Machine Learning-Based Predictive Maintenance at Smart Ports Using IoT Sensor Data

الصيانة التنبؤية القائمة على التعلم الآلي في الموانئ الذكية باستخدام بيانات حساسات إنترنت الأشياء

👤 Sheraz Aslam, Alejandro Navarro, Andreas Aristotelous, Eduardo Garro Crevillen, Alvaro Martínez-Romero, Álvaro Martínez-Ceballos, Alessandro Cassera, Kyriacos Orphanides, Herodotos Herodotou, Michalis P. Michaelides 📄 Sensors, 2025 · Vol. 25(13), 3923 🔗 10.3390/s25133923 ✓ CC BY 4.0

الملخص

يؤدي النقل البحري دورًا حاسمًا في لوجستيات البضائع المحوّاة عالميًا، إذ تشكل الموانئ عقدًا رئيسية يُعتمد فيها التحميل والتفريغ والفحص والتخزين والتسليم في الموعد على أداء معدات مناولة الحاويات (CHE). ويمكن لاستراتيجيات الصيانة غير الفعالة والصيانة غير المخططة أن تسبب اضطرابات تشغيلية وتأخيرات وأوقات انتظار طويلة في سلسلة الإمداد. لذلك يجب على الصناعة البحرية تبني استراتيجيات صيانة ذكية في الموانئ لتحسين الكفاءة التشغيلية واستغلال الموارد.

تحقيقًا لهذه الغاية، تعرض الدراسة نهجًا قائمًا على التعلم الآلي (ML) للتنبؤ بالأعطال في معدات مناولة الحاويات لتحسين الموثوقية والأداء العام للميناء. أولًا، طُوّر نموذج إحصائي لفحص حالة النظام الهيدروليكي وصحته لأهميته الحاسمة لتشغيل الآلات. ثم طُوّرت عدة نماذج تعلم آلي — الشبكات العصبية الاصطناعية (ANNs) وأشجار القرار (DTs) والغابة العشوائية (RF) والتعزيز المتطرف للتدرج (XGBoost) وبايز الساذج الغاوسي (GNB) — للتنبؤ بأعطال ارتفاع حرارة العاكس (inverter) الناجمة عن تعطل المراوح وانسداد المرشحات وقضايا ذات صلة.

ومن بين النماذج المختبرة، حققت الشبكات العصبية الاصطناعية أعلى أداء في التنبؤ بالأعطال المحددة بدقة 98.7٪ ودرجة F1 قدرها 98.0٪.

1. المقدمة

تُعد الصناعة البحرية عماد التجارة الدولية إذ تنقل أكثر من 80٪ من البضائع عالميًا لأغراض التجارة [1–3]. ويتوقع تقرير «اقتصاد المحيطات 2030» لمنظمة التعاون والتنمية (OECD) أن تضاعف الصناعات البحرية مساهمتها في خلق القيمة العالمية بحلول 2030 مدفوعة بالطلب على الشحن وبناء السفن وخدمات المعدات البحرية ومشاريع الطاقة البحرية [2] — لكن هذه التوقعات مرهونة بدمج الابتكارات التقنية. وقد دفع النمو الاقتصادي قبل جائحة COVID-19 وبعدها وزيادة أحجام البضائع الموانئ لتوسيع قدراتها بطرق غير متوقعة، مع ضغط خطوط الشحن والتحالفات لتركيز السعة في موانئ أقل تخدم سفنًا أكثر، وتزايد حجم السفن (من متوسط 1k حاوية TEU في السبعينيات إلى 7.7k حاوية مطلوبة اليوم [4]) مما ينقل الازدحام للمحطات ويستلزم أداءً مثاليًا للمناولة واللوجستيات، مع استمرار الاختناقات: انخفاض الكفاءة وحوادث العمالة واستهلاك الطاقة والانبعاثات.

بالتوازي، فتحت نماذج الرقمنة الجديدة — الحوسبة السحابية-الحافة وإنترنت الأشياء والبيانات الضخمة والتعلم الآلي — إمكانيات جديدة قادت لمفهوم الصناعة 4.0 [5]، وخدمات الميناء 4.0 (Port 4.0) التي تربط كل المعدات والأنظمة آنيًا لتبادل بيانات سلس وحلول مؤتمتة وقابلة للتشغيل البيني بمخاطر وتكاليف أقل ومهل أقصر [6]. لذلك يُعد كشف الأعطال في حينه حاسمًا لتفادي التوقف الطويل وتدهور الأداء [7، 8]. ومع نمو التجارة البحرية وأعداد السفن، ظهرت مشكلات ازدحام وسلامة في موانئ عديدة [9] — ويوضح الشكل 1 محطة EUROGATE للحاويات في ليماسول بقبرص (ECTL) التي وفرت البيانات التشغيلية والتقييم الواقعي للمنهجيات. وما تزال قرارات وفحوص عديدة يدوية (صحة الآلات وأختام الحاويات) مما يعيق الكفاءة [10]، وتخفض الصيانة غير المخططة (الرافعات الجسرية والناقلات الجانبية) أداء المحطات، فيلزم أحدث التقنيات للكشف السريع — إذ تتيح الصيانة التنبؤية (PdM) معرفة محدثة بالحالة الصحية فلا تُنتظر الأعطال (الصيانة التفاعلية) ولا تُجرى صيانة غير لازمة (الوقائية)، خاصة لمعدات STS وRTG والناقلات الجانبية والرافعات الشوكية التي تتطلب صيانة مثلى للأحمال الثقيلة وساعات التشغيل الطويلة والظروف الجوية المتنوعة.

تقليديًا أُجريت الصيانة الوقائية بأنظمة SCADA بعتبات وقواعد تحذير مُرمزة بشريًا، لكن هذا النهج شبه اليدوي يغفل السلوك الديناميكي المعقد والبيانات السياقية للعملية ككل. وبفضل تقدم الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء، يُنظر لحلول التعلم الآلي كخطوة وظيفية تالية توفر التكاليف وتزيد القدرة التنبؤية والتوافر — إذ يكشف تدريب الخوارزميات الشذوذ ويرابط الأنماط في تدفقات البيانات من الحساسات ووحدات PLC ومحطات الطقس، وقد استُخدم التعلم المعزز العميق كـ DDPG لإدارة الوقت والطاقة المشتركة في الحساسات الذكية [11]. وتلعب مناهج PdM القائمة على ML دورًا أساسيًا في مجالات: محركات الطائرات [12، 13] والمركبات الذكية [14] وأنظمة الطاقة [15–18] والمصاعد [19] والمحركات البحرية [3، 20، 21]. وتقترح الدراسة إطار تعلم آلي للصيانة التنبؤية لمعدات المناولة في الموانئ الذكية بمساهمات ثلاث: (1) إطار جمع بيانات شامل صُمم ونُشر في محطة ليماسول بتركيب حساسات متعددة على الناقلات الجانبية وغيرها ونشر أطر لجمع البيانات التشغيلية الآنية مع معالجة مسبقة موسعة (تنظيف وهيكلة) لضمان السلامة والقابلية للاستخدام؛ (2) خمسة نماذج ML للتنبؤ بارتفاع حرارة العاكس (ANN وDT وRF وXGBoost وGNB) إضافة لنموذج إحصائي مخصص لكشف شذوذ النظام الهيدروليكي للناقلات الجانبية؛ (3) تجارب موسعة للتحقق من فعالية النماذج في سيناريوهات واقعية. وينظم باقي الورقة: القسم 2 مراجعة أدبية، والقسم 3 المنهجية، والقسمان 4 و5 دراستا الحالة (الشذوذ الهيدروليكي والتنبؤ بارتفاع حرارة العاكس)، والقسم 6 مناقشة، والقسم 7 استنتاجات.

2. مراجعة الأدبيات

طُبقت الصيانة التنبؤية خلال العقود الماضية في البيئات الصناعية فحسّنت جدولة الصيانة وتفادت التوقف ووازنت التكلفة والفائدة [22–24]، ثم صقلت التقنيات لتمثل تطبيقات الذكاء الاصطناعي وخوارزميات ML حلًا ثوريًا — رغم أن نماذج الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لم تُطبق بعد على آلات ساحات المحطات، فتستعرض الأمثلة السابقة النتائج المتوقعة. ففي صناعة السيارات طُبقت PdM لأنظمة ضغط الهواء بمقارنة مصنفين لتوفير المال بالتنبؤ [25]، وطوّر Shafi وآخرون [14] طريقة للأنظمة الأربعة (الإشعال والوقود والتبريد والعادم) ببيانات طبيعية ومعطوبة وأربعة مصنفات (شجرة القرار وSVM والغابة العشوائية والجار الأقرب). وفي التصنيع طُوّر نظام لخطوط الإنتاج ببيانات إنترنت الأشياء ونماذج الغابة العشوائية وXGBoost للكشف المبكر [26، 27]، مع مراجعات منهجية في [23، 28].

