集裝箱碼頭軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮濤 蔡春波 何水輝 沈利 楊玉梅

軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“軌道吊”）是集裝箱碼頭堆場(chǎng)的主要裝卸設(shè)備，其自動(dòng)化程度、作業(yè)效率是制約碼頭發(fā)展的關(guān)鍵因素。作為自動(dòng)化集裝箱碼頭基礎(chǔ)技術(shù)之一，軌道吊遠(yuǎn)程操控技術(shù)的發(fā)展一直備受關(guān)注，設(shè)備制造商和港口企業(yè)對(duì)軌道吊遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的研發(fā)從未停止。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化集裝箱碼頭技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)集裝箱碼頭管理者為了進(jìn)一步提高碼頭整體作業(yè)效率和優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，對(duì)軌道吊等設(shè)備實(shí)施智能遠(yuǎn)程操控改造;與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)、傳感器檢測(cè)、無(wú)線通信、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)的成熟為研發(fā)先進(jìn)的軌道吊等設(shè)備遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。本文在傳統(tǒng)軌道吊遠(yuǎn)程操控技術(shù)的基礎(chǔ)上，從定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，以期提升軌道吊作業(yè)效率、安全性和自動(dòng)化程度。

1 軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)構(gòu)成

軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自動(dòng)糾偏系統(tǒng)和定位系統(tǒng)等五大子系統(tǒng)，具體作業(yè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先，在傳統(tǒng)軌道吊的基礎(chǔ)上，通過(guò)安裝視頻監(jiān)控設(shè)備、激光掃描儀、服務(wù)器和傳感器等輔助裝置，實(shí)現(xiàn)軌道吊自動(dòng)化或半自動(dòng)化運(yùn)行;然后，通過(guò)人員在遠(yuǎn)程操作臺(tái)的操作，完成軌道吊作業(yè)過(guò)程。為了滿足集裝箱碼頭自動(dòng)化作業(yè)要求，軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)必須具備高精度自動(dòng)定位、低延時(shí)實(shí)時(shí)視頻圖像傳輸、高效可靠通信等功能。為此，在傳統(tǒng)軌道吊遠(yuǎn)程操控技術(shù)的基礎(chǔ)上，從設(shè)備通信、定位、安全防護(hù)等方面優(yōu)化軌道吊遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，通過(guò)采用光纖通信、格雷母線大車定位、智能視頻避障以及吊具智能防搖等技術(shù)，進(jìn)一步提升軌道吊遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平。軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 定位系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)是軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的重要組成部分。定位系統(tǒng)功能包括大車定位和小車定位，其中，大車定位主要采用以下方式：一是全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）定位方式，該定位方式的定位偏差較大，且易受環(huán)境干擾，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)定位和高精度定位要求;二是磁釘定位方式，該定位方式要求碼頭安裝定位磁釘，從而使得定位范圍受限。本項(xiàng)目采用格雷母線定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大車定位。格雷母線位置檢測(cè)元件包括地址編碼發(fā)射器、地址編碼接收器、格雷母線和天線箱，檢測(cè)原理如圖2所示。格雷母線位移傳感器通過(guò)格雷母線與天線箱之間的電磁耦合通信，同時(shí)檢測(cè)天線箱在格雷母線長(zhǎng)度方向上的位置。

格雷母線位置檢測(cè)分為地上檢測(cè)和車上檢測(cè)：在地上檢測(cè)方式下，地址編碼發(fā)射器和天線箱安裝在移動(dòng)站，地址編碼接收器安裝在固定站，通過(guò)天線箱發(fā)射地址信號(hào)，并在固定站完成地址檢測(cè);在車上檢測(cè)方式下，地址編碼發(fā)射器安裝在固定站，天線箱和地址編碼接收器安裝在移動(dòng)站，通過(guò)格雷母線芯線發(fā)射地址信號(hào)，并由移動(dòng)站直接檢測(cè)地址。一般情況下，根據(jù)軌道吊控制系統(tǒng)的需求來(lái)選擇地上檢測(cè)或車上檢測(cè)方式。格雷母線定位系統(tǒng)的定位精度達(dá)到毫米級(jí)，且抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)時(shí)反饋定位信息。以軌道吊大車自動(dòng)定位為例，GPS的定位誤差為100 mm，而格雷母線定位系統(tǒng)的定位誤差僅15 mm。

2.2 通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

軌道吊智能遠(yuǎn)程操控通信系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)程控制室與軌道吊之間的控制、視頻、音頻等信號(hào)傳輸，必須滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)母甙踩?、低延時(shí)、寬帶寬等要求。傳統(tǒng)軌道吊遠(yuǎn)程操控通信系統(tǒng)多采用漏波通信技術(shù)方案，雖然該方案具有安裝方便、靈活性較高等優(yōu)點(diǎn)，但存在傳輸帶寬較窄的缺點(diǎn)。隨著遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)視頻圖像傳輸量的增加和傳輸實(shí)時(shí)性要求的提高，漏波通信方式已無(wú)法滿足應(yīng)用要求。鑒于此，有必要采用通信容量大、傳輸帶寬較寬的通信技術(shù)方案替代漏波通信技術(shù)方案，以提升遠(yuǎn)程控制室與軌道吊之間視頻、控制等信號(hào)的傳輸效率。

