傳統(tǒng)岸邊集裝箱起重機自動化遠程控制改造優(yōu)化

邱濤 林棟 李凌凱

岸邊集裝箱起重機（以下簡稱“岸橋”）是集裝箱碼頭用于集裝箱船裝卸作業(yè)的專業(yè)設備。在傳統(tǒng)岸橋作業(yè)過程中，岸橋司機需要高度集中精力地操控岸橋各機構動作，存在工作強度大、工作環(huán)境惡劣等問題，容易導致司機疲勞且易引發(fā)職業(yè)病。隨著遠程操控技術的普及，世界各國港口紛紛打造不同作業(yè)模式的自動化集裝箱碼頭，將岸橋司機轉移到環(huán)境舒適的遠程控制中心，以降低岸橋司機工作強度，提高岸橋作業(yè)效率。為了適應自動化港口建設的需要，我國諸多集裝箱碼頭著力于傳統(tǒng)岸橋的自動化遠程控制改造;但受限于傳統(tǒng)岸橋（單小車岸橋）的性能及其與自動化作業(yè)流程的不兼容，改造后的岸橋在作業(yè)效率方面的表現(xiàn)欠佳。本文提出提升子系統(tǒng)性能、優(yōu)化自動化作業(yè)流程等傳統(tǒng)岸橋自動化遠程控制改造優(yōu)化方案，以期提升岸橋自動化作業(yè)能力。

1 優(yōu)化子系統(tǒng)

增加子系統(tǒng)是傳統(tǒng)岸橋自動化遠程控制改造的途徑之一，這些子系統(tǒng)包括船型掃描系統(tǒng)（ship profile scanning system，SPSS）、閉路電視監(jiān)控（closed-circuit television，CCTV）系統(tǒng)、防搖防扭系統(tǒng)、半自動運行系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)相互配合工作是實現(xiàn)岸橋自動化遠程控制的基礎條件;因此，有必要對子系統(tǒng)實施優(yōu)化，以滿足岸橋自動化作業(yè)要求，提升岸橋作業(yè)效率。

1.1 增強CCTV系統(tǒng)功能

CCTV系統(tǒng)的主要功能是：通過在岸橋各部位配置攝像頭，實現(xiàn)岸橋司機對大車運行、作業(yè)貝位、吊具全局、俯仰機構運行軌跡及集卡車道的遠程監(jiān)控。司機在遠程操控著箱動作時存在視覺盲區(qū)，在距離過遠的情況下，還存在無法看清鎖孔等問題，給著箱作業(yè)造成安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，岸橋司機平均著箱耗時為36.5 s，仍有較大的提升空間。為了提升岸橋司機遠程操控著箱能力，在海側和陸側理貨室上方增設監(jiān)控攝像頭，使司機可以從側面觀察著箱情況;同時，在CCTV系統(tǒng)中增設可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）Text插件和TextBar插件。PLC Text插件可以獲取岸橋起升高度，CCTV高清攝像頭根據(jù)起升高度自動變焦，遠控操作臺（remote operation service，ROS）顯示器自動切換顯示岸橋司機所需觀察角度最佳方位的攝像頭畫面，并使岸橋吊具始終處于畫面中合適的位置，以減少視覺盲區(qū)。TextBar插件設在ROS中央顯示器下方（見圖1），主要顯示岸橋起升高度、開閉鎖狀態(tài)等信息，從而極大地方便岸橋司機著箱操作。實踐證明，CCTV系統(tǒng)功能的增強對縮短岸橋司機著箱耗時效果顯著（平均著箱耗時縮短至25.0 s），并且有利于增強岸橋司機對碼頭作業(yè)現(xiàn)場的掌控力，從而保障碼頭作業(yè)安全。

1.2 部署三維集卡對位系統(tǒng)

在傳統(tǒng)港口作業(yè)模式下，岸橋陸側著箱需要由捆扎工以一根標桿為參照物配合集卡司機完成集卡引導，存在司機與捆扎工溝通不暢、集卡引導到位耗時較長等問題。集卡對位系統(tǒng)（chassis position-ing system，CPS）的主要功能如下：自動檢測集卡和集卡上單20英尺、雙20英尺、40英尺和45英尺集裝箱的位置信息并上傳至單機自動化控制系統(tǒng)，同時通過岸橋支腿兩側的顯示屏向司機提示集卡方向、距離、位置等實時信息（見圖2），使司機無須依靠碼頭現(xiàn)場捆扎工的指揮就可實現(xiàn)集卡精準停靠。在實際作業(yè)過程中，當岸橋小車從海側回歸陸側車道上方時，若集卡未處于車道正中央位置，則會出現(xiàn)對箱不準的問題。二維CPS引導集卡結束后，岸橋司機在著箱動作前可能還要微動小車才能對箱成功;相比之下，三維CPS不僅能實現(xiàn)集卡自動引導，還能通過采集集卡在碼頭的縱向位置信息實現(xiàn)吊具自動切換，并能通過PLC計算實際的陸側目標位，在回歸途中自動調整吊具姿態(tài)和下放導板，從而使岸橋司機可以直接操作吊具升降著箱。

