上海海事大学 硕士学位论文 集装箱码头龙门吊作业全过程控制系统的研究 姓名：徐心刚 申请学位级别：硕士 专业：交通运输工程 指导教师：李玉如;陈国荣

信息化、自动化技术在港口的应用，是建设现代化港口的重要内容，也是衡

量港口科学技术进步和现代化水平的重要标志。随着近几年世界集装箱码头建设

的加快，不断有新的软件管理技术被应用于集装箱码头，集装箱管理的信息化水 平正不断提高。新建的宁波港北仑四期码头在信息项目的投资将达四千万左右， 这不仅体现了码头对信息化管理的重视，更显示出信息化管理在竞争中的地位越 来越重要。 目前集装箱码头的装、卸、进、提、移所有动作都已经被集装箱码头的计算 机系统动态的控制，作业指令都通过集装箱系统自动发送，通过无线的方式被传 送到各个作业机械的无线终端显示屏上。作业司机完成动作后，需要完成无线终 端上指令的确认。 但当仔细研究集装箱码头的作业过程，会发现设备在集装箱堆场作业中还有 一些地方可以改进。目前龙门吊机械系统主要被设备的ＰＬＣ系统控制着，作业指 令则是由码头操作系统发出的，两个系统之间不存在任何的数据交换。也就是说 由于两个之间没有信息沟通的桥梁，使得两个自身都很发达的系统之间无法实现 数据共享。 本文想探索的就是如何在两个系统之间架起一座桥梁，使两个系统实现数据 共享。同时借鉴使用目前已经比较成功的ＤＧＰＳ技术来实时反映龙门吊的实时位 置，据此让系统知道龙门吊的实时位置。每当龙门吊在堆场内停止后，系统自动 根据龙门吊的所处位置向控制系统请求获得龙门吊大车停位的集装箱各列堆存 情况，从生产系统查询获得后，再根据箱型高度表计算出所处贝位的各列高度， 把这个各列的高度传输到龙门吊ＰＬＣ的寄存器里。龙门吊大车、小车和吊具等动 作的情况能够通过ＰＬＣ返回给生产系统。通过系统之间的数据共享来提高整个系 统的生产效率和安全防范。这是龙门吊作业全过程控制不可少的一环。 本文着重研究在目前集装箱码头生产和设备控制等多种环境和系统下，如何 建设生产和设备控制数据交换的公共平台，沟通两个发达系统之间的数据通信， 使生产数据为设备控制系统服务，并通过这个系统的建设提升集装箱码头生产作 业和设备管理的信息化水平。本文将探讨ＧＰＳ定位技术的应用，龙门吊全过程控

制系统的搭建和一些系统的关键控制如何实现。

龙门吊，ＧＰＳ，全过程控制系统

ｒａｐｉｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｉｎ ｗｏｒｌｄ ａｌｗａｙｓ ｎｅｗ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｔｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ． Ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｊｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｗｌｙ

ｂｕＩＩｔ Ｎｉｎｇｂｏ Ｂｅｉｌｕｎ Ｐｈａｓｅ ＩＶ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｏ ４０ ｍｉｌｌｉｏｎ ＲＭＢ． ｗｈｉｃｈ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｃｏｍｐａｎｙ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ＩＴ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ。 ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｌＴ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐｌａｙｓ ａ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ． Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏａｄ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅ， ｒｅｃｅｉｖａｌｓ，ｄｅｌｉｖｅｒ，ａｎｄ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ａｒｅ ｈｅｌｄ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ’ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａ¨ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｒａｄｉｏ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｓｅｔ ｏｆ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｙ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ａｆｔｅｒ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋ，

ｄｒｉｖｅｒ ｏｆ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｖｉａ

ｒａｄｉｏ ｔｅｒｍｉｎａｌ．

Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎ ｗｅ ｌｏｏｋ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｗｅｒｋ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ａｔ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ， ｗｅ ｆｉｎｄ ｓｏｍｅｗｈｅｒｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｉｎ ＲＴＧ’ｓ ｙａｒｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｎｏｗ．ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＲＴＧ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｖ ＰＬＣ。ｗｈｉｌｅ ａ ｗｏｒｋ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｓｅｎｔ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｎｏ ｄａｔａ ａｒｅ ｅｘｃｈａｎｇｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈａｔ ｉｓ．ｄａｔａ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｓｈａｒｅｄ ｅｖｅｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｐｏｗｅ咖Ｉ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ． Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｓ ｔｈａｔ ｈｏｗ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｄａｔａ ｓｈａｒｅ ｂｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａ ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ＤＧＰＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａ ｒａｔｈｅｒ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｏ ｆａｒ．ｉｓ ｂｏｒｒｏｗｅｄ ｆｒｏｍ ｔｏ ｒｅｆｌｅｃｔ ＲＴＧ’ｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ．ｆｒｏｍ ｗｈｉｃｈ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌｌ ｋｎｏｗ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＲＴＧ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ａｎ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｌｉｎｋ ｉｎ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．

ａｒｔｉｃｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ

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ｇａｎｇ（ＭＴＥ） ｂｙ巳￡Ｑ！皇§§鱼［ＬＩ

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＲＴＧ，ＧＰＳ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ

（一）问题提出的背景和意义 １、问题提出的背景 集装箱运输是上世纪运输业的伟大发明。自从集装箱运输诞生到这个大干世 界后，像魔术师一样将水运件杂货装卸效率提高了１０一２０倍。此外它所具有无可 取代的优点，如：全天候作业（特别是解决雨天作业）；减少或消灭了货损货差 和偷窃；可重复多次使用；取消了仓库，充分利用了堆场面积和空间，大大降低 了运输成本，提高了经济效益等无可争辩的事实，使集装箱运输自诞生以后，逐 步被人们认识和接受，进入８０年代以后，每年以７％～８％的增长率高速增长。 我国集装箱发展在近几年发展更为迅速，其增长的速度超出了最乐观的预 测，由１９９０年的１５６万ＴＥＵ发展２０００年的２３４８万ＴＥＵ，１９９０～２０００年间，年 平均增长３１．２％。据国家统计局调查显示，２００５年中国港口完成吞吐量４９．１亿 吨，同比增长１７．７％；完成集装箱吞吐量７５８０万标准箱，增长２３％。中国的港 口货物吞吐量和集装箱吞吐量已连续三年位居世界第一。据交通部预测，２００７ 年沿海货物吞吐量和集装箱吞吐量增速分别达１４％、１０％左右，“十一五”期间， 中国沿海港口将新增吞吐能力８０％以上，２０１０年全国港口年货物吞吐量将增长到 ７２亿吨。２００８－－２０１０会维持在９％左右的水平，与ＧＤＰ增速基本保持同步；

年集装箱吞吐量增速将回落至１４％左右，２００８－－２０１０年沿海集装箱吞吐量增速 会维持在１２％左右的水平，稍快于ＧＤＰ增速。由于集装箱码头生产的飞速发展，

各类先进的技术在集装箱码头也被不断的采用和更新。现在的集装箱码头作为内

外贸货物物流中转的平台和枢纽，随着集装箱船舶的大型化、高速化，港口的操

作量不断增长，如何提高码头的装卸效率是许多港口企业』下在探讨的问题。各码

头在硬件设备上投入了大量的资金添置现代化设备，如现代化大型双吊具装卸 桥，无线终端设备，更高堆存高度的轮胎龙门吊。生产管理的信息化、网络化也 取得了很大进步。码头企业家由于意识到信息技术给集装箱码头带来的巨大作 用，在集装箱码头的信息化投入上也是比较开明，目前一个大型的集装箱专业化

码头生产信息系统投资都在几千万元左右，而且信息系统的更新速度很快，信息

技术方面有新的产品或技术，集装箱码头管理者也是乐于尝试和使用。目前的情 况是集装箱码头生产系统的更新或换代的意义甚至大于码头大型机械设备的添 置，因为信息技术带给码头的是“大脑”的升级和更新，一个码头生产管理软件 系统的更新，能够使码头在原有硬件设备和设施不变的情况下，码头的作业人员 减少，机械设备使用减少，而综合效能增加，码头的装卸效率也大大提高。 虽然大型的集装箱码头的现代化、信息化程度较以往有很大进步，在码头内 部各个系统（包括生产系统、设备系统、物资系统、财务系统、办公系统等）的 信息化程度较高，但是现在存在的问题不是自身系统不够健全，而是各个系统之 间的数据没有共享，也没有利用现有的系统获取的各个数据进行相关的检测、控 制。 集装箱码头生产作业是一个各个系统相互协作的过程，特别是集装箱码头的 科技应用程度越高，依赖各个系统之间的配合越是需要。如果码头各个部门只是 满足于自身系统的完善，而不是站立在如何提高整个码头运作的效率和效益的角 度来考虑，这样的码头管理者是一个不合格的管理者。 目前的集装箱生产已经脱离了原始的生产作业模式（例如纸面和单机记录模 式），现在集装箱码头需要的是３６５天２４小时不问断运作，除了特殊气候影响， 正常情况下码头是不允许有生产间断的事情发生。而且随着码头航线的增加，靠 泊船舶的增加，码头泊位安排和作业都是已经计算到小时以内。每条船舶作业是 否跟上船公司整条航线运营需要达到的要求，这关系到码头的“生命”。因为随 着码头这些年的跨越式发展和建设，势必造成的市场是“船公司选择码头”，而

选择的理由是看这个码头的服务…一码头能否达到船方“苛刻”的时间要求。因

为对船公司来说，在码头多等待或多作业一小时，无疑是把船方的收益往海里倒。 特别是对于大型船舶的运营方来说，一天的船舶租金是几十万美金，而一小时就 是以万美金计量的。 在网络化和整和各个系统数据的时代背景下，目前需要做的是看各个系统之 间的数据是否可以相互借用，为整个码头的生产和管理币ＩＩ用。初期的集装箱码头

