基于激光掃描測距技術(shù)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)

許博

岸橋是專業(yè)化集裝箱碼頭的主要岸邊作業(yè)機(jī)械，其作業(yè)效率和安全生產(chǎn)直接影響船舶裝卸效率。為進(jìn)一步提高岸橋作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備安全性，青島前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司（以下簡稱青島前灣碼頭）研發(fā)岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)，豐富并完善岸橋應(yīng)用系統(tǒng)。在岸橋作業(yè)過程中，當(dāng)?shù)蹙邚募ㄉ系踹\(yùn)集裝箱或?qū)⒓b箱放置到集卡上時(shí)，傳統(tǒng)方法需要依靠集卡司機(jī)通過個(gè)人目測和前后反復(fù)移動(dòng)集卡來完成集卡與吊具的對(duì)位。該對(duì)位方式降低集裝箱裝卸效率，增加司機(jī)的操作難度，同時(shí)會(huì)因吊具、集裝箱與集卡間的碰撞造成設(shè)備損壞，從而帶來諸多安全隱患。青島前灣碼頭研發(fā)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)采用激光掃描測距原理、模式識(shí)別和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集卡的精確對(duì)位，并根據(jù)作業(yè)類型及時(shí)提示集卡司機(jī)調(diào)整停車位置，以便集卡預(yù)先準(zhǔn)確地停在岸橋起吊位置，達(dá)到減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高集裝箱裝卸效率的目的。

1 基于激光掃描測距技術(shù)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)

1.1 功能

（1）對(duì)岸橋下各條車道上作業(yè)的空載和重載集卡進(jìn)行精確對(duì)位，以便集卡預(yù)先準(zhǔn)確地停在岸橋起吊位置。

（2）自動(dòng)識(shí)別各種箱型，包括單45英尺集裝箱、單40英尺集裝箱、單20英尺集裝箱、雙20英尺集裝箱、罐式集裝箱、液貨集裝箱和平板集裝箱等。

（3）進(jìn)行多車道測量，自動(dòng)識(shí)別集卡車型及其行駛方向。

（4）采用發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示屏顯示集卡定位信息，及時(shí)提示集卡司機(jī)調(diào)整停車位置，實(shí)現(xiàn)集卡向前、向后快速對(duì)位，并使作業(yè)區(qū)域亮度滿足全天候作業(yè)的要求。

（5）在集卡未停到位的情況下，對(duì)吊具下降采用限制策略，以保證人車安全。

（6）為防止集卡拖拽吊具，在集卡完成對(duì)位后，LED顯示屏提示集卡司機(jī)停止移動(dòng)車輛；當(dāng)岸橋完成裝箱或卸箱操作且吊具起升到一定高度后，LED顯示屏提示集卡司機(jī)駛離操作區(qū)域。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

激光檢測距離為30 m；激光測量誤差為；集卡對(duì)位誤差小于100 mm；工作溫度為 30～50癈；存儲(chǔ)溫度為 30～70癈；濕度為100%；防護(hù)等級(jí)為室外IP65。

2 基于激光掃描測距技術(shù)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)構(gòu)架及工作原理

2.1 構(gòu)架

基于激光掃描測距技術(shù)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)的主要設(shè)備包含旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、激光掃描測距儀、系統(tǒng)控制器、LED顯示屏等（見圖1），其中，系統(tǒng)控制器上部署集卡對(duì)位控制軟件。這些設(shè)備與岸橋上原有的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)、司機(jī)室控制臺(tái)和功能啟停選擇開關(guān)共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