試驗(yàn)證明，光纖通信技術(shù)方案在信號(hào)傳輸?shù)陌踩院蛯?shí)時(shí)性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠滿足作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程操控?cái)?shù)據(jù)傳輸要求。鑒于此，軌道吊智能遠(yuǎn)程操控通信系統(tǒng)采用光纖通信技術(shù)方案。碼頭生產(chǎn)管理系統(tǒng)發(fā)布的作業(yè)指令通過(guò)起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破鳎╬rogrammable logic con-troller，PLC）。遠(yuǎn)程操作臺(tái)發(fā)出的指令通過(guò)PLC發(fā)送至軌道吊控制器，軌道吊控制器與單機(jī)PLC交互完成指令傳輸。如圖3所示：激光傳感器通過(guò)用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（user datagram protocol，UDP）接口實(shí)現(xiàn)與PLC通信，旋轉(zhuǎn)云臺(tái)通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)與PLC通信，PLC通過(guò)DP接口實(shí)現(xiàn)與單機(jī)PLC通信。

2.3 安全防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）大車防撞 本項(xiàng)目對(duì)安全防護(hù)系統(tǒng)的大車防撞裝置和功能實(shí)施以下優(yōu)化設(shè)計(jì)：第一，為了保障大車防撞監(jiān)測(cè)的可靠性，采用雙雷達(dá)監(jiān)測(cè)方式，從而縮小監(jiān)測(cè)盲區(qū);第二，增加大車視頻避障系統(tǒng)（見(jiàn)圖4），即通過(guò)安裝在軌道吊大車下橫梁端部的雙目攝像機(jī)，監(jiān)測(cè)大車運(yùn)行方向的人、車等障礙物，并與單機(jī)PLC聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌道吊自動(dòng)減速和停車;第三，實(shí)現(xiàn)本地采集、分析、存儲(chǔ)軌道吊運(yùn)行方向的視頻信號(hào)并通過(guò)光纖傳輸至中控室，結(jié)合軌道吊控制器傳送的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，建立立體相機(jī)模型，形成三維空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)障礙物監(jiān)測(cè)報(bào)警以及減速和制動(dòng)控制信號(hào)回傳，從而提升大車防撞保護(hù)安全性。

（2）堆場(chǎng)防護(hù) 在集裝箱堆場(chǎng)防護(hù)方面，以往多采用光柵監(jiān)測(cè)防護(hù)方式，存在一定監(jiān)測(cè)盲區(qū)，給碼頭作業(yè)埋下安全隱患。本項(xiàng)目采用堆場(chǎng)物理隔離方式，對(duì)遠(yuǎn)控作業(yè)堆場(chǎng)實(shí)施整體封閉防護(hù)，只留拖車通行道路，從而縮小監(jiān)測(cè)盲區(qū)，提升軌道吊作業(yè)安全性。

2.4 視頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

軌道吊遠(yuǎn)程操控離不開(kāi)視頻系統(tǒng)輔助。首先，高清全數(shù)字視頻采集系統(tǒng)通過(guò)光纖傳輸方式將軌道吊司機(jī)作業(yè)所需的視頻畫(huà)面?zhèn)魉椭林锌厥?然后，畫(huà)面分割處理系統(tǒng)合理呈現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面，并通過(guò)可變焦攝像機(jī)智能跟蹤起升吊具位置，使司機(jī)能清晰地觀察吊具和集裝箱運(yùn)行情況。為了實(shí)現(xiàn)高清視頻系統(tǒng)對(duì)軌道吊作業(yè)區(qū)域的全覆蓋，在軌道吊作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布置15個(gè)攝像頭（見(jiàn)圖5）。軌道吊司機(jī)在視頻系統(tǒng)的輔助下能夠在中控室遠(yuǎn)程觀察堆場(chǎng)作業(yè)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)集卡、堆場(chǎng)內(nèi)集裝箱和集卡交換區(qū)的監(jiān)控作業(yè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)是碼頭裝卸設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展的重要組成部分，其集通信技術(shù)、控制技術(shù)、圖像采集與處理技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)等于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道吊自動(dòng)化作業(yè)。軌道吊智能遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)軌道吊遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)等子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)而形成的，其應(yīng)用有助于提升軌道吊作業(yè)安全性和作業(yè)效率，從而推動(dòng)我國(guó)集裝箱碼頭裝卸設(shè)備自動(dòng)化水平再上新臺(tái)階。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-10-20）