生产是突破岸边的能力，采取的措施有增加岸线长度一可以适应多艘船舶靠 泊；增加岸桥的数量一为了给船舶多路作业；缩小岸桥的宽度一可以最小间 隔的作业：把岸桥的吊具设计成双２０英尺，或双４０英尺…一提高每个吊具来回

的作业量。但是当岸边生产能力提升到目前情况下，发现堆场的能力是影响效率

的关键环节。同时堆场的管理和控制是集装箱码头生产最为复杂的环节。因为它 涉及的作业有装船、卸船、进箱、提箱、移箱作业，而参与的有平面运输机械有： 内集卡和外集卡；起重机械有：轮胎龙们吊、堆高机、正面吊，处理环节多，准

确率要求也很高。进箱时放箱位置不准确就会影响装船，卸船时放箱位置不准确 又会影响提箱。由于集装箱堆场随着堆场利用率的提高，场地安排跟原来的安排

理念也发生了变化。原来每个箱区有相对的进出口区分，现在场地紧张情况下， 堆场安排已经到了“进缝插针”的地步。哪里有空位置就放到那里，而且是科学 的堆放（因为系统会根据作业要求设定的规则来安排每个集装箱放到最合理的位 置）。但对场地作业的机械来说在一块箱区作业时，它碰到的作业有进、提、装、 卸、移五个作业，任何一个作业不顺就会影响其他作业。例如装船时如果进提箱 作业没完成，外集卡会把作业通道堵住，内集卡也不能参与作业，内集卡不能作 业就影响装卸船作业。 堆场里每天发生着成千上万的作业，以一个月吞吐量２０万ＴＥＵ左右的码头 为例，平均每天的发生的作业量见下表卜１。 表卜ｌ 作业项Ｈ 装船作业 码头作业项目分类统计 卸躲作业 进，提籀作监 移箱作业

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需要保证堆场作业的顺利和准确，是集装箱码头生产管理的重要环节。这里 涉及到码头生产的组织和计划的编制，装卸工艺及流程，涉及到员工的培训，涉 及到管理的措施，涉及到机设备的维护保养，涉及到堆场安排的合理，涉及到系 统的相互沟通……

２、问题研究的意义 由于集装箱堆场作业的复杂性，影响集装箱码头的装卸效率的“瓶颈”已 经从岸边作业转移到堆场作业。通过本文对集装箱堆场上龙门吊作业环节的分 析，提出集装箱码头龙门吊作业存在的问题，通过沟通设备系统和生产系统之间 的数据隔阂，建设一个统一的数据平台，运用系统论和控制论的方法，来解决堆 场生产中存在的问题。 由于龙门吊作业控制系统的设计，为龙门吊都安装了ＧＰＳ终端，使码头控制

室通过大屏幕实时看到龙门吊在各个场地的具体位置和移动轨迹。设备的实时位 置获得，使作业指挥更加灵活方便，在相同的作业量情况下，配备了ＧＰＳ的龙门 吊比未配置ＧＰＳ龙门吊参加作业时数量可以减少。由于龙门吊配置了ＧＰＳ，使司 机作业更加主动，因为控制中心可以实时了解它们的位置，提高了管理的透明度。 由于原来司机需要对作业指令进行逐条进行确认。本系统应用后，系统会根 据龙门吊ＧＰＳ系统加上设备的其他信息，来完成作业指令的确认，大大减轻了司 机确认作业指令的压力，同时也提高了作业指令确认的准确率，同时生产系统里 记录的准确性也有所提高，司机可以专注于驾驶龙门吊，提高了司机的作业效率。 龙门吊作业的场地是集装箱码头作业中安全事故多发的地方。由于通过本系 统可以控制龙门吊作业过程中相互之间的碰撞事故发生；另一方面可以避免因吊 具起升不够而撞落旁边列的集装箱事故的发生，这对集装箱码头的安全生产也有 重要意义。

（二）国内外研究的现状 集装箱龙门吊作业全过程控制控制系统的设计在国内外也曾经研究过。国外 先进的集装箱码头例如汉堡的ＣＴＡ码头，在堆场采用无人作业的龙门吊控制系 统。堆场内无人作业，龙门吊在堆场内有序作业，但是配合的平面运输机械是

ＡＧＶ（Ａｕｔｏ Ｇｕｉｄｅ

Ｖｅｈｉｃｌｅ），龙门吊是采用轨道龙门吊，并且为了场地内交叉

和多路作业，轨道龙门吊的高度和宽度在堆场内是高低和宽窄错开，即低的龙门 吊可以钻过高的龙门吊换位作业，而且ＡＧＶ只负责把集装箱运输到箱区的两头， 放到箱区里要靠轨道龙门吊载箱平面运输到相应贝位后，再把集装箱放到系统要 求的列和层里。 但是本文想研究的是在有人操作的轮胎龙门吊的作业过程控制。这方面研究 较少，而且由于轮胎龙门吊作业的范围比轨道龙门吊范围大（不受轨道限制，可 以转到任何标准的集装箱龙门吊箱区），另外龙门吊设备控制系统ＰＬＣ系统

与生产系统应用的案例较少，并且需要获得轮胎龙门吊的实时位置，系统还需要

应用ＧＰＳ定位技术，并且是高精度的定位技术。国内还没有哪个码头在轮胎龙门 吊作业控制系统上有进一步的研究。本文想借鉴宁波港四期码头的生产作业控制 为实例，通过来研究宁波港集装箱码头轮胎龙门吊控制系统，进而把这个研究的 成果作为其他码头可以借鉴的系统设计案例，为集装箱码头的生产控制增添技术

（三）本文的主要工作 第一章主要是针对集装箱运输的发展和科技的进步，集装箱从生产和管理需

要得出集装箱码头堆场作业管理和控制的必要性；

第二章对集装箱码头作业过程进行分析，发现轮胎龙门吊的作业中存在的问 题，并分析了原因； 第三章提出本论文的方法论。针对以上情况的调研，需要借鉴系统论和控制 论的方法来解决轮胎龙门吊的作业过程中的控制问题； 第四章提出设计龙门吊控制系统面临的主要困难和初步解决的办法； 第五章根据需求提出系统的总体框架结构。为了系统设计具有实例的可行 性，以宁波港四期集装箱码头目前系统为背景，来探讨具体如何设计该应用的系 统。文章先分析了目前码头系统应用的概况，再对新系统所必须的ＧＰＳ系统（是 新增系统）作了简单说明，最后提出具体的系统设计，软、硬件配置和一些控制 的思路： 第六章总结系统研究的心得、体会和系统进一步研究的方向。

二集装箱码头堆场作业过程的分析

集装箱码头生产堆场正向前面所提到的，是集装箱码头生产最繁忙和作业最 复杂的环节。涉及到平面运输作业和立体作业的交叉，场地内起重机械作为场地 作业的主角，其作业效率和安全直接关系着集装箱码头的作业效率和安全。场地 作业机械的选型和集装箱码头的作业特点、港区自然地理环境，码头场地投资成 本，设备性能和设备投资及维护成本，设备应用经验等都有关联。其中最重要的 还是看码头的装卸工艺要求。 本章将从港口装卸工艺分析入手，对以宁波港四期集装箱轮胎龙门吊装卸 工艺为研究实例，通过对该码头的堆场装卸工艺流程分析，提出目前普遍存在的

集装箱码头堆场作业控制问题。

（一）集装箱码头的装卸工艺

１、我国集装箱码头的装卸工艺 当前我国集装箱码头所采用的装卸工艺及主要特点如表２－１所示 表２一ｌ

装卸效率 堆存能力 投资费用 飘动性

当前我国集装箱码头所采用的主要装卸工艺和特点

纛墓鬃蘩簇鬻 好 好 优 高 ｏ般 较低

毯纛嚣鬃麟警ｉ 黧ｉ勰《黢艇ｉ

一般 好 中 优ｊ女 较低

我国港口上述工艺都有应用，现在吞吐量排名前列的沿海码头基本都采用 “轮胎龙门吊系统”装卸工艺，例如上海、深圳、宁波、青岛等。主要原因是轮 胎龙门吊系统较适合吞吐量大，堆场面积小，场地利用高，出口集装箱量大的堆 存需要，另外这几年轮胎龙门吊的作业稳定性和可靠性的提高也是的码头选择该 工艺的重要原因。 ２、轮胎龙门吊系统装卸工艺

下面就以宁波港四期码头为例来具体阐述集装箱码头龙门吊装卸工艺的特 点和存在的问题。 宁波港北仑四期集装箱码头位于中国大陆海岸线中部的穿山半岛北端，是南 北海运和长江东西水运的交汇点。舟山群岛是它的天然屏障，航道水深在一３０米 以上，年可作业天数在３５０天以上，是船舶进入北仑港区航程最短的码头。优越 的自然环境，为其提供了作为深水良港的必备条件。 宁波港北仑四期集装箱码头规划建设１０―１１个泊位，总岸线长度达３０００米 以上，设计年吞吐能力在４００万～５００万ＴＥＵ之间，是宁波港集团今后集装箱装 卸生产的主战场。目前已建成投入使用的岸线长为１４００米，码头宽度为５５米， 水深是一１７米，堆场面积共计９６万平方米。码头已配备１６台岸桥（其中４台 为双小车桥吊）、５２台轮胎吊（１６台振华ＲＴＧ，其余为德国诺尔的ＲＴＧ）、８０ 台集卡等大型机械，还有近２０台叉车、正面吊、堆高机。 在信息系统方面，公司配置了先进的计算机和网络系统以及功能强大的 Ｔｅｋｌｏｇｉｘ公司４００～１无线终端系统，并采用了目前世界上最先进的ＮａｖｉＳ公司集 装箱操作管理软件ＳＰＡＲＣＳ和宁波港自主研发的ＣＴＯＳ数据管理系统，实现了集装 箱生产作业的计算机管理，较好地优化了泊位、堆场、机械、人力等生产资源。 北仑四期集装箱码头结合本地的自然环境和生产的需要，仍然选择了宁波港 应用比较成功的“轮胎龙门吊系统“装卸工艺。具体的装卸工艺流程为，如表 ２―２所示： 表２―２ 作业名称 装 卸 进 提 移 船 船 箱 箱 箱 龙门吊系统装卸工艺流程 作业过程