岸橋司機(jī)通過操作臺(tái)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)車道的選擇和系統(tǒng)的設(shè)置，設(shè)置信息主要包括岸橋下集裝箱起吊作業(yè)車道、作業(yè)類型等。系統(tǒng)控制器通過與PLC以PROFIBUS-DP總線接口的方式獲取當(dāng)前作業(yè)的吊具操作模式、作業(yè)類型等。為方便岸橋邊作業(yè)人員調(diào)整集卡作業(yè)車道，在岸橋下設(shè)置與系統(tǒng)控制器相連的車道調(diào)整開關(guān)，以便對(duì)云臺(tái)進(jìn)行調(diào)整。激光掃描測距儀將數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器據(jù)此識(shí)別集卡的行駛方向、位置及其偏離岸橋基準(zhǔn)起吊點(diǎn)的距離；同時(shí)，系統(tǒng)控制器從PLC獲取吊具操作模式、開閉鎖信號(hào)和起升高度等信息，并將集卡偏離岸橋起吊點(diǎn)的方向和距離、作業(yè)車道、操作模式、行駛方向等信息實(shí)時(shí)顯示在LED顯示屏上，提示司機(jī)調(diào)整集卡停車位置，對(duì)準(zhǔn)岸橋起吊點(diǎn)。如果集卡向后偏離岸橋吊具起吊點(diǎn)的距離大于安全距離，系統(tǒng)禁止吊具下放，以保護(hù)人車安全；當(dāng)系統(tǒng)收到開閉鎖信號(hào)且吊具起升至一定高度時(shí)，LED顯示屏提示集卡司機(jī)駛離，以防止集卡拖拽吊具。

2.2 工作原理

2.2.1 激光掃描測距原理

在集卡車道上方的岸橋橫梁中部安裝可編程控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度的云臺(tái)，該云臺(tái)在岸橋橫梁下垂直于集卡車道的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；在云臺(tái)上安裝1臺(tái)激光掃描測距儀，激光沿平行于集卡車道中心線的方向?qū)b箱及集卡平板車頂面立體掃描測距；激光掃描測距儀跟隨云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)岸橋下6條集卡車道的掃描測距（見圖2）。激光掃描測距儀測得從掃描測距點(diǎn)到碼頭地面的垂直高度及從測距點(diǎn)到岸橋起吊點(diǎn)中心的距離，同時(shí)設(shè)定車道測距范圍，將初始設(shè)定的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在系統(tǒng)控制器內(nèi)的ARM9微處理器中。當(dāng)激光掃描測距儀對(duì)集卡車道進(jìn)行測距時(shí)，微處理器控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度，云臺(tái)帶動(dòng)激光掃描測距儀旋轉(zhuǎn)掃描車道上的物體，并通過微處理器的計(jì)算，得到被測物體的高度及其與測距點(diǎn)的距離。通過微處理器的計(jì)算和分析，系統(tǒng)識(shí)別出所測集卡和集裝箱的形狀，判斷集卡的位置及其偏離岸橋基準(zhǔn)起吊點(diǎn)的距離，同時(shí)將集卡偏離岸橋起吊點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示在LED顯示屏上，以便集卡司機(jī)調(diào)整集卡停車位置。

2.2.2 LED顯示屏對(duì)位顯示原理

LED顯示屏通過安裝支架固定在岸橋海側(cè)和陸側(cè)基礎(chǔ)梁前后，距地面高度約3 m，屏幕中心高度與集卡司機(jī)視線高度一致。LED顯示屏采用紅色、黃色、綠色3種顏色顯示，分為5個(gè)顯示區(qū)域（見圖3）：操作模式用紅色和綠色顯示，綠色為單20英尺集裝箱作業(yè)模式，紅色為雙20英尺集裝箱、40英尺集裝箱和45英尺集裝箱作業(yè)模式；集卡行駛方向用紅色顯示；集卡對(duì)位方向“向前”和“向后”用綠色箭頭顯示，對(duì)位后用紅色表示停止，駛離時(shí)用綠色顯示；當(dāng)前掃描作業(yè)車道號(hào)用黃色顯示；集卡對(duì)位偏離距離用紅色顯示，單位為厘米。

2.2.2.1 集卡對(duì)位方向

集卡對(duì)位方向采用紅色和綠色顯示：當(dāng)系統(tǒng)控制器識(shí)別出操作區(qū)域內(nèi)有集卡進(jìn)入時(shí)，對(duì)應(yīng)的對(duì)位方向顯示為綠色箭頭；當(dāng)集卡調(diào)整到位后，顯示為紅色橫杠，此時(shí)禁止集卡移動(dòng)；當(dāng)岸橋完成裝箱或卸箱操作后，顯示為綠色橫杠，提示集卡可以駛離操作區(qū)域。

