集裝箱吊具智能技術(shù)在自動化碼頭中的應(yīng)用

上海振華重工集團股份有限公司 上海 201314

1 設(shè)計背景

20世紀(jì)80年代中期，因人口增速放緩，集裝箱碼頭的自動化技術(shù)在勞動力成本較高和熟練勞動力匱乏的地區(qū)被關(guān)注。隨著國內(nèi)多個項目的落地試運營，越來越多的碼頭正在著手全新自動化碼頭的籌備建設(shè)工作，或是現(xiàn)有設(shè)備的升級改造。傳統(tǒng)集裝箱吊具（以下簡稱吊具）的操作由人通過手和眼的協(xié)調(diào)進(jìn)行，無法滿足自動化作業(yè)的需求，而自動化吊具需要做到：自動對箱精準(zhǔn)，碼箱整齊；自動箱號識別提速碼頭管理；智能在線監(jiān)測提供安全作業(yè)和高效作業(yè)保障；自動潤滑減少人工介入保養(yǎng)；吊具的預(yù)測性維護(hù)提升管理水平。為此，文中詳細(xì)介紹了吊具智能技術(shù)，可達(dá)到上述各項需求。

識別系統(tǒng)的集裝箱檢測和自動定位系統(tǒng)（LCS）依靠單點激光器堆疊時檢測底部集裝箱；箱號識別系統(tǒng)用于自動識別集裝箱箱號，供調(diào)度系統(tǒng)使用。基于稱重系統(tǒng)的算法用于檢測設(shè)備承載情況，即實現(xiàn)集裝箱的超偏載檢測和重量檢測，又可同步完成安全防護(hù)。自動潤滑系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)定自動對各關(guān)節(jié)進(jìn)行定期潤滑、智能報警，減少人工干預(yù)。SMS吊具管理系統(tǒng)綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算及相關(guān)技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集及分析方法，采用多學(xué)科交叉結(jié)合的形式，對吊具在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究，對產(chǎn)品的維護(hù)周期、維護(hù)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)測提醒，系統(tǒng)提供系列管理模板和表單供客戶使用，降低吊具維護(hù)保養(yǎng)中的人工管理工作量，使吊具日常維護(hù)保養(yǎng)監(jiān)管更科學(xué)和準(zhǔn)確。

2 識別系統(tǒng)

在無人干涉操作的情況下，通過傳感技術(shù)和AI人工智能的應(yīng)用來實現(xiàn)自動化作業(yè)要求。相較于傳統(tǒng)操作員操作，應(yīng)用傳感技術(shù)和AI人工智能可靈活精準(zhǔn)控制，識別集裝箱信息，識別集裝箱的不規(guī)則變形及破損。

2.1 集裝箱檢測和自動定位系統(tǒng)

集裝箱檢測和自動定位系統(tǒng)（LCS）是基于激光傳感器的一種應(yīng)用，安裝于吊具上的單點激光器檢測下方固定范圍內(nèi)的物體，通過4個激光器來檢測判斷下方集裝箱的位置。單點激光器的模擬信號可接進(jìn)吊具的CAN通訊輸入模塊或ASI通訊輸入模塊（輸入模塊具體形式取決于吊具的通訊協(xié)議），再進(jìn)主機自動化控制系統(tǒng)（ACCS）進(jìn)行處理。在碼箱時（第二層及以上放箱時）使用該系統(tǒng)，可精準(zhǔn)對象作業(yè)。

單點激光器是LCS中數(shù)據(jù)采集單元，常用數(shù)量為4個和6個。軌道式起重機的大車方向誤差可控，所以在吊具內(nèi)側(cè)4個鎖頭處安裝單點激光器來收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸至ACCS系統(tǒng)進(jìn)行后臺運算，給出動作指令來調(diào)整小車方向的偏差，完成自動定位。輪胎式起重機的大車方向誤差較大，所以安裝于吊具內(nèi)側(cè)4個鎖頭處的單點激光器用于收集小車方向誤差的數(shù)據(jù)，安裝于外側(cè)的2個單點激光器用于收集大車誤差的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸至ACCS進(jìn)行后臺運算，給出動作指令調(diào)整大車、小車方向的偏差，完成自動定位。

