集卡防吊起技術(shù)方案探討

陳鵬元，李書強，余珍勝

（青島海西重機有限責(zé)任公司，山東 青島 266530）

引 言

隨著世界集裝箱碼頭的不斷發(fā)展，以及集裝箱運輸量的不斷增長，起重機的操作地點逐漸由司機室轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境更為舒適的中控室，而這種轉(zhuǎn)變的一項重要任務(wù)，是實現(xiàn)效率更高，工作更安全的目標。

集裝箱起重機在集卡上卸箱的過程中，由于集卡的鎖銷未完全打開或集卡司機忘記解鎖，會出現(xiàn)吊具將集裝箱連同集卡車一并吊起或者部分吊起，通常稱為吊集卡事故，而在中控室的起重機司機很難準確迅速地發(fā)現(xiàn)安全隱患，一旦起重機將集裝箱及卡車一起吊起，就會發(fā)生及其嚴重的安全事故，輕則集裝箱鎖銷損壞或集卡車損壞，重則發(fā)生起重機毀損情況，甚者發(fā)生集卡車傾覆，造成集卡車司機的傷亡。

為了確保港口生產(chǎn)作業(yè)安全，預(yù)防此類事故的發(fā)生，提高作業(yè)效率，各碼頭及港機設(shè)備制造廠商均為起重機設(shè)置了集卡防吊起保護系統(tǒng)，當(dāng)前此系統(tǒng)主要有兩種技術(shù)方案。

1 激光掃描儀方案

本系統(tǒng)采用激光掃描測距原理、模式識別和自動控制技術(shù)，能夠?qū)崟r檢測吊具、集裝箱、集卡車三者之間的位置關(guān)系，并根據(jù)之前預(yù)定的安全控制方案對起重機的起升機構(gòu)的進行控制，實現(xiàn)防吊集卡的功能，以此避免安全事故的發(fā)生，提升集裝箱裝卸工作的安全性與可靠性。

1.1 設(shè)備安裝

該方案的設(shè)備主要包括：Sick的二維掃描儀和控制器。2D激光掃描儀安裝于起重機大車的側(cè)下方位置，通過光纖通訊連接到電氣房內(nèi)的防吊集卡控制器上，防吊集卡控制器提供接口連接PLC通訊模塊。司機室內(nèi)的控制臺（包括中控室的操作臺）上安裝信號指示燈，提示起重機司機。激光掃描儀主要掃描位置是集裝箱高度、托盤邊緣厚度、托盤表面傾斜角度、機箱和托盤的間隙等，通過這些數(shù)據(jù)綜合判斷卡車是否被吊起。

圖1 激光掃描儀

1.2 工作原理

在卸車作業(yè)過程中，當(dāng)帶箱集卡到位，起重機小車機構(gòu)開到作業(yè)集卡的車道上方，吊具放到集卡集裝箱上，閉鎖；起升上升。PLC通過通訊線纜（本項目使用Profibus-DP通訊）將來自編碼器等元器件反饋的起升高度信息傳給集卡防吊控制器。該系統(tǒng)在對集卡車輛和集裝箱的識別中，實現(xiàn)對兩者的準確識別和勾勒，分析兩者的相對運動情況，判斷吊具是否連同集卡車一起吊起。

當(dāng)?shù)蹙咂鹕叨?、集裝箱下表面離集卡的距離提升相同的高度，而且集卡底盤的坐標不變時，說明集裝箱正常提升；當(dāng)?shù)蹙呱媳砻孀鴺恕⒓ǖ妆P坐標提升相同的高度，而集裝箱下表面離集卡的距離保持不變時，說明集裝箱連同集卡同時被吊起。

由于激光掃描儀在實際使用中，會受反射的陽光、雨雪天氣、大霧天氣等因素的影響，因而發(fā)生誤報警的情況，為防止此情況的出現(xiàn)，本項目在大梁上方設(shè)置了一個3D激光掃描儀，其主要功能為集卡定位引導(dǎo)和防砸車頭，但其也可通過掃描作用，對集卡車的整體狀態(tài)提供檢測和判斷功能，間接為集卡防吊起系統(tǒng)提供保障。

1.3 控制方案

當(dāng)系統(tǒng)判斷出現(xiàn)集卡被吊起的情況后，控制吊具停止，此時司機只能操作起升機構(gòu)以10%的限定速度慢速下降，不能起升。吊具下放到松繩和著箱后，起升上升的防吊集卡控制解除。危險解除后，集卡司機可以重新將鎖頭打開，繼續(xù)工作。

系統(tǒng)在司機控制臺（包括遠程操控臺）上設(shè)置啟停選擇功能開關(guān)。當(dāng)該選擇功能開關(guān)撥到“關(guān)”的位置時，集卡防吊起功能關(guān)閉，吊具起升機構(gòu)不具有防吊集卡的保護功能。