2.2.2.2 集卡對(duì)位偏離距離

集卡對(duì)位偏離距離顯示為紅色，顯示范圍為“000”至“299”，單位為厘米，該區(qū)域表示集卡當(dāng)前位置與正確的停車位置之間的距離。當(dāng)集卡停車到位時(shí)顯示“000”；當(dāng)岸橋完成卸箱或裝箱操作時(shí)，顯示為“---”，此時(shí)允許集卡駛離操作區(qū)域；當(dāng)操作區(qū)域內(nèi)沒有集卡進(jìn)入時(shí)，也顯示為“---”。

2.2.3 激光掃描測距定位過程

激光立體掃描可以對(duì)岸橋下6條車道進(jìn)行集裝箱測距定位。首先，選擇掃描的車道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得激光掃描測距儀鎖定在當(dāng)前車道；然后，判斷集卡的行駛方向及車頭位置。當(dāng)掃描測距系統(tǒng)測得單40英尺集裝箱或單20英尺集裝箱時(shí)，微處理器控制系統(tǒng)根據(jù)集裝箱中心位置判斷定位；當(dāng)掃描測距系統(tǒng)測得40英尺集裝箱或前后裝載2個(gè)20英尺集裝箱時(shí)，為區(qū)分這2種集卡裝載狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)集卡行駛狀態(tài)及測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷集卡裝載狀況，確定集卡停車位置。當(dāng)集卡裝載前后2個(gè)20英尺集裝箱分別起吊時(shí)，按照集裝箱裝卸工藝，集卡先進(jìn)入前載20英尺集裝箱測距范圍，前載20英尺集裝箱定位起吊后，系統(tǒng)判斷后載20英尺集裝箱中心位置并自動(dòng)定位。當(dāng)雙箱吊具同時(shí)起吊集卡裝載的前后2個(gè)20英尺集裝箱時(shí)，測距定位過程與40英尺集裝箱大致相同。岸橋下空載集卡測距定位判斷方法與重載集卡相同?？蛰d集卡平板車有大梁和橫梁，激光測到的數(shù)據(jù)不在同一平面上，可以通過圖形掃描和程序算法判斷平板車上的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測距定位。

3 基于激光掃描測距技術(shù)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)安全防護(hù)功能

3.1 防止吊具誤砸集卡和司機(jī)

在岸橋作業(yè)過程中，岸橋司機(jī)需要經(jīng)常切換吊具操作模式。當(dāng)?shù)蹙卟僮髂Ｊ綇膯?0英尺集裝箱作業(yè)切換到40英尺集裝箱作業(yè)時(shí)，若集卡司機(jī)未注意到吊具模式已切換，仍將集卡停在前載20英尺集裝箱作業(yè)位置，同時(shí)岸橋司機(jī)由于視線被遮擋而未注意到下方集卡未停到位，繼續(xù)下放吊具，則會(huì)造成安全事故。此外，若集卡司機(jī)未停車到位或停車到位后未拉起手剎，則集卡可能在風(fēng)力影響下移動(dòng)，從而造成安全事故。

為防止在集卡未停到位的情況下吊具下放誤砸集卡和司機(jī)，系統(tǒng)通過激光掃描測距儀實(shí)時(shí)檢測集卡偏離距離，并從PLC獲取開閉鎖信號(hào)及吊具起升高度，以便當(dāng)集卡偏離距離大于安全距離時(shí)，對(duì)吊具下降采用限制策略，從而保證人車安全。系統(tǒng)對(duì)每次防護(hù)進(jìn)行記錄，以便事后查找和分析問題。