وفي الطائرات طُوّر نموذج PdM بمحرك بمتوسط متحرك ذاتي الانحدار ARMA، وقورنت ستة نماذج بتفوق SVM [12]؛ وطُبقت خوارزمية هجينة DQINN (شبكة اعتقاد عميقة + شبكة عصبية مستوحاة كميًا) لأنظمة الوقود بدقة أعلى [13]. وفي توربينات الرياح نُفذ نموذج غابة عشوائية بثلاث وحدات (تنبؤ لكل توربين، ووكيل رصد يتنبأ كل 10 دقائق بأعطال الساعة التالية، ولوحة عرض) [15]، وشبكة عصبية عميقة DNN لضغط زيت علبة التروس بتفوق على البيانات الحقيقية لمزارع صينية [29]. وفي البحرية اقتُرح نهج منهجي بالبيانات الضخمة والتعلم الآلي لصيانة المحركات البحرية بدراسة حالة مع شركة شحن نرويجية بدقة جيدة [20]، ودراسات [21، 30] بمحركات السفن ومكوناتها، ونهج الغابة العشوائية المتوازنة مع التعلم متعدد المثيلات لسجلات أحداث أنظمة الدفع الكهربائي للتنبؤ بالاحتمالية والزمن المتبقي بتفسيرات لتدخل الطاقم في حينه على مدى سنتين من الأحداث [3].

واستكشف [31] جدوى PdM لرافعات المناولة بنماذج تقليدية (انحدار لوجستي وخوارزمية جينية) على بيانات اصطناعية محاكاة لأربع سنوات تركز على محرك الرفع وعلبة التروس — بتفوق الخوارزمية الجينية. واقترح [32] الصيانة التنبؤية لمعدات الموانئ بتحليل سجلات الصيانة بالذكاء الاصطناعي، ببيانات حقيقية من ميناء تونسي ونموذج KNN بـ 13 خاصية لتصنيف الرافعات الشوكية (عاملة/معطوبة) بدقة متوسطة 64٪ بتحقق متقاطع خماسي على بيانات شحيحة. وخلاصة الأدبيات: أُنجز عمل كبير في بيئات صناعية متنوعة، لكن الصناعة البحرية تحتاج الكثير لأداء أعلى في الموانئ خاصة محطات الحاويات — فلا توجد مناهج مطورة خصيصًا للتنبؤ بأعطال آلات الموانئ بالبيانات التشغيلية. لذلك تدرس الدراسة نماذج ML خفيفة (ANN وDT وRF وXGBoost وGNB) لمحطات الحاويات، مستبعدة التعلم العميق المتقدم لمتطلباته الحاسوبية وأزمنة تدريبه الطويلة وضبطه الموسع — تحديات للاستدلال الآني والنشر على الحافة — ومختارةً النماذج لكفاءتها وقابليتها للتفسير وجدوى نشرها على أجهزة الحافة المقيدة (حساسات صناعية وبوابات إنترنت الأشياء).

3. المنهجية المقترحة للصيانة التنبؤية

يرتكز نهج الصيانة التنبؤية المدمج لتقنيات إنترنت الأشياء والبيانات الضخمة ونماذج التعلم الآلي على معالجة تحديات تقنية رئيسية لكفاءة آلات الموانئ كالمعدات الثقيلة، إذ يعتمد التطبيق الفعال على توافر بيانات تاريخية كافية تلتقط أنماط الأعطال السابقة (الخصائص الميكانيكية ومعدلات الاستخدام وظروف التشغيل). وغالبًا ما يصعب الحصول على بيانات موسومة تعكس التشغيل الواقعي لندرة الأعطال وضجيج الحساسات، ويُعد التحقق المتين في هذه السيناريوهات غير المتوازنة تحديًا رئيسيًا إذ قد لا تعكس المقاييس المعيارية الأداء في كشف الأحداث النادرة. وحتى مع البيانات الشاملة، يجب مواءمة اختيار النموذج وتدريبه ونشره مع قيود البنية الحاسوبية — فالحوسبة السحابية تدعم التحليلات التنبؤية لكن النماذج البعيدة تُدخل زمنًا مرتفعًا يؤخر الاستجابة حسب الاتصال، بينما تُفضل تقنية الحافة بتشغيل النماذج محليًا لسرعة التحليلات — مما يستلزم نماذج خفيفة تحد من المعماريات العميقة المعقدة.

يُدار دورة حياة البيانات كاملة بمجموعة أدوات تستجيب لكل مرحلة بمفهوم معالجة شاملة من التصميم، مضيفة قيمة في كل خطوة عبر واجهات API وواجهات سهلة تقلل تعقيد الإدارة وتحسّن موثوقية المعلومات ويقين القرارات والأداء والربحية. وتدمج المنهجية العمليات التالية كما في [33]: التوليد (طبيعيًا مع الرقمنة — وهنا بيانات تشغيلية من PLCs على كل ناقلة جانبية SC)؛ والالتقاط (إدخال البيانات لمنصة التحليلات بقراءة البروتوكولات الصناعية — وهنا تدفقات Node-RED مخصصة على بوابات إنترنت أشياء سلكية بكل SC تجمع من PLCs والحساسات وترسل ببروتوكول MQTT لخادم الحافة)؛ والمعالجة (تنظيف لإزالة التكرار والحقول الفارغة/غير الصالحة وملء القيم المفقودة ومزامنة الطوابع الزمنية، ومعايرة لتحويل بيانات الآلات الخام الثنائية/عديمة الوحدات لوحدات فيزيائية ذات معنى، مما يخفف تدهور الحساسات وتباين المعايرة)؛ والتخزين (نظام موثوق وقابل للتوسع بمبادئ FAIR — السلاسل الزمنية في InfluxDB، وسجلات الصحة والأعطال والصيانة في LIMBLE وهو نظام إدارة صيانة محوسب سحابي خاص في محطة EUROGATE)؛ والتحليل (عمليات متقدمة: تجميعات واستدلال إحصائي وتحديد كتل البيانات ذات المعنى وربطها — وهنا InfluxDB وLIMBLE مصدران لتطوير نماذج التعلم الآلي: تجميعات إحصائية وكشف أحداث واستدلال ارتباط وتصنيف أعطال)؛ والعرض المرئي (عرض النتائج ببساطة يفهمها البشر — فالرسم قد يمثل عشرات الغيغابايت في صورة واحدة — بمراعاة الجماليات والوظيفة والإدراك البصري).

وفهم دورة حياة نماذج الذكاء الاصطناعي/التعلم الآلي حاسم لتطبيقات الموانئ، ووفق الدورة في [34] تُحدد المراحل: تعريف المشكلة وجمع البيانات (يحدد خبراء الميناء أهدافًا واضحة وتُجمع البيانات ذات الصلة)؛ والمعالجة المسبقة (استكشاف التوزيعات والعلاقات والتحيز، وتنظيف الضجيج والأخطاء، وهندسة خصائص تعزز القدرة التنبؤية، وتقسيم للتدريب والتحقق والاختبار لتقييم غير متحيز)؛ واختيار النموذج وتدريبه (خوارزميات تصنيف/انحدار مناسبة مع ضبط فرط المعاملات والتحقق المتقاطع للمتانة)؛ والتقييم (الدقة والإحكام والاستدعاء وF1 حسب احتياجات المحطة)؛ والنشر (الدمج في الأنظمة القائمة بقابلية توسع وكفاءة وآليات تغذية راجعة للتحسين)؛ والرصد والصيانة (متابعة الأداء ومعالجة الانحراف بإعادة التدريب وتجاوز تحديات التشغيل). وللنماذج غير الخاضعة للإشراف تغييرات: أهداف اكتشاف البنى الكامنة، وخوارزميات التجميع والمشفرات الذاتية والأساليب الإحصائية وتقليل الأبعاد، وتقييم بدرجات الظلية ومؤشرات صلاحية العناقيد، ورصد لتحولات الأنماط لا الدقة التنبؤية.