統(tǒng)計結果顯示：部署三維CPS后，集卡平均自動引導耗時從之前的11.3 s/箱縮短至8.0 s/箱，且岸橋司機遠程操作一次著箱成功率達到90%以上，作業(yè)效率大幅提升。

1.3 應用陸側自動著箱系統(tǒng)

岸橋司機陸側著箱耗時過長是影響岸橋自動化作業(yè)效率的癥結之一。在港口裝卸自動化發(fā)展的過程中，陸側自動著箱方案（如雙小車系統(tǒng)）的實施不僅使岸橋自動化程度大大提高，而且使岸橋作業(yè)效率明顯提升。陸側自動著箱系統(tǒng)的應用，尤其是該系統(tǒng)在起升高度超過40 m的單小車岸橋上的應用，是當前港口自動化研究的前沿課題。岸橋陸側自動著箱系統(tǒng)在利用SPSS和三維CPS的基礎上引入陸側目標檢測系統(tǒng)，在陸側建立三維目標模型;此外，系統(tǒng)配備防搖防扭系統(tǒng)，以控制吊具傾轉，實現(xiàn)吊具精準對箱和著箱。在岸橋陸側自動著箱作業(yè)過程中，吊具從起升到著箱成功的中途不再停滯，整個過程較傳統(tǒng)著箱模式縮短1個作業(yè)循環(huán)的時間（5 s）。陸側自動著箱的一次著箱成功率至少需要達到95%，否則會影響岸橋整體作業(yè)效率。

2 優(yōu)化作業(yè)流程

集裝箱港口自動化改造離不開配套碼頭作業(yè)模式的轉變，例如，需要配備碼頭智能理貨系統(tǒng)、碼頭智能配載系統(tǒng)、碼頭作業(yè)面調度策略等。岸橋自動化遠程控制改造不只是局部改造，而是整個作業(yè)鏈的改造。只有岸橋硬件配置與軟件系統(tǒng)兼容，才能實現(xiàn)岸橋作業(yè)智能化，達到提升岸橋作業(yè)效率的目的。

2.1 智能理貨系統(tǒng)流程

智能理貨系統(tǒng)是對傳統(tǒng)人工理貨方式的科技創(chuàng)新，其應用智能化模塊、信號轉換模塊、驗殘模塊等實現(xiàn)信息采集、儲存和傳輸，省去人工理貨方式中核對箱號、輸入箱號、查驗箱體殘損、確認貝位等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)集裝箱裝卸實況的可追溯性。智能理貨系統(tǒng)流程會影響岸橋自動化作業(yè)連貫性和作業(yè)效率。以目前應用較為廣泛的光學字符識別（optical character recognition，OCR）系統(tǒng)為例，岸橋從碼頭操作系統(tǒng)獲取任務的速度取決于OCR系統(tǒng)識別速度，而OCR系統(tǒng)在晝夜交替時和極端天氣下存在識別成功率下降的問題（識別成功率不到80%）。為了解決該問題，需要優(yōu)化OCR系統(tǒng)的相機拍照邏輯和識別算法：在拍照邏輯方面，通過多次拍照取優(yōu)和調用相鄰相機一起拍照并校驗的方法，成功調用清晰度和識別度最高的相片;在識別算法方面，通過加入深度自學習識別算法，將識別成功率提高至95%。目前，加入人工智能技術的OCR系統(tǒng)的識別成功率達到98%，并具備實時監(jiān)控、自動識別、錯誤攔截、自動傳輸?shù)裙δ?，完美匹配岸橋自動化作業(yè)流程，從而有效提升岸橋作業(yè)效率。

2.2 作業(yè)面策略應用

在碼頭作業(yè)現(xiàn)場，通常只有重點作業(yè)路才配備數(shù)量充足的集卡，并且存在集卡等待岸橋的現(xiàn)象，而其他作業(yè)路則需要岸橋等待集卡，從而嚴重影響作業(yè)效率。集裝箱碼頭自動化改造通常配套引入用于水平運輸作業(yè)的自動導引車、跨運車或無人集卡，同樣存在集卡調度不平衡的問題。水平運輸多路共享和資源池調度等作業(yè)面策略的應用有助于使參與碼頭作業(yè)的集卡服務于多條作業(yè)路，實現(xiàn)資源池中所有裝卸指令共享，從而獲得最優(yōu)作業(yè)效率。作業(yè)面策略的實施過程實質上是智能選擇的過程：通過碼頭動態(tài)指令分發(fā)，水平運輸設備完成不同岸橋作業(yè)路邊裝邊卸作業(yè)，控制員對水平運輸設備作業(yè)的控制力減弱。作業(yè)面策略在解放水平運輸設備生產力的同時大大提升岸橋作業(yè)效率，保障岸橋自動化作業(yè)流暢。

3 結束語

自動化港口建設是未來港口發(fā)展的必然趨勢，自動化碼頭是智能港口建設的起點;因此，如何提高碼頭自動化作業(yè)效率逐漸成為港口行業(yè)研究的熱門課題。實際上，碼頭作業(yè)效率的提升不僅僅涉及岸橋、場橋等設備單機作業(yè)效率，同時還與整個自動化作業(yè)鏈息息相關;因此，碼頭設備遠程控制系統(tǒng)及流程優(yōu)化對提升碼頭作業(yè)效率至關重要。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-04-22）