載定位設(shè)備，于2006年在洋 山港區(qū)進(jìn)行了新的系統(tǒng)升級，形成了對集卡精確控制的動態(tài)實時智能化調(diào)度系 統(tǒng)。2006年，洋山港區(qū)投入

15、生產(chǎn)，裝卸船配備了雙 40呎岸邊集裝箱起重機，這 種新的作業(yè)模式， 對集卡的控制提出了更高的要求， 需要能夠更及時的跟蹤集卡 位置，實現(xiàn)精確調(diào)度， 通過提供雙吊具操作的作業(yè)流程， 從而能夠更大限度地發(fā) 揮雙 40 呎岸邊集裝箱起重機的效率。項目實施過程中， 項目組遇到的最大困難是在不中斷生產(chǎn)的前提下， 進(jìn)行系 統(tǒng)運行的調(diào)試。為此制定了從點、線到面分步實施，不斷調(diào)整優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，由 模擬運行逐步向?qū)嵤┎僮鬟^渡的方案，保證了項目順利完成。（三）洋山港區(qū)使用具有 GPS的TPS系統(tǒng)前后的實際效果對比 洋山港區(qū)使用具有GPS的TPS系統(tǒng)后，實現(xiàn)了集卡的重進(jìn)重出，減少了集 卡的空駛率， 縮短了集卡周期

16、（一部集卡從橋邊接受到卸船指令到堆場， 然后又 裝箱或空載回到橋邊），效果十分顯著。圖 7 為洋山港區(qū)平均集卡周期月度數(shù)據(jù)分析，圖 8 為洋山港區(qū)重進(jìn)重出月 度數(shù)據(jù)分析。圖7山港區(qū)平均集卡周期月度數(shù)據(jù)分析120.OOK0. OOK100.OOffieo. DM60. OOK0. OOK20. ODK七月蟲進(jìn)車出比例 集竊施便翊tt憫圖8洋山港區(qū)重進(jìn)重出月度數(shù)據(jù)分析依據(jù)國際上集卡需要量的計算慣例公式: PM cycle time VT tPMwqiured=s= Number otQCAverage QC cycle timej計算得出，在洋山34臺橋吊的規(guī)模下，按橋吊平均每2分鐘完成一次移動,

17、 集卡周期每提高一分鐘可以節(jié)省17部集卡。表1采用TPS系統(tǒng)前后指標(biāo)對比狀態(tài)集卡周期重進(jìn)重出率岸邊集裝箱起重機與集卡配比優(yōu)化前20多分鐘01： 10（ 340臺集卡）優(yōu)化后17分鐘（含雙吊作業(yè)）40-50%1： 6（ 170臺集卡）（四）關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點1、實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)通訊替代語音傳輸通訊調(diào)度方式，徹底改變了語音傳輸調(diào) 度不能及時準(zhǔn)確下達(dá)調(diào)度指令、語音指令不清、指令下達(dá)和執(zhí)行不可追溯等一系 列問題。2、智能化調(diào)度子系統(tǒng)：在水平作業(yè)面，運用規(guī)劃論、排隊論及模糊控制理論， 融合現(xiàn)場操作和管理人員智慧和經(jīng)驗，研究解決了碼頭上不同位置距離的非線性 尺度變換和模糊邏輯推理規(guī)則等問題，并自主開發(fā)了先進(jìn)的

18、集卡全場智能調(diào)度軟 件，達(dá)到了根據(jù)不同作業(yè)重要性、路程遠(yuǎn)近程度、已等候時間等諸多因素來動態(tài) 配置水平運輸機械，達(dá)到了場地上所有的水平運輸機械同時為所有的作業(yè)線服務(wù)，同時具備了經(jīng)濟(jì)高效和節(jié)約能源的特性。 雖然各條 作業(yè)線”的負(fù)荷隨時間分 布不均勻，但是計算機調(diào)度系統(tǒng)會根據(jù) 作業(yè)線”需求的優(yōu)先級，并兼顧路程就近 原則根據(jù)智能化模糊控制計算結(jié)果，自動給集裝箱卡車發(fā)布動態(tài)調(diào)配指令， 在不 同的時間段為不同的 作業(yè)線”服務(wù)。這樣做的結(jié)果，使水平運輸機械再也不會出 現(xiàn)忙閑不一的情況，系統(tǒng)的整體裝卸作業(yè)能力有了很大的提高。盡可能做到集裝 箱卡車重車來重車去，避免集裝箱卡車空駛現(xiàn)象。同時通過對貨物流向進(jìn)行分析

19、， 盡可能的減少輪胎吊翻箱，對生產(chǎn)進(jìn)行集中控制調(diào)度，大大減少堆場翻箱率和集 卡空車的運行距離，降低了能源消耗。四、主要措施TPS 系統(tǒng)建設(shè)需要有應(yīng)用體系、技術(shù)支撐體系、運行管理體系及人才保障體 系的支撐，沒有此四項體系做保障， TPS 系統(tǒng)的建設(shè)將難以實現(xiàn)。（一）應(yīng)用體系應(yīng)用體系是 TPS 系統(tǒng)的核心。其包括調(diào)度人員、中控室操作人員、起重機械 司機和集卡司機等人員在內(nèi)的相關(guān)作業(yè)人員，是保證集裝箱碼頭正常運行的主 體。（二）技術(shù)支撐體系TPS 系統(tǒng)主管部門負(fù)責(zé)系統(tǒng)的日常維護(hù)和管理，技術(shù)支撐系統(tǒng)的關(guān)鍵在于按 照 TPS 系統(tǒng)建設(shè)的內(nèi)在規(guī)律，組織協(xié)調(diào)支撐體系中的各相關(guān)方，培育一支掌握 核心技術(shù)、 具

20、有關(guān)鍵應(yīng)用開發(fā)和維護(hù)支撐能力的技術(shù)隊伍， 提供可靠有效的數(shù)字 化支撐，使 TPS 系統(tǒng)建設(shè)持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展。（三）運行管理體系運行管理體系是指在碼頭主管部門的主導(dǎo)下，實施對設(shè)施設(shè)備、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、 系統(tǒng)運行、 軟件開發(fā)和維護(hù)及網(wǎng)絡(luò)安全多方面的有效管理， 需要由組織機構(gòu)、 管 理規(guī)章、 管理機制作支撐， 目的是確保碼頭生產(chǎn)和經(jīng)營活動正常進(jìn)行、 碼頭數(shù)字 化可持續(xù)發(fā)展。（四）人才保障體系人才隊伍建設(shè)是保障 TPS 系統(tǒng)正常運行的根本。上港集團(tuán)培育了一支既懂碼 頭經(jīng)營管理又懂計算機技術(shù)的高素質(zhì)復(fù)合型人才隊伍， 擁有一批熟練掌握信息技 術(shù)/技能的應(yīng)用人才。五、項目成效（一）社會效益交通行業(yè)因其生產(chǎn)特點，現(xiàn)已地成為能源消耗特別是燃油消耗的大戶之一， 每年約消耗全社會成品油總量的近 30%，對經(jīng)濟(jì)環(huán)境、 社會環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的影 響巨大，節(jié)能減排已經(jīng)成為創(chuàng)建節(jié)約型行業(yè)、促進(jìn)行業(yè)發(fā)展的重中之重。那么， 從微觀管理入手，加強企業(yè)節(jié)能工作對達(dá)到節(jié)能減排的行業(yè)目標(biāo)、 節(jié)約社會資源、 促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有