1、節能減排典型示范項目集裝箱碼頭集卡全場智能調度系統綜合點評：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。外高橋港區和洋山 港區是上海港集裝箱裝卸作業的主港區，共配有 682 輛集卡，每年消耗柴油達 17600噸以上。為響應國家節能減排號召，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，上海港以科學發展觀為統領，積極研究探索，對傳 統集裝箱裝卸工藝進行大膽技術創新， 自主開發了先進的集卡全場智能調度系統（Tractor paging subsystem ，簡稱 TPS系統）。TPS 系統是將多種信息技術

2、應用于一體的科技創新產品，是集裝箱碼頭 改革傳統裝卸工藝、 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， 碼頭管理者可以合理配置水平運輸機械， 優化集卡調度過程， 提高集 卡作業效率，從而減少作業成本、降低能源消耗。TPS 系統的應用改變了集裝箱碼頭傳統的集卡管理模式，在國內港口企 業中屬首創。 該系統經過多年的現場調試、 應用和運行驗證， 已取得了良好的節 能和經濟效果，為企業節能減排工作做出了貢獻。該系統運行穩定、操作方便，其節能創新理念、系統設計原理及軟件產 品，在大型專業化集裝箱碼頭具有廣泛的推廣價值。上海國際港務（集團）股份有限公司“集裝箱碼頭集卡全場智能調度

3、系統”推廣材料交通部節能減排專家工作組一、概況上海國際港務 （集團） 股份有限公司是中國大陸最大的港口集團之一， 同時 又是中國大陸最大的集裝箱裝卸運輸集團， 占長江三角洲地區港口集裝箱吞吐量 的四分之一，為中國大陸集裝箱航線最多、 航班最密、覆蓋航區最廣的港口集團。 上海港經過多年的建設， 將逐步形成以碼頭和集裝箱經營為主體， 輻射國內、 國 際市場的跨地區、跨國經營的格局。 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了硬件設施跟不上 發展速度的情況， 以

4、上港集團振東分公司為例， 該公司由外高橋二期和三期集裝 箱碼頭組成， 位于長江入海口南岸外高橋地區， 建設規模為 5 個大型專業化集裝 箱泊位，岸線長度1566m堆場縱深875m陸域面積165.9萬卅。現有岸邊集裝 箱起重機 26 臺，輪胎式集裝箱門式起重機 76 臺，場內水平運輸機械集卡 119 臺，設計吞吐量250萬TEU/a。該碼頭投產于2000年，當年吞吐量即達到設計 能力，成為當時世界上最先進的集裝箱碼頭之一。到2007年，該公司實際集裝箱吞吐量已達到 590萬TEU港口各作業環 節的壓力越來越大。 集裝箱碼頭亟需進行內部挖潛革新， 突破傳統裝卸工藝系統 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展。隨著通信和計算機技術的快速發展，使現代集裝箱碼頭經營管理的數字 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， 沒有數字化的 支撐，現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 箱碼頭加速了數字化建設的步伐，數字化已成為現代集裝箱碼頭的重要標志之 一。為滿足集裝箱船舶大型化的需要，集裝箱碼頭規模化、高效化的需要和 建設資源節約型、 環境友好型港口的需要， 上港集團領導高度重視集裝箱碼頭數 字化建設工作， 通過理念創新和開拓思路， 以科學發展觀為統領， 自主研發并不 斷完善了 TPS系統。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的發展在國際、國內已經比 較成熟，而水平運輸車集卡的調度屬于集裝箱箱流控制的薄弱環節。 上海集裝箱 碼頭傳統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量， 一臺岸邊集裝箱起重機配備一定數量的集卡組 成一條作業路，由調度人員安排。傳統的裝卸工藝示意圖見圖圖1 傳統的裝卸工藝示意圖這種傳統的集裝箱生產工藝根據“作業線”來靜態配置集卡。一組集卡只為指定的一條作業線服務，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，這種調度方式變得越來越難于控制和管 理。由于作業負荷隨時間分布不均勻， 在某一時段內，往往出現岸邊集裝箱起重 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，嚴重影響了裝卸效率，也大量浪費了能 源。而且傳統工藝卸船和裝船采用分段作業， 累計作業時間長。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約能源。另外，大型集裝箱碼頭集卡數量較多， 作業過程中依靠人工調度方式集卡已越來越不能與港口發展相適應，因此，必需按照現場的實際情況，通過計算機系統合理調配集卡