轮胎龙门吊―＝》内集卡―＝》集装箱装卸桥 集装箱装卸桥―＝》内集卡―＝》轮胎龙门吊

外集卡ｃ＝＝＞轮胎龙门吊 轮胎龙门吊ｃ＝＝＞外集卡

轮胎龙门吊―＝》内集卡―＝》轮胎龙门吊

这个装卸工艺的核心是轮胎龙门吊，下面列举的是宁波港四期码头的轮胎龙门吊 码头使用的轮胎龙门吊的情况，如表２―３所示：

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ｉ妻嚣’。垄窭篓 ３６

高度编码器为 相对植编码器 高度编码器为 绝对值编码器

高度：堆五过六 最大起升重量：４１Ｔ； 宽度；２３．４７Ｍ 高度：堆五过六 最大起升重量；４１Ｔ： 宽度；２３．４７Ｍ

（二）轮胎龙门吊作业存在的问题

轮胎龙门吊作业的过程，主要分为几步：

●外集卡应货主要求到码头提箱，到达码头闸口后提供提箱单证给闸口业务 员； ?码头闸口业务员输入提箱请求，生产系统根据作业请求判断作业是否合理 （包括提箱车辆是否合法、该箱是否在场、口岸电子信息是否允许）这些校 验通过后，系统自动生成作业指令，并通过无线系统向作业范围内的ＲＴＧ

（Ｒｕｂｂｅｒ Ｔｉｒｅ

Ｇａｎｇｔｒｙ轮胎龙门吊）上的无线终端发送作业指令；

?通过装在ＲＴ６上的ＲＤＴ（Ｒａｄｉｏ

Ｔｅｒｍｉｎａｌ无线终端）接收作业指令。

司机移动大车到需要作业的贝位；

●大车到位后，司机找到需要作业的集装箱： ●司机移动小车到堆放集装箱的列： ?放下吊具，等着箱灯亮后，关闭旋锁； ?收紧钢丝绳，起吊集装箱到一定高度，移动小车到集卡车道。 ?起升下降，放集装箱到集卡上，松开旋锁，起升吊具。 ?根据作业结果，司机在无线终端上进行操作，确认指令已经被完成。 分析龙门吊作业的每个步骤，发现在龙门吊使用了无线终端后，龙门吊的堆 箱位置的准确性大大提高，这已经和以前通过对讲机报告集装箱的位置有了很大 进步。（以前在没有安装ＲＤＴ的龙门吊作业时，进提箱作业通过对讲机报告位置， 特别是提箱时由于需要频繁翻箱，龙门吊司机不把翻箱的位置告诉堆场位置记录 人员，在提箱时经常造成集装箱找不到，实际位置和系统记录位置不符等状况）。

龙门吊应用了无线终端后，司机可以自己确认场地位置，并且系统会根据堆场的 安排提示同一贝位里最佳的翻箱位置（符合堆场的设定规则情况下，最佳的翻箱 路径）；使得集装箱位置的实时性大大提高，堆场利用率也大大提高。 但是应用无线终端后还没有解决一些问题，具体表现在如下几个方面： １、操作的结果与系统记录不一致。 虽然这种出错的机会很少，但当司机在每天作业１００～２００个自然箱时，这 种机会就会存在。以一个月吞吐量为２０万ＴＥＵ的集装箱码头为例，如果出错的 概率为万分之一，那么这个集装箱码头每月就会有２０个ＴＥＵ的集装箱位置是和 系统记录不一致。这２０个ＴＥＵ大约是十五个自然箱左右的操作量，但是造成的 损失是很严重的，如果这十五个集装箱在装船或提箱时位置和系统记录里不一 样，就会造成满场地找箱或发错箱的情况，最终影响的是码头的装卸效率和服务。 ２、司机操作存在安全隐患 安全对于港口企业生产来说就象是企业的生命，并且港口企业的安全事故一 旦发生，损失就较大。对于集装箱码头龙门吊作业的安全问题是现场作业安全的 重要一环。龙门吊作业一不小心造成的损失就是重大的机损事故或重大箱货损事 故，甚至是人身伤亡事故。集装箱码头龙门吊的安全事故主要发生在： Ａ、大车行走时和相关机械、车辆碰撞或ＲＴＧ大车跑偏造成损失； Ｂ、当龙门吊在作业贝位时，吊具下降或起吊时把旁边的集装箱碰落，造成重大 机损和货损，甚至是人身伤亡事故（俗称“吊具打保龄”）。 例如龙门吊因起升不够在码头的摔箱事故，如图２－４所示

图２ ４龙门吊因起升不够引起撞箱事故场景 因这起摔箱事故引起的损失为五万多元的损失，具体损失明细见表２―５： 表２―５摔箱事故损失清单

项 目 箱体修复 拆装箱费 货损评估 货损 陆路运输

４１３０＋５１４０＝９２７０ ５００木４＝２０００ １０００ ３２０００ ６８５０

备注 ２个集装箱的箱体修复 ２个拆箱与２个装箱的费用 请中介公司评估 货物外包装需要更换

４１５０元（拆箱后提货到发货地） ２７００元（提空箱与进重箱的公路运输费） 没有造成机损 没有伤到集卡司机 货主的交通费 退关、报关费 没有计算间接损失

机损 人身伤亡 其他 合计

Ｏ Ｏ ５００ ２００

一起事故造成的后果很严重，如果发生人身伤害，后果会更加严重。分析 这起事故，主要原因是司机操作时吊具起升不够高导致旁边的集装箱被撞落，造 成的箱货损事故。下面是２００５年某集装箱码头与轮胎龙门吊相关的事故统计， 如表２－６和图２―７所示。

集装箱码头 的吞经量… 月稳

２００５年某集装箱码头按月事故统计表

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１０２１４０ ８ｉ５６９ ９２３６７ １００６８７
２３４４５０ １８２６９６ ６６５６７

９３７８０ ８１０５６ ６６５６７ ８０４６７ ７６０３０ ７４３５４ ８９６５０ １４０６７８ １０１５６０ １１０６２９ １１７６２２ １０９９３７ １１４２３３０

４月 ５月 ６月 ７月 ８月 ９月

１９００７５ ７４３５４ ２６８９５０ ４９２３７３

１７９３００ ３５１６９５

１０１５６０ ５５３１４．５
１９１０２１ １９３３６０

１６５９４３．５ ２３５２４４

１９１２０３ ２０６７８０ １８０１４０６

１１７６２２ １０９９３７

图２―７某集装箱码头月统计的事故与损失图

３、作业指挥系统不能实时获得ＲＴＧ的位置。 由于集装箱码头陆域广阔，而集装箱堆放是按照一定的业务规则，使得龙门 吊作业时在堆场内频繁移动。而控制中心人员要及时知道作业过程中龙门吊的位 置，以便能够根据作业情况，合理调配龙门吊在合适位置作业。但是考虑作业需

要和燃油消耗，作业龙门吊是有数量上的限制，一般在安排上尽量使每台龙门吊

在一个工班里有足够的作业量，这也是为了让作业司机有稳定的收入（考虑计件 因素）。 无论龙门吊作业太忙或太闲，都是码头管理者不愿看到的。太忙意味着码头 的服务质量的降低，在装卸船作业时，如果龙门吊装卸时作业任务繁重就会使得 装卸船进度缓慢，影响桥吊的单机效率，进而影响船舶的开航计划；若是进提箱 作业时，则会使外集卡司机的长时等待，不能保证－－，ｂ时完成进提箱。太闲就会 使能源浪费，能耗增加，增加码头的营运成本。 目前的状况是：码头为了达到高的服务质量，往往会安排多的龙门吊参加作 业，这样会给作业带来便利，但无疑会使码头的成本大大增加。为了既使龙门吊 数量尽量少，又能够完成作业，这首先要求堆场计划对堆场的策划要提高，使作 业量在各个场地合理堆放，但是不能避免的是龙门吊频繁移动。当某块场地有作 业任务时，控制人员需要做： ＿判断该箱区是否有龙门吊，如果没有，从哪里调配最方便？

－如果有龙门吊，该龙门吊到作业贝位的距离有多少？ －如果一块场地的有多台龙门吊，调哪个龙门吊最好？ 要解决这些问题，必须要了解龙门吊在场地的实时位置。实时位置的获得， 如果系统能够结合龙门吊位置和作业任务，指派最佳的龙门吊参加作业，这不但 使龙门吊作业效率提高，而且还能使参加作业的龙门吊数量减少。 上述三个问题里最为突出的是安全因素，集装箱码头的作业安全是最为重要 的环节，而发生在场地的撞箱事故造成的后果是较为严重的。

（三）轮胎龙门吊作业存在的上述问题的原因分析

上文例举了在目前作业环境下龙门吊作业存在的三个问题： ◆司机的操作的结果与系统记录不一致； ◆司机操作存在安全隐患； ◆作业指挥系统不能实时获得ＲＴＧ的位置； １、司机的操作结果与系统确认时不一致，主要原因是系统发送给无线终端后， 司机对集装箱的位置确认没有相关的手段去检测，目前只能靠司机的责任心自己 来检测。 码头管理部门可以采用的手段： １）加强司机的责任心教育和考核，例如加强对司机位置确认错误的考核，提高 每出错确认一个集装箱的的考核力度； ２）通过其他人员来核箱位，但这样做又要增加码头的人力成本和其他安全的问 题。上面已经提到，一个２０万ＴＥＵ的码头每天的装卸船就有７５００ＴＥＵ左右，场 地每天核箱量就有７５００ＴＥＵ，需要人员去整个集装箱码头的场地核箱位。另外人 员在集装箱场地内核箱，又会给安全增加不确定因素。 ３）利用系统去自我校验。如果龙门吊系统能够知道生产系统的指令，系统对司 机放箱位置的操作进行校验，或者系统能提示司机他所做的动作在指令里没有要 求。 ２、司机操作存在安全隐患，避免出安全事故可以采取的手段是： １）规范司机的操作习惯。对于每个操作起升、平移动作必须是等吊具起升到最 高后才平移吊具，但码头为此付出的代价是浪费了作业效率和成本；