由于堆場的箱子之間存在間隙，通常大車方向為40 cm,小車方向為40 cm（見圖1）。當(dāng)?shù)蹙叩踹\集裝箱進(jìn)入堆箱區(qū)準(zhǔn)備堆放時，下降一定高度進(jìn)入到激光器設(shè)定有效檢測區(qū)域（見圖2黃色垂直區(qū)域）,若檢測到吊具下方有物體，說明此放箱吊具未對齊下方的箱體，通過模塊將此數(shù)據(jù)傳給ACCS，再由主機給出調(diào)整吊具姿態(tài)命令，已達(dá)到兩集裝箱對齊的狀態(tài)，完成對位。

圖1 堆箱示意圖

圖2 有效檢測區(qū)域

2.2 箱號識別系統(tǒng)

集裝箱的箱號ID用于倉儲管理、轉(zhuǎn)運管理、出入關(guān)管理等環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)模式依賴人工識別，然后輸入計算機，人工操作的弊端是容易出現(xiàn)錯誤以及效率較低。箱號亟需自動識別，并直接進(jìn)入碼頭管理系統(tǒng)，以適應(yīng)自動化作業(yè)要求。自動化集裝箱碼頭吊具在四角安裝攝像頭或攝像機，抓取集裝箱頂部噴涂于鋼架上的箱號，通過OCR技術(shù)識別集裝箱號，為碼頭的集裝箱管理、集裝箱堆場管理、集裝箱倉儲搬運管理、海關(guān)集裝箱管理等提供便捷，可避免人為因素導(dǎo)致的記錄錯誤降低出錯率。

同時，還可利用攝像頭捕獲的集裝箱外觀信息，通過模板匹配模型識別、判定集裝箱的完好性。這種模板匹配模型將捕捉的信息數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)原本輸入的大量破損集裝箱信息數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，最終判別集裝箱是否完好。對于破損嚴(yán)重的、鎖孔變形的、被認(rèn)為不適合吊具安全起吊的，此時需要人工介入并干預(yù)，對集裝箱進(jìn)行評估，判斷是否符合被安全起吊的條件。

3 集裝箱稱重和超載保護(hù)系統(tǒng)

集裝箱運輸質(zhì)量誤報或超重將導(dǎo)致海運危險運輸甚至發(fā)生海運事故，所以國際海事組織海上安全委員會IMO批準(zhǔn)《國際海上人命安全公約》（以下簡稱SOLAS）修正案（集裝箱質(zhì)量驗證新規(guī)）于2016年7月1日起強制生效。如果不符合SOLAS規(guī)定，在裝船前未能提供正確的集裝箱驗證總質(zhì)量（VGM）,集裝箱將無法裝船。

傳統(tǒng)碼頭通過閘口地磅用去皮稱重的方法進(jìn)行集裝箱稱重。集裝箱和集卡一起稱重，進(jìn)閘口時為總重，出閘口時為集卡質(zhì)量，稱重精度低，且由工作人員計算并記錄效率較低，影響碼頭集卡的進(jìn)出速度。吊具配置的稱重系統(tǒng)既可解決集卡進(jìn)出速度問題，又可提高集裝箱稱重精度，還能應(yīng)用于主機的超載、偏載安全保護(hù)。如圖3所示，稱重系統(tǒng)由傳感器、前端處理器、控制器、顯示屏、打印機、PLC、PC端等組成。

圖3 稱重系統(tǒng)