3.2 防止集卡拖拽吊具

在岸橋作業(yè)過程中，吊具空載或重載起升至一定高度后，才允許集卡從岸橋下駛離。集卡司機(jī)一般通過目測判斷吊具是否已升至安全高度，其弊端為：集卡司機(jī)經(jīng)常僅憑經(jīng)驗(yàn)駕駛集卡，加之通過集卡后視鏡觀察存在一定誤差，容易使司機(jī)誤判，導(dǎo)致集卡司機(jī)在吊具未完全脫離集裝箱或集裝箱未完全脫離集卡的情況下開動(dòng)集卡，引起岸橋吊具鎖頭被拉壞、起升鋼絲繩損壞等事故。

為防止集卡拖拽吊具，在集卡完成對(duì)位后，系統(tǒng)通過LED顯示屏提示集卡停止移動(dòng)；同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)從PLC獲取開閉鎖和吊具起升高度信息，當(dāng)岸橋完成裝箱操作（即系統(tǒng)檢測到開鎖信號(hào)）且吊具起升高度達(dá)到5.5 m時(shí)，LED顯示屏提示集卡司機(jī)駛離操作區(qū)域。卸箱操作安全防護(hù)與裝箱操作類似，當(dāng)?shù)蹙哂煽蛰d變?yōu)橹剌d且吊具起升高度達(dá)到時(shí)，LED顯示屏提示集卡司機(jī)駛離操作區(qū)域。

4 基于激光掃描測距技術(shù)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)應(yīng)用效果

4.1 消除不安全因素

基于激光掃描測距技術(shù)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集卡的準(zhǔn)確對(duì)位，使岸橋司機(jī)通過LED顯示屏掌握集卡停車位置，從而能夠一次性起吊集裝箱，減少吊具與集裝箱及集裝箱與集卡之間的撞擊，確保作業(yè)安全。

4.2 減輕集卡和岸橋司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度

在傳統(tǒng)岸橋作業(yè)模式下，集卡司機(jī)需要目測吊具起吊點(diǎn)，反復(fù)調(diào)整和移動(dòng)集卡；在集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)作業(yè)模式下，集卡司機(jī)只須查看對(duì)位數(shù)據(jù)便能實(shí)現(xiàn)集卡與岸橋的一次性準(zhǔn)確對(duì)位，大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.3 提高集裝箱裝卸效率

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在同岸橋、同司機(jī)的情況下，從吊具下降至車道上方岸橋橫梁抓取40英尺集裝箱，到吊具起吊集裝箱過岸橋橫梁，采用集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)的岸橋完成該過程的平均時(shí)間是，而未采用集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)的岸橋完成該過程的平均時(shí)間是，前者比后者節(jié)約時(shí)間。按岸橋裝卸效率/h計(jì)算，基于激光掃描測距技術(shù)的集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)使集裝箱裝卸效率提高9.84%。

4.4 提升經(jīng)濟(jì)效益

（1）提高效率，增加收入。集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)的應(yīng)用使碼頭集裝箱裝卸效率提升9.84%，按碼頭年作業(yè)箱量800萬TEU計(jì)算，可增加作業(yè)箱量 78.72萬TEU；按收入（扣除成本） 200元/TEU計(jì)算，每年可增收萬元。

（2）節(jié)約能耗，減少成本支出。在傳統(tǒng)岸橋作業(yè)模式下，吊具與集裝箱平均對(duì)位 2 次。集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)的應(yīng)用減少岸橋吊具重復(fù)對(duì)位次數(shù)，按吊具單次起升或下降耗電及電費(fèi)0.8元/kW計(jì)算，可節(jié)省電費(fèi)0.28元/TEU；按碼頭年作業(yè)箱量800萬TEU計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)224萬元/年。

5 結(jié)束語

基于激光掃描測距技術(shù)的岸橋下集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)的應(yīng)用不僅有利于提高集裝箱碼頭人機(jī)交互作業(yè)安全性，而且能降低岸橋和集卡司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高碼頭裝卸效率，增加碼頭收入，減少能源消耗，降低生產(chǎn)成本，為集裝箱碼頭帶來一定經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，該集卡自動(dòng)定位系統(tǒng)已成功應(yīng)用于青島前灣三期集裝箱碼頭的5臺(tái)岸橋上，并取得良好的應(yīng)用效果。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-06-21）