系統(tǒng)在CMS上或司機操作臺（包括遠程操控臺）提供狀態(tài)指示燈。當(dāng)防吊集卡功能處于停用狀態(tài)時，CMS指示燈變?yōu)榛疑?操作臺指示燈熄滅；當(dāng)防吊集卡功能處于使用狀態(tài)時，CMS指示燈變?yōu)榫G色；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，指示燈閃爍。

系統(tǒng)在司機控制臺上（包括遠程操控臺）提供防吊起的控制旁路開關(guān)，選用的是帶指示燈的復(fù)位開關(guān)。當(dāng)集卡防吊起系統(tǒng)觸發(fā)時，系統(tǒng)控制吊具停止上升，只能做下降動作，此時指示燈亮起，司機可按下旁路開關(guān)，進行單次的控制；當(dāng)防吊起未觸發(fā)或停止使用時，指示燈處于常滅狀態(tài)。

2 視覺方案

本系統(tǒng)是基于機器視覺和AI人工智能技術(shù)，實現(xiàn)集裝箱與集卡車托盤關(guān)于鎖扣解鎖狀態(tài)的全天候、全天時的實時識別檢測，之前預(yù)定的安全控制方案，在集裝箱和集卡車托盤未分離的異常情況下，實現(xiàn)對起重機起升機構(gòu)的控制，以此防止集卡被吊起，避免事故的發(fā)生，保障作業(yè)安全，提高作業(yè)效率。

圖2 視覺系統(tǒng)攝像頭

2.1 系統(tǒng)特點

1）采用攝像機采集的圖像信息，借助于攝像頭視覺技術(shù)判斷集卡托盤與集裝箱的位置關(guān)系。

2）集卡防吊的保護距離為集卡車被吊起30 cm。

3）可排除內(nèi)集卡對系統(tǒng)的干擾，避免誤運作，加強系統(tǒng)可用性

4）提供可視化實時數(shù)據(jù)顯示，方便查看，升級，維護。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu).

機器視覺集卡防吊起系統(tǒng)主要由前端相機、工控機（視頻處理機）和通訊模塊組成，如圖3所示。前端相機安裝在起重機大車腿部的適當(dāng)位置，系統(tǒng)的工控機安裝在電氣房內(nèi)，前端相機通過網(wǎng)線與POE交換機相連，該POE交換機通過光纖與光纖交換機相連，工控機通過網(wǎng)線與光纖交換機相連，同時該工控機與電氣房內(nèi)的Profibus-DP/TCP轉(zhuǎn)換模塊相連，Profibus-DP/TCP轉(zhuǎn)換模塊再與起重機上的PLC相連。

圖3 視覺集卡防吊起系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 準確性評估

為了對系統(tǒng)的準確性進行評價，往往需要對大量的正負樣本進行實驗和統(tǒng)計，對于視覺防吊起系統(tǒng)而言，正樣本是正常作業(yè)視頻，負樣本是集裝箱和集卡同時被吊起的異常作業(yè)視頻。然而如果作業(yè)出現(xiàn)了異常，對于碼頭而言就是發(fā)生了安全事故，因此，在日常的使用過程中，可允許少量樣本的誤報（即集裝箱未與集卡車同時被吊起，但系統(tǒng)顯示集卡車被連同吊起），但需杜絕漏報情況（及集裝箱與集卡車同時被吊起，但系統(tǒng)顯示集卡車未被吊起）的發(fā)生。對于此問題，在調(diào)試過程中，需要根據(jù)實際情況調(diào)整系統(tǒng)的運動隔值，找到一個平衡點，同時，為了保障系統(tǒng)的準確性，系統(tǒng)將圖像進行灰度處理后，會以每秒30次的頻率對圖像進行判斷和處理，通過車輪檢測和異常判定算法判斷當(dāng)前幀和起始幀相比車輪有沒有離地，從而實現(xiàn)集裝箱卡車防吊起的作用。

本項目通過青島前灣港自動化堆場的測試和實際運行情況對準確性進行評估，其中合計作業(yè)30 000余次，該視覺防吊起系統(tǒng)成功預(yù)警10次吊起集卡的事故，放箱時的掛聯(lián)事故報警3次，虛報8次。具體性能如下：

1）漏報率：0%；

2）誤報率：＜0.3 ‰；

3）集卡車集裝箱托盤被吊起高度由于300 mm；

4）系統(tǒng)響應(yīng)時間：＜0.2 s；

5）具有自檢功能，系統(tǒng)故障時發(fā)出報警信息；

6）支持多種類型的集卡托盤，且不受托盤高度影響。

3 結(jié) 語

結(jié)合當(dāng)前各碼頭及港機制造廠的集裝箱起重機械，分析了利用2D激光掃描儀和利用攝像頭視覺兩種方案實現(xiàn)集卡防吊起的原理和使用方案。激光掃描儀的方案成本較高，但安裝方便，調(diào)試簡單；攝像頭視覺的方案成本較低，便于維護，但港機的使用率不高，作為一項新穎的技術(shù)，日后會逐漸完善，提升準確度，并可以應(yīng)用到集卡防吊起之外的其他系統(tǒng)中。