自動化吊具上配置稱重系統(tǒng)能解決稱重精度低、效率低的問題。通過轉(zhuǎn)銷四角處傳感器檢測鎖頭的承載，模擬量信號經(jīng)過放大器通過I/O模塊進(jìn)控制器,經(jīng)過控制器內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行計算，再將數(shù)據(jù)傳至終端顯示器及打印機、PC終端、起重機PLC等。 由于直接從鎖頭處檢測承載，故稱重精度比地磅要高。數(shù)據(jù)直接可進(jìn)PC終端，完全不需要手動計算和記錄。同時，記錄的載荷及載荷偏心距傳入起重機PLC，一旦監(jiān)測到超載、偏載情況即停止起升動作，發(fā)出超載、偏載報警，確保安全作業(yè)，以及集裝箱的安全海運。如果將稱重數(shù)據(jù)接入SMS吊具管理系統(tǒng)，還可預(yù)測轉(zhuǎn)銷的壽命。

4 自動潤滑系統(tǒng)

集裝箱吊具多在海邊鹽霧較大環(huán)境中工作，在其工作過程中，沖擊大，結(jié)構(gòu)之間相對運動頻繁，機構(gòu)工作級別高。傳統(tǒng)集裝箱吊具的潤滑方式為手動注入或涂抹潤滑脂，在各機構(gòu)的潤滑點油嘴處、有相對摩擦的減磨塊與鋼結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的表面處。傳統(tǒng)潤滑方式主要有潤滑不及時、不均勻、遺漏風(fēng)險大、人工成本高等缺陷。集裝箱吊具的自動化相對于傳統(tǒng)吊具自動化作業(yè)程度高，動作的頻繁程度會大大增加，在碼頭配置人員減少的情況下，自動潤滑系統(tǒng)技術(shù)就可以有效解決這些問題。

自動集中潤滑系統(tǒng)常用的單線式潤滑系統(tǒng)，遞進(jìn)式潤滑系統(tǒng)，雙線式潤滑系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計將所有潤滑點集中在若干個分配器上。分配器通過主油路與潤滑泵相連，采用程序控制潤滑泵的方式，對各潤滑點實行定時、定量加注潤滑油脂。潤滑效果好，不會導(dǎo)致潤滑不及時，不均勻和遺漏。手動潤滑和自動潤滑的效果對比如圖4所示。

圖4 手動自動潤滑的效果

5 吊具管理系統(tǒng)

吊具管理系統(tǒng)（SMS）具備信息獲取、信息傳遞、信息處理、信息再生、信息利用等功能，與智能化工具相結(jié)合，對吊具進(jìn)行精細(xì)化、智能化實時管理，監(jiān)管吊具運行狀況，管理吊具智能維護(hù)、故障診斷、預(yù)測性維護(hù)保養(yǎng)。

SMS使傳統(tǒng)管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰ヂ?lián)網(wǎng)為核心的現(xiàn)代化管理方式，主要特點有設(shè)計過程數(shù)字化、維保自動化和智能化、管理多變量優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)化并行設(shè)計和協(xié)同設(shè)計等。吊具管理系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)在吊具管理、經(jīng)營過程中，通過信息基礎(chǔ)設(shè)施，在集成平臺上實現(xiàn)信息采集（傳感器及儀器儀表、閥門）、信息傳輸（通信）、信息處理（計算機）以及信息的綜合應(yīng)用等，主要研究內(nèi)容為利用信息化相關(guān)知識實現(xiàn)對吊具故障維保的高效化管理，改變以往傳統(tǒng)人工維保的現(xiàn)狀；將吊具信息數(shù)字化，便于全方位進(jìn)行監(jiān)管；通過診斷模型來對吊具進(jìn)行故障診斷，利用失效模型和壽命計算模型進(jìn)行壽命預(yù)測及維保計劃推測。

5.1 智能維護(hù)

吊具在集裝箱起重機中占據(jù)重要地位，吊具故障時刻影響著起重機的正常使用。隨著自動化集裝箱吊具使用規(guī)模的擴大，為確保吊具的穩(wěn)定使用，減少常見故障問題，吊具必須進(jìn)行科學(xué)、高效的實時管理與維護(hù)，智能維保模式是解決問題的根本。吊具故障維修效率低的原因，主要有以下方面：