تعرض البنية المقترحة لتنفيذ واختبار نماذج الصيانة التنبؤية على معدات محطة EUROGATE ليماسول (ECTL) — المسؤولة عن أكثر من 90٪ من تجارة قبرص بنحو 500,000 حاوية TEU سنويًا، بأربع رافعات رصيف و36 ناقلة جانبية، وطول رصيف 800 م وعمق 16 م — في الشكل 2، بهدف نشر خوارزميات متنوعة على بيانات تاريخية لكشف (1) الشذوذ و(2) الأعطال في الناقلات الجانبية (SCs) المستخدمة للحركات الأفقية، إذ يحسّن التنبؤ الفعال أداءها ويقلل توقفها. وكما في الشكل 2، تُجرى مراحل التوليد والالتقاط والمعالجة في بوابات الحافة البعيدة التي تجمع من الحساسات ووحدات PLC للرافعات والناقلات، ثم تُرسل المعلومات المعالجة لبحيرة البيانات/التخزين فيستردها مكون التحليل المضمّن للخوارزميات ونماذج التعلم الآلي لصقل قضايا الصيانة المراد التنبؤ بها قبل أي عطل — متوافقة مع مفهوم سلسلة السحابة-الحافة-إنترنت الأشياء (continuum) بتوزيع ذكي للمعالجة، وهي جزء من مشروع aerOS الأوروبي [35]. واختيرت دراستا الحالة للتمثيلية والقابلية للتعميم: الشذوذ الهيدروليكي خفي وتدريجي بلا بيانات موسومة (مناسب للتقنيات غير الخاضعة للإشراف)، بينما أعطال ارتفاع الحرارة مفاجئة بتوقيعات واضحة (أتاحت التعلم الخاضع للإشراف) — مما يُظهر مرونة الإطار عبر أنواع الأعطال ونماذج التعلم. وتُراقب أربع ناقلات كهربائية مزودة بوحدات Omron CS1G-CPU44H (ذاكرة عمل 1.5 MB وبيانات 5 MB) تولّد سلاسل زمنية، مع حساسات ضغط هيدروليكي Danfoss MBS 3000 (دقة ±0.5٪ نموذجية) وحساسات ميل/تسارع IMUF99 واهتزاز VIM32PL وواجهة Kinco HMI وموجه Teltonika RUT240 4G — تُلتقط عبر تدفقات Node-RED [36] منخفضة الشيفرة على بوابات إنترنت الأشياء بالناقلات، وتُرسل عبر MQTT [37] لخادم الحافة ثم لبحيرات بيانات، وتُخزن في InfluxDB [38] مفتوحة المصدر مع توثيق الصحة والأعطال في LIMBLE (مباشرة من PLCs ويدويًا من الفنيين) — فيُستغل المصدران للتجارب والتحقيق.

4. دراسة الحالة 1: الشذوذ الهيدروليكي في الناقلات الجانبية

معظم المشغلات الميكانيكية داخل الناقلات الجانبية هيدروليكية — فرامل الانتظار والتوجيه والموزّع (spreader) — لذا تُعد مراقبة النظام الهيدروليكي وصحته والتنبؤ بهما حاسمة لتشغيل الآلة. ويستخدم النظام مضخات تعمل دفعات للحفاظ على الضغط فوق عتبة: فتُفعّل المضخة تحت العتبة الدنيا وتعمل باستمرار حتى العتبة العليا، مكونة منحنى ضغط-زمن شبه منشار معكوس بدورة نحو 60 ثانية عند خمول الناقلة. ويعتمد تكرار القمم على سلوك الرافعة اللحظي — فمهام كتشغيل الموزّع تتطلب ضغطًا أعلى فتُشعل المضخة أكثر. وأحداث كالتسرب أو انسداد الوصلات تؤثر بوضوح على الضغط أو دورة عمل المضخة (طلب ضغط مستمر لتعويض المفقود)، فبرصد دورة العمل (التي طبيعيًا نبضية فقط) يمكن كشف القضايا قبل أضرار جسيمة.

يُجرى كشف الشذوذ بمتغير مخصص من اختبار Kolmogorov–Smirnov المعتاد باستخدام المئوي 95 (اختير تجريبيًا كأعلى قيمة توفر متانة مرضية) بدل القيمة العظمى لمتانة أكبر أمام القيم المتطرفة في التوزيعات طويلة الذيل — وهو نهج إحصائي تقليدي رُئي أنسب لغياب الوسوم الكافية لتدريب نموذج خاضع للإشراف، فتُقارن إشارات الضغط بإشارات فترات التشغيل الصحيح المؤكد (توصيف السلوك). وبعد تنظيف وتنسيق بسيطين، تُبوّب كل مشاهدة في حالات حسب مجموعة المشغلات الهيدروليكية المستخدمة: قياس الضغط للموزّع (PM7) وفرامل الانتظار (PM33) وفرامل الخدمة (PM25) — فتولد التركيبات الثنائية ثماني حالات، لا تحدث بعضها (كاستخدام فرامل الخدمة مع فرامل الانتظار — الحالتان 1 و5)، وتتكرر الحالات 0 و2 و3 و6 فقط (الشكل 3: ضغط مخرج المضخة PM2 والإشارات الثلاث وشريط الحالات الملون وجدول التركيبات). وبتقسيم السلوك لهذه الحالات تتجانس دورة عمل المضخة من حيث طلب الضغط، فتشير الانحرافات ذات الصلة لشذوذ — تُرصد بمقارنة إحصائيات رئيسية للإشارات الهيدروليكية مع توزيع مرجعي محسوب لكل حالة من فترات السلامة المؤكدة، مركزين على الفترة بين القمم المتتالية (الشكل 4: التوزيع التراكمي للفترة بين قمم PM2 يختلف بين الحالات ويتسق داخل كل حالة).

تُجرى المقارنة بحساب بواقي المئويات بين المرجع وتوزيع الساعة الأخيرة لكل حالة، باعتبار مئويات مختلفة للقيمة المطلقة للبواقي. ويُحسب المقدّران q0.1 وq0.9 من توزيع |Fref(x) − Fobs(x)| حيث x ∈ [0,1] — فالقيم الأعلى لأي منهما تعني انحرافًا أكبر عن التشغيل المنتظم. لكن نظرًا لصغر مجموعة البيانات الموسومة يدويًا وعدم توازنها، اختيرت قاعدة قرار على q0.9 وحده لتفادي فرط التخصيص: فتُعد المشاهدة شاذة إذا تجاوز q0.9 عتبة تُحدد بمنحنى ROC (الشكل 5)، فالعتبة 1.5 (الدائرة الحمراء) تعطي نتائج القسم 4.3 — أفضل (أدنى) معدل إيجابيات كاذبة (الإحكام) دون المساس بمعدل الإيجابيات الحقيقية (1−الحساسية) الحاسم لتفويت أقل عدد من الإيجابيات. أما الإعداد التجريبي والنتائج: فلغياب الوسوم عالية الجودة استُخدم كشف شذوذ غير خاضع للإشراف باختبارات إحصائية على سلاسل زمنية للإشارات الهيدروليكية الأربع المقاسة كل 100 ms من يونيو إلى أكتوبر 2024 (4 GB إجمالًا)، فولّد قائمة طوابع شاذة محتملة بدرجات احتمال — وتحقق التحليل الإحصائي من دلالة القيم المتطرفة، وراجع خبير نطاقي مجموعة فرعية موسومة على مدى 5 أشهر متواصلة بمقاييس الإحكام والاستدعاء والدقة. وكما في مصفوفة الالتباس (الجدول 1): رُوجعت 499 مشاهدة رُفع منها 45 مشتبهًا، وأبلغ الفريق الهندسي عن 6 أحداث شاذة فعلية — فقُبض على 83٪ من الشذوذ الفعلي كمشاهدات محتملة، وبمقاييس ثنائية: دقة 91.8٪ وخصوصية (معدل السلبيات الحقيقية) 99.78٪ وإحكام 83.3٪ — فالإحكام الأهم هنا لأن كلفة السلبية الكاذبة (شذوذ غير مكتشف) أعلى بكثير من الإيجابية الكاذبة — والاستدعاء منخفض (11.1٪) لوفرة الإيجابيات الكاذبة. وتُظهر النتائج فعالية التقنية غير الخاضعة للإشراف في كشف شذوذ ذي معنى دون بيانات تدريب موسومة.