２）通过司机自我控制。但是很难保证司机作业时不发生因粗心起吊时因起升不 够高，而把旁边的集装箱撞落； ３）通过系统来控制。仔细分析这个作业过程，如果龙门吊的控制系统知道在作 业贝位的集装箱的堆存状况，并能把这些重要的每列的高度信息告诉给龙门吊的 控制系统。当司机对贝位里某个集装箱进行作业时，操作时系统会自动判断司机 操作指令的正确性。如果司机在吊具起升不够的情况下而开始移动小车，系统就 根据获得的各列高度信息自动判断该操作为错误操作，系统不让司机这个错误动 作继续，并有声音提示给司机，这样就从根本上解决了该类事故的发生。 ３、作业指挥系统不能实时了解ＲＴＧ的位置。场地里作业ＲＴＧ的位置不被控制中 心了解，控制中心指挥显得“无的放失”，这也间接影响了作业效率和设备的最 佳利用。 １）场地龙门吊实时位置的获得可以通过在场地里安装视频监控设备； ２）通过司机与控制中心经常联系，通知控制中心最新的作业位置，这又增加了 对讲机通话的频率，对场地控制人员也是一大挑战。因为一个场地控制员要不断 了解参加作业数十台ＲＴＧ的实时位置，劳动强度会很大。 ３）通过在ＲＴＧ上安装ＧＰＳ终端，通过每台ＲＴＧ向控制系统间隔几秒种发送最新 的定位信息，让控制系统在在控制屏幕上显示最新位置。

综上所述，上面ＲＴＧ作业存在的三个问题，从解决的途径上来看，管理上和 司机自身上只能解决问题的表象，不能从根本上杜绝上述问题的发生。 从上面龙门吊作业的过程来看，龙门吊作业的指令是由生产系统来下达，而 完成是司机通过理解作业指令完成，司机误读了指令或读对指令但操作错误，生 产系统都无法校验其正确性。由于生产系统和龙门吊机械作业系统两个系统没有 数据交换，也就使龙门吊作业靠人工来联结并通过人工控制来完成。如图２―８所 示

显示在龙门吊 的无线终端屏

没 有 交 换 信 息

由于两个系统没有信息交换，并把有些信息作为检测的控制司机的作为的正 确性，是引起龙门吊作业问题存在的根本原因。

三设计轮胎龙门吊控制系统的理论依据

上章论述了龙门吊在作业中存在的问题，并对解决途径简要的阐述了一下， 并提出了设计系统的必要性。因为设计该系统涉及到系统论和控制论的基本思 想，这是设计系统的根本出发点，在这里首先要对西欧头脑感论和控制论作简要 阐述。

（一）系统论和控制论的基本原理

系统论是研究系统的一般模式，结构和规律的学问，它研究各种系统的共 同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原 则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门新兴的科学。 系统论的核心思想是系统的整体观念。贝塔朗菲强调，任何系统都是一个有 机的整体，它不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在 孤立状态下所没有的新质。同时认为，系统中各要素不是孤立地存在着，每个要 素在系统中都处于一定的位置上，起着特定的作用。要素之间相互关联，构成了 一个不可分割的整体。要素是整体中的要素，如果将要素从系统整体中割离出来， 它将失去要素的作用。 系统论的基本思想方法，就是把所研究和处理的对象，当作一个系统，分析 系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变动的规律性，并

优化系统观点看问题，世界上任何事物都可以看成是一个系统，系统是普遍存在

的。大至渺茫的宇宙，小至微观的原子，一粒种子、一群蜜蜂、一台机器、一个 工厂、一个学会团体、……都是系统，整个世界就是系统的集合。 系统论的任务，不仅在于认识系统的特点和规律，更重要地还在于利用这 些特点和规律去控制、管理、改造或创造一系统，使它的存在与发展合乎人的目 的需要。也就是说，研究系统的目的在于调整系统结构，直辖各要素关系，使系 统达到优化目标。 控制科学的精髓是它的概念和方法，特别是作为其核心的模型、控制、反 馈、优化等概念和方法，几乎被应用于所有领域的科学研究中，而这些概念和方

法，正是哲学中认识自然、改造自然的一般原理的具体化。 控制工程是控制论一般原理在工程系统中的具体体现，这种工程系统包括各 类传统和先进的制造系统、电力系统、核工程系统、航天航空航海系统等，控制 在这些工程系统中的重要地位，甚至还促成了相应专业领域内独立的工程控制学 科。由于控制原理和方法所具有的普遍意义，今天的工程控制系统已广泛地延伸 到社会经济的各个分支，如各类农业、建筑、物流、环境工程。控制工程作为控 制科学原理的具体实现，必须从工程系统的角度进行技术的集成，因此必然涉及 到各行各业的技术和工艺背景，从宏观上讲，控制系统只是整个工程系统中的一 部分，但要实现工程系统既定的目标，如保证工艺条件、优化资源、提高产量、 降低能耗、抗御干扰等，它是关键的部分。从微观上讲，控制系统的实现不仅需 要有好的控制思想和方法，而且要与传感技术、执行机构紧密结合，否则就只能 是纸上谈兵。因此，控制工程从来就不是控制学科的专利，它应该也必须在与各 工程领域的结合和各种相关技术的集成中得到发展。 对于控制论来讲，当控制沿着既定的方向前进，一切顺利时，将不产生反馈 信息，也就是信息量为零。而当发生了不正常或者偏差时，反馈信息将产生，通 知控制者纠正自己的错误。也就是说ＮＯ

ＮＥＷＳ ＥＱＵＡＬ ＴＯ ＧＯＯＤ

是维纳在二战中研究防空导弹时发现的。也就是说，当导弹Ｊ下朝着目标无偏差地 飞行时，反馈信息等于零。如果导弹偏离了目标，那么将产生反馈信息，控制导 弹纠正错误，对准目标前进，这是导弹的基本原理。见３―１控制基本原理图

（二）系统论和控制论在系统设计中的应用

龙门吊作业过程中真正参与的是生产系统和设备系统，但是目前还是两个独 立的系统，没有把龙门吊作业作为是生产系统和设备系统共同协调完成来看待， 因此也没有考虑用两个系统的相互检测来校验龙门吊的动作正确与否。 １、生产系统和设备控制系统视为一个“大系统”。 由图２－８所示，两个系统由于完全分离，使两个系统的只能各成体系，再 完善也是其单独系统的完善。因为原来的生产和设备控制系统应用条件和水平没 有达到把两个系统合并起来考虑。主要是原来的需求和管理没有注重这一块，因 此生产系统设计时没有考虑和设备系统能够有数据通道进行交换。 随着生产的量的上升和管理从粗放向精细过渡，信息技术的不断进步，提升 作业管理的“瓶劲”对作业的实时监控和作业安全的保护被越来越重视。因此从 系统论的角度，原来生产管理系统、设备控制系统，虽然是相对独立的系统，但 是对于集装箱码头的生产，确实需要两个系统共同来完成。理想的系统如图３－２

图３―２生产系统与设备控制系统组成新的“大系统”

２、在一个大的系统下，完成指令设备控制系统和生产系统的相互促进 生产任务产生的一个任务就是给设备系统下的一个指令，设备系统的操作符合指 令要求，最终完成就是对指令的确认。并通过系统问的数据交换，获得调整和效 验效果，因此新的流程图应该设计为如３―３所示。

生产系统与设备控制系统作业流程控制图

对于具体系统的设计，本文想结合宁波港北仑四期码头的轮胎龙门吊的控制系统 和码头目前应用的生产系统，并通过引进ＧＰＳ定位等技术手段，达到上述系统数 据交换和作业控制的目的。

四本系统的所面临的问题和解决的思路

通过上面的三章的论述，本系统的着重需要做的是利用码头现有系统的资源 和软硬件条件，通过利用系统论和控制论的观点应用于本系统的设计，把龙门吊 作业设计成能够自我校验和自我完成指令确认，以此来提高作业的准确性、安全 性、和可控性。

（一）本系统所面临的主要困难

ｌ、参考和借鉴的资料和案例少 系统需要突破生产系统和设备控制系统历来的数据鸿沟，在这方面可以借鉴 的经验很少，也很少有这方面应用的成功案例。这是在设计本系统中所碰到的最 大困难，在这方面很少有论文或技术资料可供参考，也很少有人会对这方面做详 细的研究。这也有客观的因素，无论是生产系统还是设备控制系统，这方面有资 料可查的应用都是比较落后的理念和相关理论。但是这几年码头的发展和新技术 的不断应用（设备控制的ＰＬＣ和一些设备控制的变频器），许多新技术和新的理 念都被几个大的设备厂家把持着，象ＰＬＣ和ＲＣＭＳ，在这个领域只有几家设备提 供商，他们的资料也都是比较专业，跨平台考虑的不是很多，让用户和其他系统 兼容的设计也比较少：另一方面从生产系统考虑，目前码头的生产系统的软件有 些是自主开发的，有些关键的作业控制软件也是由专业的码头软件供应商提供， 对自主开发的系统，内部的系统结构比较清楚，但是从国外软件厂商引进的软件 也只提供标准的接口报文格式，其他细节也不会让用户过多的了解。 因此要开发控制系统，前提是适应这些标准的接１：３，最大限度的利用现有条 件和资源，需要借助这些报文和接口来设计控制系统，要不然数据和控制信号就 不能整合到一个平台上。 ２．系统要求高 这是本系统需要解决的一大问题，系统的实时性要求很高。由于港区生产是 ３６５／２４运转，一旦系统应用后，司机就很依赖系统的判断，如果系统出错，那 么造成的损失比建设本系统之前的损失更大。

