感知技術(shù)在自動化集裝箱碼頭的應(yīng)用

耿衛(wèi)寧

(青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

共商、共建、共享的“一帶一路”倡議為21世紀(jì)人類加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)和文化交流提供了一條嶄新路徑，提供了中國人民與世界各國人民構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的新方案[1]。港口是海上絲綢之路的起點(diǎn)，依托于改革開放40多年的技術(shù)、資本積累，中國港口體量已躍居全球第一，并建成投產(chǎn)代表港口最高科技水平的自動化集裝箱碼頭。目前，國家大力推進(jìn)港口產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，進(jìn)行智慧港口建設(shè)[2]。沿海各省紛紛成立省港口集團(tuán)，整合資源、避免同質(zhì)低層競爭。國內(nèi)港口紛紛進(jìn)行傳統(tǒng)碼頭自動化升級改造和新自動化碼頭建設(shè)。自動化碼頭系統(tǒng)是復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其終極目標(biāo)和“中國智造”核心體系一致，即基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式[3]。加快自動化碼頭的優(yōu)化升級，推進(jìn)智慧港口的建設(shè)，是順應(yīng)全球“工業(yè)4.0”革命浪潮的需要，是加快“中國智造2025”建設(shè)的需要。本文通過介紹自動化碼頭狀態(tài)感知環(huán)節(jié)現(xiàn)狀，探索狀態(tài)感知發(fā)展方向，為自動化碼頭的完善和升級提供參考。

1 自動化碼頭狀態(tài)感知的重要性

自動化碼頭信息物理系統(tǒng)是支持自動化碼頭運(yùn)行的綜合技術(shù)體系，它構(gòu)建了一個虛實映射的體系，在該體系中物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)互相作用，數(shù)據(jù)在兩者之間自由流動[4]。自動化碼頭系統(tǒng)通過狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行4個環(huán)節(jié)完成生產(chǎn)服務(wù)，見圖1。在這4個環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)始終貫穿其中，在數(shù)據(jù)流動的過程中，物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)實時感知新的數(shù)據(jù)并不斷迭代更新。數(shù)據(jù)是驅(qū)動自動化碼頭運(yùn)行的靈魂，而所有的數(shù)據(jù)均來自于物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的感知。

圖1 “感知→分析→決策→執(zhí)行”循環(huán)

《三體智能革命》[5]對未來智能時代的描述是“始于感知，精于計算，巧于決策，勤于執(zhí)行，善于學(xué)習(xí)”。感知是實現(xiàn)自動化、智能化的第一步，感知的及時性、準(zhǔn)確性、全面性直接導(dǎo)致后續(xù)分析、決策、執(zhí)行的結(jié)果。

2 自動化碼頭狀態(tài)感知的類型

2.1 傳感器感知信息

自動化碼頭系統(tǒng)實質(zhì)是復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。自動化集裝箱碼頭相對于傳統(tǒng)人工集裝箱碼頭，最直觀的變化是自動化的設(shè)備代替了有人駕駛的設(shè)備。傳統(tǒng)碼頭靠“人”感知反饋的環(huán)境、箱貨、設(shè)備自身、任務(wù)執(zhí)行情況等信息，在自動化碼頭完全靠“機(jī)”完成。自動化設(shè)備依靠大量的傳感器實時、準(zhǔn)確反饋信息。各種類型、數(shù)量眾多的傳感器感知信息的方式多用于自動化碼頭系統(tǒng)單元級的感知。

自動化碼頭系統(tǒng)使用的傳感器包括接近傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、超聲波傳感器、雷達(dá)傳感器等多種傳感器。一臺自動化橋吊單機(jī)約含400個傳感器，主要集中在3臺吊具和吊具上架部位，約200個；溫度、振動、機(jī)構(gòu)應(yīng)力感應(yīng)器32個；整機(jī)激光感應(yīng)系統(tǒng)8套，包括船型掃描系統(tǒng)3套、TDS(target detection system，目標(biāo)檢測系統(tǒng))1套、SDS(spreader detection system，吊具檢測系統(tǒng))1套、大梁防撞系統(tǒng)2套、主吊具防扭防搖系統(tǒng)1套。

以青島港自動化碼頭水平運(yùn)輸設(shè)備AGV(automatic guided vehicle，自動搬運(yùn)車)為例，AGV的運(yùn)行狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境通過傳感器感知，見表1。AGV通過感應(yīng)地面埋設(shè)的磁釘確定車輛位置，AGV通過限位感應(yīng)確定載運(yùn)集裝箱位置，AGV通過角度編碼器感應(yīng)車輪轉(zhuǎn)角，AGV通過溫度感應(yīng)確定是否需要啟動空調(diào)給電池降溫，AGV通過壓力傳感器感應(yīng)輪胎氣壓，AGV通過重力感應(yīng)確定空、重載情況，AGV通過激光掃描儀確認(rèn)前進(jìn)路徑是否有障礙物。同時，設(shè)備管理人員通過系統(tǒng)對設(shè)備感知狀態(tài)來判斷設(shè)備是否運(yùn)行正常，見表2。

