VC定位在岸邊集裝箱起重機(jī)中的應(yīng)用

曹逸榮 湯宏杰 姚惠君

1上海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 上海 200314 2上海振華重工集團(tuán)有限公司 上海 200125

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各碼頭的設(shè)計(jì)理念有諸多不同，因此存在碼頭內(nèi)部運(yùn)輸設(shè)備的多樣性。從結(jié)構(gòu)形式的角度分析，碼頭內(nèi)部運(yùn)輸設(shè)備主要有以下兩種形式：

1）集卡拖車形式 通過集卡車輛將集裝箱從堆場(chǎng)運(yùn)送至船舶作業(yè)區(qū)，該種形式的特點(diǎn)在于占用場(chǎng)地小，但機(jī)動(dòng)靈活性及裝卸效率較差。

2）跨運(yùn)車形式 通過跨運(yùn)車將集裝箱從堆場(chǎng)運(yùn)送至船舶作業(yè)區(qū)，該種形式充分地利用了跨運(yùn)車的機(jī)動(dòng)靈活性及裝卸效率高的優(yōu)勢(shì)，而該種形式需占用更多的碼頭場(chǎng)地資源。在歐美一些地區(qū)，部分碼頭采用跨運(yùn)車作為堆場(chǎng)與船舶作業(yè)區(qū)之間的主要作業(yè)設(shè)備。故為滿足跨運(yùn)車在船舶作業(yè)區(qū)高效作業(yè)，有必要設(shè)計(jì)針對(duì)跨運(yùn)車的跨運(yùn)車定位系統(tǒng)（Van carrier positioning system,以下簡(jiǎn)稱VC定位）達(dá)到精確指揮引導(dǎo)。

2 VC定位系統(tǒng)

VC定位系統(tǒng)主要用于引導(dǎo)跨運(yùn)車司機(jī)快速、準(zhǔn)確地裝卸集裝箱。當(dāng)跨運(yùn)車司機(jī)由VC 定位系統(tǒng)引導(dǎo)至岸橋底部對(duì)應(yīng)位置后，可將集裝箱放置地面后直接返回至堆場(chǎng)，無須等待岸邊集裝箱起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱岸橋）吊具返回至陸側(cè)面抓取集裝箱，相比集卡拖車形式，作業(yè)過程節(jié)約了無效等待時(shí)間。VC定位系統(tǒng)主要包括以下四部分組成：

1）反射器PL80A（見圖1） 每臺(tái)跨運(yùn)車兩側(cè)各配置3塊。

圖1 反射器PL80A

2）sick的光柵限位WL45（見圖2） 配置數(shù)量總數(shù)為81個(gè)；該光柵限位與反射器相互匹配。在未有跨運(yùn)車進(jìn)入工作區(qū)域時(shí)，光柵限位形成81根激光網(wǎng)絡(luò)矩陣，此時(shí)限位無相關(guān)信號(hào)反饋至主控；反之，一旦跨運(yùn)車進(jìn)入工作區(qū)域，光柵限位所形成的激光矩陣由反射器激活，主控模塊接受限位動(dòng)作信號(hào)。

圖2 sick的光柵限位WL45

3）引導(dǎo)指示屏（見圖3） 配置數(shù)量總數(shù)為4塊，每塊引導(dǎo)指示屏有15塊指示燈。其指示燈的開啟關(guān)閉由主控模塊所輸出的數(shù)字量開關(guān)信號(hào)控制，隨著跨運(yùn)車進(jìn)入工作區(qū)域，最上側(cè)或最下側(cè)白色指示燈逐一向中間紅色燈聚攏，當(dāng)跨運(yùn)車到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，3盞紅色指示燈亮起。

圖3 引導(dǎo)指示屏

4）控制按鈕 雙箱模式的開關(guān)旋鈕。由于雙箱模式下跨運(yùn)車的停車位置不同于單箱模式，故需配置單雙箱模式切換旋鈕。另外，還包含中轉(zhuǎn)平臺(tái)區(qū)域選擇，陸側(cè)下橫梁海側(cè)區(qū)域選擇，陸側(cè)下橫梁陸側(cè)區(qū)域選擇。