因为ＧＰＳ原因、数据传输问题或系统延时造成错误判断，都将会给生产带来 很大影响。这些因素也是研究系统时必须要考虑的问题，如果仅设计一个这样的 系统不难，但要保证系统稳定的运作，系统需要的克服的困难还有很多。 ３．系统设计需要跨多个平台 就象文章描述的一样，本系统的设计或研究是建立在多个已经成功应用的系 统之上的，是为了沟通各个系统之间的平台隔阂，实现数据的共享。但是碰到的 问题是既有生产系统之间数据的交换，又有生产系统和设备控制系统之间的数据 交换；既有有线网络的传输，又有无线网络之间的传输，同时还涉及到ＧＰＳ技术 的应用。 信息专家们和分析师们预言将来的数据中心将是多种操作系统共存的情况， 包括Ｗｉｎｄｏｗｓ和各种各样的Ｕｎｉｘ变体。除此之外，还应该包括多种数据库、应 用软件之问的无缝集成，这对各个系统的可靠性、弹性、可扩展性和交互性提出 了更高的要求。．ＮＥＴ和Ｊ２ＥＥ的互用性问题非常重要，是因为大多数企业都在使 用其中之一或同时使用这两种平台来开发程序，它为两种平台之间的整合提供了 一种解决方案。

系统的实时性和可靠性要求很高，需要跨多个平台，为了保证系统的稳定运 行，在研究该全过程控制系统需要着重考虑的。为了研究这个全过程控制系统， 碰到的主要问题是：需要对目前系统做全面的了解，通过搜集用户手册和操作说 明及有关的技术文档，对各个系统的平台及协议作深入的了解。 所需的技术资料除了向各个系统的专业人员收集，还需向设备控制系统厂商 和软件供应商作详细的了解；控制系统涉及的数据结构和设想需与技厂商技术人 员做确认。通过和技术人员的交流，获得的回复是：目前的系统和环境下，设计 这样一个系统应该是可行的，各个系统可以支持龙门吊控制系统提出的一些要 求。这些数据的输入和输出对这些厂商来说难度不是很大，重要的是能够整合到 一个公共的数据平台上。无论是设备上的ＰＬＣ，或是无线供应商的无线终端应 用，还是软件供应商及ＧＰＳ设备供应商因为在不同的平台上开发的产品，相互的 数据交换需要有一个公共的平台。

软件厂商对ＤＧＰＳ的应用案例有一定基础，并且它们有专门的报文来处理ＤＧＰＳ 系统和ＲＤＴ系统之间的数据交换。但应用仅仅是能够根据ＤＧＰＳ获得的位置来判 断哪条指令被完成，然后发送报文给ＳＰＡＲＣＳ系统，不需司机做手工来完成指令 的确认。通过ＲＤＴ和ＧＰＳ的数据线，接口是采用ＲＳ／２３２。 对ＧＰＳ在上面的阐述中，目前系统能够获得实时的ＲＴＧ定位数据，并通过ＧＩＳ， 能够翻译那些ｘ，Ｙ的坐标信息成为生产系统可用的堆场贝位号。 而设备控制的ＰＬＣ的网络模块也支持ＴＣＰ／ＩＰＸ协议，对整个系统来说，一台 ＲＴＧ就象一个ＩＰ地址一样。另外ＰＬＣ能够获得大车移动的位置，小车移动的位 置，吊具的动作和开闭锁信息，但这些信息仅用于机械设备的维护的维修，没有 被应用到生产上。 上述这些功能在本系统应用中是需要的一部分，但本系统的设计并不仅限于

（四）本系统在这方面的突破

１、本系统需要建设的是为生产和设备控制系统创建一个公共的平台； ２、把生产上能够对设备控制有用的数据实时传递到控制系统的数据库（系统需 要有单独的数据库）； ３、设备控制上的数据记录在数据库中，机械运行的各种参数（这方面可以为技 术部门对设备的管理提供详细的资料，并根据这些基础的、原始的数据来分 析设备的运行存在的问题）； ４、生产系统内的堆存信息能够传输给设备控制的ＰＬＣ系统，通过ＰＬＣ编程来判 断设备的动作是否符合规范，来防止安全事故的发生； ５、司机的一些不合法操作将不被允许或得到提示及警告。

（五）如何解决面Ｉ临的问题

１、对于系统开发资料少的问题，可以通过和厂商的沟通可以解决这个问题。

２、对于系统要求较高，系统设计时要考虑系统的稳定运行，需要从几个方面入 手： （１）为了系统的计算机硬件设备稳定运行和健壮，设计时要考虑系统以后的扩 展和数据存贮的需要，以码头的吞吐能力来设计。按照４００―５００万ＴＥＵ码头的 系统需要来设计，这方面有比较简单的计算就能够决定，并留有以后系统扩展 的需要。 （２）为了保证无线网络的稳定，在无线网络设计时就已经考虑了冗余设计，并 保证无线网络在特殊工况的稳定运行。 （３）最大的问题是ＧＰＳ是否能够稳定运行。这方面系统设计的时候需要重点考 虑，ＲＴＧ的准确定位，直接决定了作业哪一个指令和箱号。因此如果发生ＧＰＳ 信号不好的时候，必须有补救的措施。目前可行的解决办法是：如果ＧＰＳ因为 信号不好而不能正常工作时，ＧＰＳ接收模块会发送报文给ＰＬＣ，ＰＬＣ获得后， 会启动另外的补救措施。根据大车编码器计算出大车在堆场的位置，同时把位 置信息传至控制系统来替代ＧＰＳ定位信息。

五集装箱码头轮胎龙门吊作业全过程控制系统的设计

设计控制系统是为了给码头生产减少不必要的损失，降低龙门吊司机的工作 强度，对龙门吊作业的实行全过程控制。在设计这个系统之前，需要详细地对目 前码头生产和设备控制系统的需求作仔细分析。为了系统能够有较好的扩展性， 对目前集装箱定位系统作了详细的调研，并对目前的无线技术查询了一些专业的 资料，并和相关的厂家作了配置方面详细的了解。对目前系统的架构和资源要综 合地利用，这样整个系统的投资才会最省。 为了设计的系统达到满意的效果，对设计系统的需求作了详细的调研。系统 整个估算投资需要在五百万元人民币以上。系统目前和将来的需求都要有一个明 确的定位，并在这个基础上提炼，形成系统切实可行的需求。 设计的龙门吊全过程控制系统，主要实现如下功能： １、系统能够得到生产控制系统的各种作业指令。 该功能通过系统的无线系统可以实现，通过ＮＡＶＩＳ系统和４００Ｍ无线系统的结合， 把作业指令传输到龙门吊的ＲＤＴ上。

２、系统能够通过龙门吊系统的作业动作，自动完成指令的确认。

以卸船为例，原来当ＲＤＴ接收到一条作业指令后，司机作业完毕后，需要选中一 条指令的序号，按“ＥＮＴＥＲ”，再按Ｆ１完成确认。 当系统建成后，ＰＬＣ能够通过龙门吊各个部件的动作，自动组成一个报文并发给 控制系统，控制系统将报文转给ＳＰＡＲＣＳ系统，ＳＰＡＲＣＳ就自动完成指令的确认。 实现方法：通过ＳＰＡＲＣＳ系统的接口获取ＰＬＣ传来的信号，完成指令的自动确认。 前提条件：ＳＰＡＲＣＳ可以有接口和标准的报文。 （厂商同意提供）

３、由于系统是根据龙门吊的作业覆盖范围来确定发送指令给哪些机械。 ＳＰＡＲＣＳ系统能够知道把作业指令发送到哪些机械。在这些指令里系统不知道司 机需要先做哪条指令。 ４、为了最优的利用机械，一般来说在码头的５种作业里，先装卸，后进提，最 后是移箱， （在显示顺序上一般从作业的优先级来定义为１装、２卸、３进、４

提、５移），对于同一作业，在工作点相同的情况下，一般是根据作业的顺序。

５、为了让系统知道作业的具体指令，在龙门吊大车停与启动时，系统会自动检 测目前的龙门吊的场地位置（通过ＧＰＳ位置信息判断）。如果场地位置和其中一 条指令的位置相同，这说明系统有可能要作业这条指令。 ６、要最终确定龙门吊是否作业需要加另外的判断条件（例如有开闭锁和起生动 作，并有起吊的负荷重量感应回传）。 ７、为了不产生撞落箱事故，在作业堆场内某条指令时，系统需要准确的知道在 这个贝位里其他集装箱的堆存情况。获得堆存信息有两种途径：

１）从ＳＰＡＲＣＳ系统里获得，因为担心开放以后第三方对数据库的操作会影响他们

的软件的稳定运行，如果需要的话，ＮＡＶＩＳ可以提供开发标准的报文格式给 外接系统！报文的内容可以根据用户需要提出，但是开发费用会相对较贵，

而且以后如果需要修改报文比较麻烦，这样做的好处是数据的实时陛较高，

数据更新及时。 ２）从ＣＴＯＳ系统中读取堆存信息，由于ＣＴＯＳ系统是自主开发的系统，数据库结 构比较了解。开发相对简单，但是为了数据库安全起见，也建议采用报文的 方式，这样对ＣＴＯＳ系统的数据安全相对好一些。 但是存在的问题是，ＣＴＯＳ的集装箱堆存信息也是从ＳＰＡＲＣＳ以报文的方式

给ＣＴＯＳ，ＳＰＡＲＣＳ系统从安装在龙门吊上的ＲＤＴ接收集装箱堆放信息，在回传

到ＳＰＡＲＣＳ服务器写到ＳＰＡＲＣＳ系统的数据库里，再通过报文的方式发送给ｃＴＯＳ。

ＣＴＯＳ把报文解析后把集装箱的位置更新写到数据库堆存表里，把需要作业贝位

的位置信息转换成高度信息发送报文给龙门吊控制系统，控制系统这些信息传 至龙门吊的ＰＬＣ，ＰＬＣ来控制龙门吊的起升高度，系统数据会产生一定的延迟。 此种方法需要具体测试后来看需要适当调整系统的配置。