5. دراسة الحالة 2: كشف أعطال ارتفاع الحرارة في الناقلات الجانبية

يكشف هذا القسم دراسة حالة أعطال ارتفاع حرارة العاكس في الناقلات الجانبية — عطل حرج وقع ست مرات خلال 2024 يؤثر مباشرة على نظام التبريد فيرفع حرارة العاكس أو المحرك، وقد يتصاعد لإيقاف كامل للمحرك أو الناقلة مسببًا تأخيرات ومخاطر سلامة. ولتطوير النماذج وتقييمها اختيرت أربع من الحوادث الست المسجلة للتدريب وحُجزت اثنتان للاختبار — فيتعلم النموذج أنماط الأعطال التاريخية ويُختبر تعميمه على أحداث لم يرها. ويستند التحليل لبيانات قياس عن بُعد واقعية من 15 ناقلة جانبية عاملة في محطة EUROGATE ليماسول من وحدات PLC وحساسات (ضغط هيدروليكي وميل وتسارع واهتزاز) — أكثر من 200 قياس كل بضع دقائق تشغيل لكل ناقلة: حرارات العاكس والمحرك والمحرك الرئيسي والسرعة والعزم والضغط الهيدروليكي وأعلام الأخطاء، مع حرارة الجو من محطة طقس موقعية. ووُسمت البيانات يدويًا لفئتين (طبيعية/معطوبة): فالمعطوبة من الناقلات المشاركة في الحوادث المسجلة والطبيعية من الناقلات المتزامنة — ستة حوادث بين يناير وديسمبر 2024 (أربعة للتدريب واثنان للاختبار)، بحجم تدريب 8.1 MB (20,210 سجلًا: 13,860 طبيعيًا و6350 معطوبًا) واختبار 2.1 MB (5192 سجلًا: 3947 طبيعيًا و1245 معطوبًا). وفي المعالجة المسبقة مُلئت القيم المفقودة بمتوسط كل مقياس، وشُفّرت المتغيرات الفئوية one-hot، وقُيّست العددية بإزالة المتوسط والتحجيم لتباين وحدوي.

وللصيانة التنبؤية بالبيانات التاريخية قُيّمت خمسة نماذج تعلم آلي شائعة: (1) الشبكة العصبية الاصطناعية ANN (تلتقط علاقات معقدة غير خطية بطبقات خلايا تحول المدخلات وتمررها للطبقة التالية)؛ (2) شجرة القرار DT (قاعدية تقسّم البيانات حسب قيم الخصائص بهيكل شجري)؛ (3) الغابة العشوائية RF (تعلّم جماعي يبني أشجارًا متعددة على عينات وخصائص عشوائية ويجمع مخرجاتها لدقة أعلى وفرط تخصيص أقل)؛ (4) التعزيز المتطرف للتدرج XGBoost (تعزيز تدرجي محسّن يبني أشجارًا تتابعيًا لتقليل أخطاء التنبؤ بتنظيم يحسّن التعميم)؛ (5) بايز الساذج الغاوسي GNB (احتمالي بنظرية Bayes باستقلال مشروط للخصائص وتوزيع غاوسي لكل خاصية). وحُددت أهمية الخصائص بتدريب كل نموذج وحسابها بالنهج الموصى (أهمية التبديل لـ ANN، وأهمية الشوائب لـ DT وRF وXGBoost، ولوغاريتم المعاملات لـ GNB) ثم متوسط الأهمية والاحتفاظ بغير الصفرية، وطُبّق تحليل SHAP [39] على كل النماذج لتفسير مساهمة كل خاصية، وضُبطت فرط المعاملات ببحث شبكي متقاطع خماسي الطيات، وقُيّم الأداء بالدقة والإحكام والاستدعاء وF1.

استخدمت الدراسة بيانات العام (يناير–ديسمبر 2024) للتدريب والاختبار، وطُوّرت النماذج بـ Python 3.12.2 وإطار scikit-learn 1.5.2 على نظام AMD EPYC 7352 (24 نواة 2.3 GHz) وذاكرة 64 GB بنظام Ubuntu 22.04.4 LTS. ويسرد الجدول 2 الخصائص الـ 21 المختارة بمتوسط الأهمية: الأهم حرارات العواكس والمحركات للرفع (H) والقيادة (D) المتأثرة مباشرة بهذا العطل (H1InverterTemperature بقيمة 0.612 في الصدارة)، وحرارة الجو AmbientTemperature (0.198) مفيدة لتمييز ارتفاع الحرارة الجوي عن العطل، ويعمّق تحليل SHAP الأثر بمخطط الكمان (الشكل 6: المحور x قيمة SHAP — الموجب يدفع للتنبؤ بالعطل والسالب يخفض الخطر — والخصائص مرتبة تنازليًا بالألوان من الأزرق المنخفض للأحمر المرتفع): فتعتمد النماذج بشدة على حرارات المحركات والعواكس (H2InverterTemperature وH1MotorTemperature وH3InverterTemperature الأعلى) بانتشار واسع يوحي بعلاقات غير خطية قوية حاسمة للكشف، بينما AmbientTemperature وEngineErrorSlot3 متوسطتا الأثر وعزوم وسرعات المرجع أقل. وضُبطت فرط المعاملات بالبحث الشبكي والتحقق المتقاطع الخماسي (الجدول 3: ANN — حجم دفعة 64 وحقبات 20 وإسقاط 0.0 و128 خلية ومحسّن adam وتقسيم تحقق 0.1؛ وDT — ccp_alpha ‏0.001 ومعيار gini وعمق غير محدود وورقة دنيا 1 وتقسيم دنيا 2 ومقسّم عشوائي؛ وRF — معيار entropy وعمق غير محدود و10 خصائص قصوى و100 مقدّر؛ وXGBoost — عينة أعمدة 0.6 ومعدل تعلم 0.1 وعمق 3 و300 مقدّر وعينة فرعية 0.6؛ وGNB — تجانس 1.0 — بفضاءات مستمدة من الأدبيات والتوثيق [40–42]). وتُظهر منحنيات التعلم (الشكل 7) التقارب والتعميم: فدقة وخسارة ANN (أ، ب) تتقاربان لصفر خلال 3 حقبات بسعة كافية دون نقص تخصيص؛ وخسارة اللوغاريتم لـ XGBoost (ج) تنخفض بسلاسة بتداخل وثيق للمنحنيين (تعميم قوي وفرط تخصيص ضئيل)؛ ومنحنيات DT وRF (د، هـ) بدقة تدريب مثالية (فرط تخصيص) وتحقق يتقلب ثم يستقر عند 90٪؛ ومنحنى GNB (و) بانخفاض تدريجي لدقة التدريب وتقارب التحقق عند 97٪ (توازن متحيز-تباين جيد). ويعرض الجدول 4 الأداء على الاختبار (والشكل 8 المصفوفات): تتفوق ANN بكل المقاييس (دقة 98.73٪ وإحكام 97.5٪ واستدعاء 99.0٪ وF1 ‏98.0٪) لقدرتها على العلاقات غير الخطية وتمثيلات الخصائص المعقدة، وتتساوى RF وXGBoost (دقة 95.32٪ وF1 ‏93.0٪) — ولم تصنف ANN أي نقطة طبيعية كمعطوبة إلا إيجابيات كاذبة قليلة (2٪)، بينما حققت RF وXGBoost صفر إيجابيات كاذبة — ثم GNB (دقة 94.78٪ وF1 ‏92.5٪) لافتراض الاستقلال القوي، وأخيرًا DT (دقة 94.41٪ وF1 ‏91.5٪) لارتفاع سلبياتها الكاذبة رغم صفر الإيجابيات الكاذبة. وتشير النتائج لالتقاط ANN الفعال للتبعيات الزمنية وملاءمتها العالية للصيانة التنبؤية.

6. النقاش

رغم أن الدراسة تقدم حلول PdM بتطوير نماذج تعلم آلي، فإنها تقدم فوائد تحويلية لمحطات الحاويات والموانئ كحجر زاوية للكفاءة التشغيلية وموثوقية الأصول: فبتوظيف إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي والتحليلات المتقدمة تُمكّن الكشف المبكر للشذوذ والأعطال المحتملة فيقل التوقف غير المتوقع وتُضمن سلاسة العمليات — إذ تُجرى مراحل التوليد والالتقاط والمعالجة في بوابات الحافة البعيدة الجامعة من الحساسات ووحدات PLC ثم تُرسل لمكون التحليل المضمّن للخوارزميات والنماذج للتنبؤ قبل أي عطل. ويطيل النهج عمر الآلات الحرجة (الرافعات والرافعات الشوكية والسيور) ويحسّن جدولة الصيانة فيخفض تكاليف العمالة ويمنع الإصلاحات الطارئة المكلفة، ويساعد صناع السياسات ومديري المحطات في الجدولة ومخزون قطع الغيار الأمثل وإدارة السلامة والمخاطر وتقليل التأخيرات التشغيلية.