3 VC定位系統(tǒng)硬件布置

VC定位系統(tǒng)的4個(gè)組成部分中，有3個(gè)部分需布置于岸橋上。具體為Sick激光限位、引導(dǎo)指示屏、控制臺(tái)。

3.1 Sick激光限位布置要求

Sick激光限位按系統(tǒng)要求配置總數(shù)為81個(gè)，將81個(gè)限位分為3組，每組分配限位27個(gè)。3套限位分別安裝于3個(gè)分區(qū)，分別為中轉(zhuǎn)平臺(tái)的陸側(cè)面、陸側(cè)下橫梁的海側(cè)面及陸側(cè)下橫梁的陸側(cè)面。在每個(gè)區(qū)域內(nèi)分別固定有3根長(zhǎng)條形固定支架，每組27個(gè)限位分別安裝于3根長(zhǎng)條形支架上。

1）3根長(zhǎng)條形支架的間距需保持117 mm；

2）為確保激光網(wǎng)絡(luò)矩陣全覆蓋工作區(qū)域，需將3組支架兩兩錯(cuò)開安裝；

3）3組支架中，必有最左或最右的支架安裝固定于下橫梁的中心位置；

4）從左至右3根固定支架所安裝的限位數(shù)量分別10、7、10；

5）為確保主控系統(tǒng)能精確地獲取具體的跨運(yùn)車運(yùn)行位置，主控所設(shè)定的限位位置必須與實(shí)際的硬件限位位置一一對(duì)應(yīng)。除此之外，為確保良好的用戶體驗(yàn)，每組27個(gè)限位還需確定9個(gè)關(guān)鍵位置數(shù)組，即9個(gè)限位位置與岸橋中心位置之間的距離。其中6個(gè)位置反饋用于引導(dǎo)指示屏的6個(gè)白色燈的亮起，另外3個(gè)位置同時(shí)反饋至主控，控制紅色指示燈的亮起。

以某項(xiàng)目為例，激光限位安裝位置如圖4～圖7所示，圖7標(biāo)示了A-I 等9個(gè)激光限位的安裝位置，以下橫梁中心位置作為基準(zhǔn)，最左側(cè)為A點(diǎn)，依次向中心位置靠攏，各激光限位具體的安裝位置見表1。

表1 Sick安裝位置圖 mm

圖4 陸側(cè)下橫梁的陸側(cè)面

圖5 陸側(cè)下橫梁的海側(cè)面

圖6 中轉(zhuǎn)平臺(tái)的陸側(cè)面

圖7 Sick激光限位布置圖

3.2 引導(dǎo)指示屏布置要求

引導(dǎo)指示屏主要用于引導(dǎo)跨運(yùn)車司機(jī)按工況要求停于目標(biāo)位置。4盞指示屏安裝于陸側(cè)下橫梁處，陸側(cè)下橫梁的海側(cè)面端部各安裝1盞，陸側(cè)面端部各安裝1盞，具體安裝位置如圖4、圖5所示。按用戶定義，指示屏最上側(cè)白色燈對(duì)應(yīng)岸橋面海最左側(cè)，指示屏最下側(cè)白色燈對(duì)應(yīng)岸橋的面海最右側(cè)。則隨著跨運(yùn)車從左側(cè)進(jìn)入或從右側(cè)進(jìn)入，其白色燈都是從指示屏的最外側(cè)逐一向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，直至3盞紅色指示燈全亮。

3.3 控制臺(tái)布置要求

雙箱模式、海側(cè)區(qū)域選擇、陸側(cè)區(qū)域選擇及中轉(zhuǎn)區(qū)域4個(gè)選擇旋鈕布置于理貨室，理貨員按作業(yè)指令，在岸橋作業(yè)前按跨運(yùn)車的行走方向預(yù)先設(shè)定VC系統(tǒng)的工作區(qū)域。

為了更詳細(xì)的展現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)，圖8是HHLA-CTB項(xiàng)目的VC定位系統(tǒng)簡(jiǎn)化版架構(gòu)圖。由此可知，其左側(cè)H1.1～H1.15展現(xiàn)的是一端引導(dǎo)指示燈，其右側(cè)H2.1～H2.15展現(xiàn)的是另一端引導(dǎo)指示燈，其上側(cè)S1～S27為光柵限位簡(jiǎn)化布置圖。三者通過通訊電纜分別連接至海側(cè)模塊箱及陸側(cè)模塊箱模塊。簡(jiǎn)單來說，VC定位系統(tǒng)運(yùn)行邏輯主要基于光柵限位輸出信號(hào)反饋至主控，由主控輸出數(shù)字量信號(hào)至指示屏，引導(dǎo)跨運(yùn)車司機(jī)做出精確停車。