表1 AGV單機(jī)部分傳感器

續(xù)表1

表2 AGV前端車橋速度反饋

自動化碼頭為海邊露天作業(yè)，作業(yè)強(qiáng)度為全天候24 h，作業(yè)對象為質(zhì)量達(dá)數(shù)十噸的集裝箱。傳感器的選型、安裝、維護(hù)均很重要，部分傳感器的選型要適應(yīng)高溫、低溫、高濕的環(huán)境；部分傳感器的安裝既要符合工況需求，又要耐受高頻率、高強(qiáng)度的沖擊振動；傳感器相關(guān)參數(shù)設(shè)定既要確保獲取信息的準(zhǔn)確，又要避免誤報；部分傳感器隨著使用時間的延長和作業(yè)量的累計須進(jìn)行微調(diào)。如橋吊吊具部分傳感器，必須能承受每天上千次的劇烈振動；若AGV激光掃描儀設(shè)定值過高，就會導(dǎo)致在雨雪天氣將雨滴、雪花誤報為行車障礙物。

2.2 人機(jī)交互傳遞信息

受限于感知技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和被感知對象的復(fù)雜性，自動化碼頭系統(tǒng)尚未實現(xiàn)完全的自動感知。在涉及人身安全、高事故風(fēng)險仍采用人工確認(rèn)的感知方式。人工對系統(tǒng)感知狀態(tài)做出確認(rèn)，確認(rèn)信息反饋給系統(tǒng)。人機(jī)信息交互的方式多出現(xiàn)在人與自動化碼頭系統(tǒng)級之間的信息交互。

以青島港自動化碼頭為例，橋吊作業(yè)前激光器掃描船舶作業(yè)貝位輪廓，單機(jī)自動化根據(jù)掃描結(jié)果確定橋吊吊具運(yùn)行路徑，因船舶作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，掃描結(jié)果不能確保100%準(zhǔn)確，且船舶作業(yè)的高風(fēng)險性，須人為設(shè)定橋吊吊具運(yùn)行路線的安全高度。因外集卡拖盤鈕鎖狀態(tài)、外集卡司機(jī)狀態(tài)尚無法感知，自動化碼頭與外集卡的交互仍需要外集卡司機(jī)通過操作碼頭一體機(jī)設(shè)備給堆場自動化系統(tǒng)提供信息。

2.3 網(wǎng)絡(luò)接口傳輸信息

自動化碼頭系統(tǒng)是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)之系統(tǒng)級系統(tǒng)。其內(nèi)部有海側(cè)裝卸系統(tǒng)、水平運(yùn)輸系統(tǒng)、堆場堆碼系統(tǒng)、陸側(cè)集疏運(yùn)系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，其外部與EDI(electronic data interchange，電子數(shù)據(jù)交換)信息中心、物流中心、集疏運(yùn)平臺、船公司、場站、海關(guān)等諸多單位連接。自動化碼頭系統(tǒng)時刻通過眾多接口實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)外部大量的信息傳遞，見表3。

表3 自動化碼頭TMS系統(tǒng)與內(nèi)外部信息傳遞

3 自動化碼頭狀態(tài)感知待優(yōu)化方面

3.1 全面性

自動化碼頭系統(tǒng)通過多種感知方式和感知器的泛在連接，實現(xiàn)了自動化碼頭系統(tǒng)內(nèi)在任何時間、任何地點(diǎn)、任何設(shè)備、任何箱貨的狀態(tài)感知和信息傳遞。但對自動化碼頭系統(tǒng)外的被感知對象，仍有感知空白區(qū)域。自動化碼頭橋吊裝卸船作業(yè)，作業(yè)過程中的集裝箱船舶受潮水、涌浪、裝卸進(jìn)度等因素影響，船體姿態(tài)不停地發(fā)生變化，而自動化橋吊主吊具對這種狀態(tài)變化的感知尚處于空白，尤其是吊具在甲板下的船艙內(nèi)作業(yè)時，船舶的傾斜度對作業(yè)安全影響很大，一旦吊具姿態(tài)與船舶傾斜度不匹配，易造成卡槽事故(卡槽指吊具卡在船艙導(dǎo)槽內(nèi)，不能起升也不能下降)，這是目前自動化碼頭橋吊作業(yè)最大的風(fēng)險。集裝箱船舶配備自動調(diào)平系統(tǒng)，系統(tǒng)能實時感知船體姿態(tài)，該信息沒有與碼頭系統(tǒng)共享，造成感知空白區(qū)域。自動化碼頭系統(tǒng)應(yīng)加強(qiáng)與外部的連接，提高狀態(tài)感知的全面性。