وفي هذا السياق، تخطط أدوات الصيانة الوقائية الحالية في محطة EUROGATE ليماسول المهام حسب ساعات تشغيل — نهج دون الأمثل لا يزيل الأعطال غير المتوقعة لمكونات CHE فيحدث خمول غير مرغوب بساعات التشغيل، ومع توقف إجمالي مقدر في 2023 بنحو 900 ساعة يُتوقع أن تخفض نماذج التعلم الآلي المقترحة خمول المعدات من الأعطال كثيرًا، فتحقق المحطة قيمة أعمال بخفض التكاليف وأدنى التأخيرات والتوقفات والاستدامة وإنتاجية أعلى وسمعة قوية (تجذب خطوط شحن أكثر). وواجهت الدراسة تحديات أبرزها شح البيانات الواقعية خاصة السجلات المعطوبة من ميناء ليماسول وصعوبة مشاركة المشغلين لبياناتهم مما يعيق التحقق عبر البيئات والموانئ، وقيد شح السجلات المعطوبة وجهد التوسيم اليدوي الكبير للقياس التاريخي وفق الحوادث المسجلة، وتحدي الاعتماد على بيانات الحساسات إذ تؤثر الجودة والاتساق على الدقة، واحتمال حاجة النماذج المدربة لإعادة تدريب للتكيف مع بيئات ذات عوامل تشغيلية فريدة.

7. الاستنتاجات

تدرس الدراسة استخدام ذكاء اصطناعي/تعلم آلي متنوع لخدمة صيانة تنبؤية حاسمة لكفاءة محطات الحاويات وسلامتها، ببيانات جُمعت من محطة EUROGATE للحاويات في ميناء ليماسول بقبرص — بيانات تشغيلية طبيعية ومعطوبة على مدى سنتين لتدريب النماذج المطورة والتحقق منها. فمن جهة، نُفذ نموذج إحصائي تقليدي غير خاضع للإشراف للنظام الهيدروليكي للناقلات الجانبية لغياب الوسوم المناسبة، محققًا إحكامًا قدره 83.3٪ — وهو المقياس الأهم نظرًا لتفاوت كلفة السلبيات الكاذبة (شذوذ غير مكتشف) عن الإيجابيات الكاذبة. ومن جهة أخرى، طُوّرت خمسة نماذج (ANN وDT وRF وXGBoost وGNB) ببيانات تاريخية واقعية لكشف أعطال ارتفاع حرارة العاكس من تعطل المراوح وانسداد المرشحات وقضايا ذات صلة: فحققت ANN أعلى دقة 98.7٪ في التنبؤ بالشذوذ، تليها RF وXGBoost بالقيمة نفسها 95.3٪، بينما لم تُحسن DT وGNB الأداء (نحو 94٪).

وكعمل مستقبلي، يلزم مزيد من الاختبار للتحقق من نهج كشف الشذوذ الهيدروليكي وتعزيزه لأن البيانات المستخدمة ضمت شذوذًا قليلًا — وسيُجرى توسيعها أو تطبيق النموذج على سيناريوهات مماثلة مستقبلًا. كما نخطط لتوسيع مهام الصيانة التنبؤية القائمة على التعلم الآلي لأنواع أعطال أخرى كالمحرك والفرامل وقضايا العاكس الأخرى.

Abstract

Maritime transportation plays a critical role in global containerized cargo logistics, with seaports serving as key nodes in this system. Ports are responsible for container loading and unloading, along with inspection, storage, and timely delivery to the destination, all of which heavily depend on the performance of the container handling equipment (CHE). Inefficient maintenance strategies and unplanned maintenance of the port equipment can lead to operational disruptions, including unexpected delays and long waiting times in the supply chain. Therefore, the maritime industry must adopt intelligent maintenance strategies at the port to optimize operational efficiency and resource utilization.

Towards this end, this study presents a machine learning (ML)-based approach for predicting faults in CHE to improve equipment reliability and overall port performance. Firstly, a statistical model was developed to check the status and health of the hydraulic system, as it is crucial for the operation of the machines. Then, several ML models were developed, including artificial neural networks (ANNs), decision trees (DTs), random forest (RF), Extreme Gradient Boosting (XGBoost), and Gaussian Naive Bayes (GNB) to predict inverter over-temperature faults due to fan failures, clogged filters, and other related issues.

From the tested models, the ANNs achieved the highest performance in predicting the specific faults with a 98.7% accuracy and 98.0% F1-score.

1. Introduction

The maritime industry is considered the backbone of international trade, moving more than 80% of goods around the globe [1–3]. The OECD "Ocean Economy in 2030" report predicts maritime industries will double their global value creation by 2030, driven by shipping, shipbuilding, marine equipment and offshore energy demand [2] — predictions fully dependent on technological innovation. Pre- and post-COVID-19 economic growth and rising cargo volumes drove ports to expand capacity unexpectedly, with shipping lines and alliances concentrating capacity in fewer ports serving more ships, and vessel sizes growing (from an average 1k TEUs in the 1970s to 7.7k TEUs ordered today [4]), shifting congestion pressure onto terminals and demanding optimal handling performance — amid persistent bottlenecks: inefficiencies, labor accidents, energy consumption and emissions.

In parallel, new digitization paradigms — cloud-edge computing, IoT, big data and machine learning — created new possibilities leading to Industry 4.0 [5], with Port 4.0 services connecting all equipment and systems in real time for seamless data exchange and more automated, interoperable solutions at lower risk, cost and lead time [6]. Timely fault detection is therefore crucial to avoid long downtime and performance degradation [7, 8]. With growing seaborne trade and ship numbers, congestion and safety problems arose in ports worldwide [9] — Figure 1 shows the EUROGATE Container Terminal Limassol (ECTL) at the Port of Limassol, Cyprus, which provided the operational data and real-world evaluation. Many terminal decisions and inspections remain manual (machine health, container seals), hindering efficiency [10], and unplanned maintenance of quay cranes and straddle carriers degrades terminal performance — demanding the latest fault-detection and fast-maintenance technologies. Intelligent fault detection and predictive maintenance reduce unplanned activities: predictive maintenance (PdM) gives up-to-date health knowledge, avoiding both waiting for shutdowns (reactive maintenance) and unnecessary servicing (preventive maintenance), especially for STS and RTG cranes, straddle carriers and reach stackers needing optimal maintenance under heavy loads, long hours and diverse weather.

Traditionally, CHE preventive maintenance used SCADA systems with human-coded thresholds, warning rules and configurations — a semi-manual approach ignoring complex dynamic machine behavior and whole-process contextual data. Thanks to AI and IoT advances, ML-based solutions are the next functional step toward cost savings, predictability and availability — training algorithms to detect anomalies and test correlations across IoT data streams from sensors, PLCs and weather stations; deep reinforcement learning such as DDPG has been effectively employed for joint time and energy management in intelligent sensors [11]. ML-based PdM now plays essential roles across aircraft engines [12, 13], smart vehicles [14], energy systems [15–18], elevators [19] and marine engines [3, 20, 21]. This work proposes and tests an ML framework for PdM of CHE at smart ports with threefold contributions: (1) a comprehensive data-collection framework designed and deployed at the Port of Limassol terminal — multiple sensors on straddle carriers and other CHE plus frameworks gathering real-time operational data, extensively preprocessed (cleaned, structured) for integrity and usability; (2) five ML models for CHE over-temperature faults (ANNs, DTs, RF, XGBoost, GNB) plus a tailored statistical model for straddle-carrier hydraulic anomaly detection; (3) extensive validation experiments in real-world PdM scenarios. The remainder: Section 2 literature review, Section 3 methodology, Sections 4–5 the two case studies (hydraulic anomalies; inverter over-temperature prediction), Section 6 discussion, Section 7 conclusions.

2. Literature Review

Predictive maintenance applied over recent decades in industrial settings improved maintenance scheduling, avoided downtime and balanced cost–benefit [22–24]; refined techniques with AI/ML algorithms represent a breakthrough — though AI/ML-led models are yet to reach terminal yard machinery, prior examples illustrate expected results. The automobile industry applied PdM to air-pressure systems, comparing two ML classifiers to save money by predicting faults [25]; Shafi et al. [14] predict faults in four vehicle subsystems (ignition, fuel, cooling, exhaust) from normal/faulty driving data with four classifiers (decision tree, SVM, random forest, nearest neighbor). Manufacturing benefits similarly: a production-line PdM system using IoT data with Random Forest and XGBoost detects failures ahead of time [26, 27], with deeper systematic reviews in [23, 28].

For aircraft, a PdM engine model using autoregressive moving average (ARMA) compared six data-driven models with SVM on top [12]; a novel hybrid DQINN (deep belief network plus quantum-inspired neural network) for fuel systems achieved higher accuracy [13]. For wind turbines, a Random Forest model with three modules (per-turbine predictor, a monitoring agent predicting next-hour failures every 10 min, and a visualization dashboard) was built [15], and a DNN on lubricant-pressure data for gearbox health beat counterparts on real Chinese wind-farm data [29]. In maritime, a systematic big-data/ML approach for marine-engine PdM was validated in a Norwegian-shipping-company case study with good accuracy [20]; studies [21, 30] predict ship-engine and component faults effectively; and an ML approach for ship electrical propulsion PdM [3] uses Balanced Random Forest with multiple-instance learning on event logs to predict failure likelihood, time-to-failure and explainable predictions for timely crew intervention over two years of seagoing events, outperforming alternatives.