1）缺乏對信息化生產(chǎn)管理的重視，吊具故障信息采集、作業(yè)量、維護(hù)情況等均由人工統(tǒng)計來完成，存在時間和地域的限制，且管理效率不高，導(dǎo)致吊具在使用中出現(xiàn)的問題難以及時解決并減少。

2）吊具的各項參數(shù)復(fù)雜多樣，復(fù)雜的數(shù)據(jù)統(tǒng)計難以保存與更新，增加了吊具維護(hù)管理難度，直接影響了吊具維保效率。

借助大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術(shù)實現(xiàn)吊具信息化管理，通過信息化技術(shù)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息、知識，搭建吊具故障分析模型，對碼頭現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)多維度、多層次的挖掘分析，并對監(jiān)管的吊具部件提供預(yù)報警機制，充分發(fā)揮碼頭RCMS數(shù)據(jù)的二次開發(fā)利用，為客戶和企業(yè)科學(xué)管理設(shè)備、決策分析提供有利依據(jù)，大大提高吊具維保效率，充分發(fā)揮信息化與工業(yè)化的深度融合，實現(xiàn)吊具智能維護(hù)。

5.2 故障診斷

自動化集裝箱吊具功能比傳統(tǒng)吊具多，吊具的復(fù)雜程度高，吊具的故障診斷變得更重要。為了及時知曉吊具的狀態(tài)，減少維護(hù)時間，降低維保人員的技術(shù)檢測門檻，吊具故障診斷功能可以改善上述問題，提高吊具的作業(yè)效率，方便用戶使用。

根據(jù)吊具采集到的各種信息，組態(tài)界面可配置，數(shù)據(jù)指標(biāo)可配置，采集規(guī)則可配置，轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則可配置，大部分采用拖拽式配置能力，部分需要腳本語言做配置。通過預(yù)設(shè)的機制，例如時間檢測、動作檢測、壽命檢測、邏輯分析等做到智能診斷，疊加工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的軟硬件設(shè)備，可自動發(fā)送診斷信息，可通過語音、網(wǎng)頁、郵件、短信、APP等網(wǎng)絡(luò)自動推送診斷內(nèi)容，可查看吊具自診斷的錯誤日志，故障診斷模型給出故障代碼及判斷具體位置的傳感器，執(zhí)行器等設(shè)備是否發(fā)生故障。

5.3 預(yù)測性維護(hù)保養(yǎng)

預(yù)設(shè)關(guān)鍵部件的維護(hù)周期，及時提醒進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；預(yù)設(shè)部件使用壽命，及時提醒進(jìn)行更換。利用SMS吊具管理系統(tǒng)中監(jiān)測的數(shù)據(jù)，輸入失效模型和壽命計算模型，能做到提前預(yù)測壽命，提前預(yù)測失效，及時推送維護(hù)與更換計劃，避免過度使用造成損壞甚至安全事故。

6 結(jié)束語

隨著全球自動化碼頭的加速建設(shè)以及全球貿(mào)易不斷緊密聯(lián)系，集裝箱吞吐量逐年在增加。對于自動化作業(yè)配套的吊具，需要解決保證快速高效作業(yè)即快速精準(zhǔn)定位、確保安全作業(yè)、通過維保手段確保作業(yè)設(shè)備的低故障率、高穩(wěn)定性等問題。本文對自動化碼頭集裝箱吊具應(yīng)對這些問題所應(yīng)用的集裝箱檢測和自動定位、稱重系統(tǒng)解決集裝箱VGM、起重機超載保護(hù)、自動潤滑系統(tǒng)、SMS吊具管理系統(tǒng)、智能維護(hù)系統(tǒng)等均予以詳述，這些技術(shù)在吊具上得到實際的應(yīng)用，有效地解決了問題，提高了整個碼頭的作業(yè)效率，提高了吊具的作業(yè)效率。