圖8 VC系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 VC定位系統(tǒng)工作機(jī)制

以跨運(yùn)車單箱卸箱為例，岸橋在接收到作業(yè)指令后，大車行走至對(duì)應(yīng)船舶位置，理貨員依據(jù)作業(yè)方向，確定對(duì)應(yīng)VC 工作區(qū)域。此時(shí)假設(shè)其工作區(qū)域?yàn)殛憘?cè)下橫梁的海側(cè)區(qū)域，理貨員選取對(duì)應(yīng)區(qū)域等待跨運(yùn)車由岸橋的面海右側(cè)進(jìn)入激光網(wǎng)絡(luò)矩陣。

另一方面，跨運(yùn)車從堆場(chǎng)抓取集裝箱后，快速駛向岸橋的右側(cè)區(qū)域。一旦進(jìn)入激光網(wǎng)絡(luò)矩陣后，首先由第一個(gè)激光限位接收到跨運(yùn)車頂部的反射器的信號(hào)，激光限位開關(guān)量信號(hào)立刻反饋至大車陸側(cè)模塊箱，并經(jīng)光纜通訊傳輸至主控，主控接收到信息后確認(rèn)其跨運(yùn)車進(jìn)入工作區(qū)域，并記錄其運(yùn)行位置。

隨后，跨運(yùn)車?yán)^續(xù)向岸橋中心線行駛，第二個(gè)激光限位接收到跨運(yùn)車反射器信號(hào)，由于該激光限位的位置為關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)，故主控在接收到信號(hào)后，輸出開關(guān)量信號(hào)至引導(dǎo)指示屏，為體現(xiàn)跨運(yùn)車從右側(cè)進(jìn)入，引導(dǎo)指示屏的最下端白色燈最先亮起。隨著跨運(yùn)車?yán)^續(xù)行駛，激光限位的6個(gè)關(guān)鍵位置逐一接收反射器信號(hào)，對(duì)應(yīng)引導(dǎo)指示屏白色指示燈依次從最下部向3盞紅色指示燈亮起聚攏。當(dāng)跨運(yùn)車抵達(dá)至卸箱位置時(shí)，跨運(yùn)車頂部3個(gè)反射器信號(hào)同時(shí)被激光信號(hào)接收。主控同時(shí)接收3個(gè)激光限位反饋信號(hào)后，輸出開關(guān)量信號(hào)至引導(dǎo)指示屏的3盞紅燈。一旦3盞紅燈同時(shí)亮起，跨運(yùn)車司機(jī)操作跨運(yùn)車起升下降及開鎖動(dòng)作，將集裝箱放下后跨運(yùn)車即可起升，離開船舶作業(yè)區(qū)駛向堆場(chǎng)做二次抓箱。

由上述工作機(jī)制中可知，如采用跨運(yùn)車裝卸集裝箱并配合VC定位系統(tǒng)可大幅提高集裝箱的裝卸效率，避免出現(xiàn)類似集卡拖車的堵車現(xiàn)象，充分地展現(xiàn)了跨運(yùn)車機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)。從系統(tǒng)的硬件布置可知，激光限位由支架固定，其重要意義在于機(jī)械位置的準(zhǔn)確性。故系統(tǒng)的穩(wěn)定性極高，降低了環(huán)境因素對(duì)定位精度的影響，避免了電氣設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定性。當(dāng)然也可以看到，采用該套VC定位系統(tǒng)的最大弊端在于成本極高，三區(qū)域的劃分導(dǎo)致系統(tǒng)需配置81個(gè)激光限位，這也使其適用性大大降低。

5 研究與展望

VC定位系統(tǒng)與CPS系統(tǒng)雖然兩者定位的參照對(duì)象不同，但定位方式可以互相印證及參照的。從產(chǎn)品開發(fā)的角度，是否可以利用VC定位系統(tǒng)所采用的激光網(wǎng)絡(luò)矩陣形式對(duì)集卡拖車進(jìn)行精準(zhǔn)定位，達(dá)到良好的定位效果，或采用激光掃描儀對(duì)跨運(yùn)車進(jìn)行掃描定位。

隨著岸橋自動(dòng)化程度的提高，越來越多的碼頭選擇AGV與自動(dòng)化岸橋相配套。而AGV最主要的難點(diǎn)在于軌跡算法，是否可以考慮通過激光限位系統(tǒng)輔助AGV定位，達(dá)到簡(jiǎn)化軌跡算法的目的。

文中從以HHLA-CTB項(xiàng)目的VC系統(tǒng)入手，從系統(tǒng)布置、工況上予以細(xì)化剖析，并論述該種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的設(shè)想，供后續(xù)的設(shè)計(jì)研發(fā)人員借鑒及參考。