Ref. [31] explored PdM feasibility for container-handling cranes with traditional ML (logistic regression, genetic algorithm) on four years of simulated synthetic data for hoist motor and gearbox — the genetic algorithm winning. Ref. [32] proposed AI-driven PdM for port handling equipment from maintenance logs: real data from a Tunisian port trained a supervised K-Nearest Neighbors model on 13 features to classify forklift status (working/failing) with only 64% average accuracy under 5-fold cross-validation on very small data. Overall, much PdM work exists across industries, but maritime still needs substantial work for higher port — especially container-terminal — performance: no literature methods specifically target port-machinery fault prediction from operational data. This study therefore investigates lightweight ML models (ANN, DT, RF, XGBoost, GNB) for container terminals, since advanced deep learning demands substantial compute, longer training and heavier tuning — challenging real-time edge inference and deployment — selecting models for computational efficiency, interpretability and deployability on resource-constrained edge devices such as industrial sensors and IoT gateways.

3. Proposed Methodology for PdM

The proposed IoT-, big-data- and ML-integrating predictive maintenance approach addresses key technical challenges for port machinery such as CHE: effective ML needs sufficient historical data capturing past-failure patterns (mechanical properties, usage rates, operating conditions). Labeled real-world-condition data is often hard to obtain from limited fault occurrences and sensor noise, and robust validation in such imbalanced scenarios is a key challenge since standard metrics may misrepresent rare-event detection. Even with comprehensive datasets, model selection, training and deployment must fit infrastructure compute constraints — cloud computing supports predictive analytics but remote-server models introduce high latencies and delayed responses depending on connectivity, while edge technology running models locally optimizes predictive-analytics speed and performance — necessitating lightweight models that may preclude complex deep architectures.

A complete data-cycle management toolset provides end-to-end processing by design, adding value at every step through well-defined APIs and user interfaces that cut data-management complexity and improve information reliability, decision certainty, operational performance and profitability. This article's methodology integrates the following data operations per [33]: Generation (organic with digitization — here operational data from PLCs on each SC); Capture (incorporating data into an analytics platform via industrial/computer protocol reads — here Node-RED custom flows on wired IoT gateways per SC acquiring PLC/sensor data and transmitting via MQTT to an edge server); Processing (preprocessing for quality and robustness: deduplication, empty/invalid-field removal, missing-value filling, timestamp synchronization, plus calibration converting raw binary/unitless PLC data into meaningful physical units, mitigating sensor degradation and calibration inconsistency); Storage (reliable, accessible, scalable FAIR-principle systems — time-series in InfluxDB; machine-health, fault-log and maintenance records in LIMBLE, a private cloud-based CMMS at EUROGATE); Analysis (advanced extraction: aggregations, statistics inference, meaningful-block determination, inferred-data association — here InfluxDB plus LIMBLE sourcing ML development: statistical aggregations, event detection, correlation inference, fault classification); Visualization (clear human-interpretable presentation — one graph can encode tens of gigabytes — balancing aesthetics, functionality and visual perception).

Understanding the ML-model life cycle is crucial for port applications; following [34]: Problem Definition and Data Acquisition/Collection (port experts set clear objectives; collect goal-relevant data); Data Preprocessing (exploration of distributions, relationships and bias; cleaning noise/errors; feature engineering for predictive power; train/validation/test splitting for unbiased evaluation); Model Selection and Training (suitable classification/regression algorithms with hyperparameter tuning and cross-validation for robustness); Model Evaluation (accuracy, precision, recall, F1-score against terminal needs); Deployment (integration into existing systems with scalability, efficiency and post-deployment feedback refinement); Monitoring and Maintenance (continuous performance monitoring, drift-triggered retraining, operational-challenge handling). For unsupervised models the approach shifts: objectives around inherent-structure discovery; clustering, autoencoders, statistical or dimensionality-reduction algorithms; silhouette-score, cluster-validity or qualitative evaluation; monitoring for data-pattern shifts rather than predictive accuracy.

The proposed architecture for implementing and testing ML-based PdM over CHEs at EUROGATE Container Terminal Limassol (ECTL) — supporting over 90% of Cyprus trade at ~500,000 TEUs/year with four quay cranes and 36 straddle carriers, 800 m quay length and 16 m depth — is shown in Figure 2: deploy ML algorithms on historical data to detect (1) anomalies and (2) faults in straddle carriers (SCs) performing horizontal port movements, since efficient SC fault prediction boosts performance and cuts machine downtime. As Figure 2 shows, generation, capture and processing run in far-edge gateways collecting sensor and STS/straddle PLC data; processed information flows to the data-lake/storage block, retrieved by the analysis component embedding the algorithms and ML models refining maintenance issues to predict before any failure — aligned with the cloud-edge-IoT continuum concept distributing intelligence across edge and cloud layers, as part of the aerOS EU Project [35]. The two case studies ensure representativeness and generalizability: hydraulic anomalies are subtle, gradual and unlabeled (suited to unsupervised techniques), while over-temperature faults are abrupt with clear failure signatures (allowing supervised learning) — demonstrating framework flexibility across fault types and learning paradigms. Four electric SCs are monitored with Omron CS1G-CPU44H PLCs (1.5 MB program work memory, 5 MB data storage) generating operational time-series, plus Danfoss MBS 3000 hydraulic pressure transmitters (≤±0.5% typical accuracy), IMUF99 inclination/acceleration sensors, VIM32PL vibration sensors, a Kinco HMI and Teltonika RUT240 4G routers — captured via low-code Node-RED [36] custom flows on SC-mounted IoT gateways, transmitted over MQTT [37] to an edge server and onward to data lakes, stored in open-source InfluxDB [38] time-series database with health/fault/maintenance records in LIMBLE (directly from PLCs plus manual technician input) — both platforms exploited for experiments.

4. Case Study 1: Hydraulic Anomalies on Straddle Carriers

Most mechanical actuators inside straddle carriers are hydraulic — parking brake, steering, spreader — so monitoring and predicting hydraulic-system status and health is crucial. Every industrial hydraulic system uses burst-working pumps to hold pressure above a threshold: under normal SC operation the pump activates below a lower threshold and runs continuously to an upper threshold, creating a roughly inverted sawtooth pressure–time curve with ~60 s period when idle. Peak frequency strongly depends on momentary crane behavior — spreader operation demands higher pressure and fires the pump more often. Events such as leaks or clogged fittings noticeably impact system pressure or pump duty cycle (e.g. continuous pressure requests replacing leak-lost air), so monitoring the normally pulsing pump duty cycle can catch issues before significant damage.

Anomaly detection uses a custom variation of the usual Kolmogorov–Smirnov test with the 95th percentile (95 chosen experimentally as the highest value giving satisfactory robustness) instead of the supremum for robustness against extreme values in long-tailed distributions — a traditional statistical approach deemed more suitable given insufficient labels for supervised ML, comparing pressure signals against verified-correct-operation periods (behavior characterization). After simple cleanup and formatting, each observation is binned into states by which hydraulic-actuator subset is in use: spreader pressure measurement (PM7), parking brake (PM33), service brakes (PM25) — binary combinations yielding eight states, some never occurring (service brakes with parking brake engaged — states 1 and 5), with only states 0, 2, 3 and 6 regular (Figure 3: pump-output pressure PM2, the three state-determining signals PM7/PM25/PM33, the color-bar state, and the combination table). Segregating behavior into states homogenizes pump duty cycle in pressure demand, so relevant deviations indicate anomalies — observed by comparing key hydraulic-signal statistics against per-state reference distributions from guaranteed-working-order periods, focusing on the consecutive-peak period (Figure 4: cumulative consecutive-peak-period distribution of PM2 differs across states yet stays consistent within each).