（二）目前码头生产管理系统和设备控制系统的概况

１、集装箱码头生产管理系统的概况 由于集装箱码头发展程度存在较大的不同，作业系统的先进与否与码头的吞 吐量和码头的作业规模密不可分。随着这几年中国沿海的码头的飞速发展和吞吐 量的高速增长，目前重要的集装箱码头都有一套较为完善的码头作业管理系统。

象宁波港能连续六年居全国沿海港口吞吐量增幅首位，在集装箱码头管理系统的 投入和应用是比较成功的。 在九十年代初，宁波港是交通部首批进行ＥＤＩ技术应用的港口，因此整个口 岸的电子化程度较高；在２００１年随着第二个集装箱码头的投产，宁波港对原有 的信息系统进行了升级改造，在软件应用上和国际接轨，大胆的引进了美国ＮＡＶＩＳ 公司的集装箱码头管理软件ＳＰＡＲＣＳ系统，并和ＩＢＭ共同开发了自主知识产权的 ＣＴＯＳ系统，这对宁波港集装箱生产的管理带来了质的飞跃。 宁波港四期集装箱码头管理系统沿用了其他集装箱码头的成功经验，主要由 ＳＰＡＲＣＳ、ＣＴＯＳ系统和无线系统组成，系统架构图如图５－１所示：

图５―１宁波港四期集装箱码头生产管理系统结构图 （１）ＳＰＡＲＣＳ系统 ＳＰＡＲＣＳ系统是美国ＮＡＶＩＳ公司研制的专门用于集装箱码头生产的计划和控 制系统。ＮＡＶＩＳ的ＳＰＡＲＣＳ是一个先进的实时集装箱码头计划和控制的图形化软件

解决方案，全球的码头经营者已把它奉为一种行业的标准。事实上，与其他同类 产品相比，许多码头经营者更倾向于选择ＳＰＡＲＣＳ。ＳＰＡＲＣＳ在降低操作成本方面 的能力已得到很好的证实。它通过更好的计划加上劳动力，机械和堆场空间的最 优利用来极大提高效率和产量。无论经营者的码头大小，劳动组织或机械类型， 都将从中受益。ＮＡＶＩＳ提供丰富的模块和选件，可对ＳＰＡＲＣＳ进行度身定制，以 适应每种操作的独特特性。 （２）ＣＴＯＳ系统

ＣＴＯＳ（Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ

Ｓｙｓｔｅｍ）系统是码头生产数据的记录和

数据输入／输出的平台，该系统的设计采用了目前较为流行的三层架构。第一层 即Ｏｒａｃｏｌ数据库系统；第二层是由ＪＡＶＡ开发的中问层主要用来传递业务层和数 据层之间的数据交换；第三层即应用层，是采用Ｄｅｌｐｈｉ开发的应用程序。

（３）无线系统 Ａ、码头采用了２．４ＧＨｚ扩频系统和４００ＭＨｚ的窄频系统组成的无线局域网络 由于轮胎吊上ＰＬＣ传输数据量的考虑，使用高传输速率的ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ的 无线网络。为ＰＬＣ通信建设的２．４ＧＨｚ ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ扩频无线系统；而对于手持 机、集卡ＲＴＧ上的车载终端的使用环境，使用４００Ｍｈｚ的无线窄频技术，为无线 终端通信建设的４００ＭＨｚ的窄频无线系统。 虽然２．４Ｇｈｚ ８０２．１ｌｂ的无线网络提供高速的数据吞吐量，但由于其对地面的 覆盖能力远远不如４００ＭＨｚ窄频系统，考虑到空中的干扰较少、没有遮挡、可视 性好，所以在搂项架设无线ＡＰ，以提供高空中的轮胎吊上的车载机通信，以提 高其的可用性。 而对于４００ＭＨｚ的窄频系统而言，无线基站能提供极好的无线覆盖，可以保 证用户现场所有需要通信的环境。

２、设备控制系统 龙门吊的设备控制系统主要是以ＰＬＣ为核心的各个组件组成的传感和控制 单元，来保证各个部分有效的工作，相当于设备的“大脑”。 ＰＬＣ的概况 可编程控制器（ＰＬＣ）是为了改进继电器控制性能，增强可靠性，提高控制工

艺灵活性和便于维修而产生发展起来的。从上世纪６０年末期美国研制第一台 ＰＬＣ，成为继电器简单的替代物起，经过很短的时间，当出现微处理器以后。现 代的ＰＬＣ不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数字运算，数据处理，运动控 制，，模拟ＰＩＤ控制，通信联网等功能，现在已在港口迅速得到推广应用。现代 的ＰＬＣ利用很强的数字计算功能和数据管理功能，建立数据库，用于数据共享和 数据处理，还可与其他ＰＬＣ或上位监控计算机连接，构成分御式作业过程综合控 制管理系统。ＰＬＣ具有集成度高，可靠性好，结构灵活，操作系统固化在硬件上，

避免了复杂的操作过程，克服了计算机易损的缺陷。ＰＬＣ组成如图５―２

在一般的港口装卸机械中，控制装置主要有执行层、控制层、监控层和管理

层等部分构成，执行层主要有电动机和检测，传感元件；控制层主要有速度传动

装置和ＰＬＣ等；监控层主要有图形显示终端或上位计算机；管理层主要是管理计 算机及网络，实时掌控第一线装卸设备的工况。 ＰＬＣ作为控制系统的核心和人机控制的桥梁，为了充分利用其信号采集范围

广，运算速度快和逻辑控制方便灵活的优点，在大型其重机械的ＰＬＣ设计中，其

连接一般采用主从式或分布式。现在，ＰＬＣ网络已经采用光纤通信，大大提高网 络传输速度和可靠性。

（三）系统实现的总体架构

根据以上的需求分析，我们可以初步形成我们系统的大致架构。系统里包 含了目前使用的这些内容： １、集装箱生产系统（包括ＳＰＡＲＣＳ和ＣＴＯＳ软件系统） ２、ＧＰＳ系统（包括基站和卫星） ３、龙门吊上的分系统（包括ＧＰＳ移动站，ＲＤＴ，龙门吊上的ＣＭＳ和ＰＬＣ） ４、无线网络（包括４００Ｍ和２．４Ｇ混频的无线网络） ５、ＲＴＧ的ＰＬＣ或ＲＣＭＳ 这些系统的连接如图所示

图５－３系统的总体架构 （四）控制系统的硬件配置 为了系统的正常运行，根据应用的需求和上面的系统架构需要配置如下硬件 设备： 表５―４ 硬件设备配置表 型号 规格

设备名称 中心服务器 串口设备服务器

机柜显示器 显示切换器

ＩＢＭ ＮｅｔＢＡＹ ２Ｕ （３２Ｐ１７０２）

ＩＢＭ ＮｅｔＢＡＹ ｌｘ４ Ｃｏｎｓ０１ｅ Ｓｗｉｔｃｈ

ＬＥＮＯＶＯ ＴｈｉｎｋＣｅｎｔｒｅ

显示器 ＧＳＭ模块 ＧＰＳ接收机 ＧＰＳ接收天线 ＧＰＳ天线电缆 直流电源模块 避雷器 ＧＰＳ接收机

ＩＢＭ Ｌ２００ｐ ＳＩＥＭＥＮＳ ＭＣ３５ＩＴ

ＮｏｖＡｔｅｌ Ｐｒｏｐａｋ――Ｇ２――ＲＴ２

基站 基站 基站 基站 基站 龙门 吊移 动站 龙门 吊移 动站 龙门 吊移 动站 龙门 吊移 动站

ＮｏｖＡｔｅｌ Ｃ，ＰＳ一７０２

ＮｏｖＡｔｅｌ ＧＰＳ―Ｃ０３２

４ＮＩＣ―Ｋ１２ ＰｏｌｙＰｈａｓｅｒ ＤＧＸＺ ＮｏｖＡｔｅｌ Ｐｒｏｐａｋ――Ｇ２――ＲＴ２

Ｎｏｖｈｔｅｌ ＧＰＳ一７０２

ＮｏｖＡｔｅｌ ＧＰＳ―Ｃ０１ ６

ＰｏｌｙＰｈａｓｅｒ ＤＧＸＺ

（五）控制系统的软件配置 表５－５ 序号

设备名称 服务器操作系统 数据库管理系统 双机热备软件

Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ
Ｌｉ ｆｅＫｅｅｐｅｒ

Ｒｅｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ

中心处理软件 ５ 基准站软件 ６ 系统监控软件 ７ 数据维护软件 ８ ＧＩＳ维护软件 ９ 时间同步软件 １、移动站软件

１ ｍａｐｌｎｆｏ ＭａｐＸ ２ １

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开发 开发 丌发 开发

轮胎吊移动站的连接关系如图５－６所示。位于驾驶室的无线终端Ｔｅｋ８２５５和 ＧＰＳ接收机都通过ＲＳ一２３２（通过ＰＬＣ转接）与位于控制室的ＣＭＳ计算机连接。 Ｔｅｋ８２５５上运行Ｎａｒｉｓ接口软件，用于获取司机操作指令，并自动向Ｎａｒｉｓ回传 作业完成的确认信息以及轮胎吊的位置，进行防撞和防碰箱声音报警等。轮胎吊 移动站软件运行于ＣＭＳ计算机上，实现以下功能： １）ＧＰＳ接收机接口和轮胎吊位置跟踪 ２）吊具转锁状态和大车纵向等信号检测 ３）集装箱实时定位控制计算 ４）吊具转锁控制以及大车防碰撞和防碰箱控制 ５）获取作业贝位的堆存信息，发送给ＰＬＣ控制起升高度 ６）移动站状态报告等。