8、。（二）功能目標上港集團經過多年的研究、實踐，為自主開發研制的TPS系統制定了以下功能目標：1、盡可能做到集卡重車來重車去，減少集卡空駛現象。本系統綜合判斷一定時間范圍內的任務及集卡的最優組合， 為作業任務選擇合適并且符合作業要 求的集卡，通過無線通訊網絡實現自動向集卡發布動態調配指令，提高作業路之間的重進重出率，縮短累計作業時間；2、靈活地將全部集卡動態地分為幾組，每組包括一定數量的集卡作為一個集卡池，每輛集卡可以根據實際情況動態地分配一條或多條作業路，充分利用集卡資源，優化碼頭配機，減少集卡忙閑不均造成的效率降低；3、在可能條件下，實現裝船和卸船同時作業的同 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工藝，按照雙吊具作業集卡同時上檔的要求，應實時跟蹤集卡位置，優化調度，向集卡發出不同的作業指令, 從而提高作業效率，保障雙吊具作業的順利進行。（三）工作原理根據以上功能目標要求，上港集團充分利用先進的數字化技術，按照以 需求為導向、經濟實用有效為原則，對TPS系統的數學模型進行了反復研究和設 計，形成了如圖2所示的系統構成示意圖。TPS系統是鑲嵌在集裝箱碼頭控制系統中的一個子系統。主要由中控室主機、集卡智能調度控制軟件、無線集群系統及安裝在集卡等裝卸機械上的無線 數據終端和GPS組成。其中集卡智能調度控制軟件的編制是運用規劃論、排隊論 和模糊控制理論，融合現場操作管理

10、人員的智慧和經驗， 建立箱流、車流調度數 學模型，解決非線性尺度變換和模糊邏輯推理規則等問題， 實現對全場集卡的智能調度控制管理4f 1口綣 Ji T 也七 無趕鞫口SHiT k nntA.上違轉曜圖2 TPS系統構成示意圖三、實施方案TPS系統的建立經歷了三個階段。第一階段：以無線網絡傳輸數據指令信息 代替了傳統的尋呼語音對講系統調度集卡的模式；第二階段進一步優化升級了 TPS自動調度系統；第三階段運用 GPS定位實現了精確的智能調度控制。上港集團通過多年來的自主研發，逐步完成了無線網絡系統的建立、 硬件配 套終端設備的研制及軟件系統的開發，TPS系統已日趨完善，現已在上海港外高 橋港區、洋

11、山港區投入使用。（一）主要工作內容1包括無線網絡通訊系統、車載終端系統、智能調度軟件系統。無線網絡通訊系統是在集裝箱碼頭原有的無線集群系統基礎上進行擴展，實現集卡與TPS系統的數據鏈接。2研制開發車載無線數據通信終端設備，實現集卡實時接收/響應調度指令。3、通過整合上港集團多年來積累的集裝箱運營的信息資料，建立了箱流、 車流調度數學模型及算法，開發了 TPS系統，并在調試運行過程中不斷對系統 軟件進行完善升級，目前軟件已由 v1.0升級到v5.0版本。4、開發應用GPS系統，實現對集卡位置的實時精確調度。（二）開發過程及案例在上港集團的領導下，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TPS系統，成立了由技術部、操作部和海勃軟件開發公司組成的聯合攻 關項目組。項目組成立后開展了收集整合信息資料，建立箱流、車流調度數學模型、算法及系統軟件開發等工作。2001年首先在外高橋二期為10臺集卡安裝了無線數 據終端，對TPS系統進行了現場調試和驗證實驗。2002年外高橋二期70多臺集 卡全部安裝了無線數據終端（見圖 3）。實現了由無線通訊數據網絡下達集卡調 度指令替代尋呼對講語音傳輸調度集卡工作的目標， 徹底改變了語音傳輸調度不 能及時準確下達調度指令、語音指令不清、指令下達和執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度運行方式圖3 車載無線通訊終端顯示屏2004年，通過總結經驗和進一步深度開發，對 TPS系統進行了軟件技術升級，在無線網絡調度的基礎上，進一步實現了智能化調度（見圖4）。達到動態 地調動集卡，使每輛集卡對應多條作業路，保證集卡在卸載后可以就近投入到其它需要負載的作業路中，縮短集卡的空載行使時間和距離圖4中控室集卡調度操作屏TPS集卡自動調度有兩種模式，以岸邊橋吊為本的作業模式和以集卡為本的 作業模式。但無論采用哪種作業模式，集卡調度系統都存在對集卡的選擇性調度 問題，也就是說根據一定的選擇條件，將作業指令發送給最合適的集卡。該系統利用數學規劃方法綜合判斷