3.2 精確性

受制于被感知對象的復(fù)雜性和感知環(huán)境的局限性，自動化碼頭系統(tǒng)部分信息的感知精確性有待提高。以自動化閘口的OCR(optical character recognition，光學(xué)字符識別)為例，集卡駛過閘口時觸發(fā)OCR系統(tǒng)，OCR系統(tǒng)通過圖像識別技術(shù)識別集卡、集裝箱信息，盡管識別率已接近100%，見表4。但動輒以百萬為統(tǒng)計單位的閘口進(jìn)出量，很低比例的人工輔助識別也消耗大量的人力資源。

表4 自動化碼頭閘口OCR識別率

3.3 自動化

受制于被感知對象的不確定性和感知技術(shù)的發(fā)展水平，自動化碼頭系統(tǒng)部分信息的感知需要人工輔助。例如船型掃描安全高度的設(shè)定、集裝箱裝卸船時鈕鎖確認(rèn)、外集卡與自動化軌道吊的交互等。墨菲定律[6]指出“如果有兩種或兩種以上的方式去做某件事情，而其中一種選擇方式將導(dǎo)致災(zāi)難，則必定會有人做出這種選擇?！痹诟哳l率的自動化作業(yè)模式下，“人”的行為是非標(biāo)準(zhǔn)、非恒定的，“人”的行為會因環(huán)境、情緒等因素變化，“人”是靠不住的[7]。自動化碼頭集港時，外集卡司機(jī)通過一體機(jī)與堆場自動化軌道吊進(jìn)行信息交互，確保安全。一旦外集卡司機(jī)在確認(rèn)托盤鈕鎖是否打開、集卡車盤是否被吊起時兩個環(huán)節(jié)給系統(tǒng)錯誤信息，就會導(dǎo)致集卡拖盤被自動化軌道吊吊起。因此，標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的工業(yè)模式應(yīng)逐步將“人”從臺前驅(qū)逐至幕后，將“人”的行為逐步從生產(chǎn)線中剔除。自動化碼頭為確保狀態(tài)感知的準(zhǔn)確性，應(yīng)逐步使用自動化感知方式替代人機(jī)交互傳遞信息的感知方式。

3.4 信息上傳層級待明確

自動化碼頭系統(tǒng)單元級、系統(tǒng)級、系統(tǒng)之系統(tǒng)級的三級劃分非常明確，但每一層級信息上傳層級尚不清晰，部分信息上傳層級過高，增大了高層級信息分析量，不利于問題的快速解決。以人體的眨眼反射和膝跳反射等非條件反射為例，人體感受器收到刺激后，傳入神經(jīng)將信號傳遞給神經(jīng)中樞，神經(jīng)中樞做出決策并通過傳出神經(jīng)傳遞信號，效應(yīng)器做出相應(yīng)反應(yīng)[8]。此過程中，神經(jīng)中樞并非大腦，眨眼反射的神經(jīng)中樞是腦橋，膝跳反射的神經(jīng)中樞是腰脊髓。決策在更低的層級做出既確保了快捷性又降低了大腦的負(fù)擔(dān)。同理，自動化碼頭系統(tǒng)很多感知信息上傳層級應(yīng)明確，在更低層級決策更有利于系統(tǒng)運(yùn)行的快捷性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)自動化碼頭業(yè)務(wù)流程、設(shè)備運(yùn)行均已實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動。數(shù)據(jù)來源于狀態(tài)感知，狀態(tài)感知是自動化碼頭系統(tǒng)運(yùn)行的初始環(huán)節(jié)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，狀態(tài)感知直接影響后續(xù)實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行3個環(huán)節(jié)的進(jìn)行。無論是傳統(tǒng)碼頭自動化改造還是新建自動化碼頭，均應(yīng)對狀態(tài)感知進(jìn)行高度重視和整體規(guī)劃設(shè)計。

2)自動化碼頭系統(tǒng)從感知信息廣度上實現(xiàn)全覆蓋，從感知信息程度上實現(xiàn)高精度，從感知信息方式上實現(xiàn)全自動，從感知層級的科學(xué)劃分等方面仍有很大的研究提升空間。

3)自動化碼頭與傳統(tǒng)人工碼頭相比，狀態(tài)感知渠道更為廣泛，狀態(tài)感知技術(shù)更為復(fù)雜。如何將多種感知技術(shù)有機(jī)融合，實現(xiàn)狀態(tài)感知的最佳效果，是自動化碼頭狀態(tài)感知長期研究方向。

4)如何解決多系統(tǒng)間復(fù)雜接口導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性減低，如何解決大量感知器應(yīng)用導(dǎo)致的設(shè)備復(fù)雜性提高、穩(wěn)定性降低，是自動化碼頭系統(tǒng)亟待解決的問題。