２、ＧＩＳ维护软件 ＧＩＳ维护软件主要用于码头ＧＩＳ维护，实现以下功能 １）地图显示操作 ２）地图量算 ３）图层的编辑修改 ４）测量数据和地图导入 ５）地图文件保存（供移动站软件等使用） ３、基准站软件 主要作用：专门研制的基准站软件运行于服务器上，实现以下功能 １）接收ＧＰＳ接收机的状态信息、时间信息、差分改正信息 ２）状态判别和基准接收机切换 ３）时间信息和差分改正信息播发 ４）差分基准站状态报告等 ４、中心服务器上运行专门研制的中心处理软件，实现以下功能： １）移动站定位数据和作业数据接收、转发和存储

２）移动站防撞判别及报警信息发送 ３）集装箱场地堆存、集卡、船舶等信息的维护及转发 ４）终端运行日志记录 ５）查询处理 ６）运行状态报告等 ５、另外还运行时间同步软件，实现： １）接收时间同步信息 ２）更新本计算机的系统时间

（六）ＧＰＳ系统在本系统中的应用 通过以上的描述，目前生产系统是由三个系统组成的，它们之间也是跨不同 的平台来交换数据，共同为生产指挥和数据处理服务。为了让码头系统实时的获 得ＲＴＧ在作业中的位置，还必须通过ＧＰＳ系统来为码头生产服务。随着这几年科 技的进步，ＧＰＳ技术已经是比较成熟的技术，已经渗透到社会的方方面面，象公 交车，出租车都安装了ＧＰＳ系统，精度一般在１０米到５０米之间，但是这种ＧＰＳ 的精度还不能满足码头生产的需要。码头上控制需要的精度要达到厘米级的精 度，目前通过ＧＰＳ的差分技术，已经能够达到这个精度。下面来简要说明ＧＰＳ技 术和在集装箱码头在ＧＰＳ应用的状况。

１．６ＰＳ的由来 全球定位系统（Ｇｌｏｂａｌ

Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ

Ｓｙｓｔｅｍ―ＧＰＳ）是美国从本世纪７０年

代开始研制，历时２０年，耗资２００亿美元，于１９９４年全面建成，具有在海、陆、 空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近１０ 年我国测绘等部门的使用表明，ＧＰＳ以全天候、高精度、自动化、高效益等显著 特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空 摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地 球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。随着全球定位 系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及 国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 ＧＰＳ系统包括三大部分：

空间部分―ＧＰＳ卫星星座； 地面控制部分一地面监控系统；

用户设备部分―ＧＰＳ信号接收机。

２、差分ＧＰＳ定位原理

根据差分ＧＰＳ基准站发送的信息方式可将差分ＧＰＳ定位分为三类，即：位置

差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基 准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结 果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。 １）位置差分原理 这是一种最简单的差分方法，任何一种ＧＰＳ接收机均可改装和组成这种差分 系统。安装在基准站上的ＧＰＳ接收机观测４颗卫星后便可进行三维定位，解算出

基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、ｓＡ影晌、大气影响、多径效

应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的， 存在误差。

基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站

坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误 差，例如卫星轨道误差、ｓＡ影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条 件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站 间距离在ｌＯＯｋｍ以内的情况。 ２）伪距差分原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分ＧＰＳ接收机均采 用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的ＲＴＣＭ ＳＣ一１０４也采用了这种技术。 在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误 差的测量值加以比较。利用一个ｎ一１３滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后 将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。 最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置， 就可消去公共误差，提高定

位精度。与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准

站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用 户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。 ３、集装箱码头的ＧＰＳ技术的初步应用

ＲＴＧ的定位：为了达到较高的ＲＴＧ定位精度，ＲＴＧ采用的差分技术后的定位数据， 需要在港区建立ＧＰＳ差分基站。 （１）基站 基站有室内和室外两部分组成，室内部分是一个电气盒，主要由控制器、接收器、 直流电源、ＵＰＳ电源、电台组成；室外部分由ＧＰＳ天线、电台天线组成。 ＲＴＧ上的室内部分 基站室内部分如图５―７，安装在一个固定的位置，由控制器，接收器，电台，

和不问断电源组成，所有的部件都安装再一个密封防水的电气柜中。

‘．直蠢岫■７．Ｉ瞒恤ｔ电台夭缱９＿ｌ眙Ｈｉ．朋

１．ｃ鞘拄崩暑２电蠢开关３．ｃ■誉馘ｌ ４ａ隋接收■天哇‘ｃ蒜接幅蝴．

图５―７室内基站的组成 ＲＴＧ上的室外部分 ＧＰＳ天线和电台天线都安装在制高点处，两者之间间隔一定的距离，如图５－８

图５―８基站的室外部分 （２）移动站 轮胎吊用ＧＰＳ移动站硬件系统分成控制器单元和６ＰＳ接收机单元，控制器通 过ＲＳ２３２口与接收机连通。 移动站的连接原理图如下：

图５－９连接原理图 移动站ＧＰＳ控制单元（ｃｕ）

ＧＰＳ天线接收机安装在龙门吊上，有了这些基础的定位，我们目前可以知道 在作业中的龙门吊的实时位置，可以实现如下功能： １）ＲＴＧ厘米级的定位精度，通过码头堆场建立的的ＧＩＳ，系统可以根据这些 数据实时计算出大车所处的集装箱堆场的具体贝位； ２）防止两辆ＲＴＧ相撞；由于每辆车上都安装了ＧＰＳ系统，在集中的控制系 统中就能够知道每辆车的位置，通过系统的设置就能够避免大车的相撞。 （七）作业控制系统与设备管理系统之间数据接口

下面来分析如何实现作业控制系统与ＣＭＳ系统之间的系统设计。考虑到目前 ＣＭＳ系统已经和ＰＬＣ系统建立了数据通信，结合现有的系统，只要控制系统把龙 门吊开始作业时的该作业贝位的各列的高度发送给ＣＭＳ，通过ＣＭＳ来发送信息给 ＰＬＣ。具体看下图：

作业控制系统和设备控制系统（ＣＭＳ）之间的结构图

程序的描述如流程图： ｌ、ＲＴＧ如何获得当前位置的堆存信息，如图５－１２所示

图５―１２系统获得当前位置堆存信息的过程 查询ＣＴＯＳ系统里的堆存信息用下面的算法实现： （１）功能 ＣＭＳ将来自ＧＰＧ的有关龙门吊的当前位置信息解析成类似’ＸＸＹＹ’的格式

（其中’ＸＸ’表示两字节长度的场地箱区编号，’ＹＹ’表示两字节长度的贝位信 息），并将解析后的位置信息发送给ＣＴＯＳ系统，以期从ＣＴＯＳ系统中获得给定箱 （２）具体实现： 可以向ＣＴＯＳ系统发送如下ＳＱＬ语句来获得高度信息

ｍａｘ（ｓｕｍ（ｂ．ｃｔｎ ｈｅｉｇｈｔ））

ＦＲＯＭ ａｃｔ＿ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ ａ，ｃｏｄ＿ｓｉｚｅ ｂ

ａ．ａｃｔｕａｌ―ｐｏｓｉｔｉｏｎ―ｑｕａｌｉｆｅｒ＝‘Ｙ’

ＡＮＤ ａ．ａｃｔｕａｌ―ｐｏｓｉｔｉｏｎ＿ｂｌｏｃｋ ＡＮＤ

ｓｕｂｓｔｒ（ａ．ａｃｔｕａｌ―ｓｌｏｔ―ｐｏｓｉｔｉｏｎ，１。２）＝ｖＢａｙｌＤ

ｓｕｂｓｔｒ（ａ．ａｃｔｕａｌ―ｓｌｏｔ―ｏｏｓｉｔｉｏｎ，３，２） ／／按照箱子的列分组

ＡＮＤ ａ．ｃｔｎ＿ｓｉｚｅ＝ｂ．ｃｔｎ―ｓｉｚｅ ＧＲＯＵＰ ＢＹ

（３）以下是相关一些说明： Ａ）传入的参数： ｖＢｌｏｃｋＩＤ：箱区标号（两个字节长度），如‘１Ａ’， ＶＢａｙＩＤ：贝位标号（两个字节长度，不足前面补’０’） Ｂ）数据库表及一些相关字段的说明：

ａｃｔ―ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ：ＣＴＯＳ系统中存放场地堆箱的基本信息表； ＣＯｄ－ｓｉｚｅ：ＣＴＯＳ系统中维护箱尺寸及其对应的长度、宽度和高度的代

２、用各列的堆存高度数据来控制机械的作业 （１）当龙门吊的ＰＬＣ获得了来自控制系统的位置信息；（应该系统先发给ＣＭＳ， 再从ＣＭＳ传给ＰＬＣ，这里就从ＰＬＣ获得了信息后开始阐述） （２）ＰＬＣ探测是龙门吊的吊具是闭锁还是开锁状态； 箱） （３）ＰＬＣ探测目前小车的位置；由于堆场箱区有正向箱区和背向箱区之分，如 图５－１３所示。 （４）如果大车处于『Ｆ向车道（从南到北列数增加），小车处在箱区的最北边， 需要判断０１列位置是否足够，依次类推。 （５）由于放箱和吊箱的情况正好相反，所以小车移动的安全高度： （为了确定是吊箱还是放

Ａ、如果闭锁，则说明吊箱进入箱区，贝位里最高列高度加所吊箱高度。 小车进入箱区的起升安全高度＝每一列高度＋富裕空隙＋Ｈ集装＃ 小车离开箱区的起升安全高度＝返回列的最高高度＋富裕空隙 Ｂ、如果开锁，则说明从箱区里吊箱 小车进入箱区的起升安全高度＝每一列高度＋富裕间隙

小车离开箱区的起升安全高度＝返回列高度＋富裕间隙＋Ｈ集辅

（６）如果起升高度没有满足上面的要求；要求系统有如下的动作： Ａ、小车的移动停止； Ｂ、并会向控制系统发送一个报文（触发报警声音）

３、系统设计需要考虑的问题： １）由于奇数箱区和偶数箱区车道位置不同，在奇数和偶数道之间有公共车道， 并且奇数标号的箱区（１１，２１，１３，２３……）的列数编号是从南到北为ｏｌ―０６ 列，而偶数标号的箱区（１２，１４，２２，２４……）的列数为从南到北为０６一０１列，因此 ｏｏ列的小车位置因箱区不同而不同。