14、一定時間范圍內的任務與集卡的最優組 合，可以為作業任務選擇合適的并且符合作業要求的集卡， 通過無線設備將該作 業指令傳送給集卡，提高了作業路重進重出率。見圖5。圖5集卡作業路對比示意圖在該系統中，可以靈活的將全部集卡動態地分為幾組， 每組包括一定數量的 集卡作為一個集卡池，每個集卡可以根據實際情況動態地分配一條或多條作業 路。見圖6。圖6集卡池示意圖第二階段目標實現后， 港口水平運輸系統調度效率得以提升。 為進一步實現 對集卡的精確定位控制，在系統中又引進了 GPS車載定位設備，于2006年在洋 山港區進行了新的系統升級，形成了對集卡精確控制的動態實時智能化調度系 統。2006年，洋山港區投入

15、生產，裝卸船配備了雙 40呎岸邊集裝箱起重機，這 種新的作業模式， 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，實現精確調度， 通過提供雙吊具操作的作業流程， 從而能夠更大限度地發 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的前提下， 進行系 統運行的調試。為此制定了從點、線到面分步實施，不斷調整優化數學模型，由 模擬運行逐步向實施操作過渡的方案，保證了項目順利完成。（三）洋山港區使用具有 GPS的TPS系統前后的實際效果對比 洋山港區使用具有GPS的TPS系統后，實現了集卡的重進重出，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 為洋山港區平均集卡周期月度數據分析，圖 8 為洋山港區重進重出月 度數據分析。圖7山港區平均集卡周期月度數據分析120.OOK0. OOK100.OOffieo. DM60. OOK0. OOK20. ODK七月蟲進車出比例 集竊施便翊tt憫圖8洋山港區重進重出月度數據分析依據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省17部集卡。表1采用TPS系統前后指標對比狀態集卡周期重進重出率岸邊集裝箱起重機與集卡配比優化前20多分鐘01： 10（ 340臺集卡）優化后17分鐘（含雙吊作業）40-50%1： 6（ 170臺集卡）（四）關鍵技術及創新點1、實現了無線數據通訊替代語音傳輸通訊調度方式，徹底改變了語音傳輸調 度不能及時準確下達調度指令、語音指令不清、指令下達和執行不可追溯等一系 列問題。2、智能化調度子系統：在水平作業面，運用規劃論、排隊論及模糊控制理論， 融合現場操作和管理人員智慧和經驗，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則等問題，并自主開發了先進的

18、集卡全場智能調度軟 件，達到了根據不同作業重要性、路程遠近程度、已等候時間等諸多因素來動態 配置水平運輸機械，達到了場地上所有的水平運輸機械同時為所有的作業線服務，同時具備了經濟高效和節約能源的特性。 雖然各條 作業線”的負荷隨時間分 布不均勻，但是計算機調度系統會根據 作業線”需求的優先級，并兼顧路程就近 原則根據智能化模糊控制計算結果，自動給集裝箱卡車發布動態調配指令， 在不 同的時間段為不同的 作業線”服務。這樣做的結果，使水平運輸機械再也不會出 現忙閑不一的情況，系統的整體裝卸作業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象。同時通過對貨物流向進行分析

19、， 盡可能的減少輪胎吊翻箱，對生產進行集中控制調度，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 系統建設需要有應用體系、技術支撐體系、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 系統的建設將難以實現。（一）應用體系應用體系是 TPS 系統的核心。其包括調度人員、中控室操作人員、起重機械 司機和集卡司機等人員在內的相關作業人員，是保證集裝箱碼頭正常運行的主 體。（二）技術支撐體系TPS 系統主管部門負責系統的日常維護和管理，技術支撐系統的關鍵在于按 照 TPS 系統建設的內在規律，組織協調支撐體系中的各相關方，培育一支掌握 核心技術、 具

20、有關鍵應用開發和維護支撐能力的技術隊伍， 提供可靠有效的數字 化支撐，使 TPS 系統建設持續、穩定、健康發展。（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下，實施對設施設備、系統網絡、 系統運行、 軟件開發和維護及網絡安全多方面的有效管理， 需要由組織機構、 管 理規章、 管理機制作支撐， 目的是確保碼頭生產和經營活動正常進行、 碼頭數字 化可持續發展。（四）人才保障體系人才隊伍建設是保障 TPS 系統正常運行的根本。上港集團培育了一支既懂碼 頭經營管理又懂計算機技術的高素質復合型人才隊伍， 擁有一批熟練掌握信息技 術/技能的應用人才。五、項目成效（一）社會效益交通行業因其生產特點，現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%，對經濟環境、 社會環境和生態環境的影 響巨大，節能減排已經成為創建節約型行業、促進行業發展的重中之重。那么， 從微觀管理入手，加強企業節能工作對達到節能減排的行業目標、 節約社會資源、 促進經濟發展都具有