Comparison computes residuals between reference quantiles and most-recent-hour distribution quantiles per state across different quantiles of absolute residuals. The two anomaly-flagging estimators are q0.1 and q0.9 from the distribution of |Fref(x) − Fobs(x)| for x ∈ [0,1] — higher values of either indicating larger deviation from regular operation. Given the small hand-labeled, unbalanced dataset, a decision rule on q0.9 alone was chosen to avoid overfitting: an observation is anomalous if q0.9 exceeds a ROC-curve-determined threshold (Figure 5); threshold 1.5 (red circle) gives the Section-4.3 results — the best (lowest) False Positive Rate (precision) without compromising the True Positive Rate (1 − sensitivity), crucial to miss as few true positives as possible. Experimental setting and results: lacking high-quality labels, unsupervised statistical-test anomaly detection ran on four hydraulic-signal time series sampled every 100 ms from June to October 2024 (4 GB total), generating potentially anomalous timestamps with rarity likelihood scores — statistical analysis validated outlier significance, and a domain expert manually reviewed a flagged subset over a continuous 5-month period (June–October 2024) under precision, recall and accuracy metrics. As the left confusion matrix (Table 1) shows: 499 timestamps considered, 45 flagged potentially anomalous, against six actual anomalous events reported by the engineering team — 83% of actual anomalies correctly flagged, with binary metrics of 91.8% accuracy, 99.78% specificity (True Negative Rate) and 83.3% precision — precision being most relevant since a false negative (undetected anomaly) costs far more than a false positive — and low recall (11.1%) from many false positives. Results show the unsupervised technique effectively identifies meaningful anomalies without labeled training data.

5. Case Study 2: Detecting Overtemperature Faults in Straddle Carriers

This section covers inverter over-temperature faults in straddle carriers — a critical fault occurring six times during 2024, directly affecting SC cooling systems with elevated inverter or engine temperatures that can escalate to complete engine or straddle-carrier shutdown with operational delays and safety risks. To develop and evaluate ML models, four of the six recorded incidents trained the models while two were reserved for testing — learning historical failure patterns and testing generalization to unseen events. Analysis uses real-world telemetry from 15 SCs at EUROGATE Container Terminal Limassol from straddle-carrier PLCs and sensors (hydraulic pressure, inclination, acceleration, vibration) — over 200 measurements every few operating minutes per SC: inverter, motor and engine temperatures, speed, torque, hydraulic pressure and error flags, plus on-site weather-station ambient temperatures. Data were manually labeled into two classes (normal/faulty): faulty from incident-involved SCs, normal from simultaneously operating SCs — six inverter over-temperature incidents from January to December 2024 (four training, two testing), with training size 8.1 MB (20,210 records: 13,860 normal, 6350 faulty) and testing 2.1 MB (5192 records: 3947 normal, 1245 faulty). Preprocessing filled missing values with per-metric means, one-hot-encoded categoricals, and standardized numericals (mean removal, unit-variance scaling).

Five popular ML models were evaluated for history-based PdM: (1) Artificial Neural Network (ANN — captures complex nonlinear relationships via neuron layers transforming inputs onward); (2) Decision Tree (DT — rule-based splitting by feature values into a decision tree); (3) Random Forest (RF — ensemble of trees on random data/feature subsets with combined outputs for accuracy and reduced overfitting); (4) Extreme Gradient Boosting (XGBoost — optimized sequential tree-ensemble gradient boosting with regularization for generalization); (5) Gaussian Naive Bayes (GNB — Bayes-theorem probabilistic classifier with conditionally independent Gaussian features). Feature importance came from per-model recommended approaches (permutation importance for ANN, impurity-based for DT/RF/XGBoost, log-coefficients for GNB), averaged per variable keeping non-zero features, plus SHAP (SHapley Additive exPlanations) analysis [39] on all models for per-feature prediction contributions; hyperparameters were grid-search-optimized under 5-fold cross-validation, with accuracy, precision, recall and F1-score evaluation.

This study uses full-year data (January–December 2024) to train and test inverter over-temperature fault ML models, developed in Python 3.12.2 with scikit-learn 1.5.2 on an AMD EPYC 7352 24-core (2.3 GHz), 64 GB RAM, Ubuntu 22.04.4 LTS machine. Table 2 lists the 21 selected features with average importance: top features are hoist (H) and drive (D) inverter and motor temperatures directly impacted by this failure (H1InverterTemperature leading at 0.612), with AmbientTemperature (0.198) helping distinguish weather-driven from fault-driven temperature rises; SHAP analysis visualized in the Figure-6 violin plot (x-axis SHAP value — positive pushing toward failure prediction, negative toward reduced risk — features ranked top-down, blue-to-red low-to-high values) shows heavy reliance on motor/inverter temperatures (H2InverterTemperature, H1MotorTemperature, H3InverterTemperature highest) with wide spreads indicating strong nonlinear target relationships critical to the decision boundary, moderate AmbientTemperature and EngineErrorSlot3 influence, and smaller torque/speed-reference effects. Hyperparameters were grid-search-tuned under 5-fold cross-validation (Table 3: ANN — batch size 64, 20 epochs, 0.0 dropout, 128 neurons, adam optimizer, 0.1 validation split; DT — ccp_alpha 0.001, gini, unlimited depth, min leaf 1, min split 2, random splitter; RF — entropy, unlimited depth, 10 max features, 100 estimators; XGBoost — 0.6 colsample_bytree, 0.1 learning rate, depth 3, 300 estimators, 0.6 subsample; GNB — 1.0 var_smoothing — spaces from literature and documentation [40–42]). Learning curves (Figure 7) diagnose convergence: ANN accuracy/loss (a, b) converge near zero within three epochs with sufficient capacity and no underfitting; XGBoost log-loss (c) declines smoothly with closely overlapping curves (strong generalization, minimal overfitting); DT and RF curves (d, e) show perfect training accuracy (overfitting) with validation fluctuating then plateauing ~90%; GNB (f) shows gradually declining training accuracy converging with validation ~97% (good bias–variance balance). Table 4 test results (Figure 8 confusion matrices): ANN leads on all metrics (98.73% accuracy, 97.5% precision, 99.0% recall, 98.0% F1) via nonlinear sensor-to-fault relationships and multilayered representations; RF and XGBoost tie (95.32% accuracy, 93.0% F1) — ANN misclassified no normal points as faulty beyond a few (2%) false positives, while RF/XGBoost had zero false positives — then GNB (94.78% accuracy, 92.5% F1) on its strong feature-independence assumption, and DT last (94.41% accuracy, 91.5% F1) from higher false negatives despite zero false positives. ANN effectively captures temporal dependencies, suiting it highly to predictive maintenance.

6. Discussion

While developing ML predictive models for container terminals, this study also offers transformative terminal/port benefits as a cornerstone of operational efficiency and asset reliability: leveraging IoT, AI/ML and advanced analytics enables early anomaly and failure detection, minimizing unexpected downtime and ensuring seamless operations — with generation, capture and processing in far-edge gateways collecting sensor and straddle-PLC data, then transmitting to the analysis component embedding prediction algorithms and ML models ahead of any failure. This extends critical-machinery lifespan (cranes, forklifts, conveyor belts), optimizes maintenance scheduling, cuts labor costs and prevents costly emergency repairs, and aids policymakers and terminal managers in maintenance scheduling, optimized spare-parts inventory, safety and risk management, and minimized operational delays.

In that sense, current preventive tools at EUROGATE Container Terminal Limassol schedule maintenance by working hours — a sub-optimal approach insufficient against unexpected CHE-component failures, causing undesired operational-hour idle times; with total 2023 downtime estimated at 900 h, the proposed ML models should significantly cut failure-driven CHE idle time, delivering business value in cost reduction, minimal unexpected-failure delays and downtime, sustainability, increased throughput and strong reputation (attracting more shipping lines). Model development faced challenges led by scarce real-world data — particularly faulty records from the Port of Limassol — with operators' data-sharing reluctance hampering cross-environment/port validation; the significant limitation of scarce faulty records and heavy manual labeling of historical telemetry against recorded incidents; sensor-data reliance challenging autonomous fault detection through data quality and consistency effects on accuracy; and likely retraining needs for different environments with unique operational factors despite promising terminal-specific results.

7. Conclusions

This study investigates diverse AI/ML for a predictive maintenance service paramount to container-terminal efficiency and safety, with data collected at the EUROGATE Container Terminal, Port of Limassol, Cyprus — both faulty and normal operational data over two years for training and validating the developed ML models. On one hand, a traditional unsupervised statistical model for straddle-carrier hydraulics was implemented for lack of labels, achieving 83.3% precision — the most relevant metric given the disproportionate cost of false negatives (undetected anomaly) over false positives. On the other hand, five models (ANN, DT, RF, XGBoost, GNB) were developed on real-world historical data to detect inverter over-temperature faults from fan failures, clogged filters and related issues: ANN achieves 98.7% anomaly-prediction accuracy, followed by RF and XGBoost at the same 95.3%, while DT and GNB perform worse at around 94%.

As future work, further testing must validate and enhance the hydraulic-anomaly-detection approach since the dataset contained few anomalies — expanding it or applying the model to similar scenarios will follow. Furthermore, we plan to extend ML-based predictive maintenance to other fault types such as engine, brake and other inverter issues.