图５―１３ 箱区布置图 ２）集装箱的高度以高箱为参照，简单的程序语言表述为： ＢＬＯＣＫＩＤ为箱区编号，通过ＧＰＳ定位后用ＧＩＳ翻译为具体箱区号。

ＩＦ＜ＳＴＲ（ＢＬＯＣＫＩＤ，２，１）＋１０＞／２－ＩＮＴ

／／Ｎ断是整数即判断箱区的奇偶

０位为ＲＴＧ堆位中的列号６

目的是为了判断不同箱区，ＰＬＣ传输的小车位置有所不同。

通过对集装箱码头作业的研究，发现了生产系统和设备系统的数据交换的必 要性和可行性。通过对本系统的建设必要性和可行性分析，最终通过本文的论述 建设这样一个系统是可行的，并且对于生产很有意义。 在当今信息化高度发达的今天，就像其他企业的信息化一样，单一的系统， 经过这几年的发展和不断的总结经验提高应用水平，目前的系统在自己应用范围 内已经发展到一定水准。但是查看与其他部门的数据的共享，这里还有很长的一 段路要走。 本系统的建设，说简单点就是沟通了集装箱码头生产部门和工程技术部门之 间的数据共享，但是其他数据和信息还是信息孤岛。笔者可以举出很多需要继续 深化的例子：例如财务系统和生产系统的数据之间需要建设接口，财务系统可以 直接根据生产的数据来产生财务的数据。目前的状况是财务系统没有向生产系统 获得数据，因此现在财务部的数据是根据生产系统的开票信息，再来手工录入到 财务系统，然后来跟踪应收帐款和收入的情况，这里仍存在生产和财务脱节的现 象。另外商务部门的客户管理系统和生产系统内的客户单位的费率维护也没有建 立联系……，所有这些都是需要码头信息化进一步努力的事情。 通过轮胎龙门吊全过程控制系统的研究，使对集装箱码头的系统有更进一步 的了解，特别是对ＧＰＳ系统和ＰＬＣ系统这两个相对比较专业的系统。通过对它们 的研究，发现了这些系统可以为生产提供很大帮助。系统上面的功能也只是应用 他们所具有功能的一部分，如果这个系统按照论文的思路可以建成的话，整个码 头的科技应用将大大提升一大步。无论对生产还是对码头对外的影响，都将是大 有裨益。 轮胎龙门吊作业控制系统的研究，从集装箱码头堆场作业的现实分析来看， 系统只是解决了堆场控制的一部分，整个集装箱码头堆场作业还有很多值得进一 步研究的改进。集装箱码头作为集装箱码头生产的重要环节，如何努力提高堆场

的通过能力和在现有的设施和设备能力不变的情况下，借鉴更好的管理理念和方 法，通过提高作业流程的管理，人员的培训，管理的激励措旄，应用新的堆场管 理思路，这些都是提高堆场能力和控制作业的各个方面。 集装箱码头堆场的作业的控制不仅仅在控制系统上完善就可以了，作为码头 管理者应从上述各个方面共同完善： １、在人机协调方面，如果应用了上述的控制系统，对作业司机的工作强度 是一种减轻，但是作业人员的安全教育还是要加强，毕竟在作业中人才是最重要 的决定因素。 需要司机明白的是，控制系统的建设是为了码头堆场的安全作业和准确作业 起到了保护作用。如果作业中太依赖机械设备而不提高作业技能和安全意识，还 是会给作业带来负面影响。例如目前的振华轮胎龙门吊设备系统配备了自动纠偏 系统，如果大车在行走时有偏移跑道的现象发生，系统就会提示甚至自动刹车。 但是该系统的设计时是通过大车的大梁上向外延伸了几个传感天线，如果大车行 走时天线碰到外物（主要是集装箱），就会发送信号给ＰＬＣ。但是往往大车跑偏 发生在龙门吊途经没有堆箱的贝位时，由于传感器接收不到碰到外物的信号，就 不产生跑偏信号，最终导致跑偏不被司机知道。其实只要司机在作业时严格按照 操作程序，主动去看大车的行进轨迹，这种事情就不会发生。 ２、在操作程序规范化，在系统建设请已经在前文论述过，操作不规范会引 起各类操作错误和安全事故。但系统建设以后，可以缩小各类操作错误和事故，

但操作程序仍是规范的重点，操作的规范，可以进一步避免错误的发生，并会对

操作效率的提高起到重要作用。 ３、在人员培训上，司机的技能仍是码头管理需要重点关注的焦点。作业司 机有好的作业习惯，良好的安全操作理念，可以大大降低操作的差错率。同时对 司机作业绩效考核的细化，做到能全面体现司机的技能和作业的各个方面的表 现，对司机的积极性大大的调动。司机作业的主动性和能动性的调动比通过系统 来监督司机作业更有效果。

１、ＧＰＳ终端的安装还可以推广，控制系统的应用更广些

本文内ＧＰＳ终端只安装在龙门吊上，大家知道，集装箱码头堆场内作业最多 是集卡。如果能够把码头内集卡也安装上ＧＰＳ系统，同样所有的集卡也可以动态 反映到码头作业的控制中心，对于集卡的调度使用将很有好处。 目前一些大的集装箱都码头面临着两个困难； １）作业的时候总觉着集卡配置不够 哪怕是配置了一条作业线多台集卡，当桥吊作业双箱的时候，由于场地作业 不能跟上桥吊作业，导致集卡在场地堵塞而产生桥吊等集卡的现象发生； ２）油价上涨带来的集卡成本增加 随着原油价格的不断上涨，集卡成本是集装箱码头作业中成本的比重正不断 上升。但目前集装箱码头的操作还是单向拖箱（即装船时重车上码头，空车下码 头：卸船反之） 如果系统可以根据每辆集卡的ＧＰＳ定位的信息，指派最近的空集卡去参加作 业，即“最优路线参加作业”，并实现“重车上重车下”，对节约成本大有帮助。

可以初略的统计，一年一辆集卡的燃油成本大约是２０万元。如果系统能够部分

保证“重车上重车下”利用率达到５０％，一年一辆集卡节约的成本有５万元。如 果一个码头配置１００辆集卡计算，一年节省的费用就是５００万元。这还没有考虑 因为集卡充分利用使作业整体配置集卡减少，用司机的人力也可以同时下降，这 样的又会节省１００万元的成本。 另外其他码头机械也可以安装ＧＰＳ，例如堆高机和『Ｆ面吊。这些设备数量较 集卡数量少，投资也不会很大，安装以后对设备的灵活调度很有帮助。

２、对设备管理还可以加强，设备管理面可以拓宽

由于创建了控制系统的数据库平台，数据库可以利用其优势，记录一些设备 运行的数据，建议控制系统和ＰＬＣ建立其他数据传输的内容，把各类设备运行的 数据都记录到控制系统的数据库内，即设备运行相关的内容都可以记录在控制系 统的数据平台上。 对每台设备除了记录维修保养的记录数据，在系统中也记录了设备在一段时 间内的运行轨迹和每个作业过程。这些数据可以用来分析设备使用是否恰当，分 析指挥这台设备的控制员是否是合理调配。如果设备故障，也可以查询在这之前

做了哪些动作。从而判断这些故障是由于司机操作不当还是设备系统本身的问 题。这些数据的记录无疑给设备管理带来的是一场重大突破。 本文探讨的是龙门吊的全过程控制，也可以考虑把桥吊的作业过程数据传输 到控制系统，来分析桥吊的作业过程，也可以把生产的数据传输到桥吊控制 系统中，例如把船舶长度／宽度／型深传输到桥吊控制系统中，再把船上过境 和本港装卸的集装箱积载信息传输到桥吊上，作为桥吊作业时的一些参考。

３、控制系统的平台上的应用程序需要迸一步开发 系统记录了场地上集装箱堆存情况和设备运行数据，根据不同用户的需求，

可以在系统这些数据基础上再做一些开发以满足各类应用的需要，真正把这些记

录在数据库的数据用起来。 一些先进的集装箱码头正在试用作业评估系统，即对码头的作业和设备运行

进行分析。这种分析可以按作业种类（装卸船或进提箱），也可以用一个时间段

（按周或月），也可以用来对个案进行分析。例如码头一个星期前作业了一条船 舶，效率方面成绩突出，可以把这些作业数据调出来，重新演示一遍（相当于作 业回放）。哪些是可以借鉴的成功经验，在设备配置上，在堆场安排上还是在作 业指挥上；哪些是可以再提高的，指挥时的失误导致设备有些地方拥堵而有些作 业场地设备不够。 利用这些数据也可以用来做一些预测： （１）吞吐量的变化，场地、设备情况是否能够承受；

（２）由于码头作业存在不平衡性，收集一段时间的作业数据可以做一些推

测，例如节前效应会使的一段时间作业量很大（例如春节前一周，会是平 常的１．５～２倍），用这一周的数据就可以推测吞吐量比目前大一倍时，码 头作业的繁忙程度，为码头的管理者提供决策的基础数据。

经过近一年时间的努力，硕士学位论文《集装箱码头轮胎龙门吊作业全过程 控制系统的研究》一文终于完成了。本论文是在学校导师上海海事大学李玉如教 授和企业导师宁波港集团宁波港吉码头经营有限公司陈国荣高工共同精心指导 下完成的。李玉如教授严谨的治学态度、陈国荣高工孜孜不倦的工作精神以及高 效率的工作方式给我留下了深刻的印象，并将对我今后的工作和学习产生极大的 积极影响。 在三年的学习期间和本次论文的写作过程中，我得到了校、院领导在工作、 学习、调研等各方面的大力支持、帮助和关怀，在此我一并表示感谢１

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集装箱码头龙门吊作业全过程控制系统的研究

作者： 学位授予单位： 徐心刚 上海海事大学}

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