References

  1. [1] S. Aslam, M. P. Michaelides and H. Herodotou, "Optimizing Multi-Quay Combined Berth and Quay Crane Allocation Using Computational Intelligence," J. Mar. Sci. Eng., vol. 12, 1567, 2024.
  2. [2] A. S. Kalafatelis et al., "A Survey on Predictive Maintenance in the Maritime Industry Using Machine and Federated Learning," TechRxiv, 2024.
  3. [3] A. Bakdi, N. B. Kristensen and M. Stakkeland, "Multiple Instance Learning with Random Forest for Event Logs Analysis and Predictive Maintenance in Ship Electric Propulsion System," IEEE Trans. Ind. Inform., vol. 18, pp. 7718–7728, 2022.
  4. [4] "Global Fleet Capacity to Bulge as More Containerships Are Delivered in 2018," gcaptain.com, 2018.
  5. [5] M. Z. Yaqub and A. Alsabban, "Industry-4.0-Enabled Digital Transformation: Prospects, Instruments, Challenges, and Implications for Business Strategies," Sustainability, vol. 15, 8553, 2023.
  6. [6] D. Zhu et al., "A Hybrid Model Integrating Fuzzy Systems and Convolutional Factorization Machine for Delivery Time Prediction in Intelligent Logistics," IEEE Trans. Fuzzy Syst., vol. 33, pp. 406–417, 2024.
  7. [7] Y. Qiao et al., "A Multihead Attention Self-Supervised Representation Model for Industrial Sensors Anomaly Detection," IEEE Trans. Ind. Inform., vol. 20, pp. 2190–2199, 2023.
  8. [8] G. Lu et al., "Online Degradation Fault Prognosis for DC-Link Capacitors in Multistring-Connected Photovoltaic Boost Converters," IEEE J. Emerg. Sel. Top. Power Electron., vol. 13, pp. 1107–1117, 2024.
  9. [9] S. Aslam, M. P. Michaelides and H. Herodotou, "Internet of Ships: A Survey on Architectures, Emerging Applications, and Challenges," IEEE Internet Things J., vol. 7, pp. 9714–9727, 2020.
  10. [10] S. Aslam et al., "Emerging IoT Applications and Architectures for Smart Maritime Container Terminals," in Proc. IEEE WF-IoT, Aveiro, Portugal, pp. 1–6, 2023.
  11. [11] K. Zheng et al., "DDPG-Based Joint Time and Energy Management in Ambient Backscatter-Assisted Hybrid Underlay CRNs," IEEE Trans. Commun., vol. 71, pp. 441–456, 2022.
  12. [12] M. Baptista et al., "Forecasting Fault Events for Predictive Maintenance Using Data-Driven Techniques and ARMA Modeling," Comput. Ind. Eng., vol. 115, pp. 41–53, 2018.
  13. [13] Z. Gao et al., "Deep Quantum Inspired Neural Network with Application to Aircraft Fuel System Fault Diagnosis," Neurocomputing, vol. 238, pp. 13–23, 2017.
  14. [14] U. Shafi et al., "Vehicle Remote Health Monitoring and Prognostic Maintenance System," J. Adv. Transp., vol. 2018, pp. 1–10, 2018.
  15. [15] M. Canizo et al., "Real-Time Predictive Maintenance for Wind Turbines Using Big Data Frameworks," in Proc. IEEE ICPHM, Dallas, TX, USA, pp. 70–77, 2017.
  16. [16] X. Xu et al., "Lightweight Anomalous Detection of Hydro Turbine Operation Sound Using Fusion Network Enhanced by Load Information," IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 74, 9600213, 2025.
  17. [17] T. Wu et al., "Data-Driven Fatigue Reliability Evaluation of Offshore Wind Turbines under Floating Ice Loading," J. Struct. Eng., vol. 150, 05024004, 2024.
  18. [18] X. Wang et al., "Interpretability Study of a Typical Fault Diagnosis Model for Nuclear Power Plant Primary Circuit Based on a Graph Neural Network," Reliab. Eng. Syst. Saf., vol. 261, 111151, 2025.
  19. [19] Q. Wang et al., "Elevator Fault Diagnosis Based on Digital Twin and PINNs-e-RGCN," Sci. Rep., vol. 14, 30713, 2024.
  20. [20] V. J. Jimenez, N. Bouhmala and A. H. Gausdal, "Developing a Predictive Maintenance Model for Vessel Machinery," J. Ocean Eng. Sci., vol. 5, pp. 358–386, 2020.
  21. [21] Y. Raptodimos and I. Lazakis, "Application of NARX Neural Network for Predicting Marine Engine Performance Parameters," Ships Offshore Struct., vol. 15, pp. 443–452, 2020.
  22. [22] J. T. Renwick and P. E. Babson, "Vibration Analysis — A Proven Technique as a Predictive Maintenance Tool," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-21, pp. 324–332, 1985.
  23. [23] Z. M. Çınar et al., "Machine Learning in Predictive Maintenance Towards Sustainable Smart Manufacturing in Industry 4.0," Sustainability, vol. 12, 8211, 2020.
  24. [24] H. Hu et al., "Fault Detection for Point Machines: A Review, Challenges, and Perspectives," Actuators, vol. 12, 391, 2023.
  25. [25] M. M. Akarte and N. Hemachandra, "Predictive Maintenance of Air Pressure System Using Boosting Trees: A Machine Learning Approach," in Proc. ORSI Annual Convention, Mumbai, India, 2018.
  26. [26] M. H. Abidi et al., "Predictive Maintenance Planning for Industry 4.0 Using Machine Learning for Sustainable Manufacturing," Sustainability, vol. 14, 3387, 2022.
  27. [27] S. Ayvaz and K. Alpay, "Predictive Maintenance System for Production Lines in Manufacturing: A Machine Learning Approach Using IoT Data in Real-Time," Expert Syst. Appl., vol. 173, 114598, 2021.
  28. [28] T. Zonta et al., "Predictive Maintenance in the Industry 4.0: A Systematic Literature Review," Comput. Ind. Eng., vol. 150, 106889, 2020.
  29. [29] L. Wang et al., "Wind Turbine Gearbox Failure Identification with Deep Neural Networks," IEEE Trans. Ind. Inform., vol. 13, pp. 1360–1368, 2016.
  30. [30] I. Lazakis, C. Gkerekos and G. Theotokatos, "Investigating an SVM-Driven, One-Class Approach to Estimating Ship Systems Condition," Ships Offshore Struct., vol. 14, pp. 432–441, 2019.
  31. [31] M. Burger et al., "Predictive Maintenance Powered by Machine Learning and Simulation," in Proc. WSC, Singapore, pp. 2807–2818, 2022.
  32. [32] M. Chaibi and J. Daghrir, "Artificial Intelligence for Predictive Maintenance of Port Equipment: A Revolution in Progress," in Proc. Int. Conf. Design and Modeling of Mechanical Systems, Hammamet, Tunisia, pp. 332–340, 2023.
  33. [33] J. Zhang et al., "Best Practices in the Real-World Data Life Cycle," PLoS Digit. Health, vol. 1, e0000003, 2022.
  34. [34] O. Spjuth, J. Frid and A. Hellander, "The Machine Learning Life Cycle and the Cloud: Implications for Drug Discovery," Expert Opin. Drug Discov., vol. 16, pp. 1071–1079, 2021.
  35. [35] aerOS Project Consortium, "Pilot 4 — Predictive Maintenance in Ports," 2023.
  36. [36] Node-RED. Available online: https://nodered.org/ (accessed on 20 April 2025).
  37. [37] MQTT Broker (HiveMQ). Available online: https://www.hivemq.com/info/mqtt-broker/ (accessed on 20 April 2025).
  38. [38] InfluxDB. Available online: https://www.influxdata.com/ (accessed on 20 April 2025).
  39. [39] S. M. Lundberg and S. I. Lee, "A Unified Approach to Interpreting Model Predictions," Adv. Neural Inf. Process. Syst., vol. 30, pp. 1–10, 2017.
  40. [40] A. C. Müller and S. Guido, Introduction to Machine Learning with Python, O'Reilly Media, 2016.
  41. [41] Scikit-Learn API Reference. Available online: https://scikit-learn.org/stable/api/index.html (accessed on 20 April 2025).
  42. [42] Keras, "Training and Evaluation with the Built-in Methods." Available online: https://keras.io/guides/training_with_built_in_methods/ (accessed on 20 April 2025).

Source: MDPI Sensors 2025, 25(13), 3923 · DOI: 10.3390/s25133923 · License: CC BY 4.0 · PDF