港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)方案研究與設(shè)計(jì)

丁高耀 仇佳捷

寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程加快和國(guó)際貿(mào)易的不斷發(fā)展對(duì)港口物流效率提出了更高要求，同時(shí)也帶動(dòng)了港口起重設(shè)備的迅猛發(fā)展。傳統(tǒng)港口起重機(jī)操控方式以人工現(xiàn)場(chǎng)操作為主，自動(dòng)化程度不高，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率相對(duì)低。近些年，在“工業(yè)4.0”、“中國(guó)制造2025”和5G通訊技術(shù)大力發(fā)展的環(huán)境下，傳統(tǒng)操作將不再適用信息化、自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)方式。2014年以來(lái)國(guó)內(nèi)已建成多個(gè)自動(dòng)化碼頭，另外一些大型港口傳統(tǒng)裝卸碼頭也開(kāi)展了智能化改造，陸續(xù)配置帶遠(yuǎn)程及自動(dòng)化控制功能的起重設(shè)備或?qū)υO(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造。

遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制技術(shù)在港口起重機(jī)中的應(yīng)用使起重機(jī)械的檢驗(yàn)面臨全新的課題與挑戰(zhàn)，由于國(guó)家未出臺(tái)起重機(jī)械遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)控制技術(shù)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和安全技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)階段的起重機(jī)械遠(yuǎn)程及自動(dòng)化控制技術(shù)仍屬特種設(shè)備新技術(shù)應(yīng)用范疇，根據(jù)《特種設(shè)備安全法》規(guī)定：特種設(shè)備采用新材料、新技術(shù)、新工藝，與安全技術(shù)規(guī)范的要求不一致，或安全技術(shù)規(guī)范未作要求、可能對(duì)安全性能有重大影響的，應(yīng)向國(guó)務(wù)院負(fù)責(zé)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理的部門申報(bào)，由國(guó)務(wù)院負(fù)責(zé)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理的部門及時(shí)委托安全技術(shù)咨詢機(jī)構(gòu)或者相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)評(píng)審，評(píng)審結(jié)果經(jīng)國(guó)務(wù)院負(fù)責(zé)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理的部門批準(zhǔn)，方可投入生產(chǎn)、使用。因此，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)積極倡新技術(shù)研究及應(yīng)用，及時(shí)研究與制定相應(yīng)對(duì)策和檢驗(yàn)要求，確保該類設(shè)備的使用安全。

1 系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)程及自動(dòng)化控制系統(tǒng)是智能化港口起重機(jī)的核心組成部分之一，該系統(tǒng)利用遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)，將起重機(jī)司機(jī)室復(fù)制到遠(yuǎn)程中控室，既可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，又可使在遠(yuǎn)程中控室的司機(jī)通過(guò)攝像頭代替人眼，進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)操作（見(jiàn)圖1）。

圖1 遠(yuǎn)程及自動(dòng)化控制系統(tǒng)示例圖

港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)組成如圖2所示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化碼頭對(duì)作業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化配置、作業(yè)任務(wù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配、有效利用場(chǎng)地起重設(shè)備資源、提高碼頭的作業(yè)效率、減少起重機(jī)的待機(jī)時(shí)間和轉(zhuǎn)場(chǎng)次數(shù)等，進(jìn)一步降低能耗，提高碼頭節(jié)能減排效果。同時(shí)，遠(yuǎn)程作業(yè)還可節(jié)約人力資源，由一對(duì)一人機(jī)配置到一對(duì)多人機(jī)配置。

圖2 遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)組成

1）控制技術(shù)是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)設(shè)備的調(diào)度運(yùn)轉(zhuǎn)、自動(dòng)控制、多設(shè)備聯(lián)動(dòng)等操作，主要分為計(jì)劃調(diào)度、設(shè)備管理、設(shè)備控制等部分。其中，計(jì)劃調(diào)度部分與集裝箱碼頭裝卸計(jì)劃作業(yè)系統(tǒng)對(duì)接，用以為調(diào)度設(shè)備作業(yè)任務(wù)；設(shè)備管理部分與整個(gè)碼頭的設(shè)備控制管理系統(tǒng)相對(duì)接，用于根據(jù)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行設(shè)備調(diào)度及多設(shè)備配合聯(lián)動(dòng)；設(shè)備控制部分用于單一設(shè)備控制決策，綜合分析調(diào)度指令、操作指令、設(shè)備信息、傳感器信息等信息，控制單一設(shè)備完成單一作業(yè)的控制核心。

2）定位技術(shù)是遠(yuǎn)程及自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)各機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的定位功能，以幫助各機(jī)構(gòu)安全、準(zhǔn)確、可靠、快速到達(dá)指定位置，從而完成作業(yè)或作業(yè)待命的指令。根據(jù)運(yùn)行機(jī)構(gòu)分為大車定位、小車定位、起升定位等。

3）通訊技術(shù)是遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)連接傳輸?shù)闹匾夹g(shù)，負(fù)責(zé)將上位機(jī)的控制指令傳輸?shù)浇K端設(shè)備，還負(fù)責(zé)將終端設(shè)備的相關(guān)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)供上位機(jī)或操作人員決策。通訊技術(shù)根據(jù)形式不同可分為有線通訊、無(wú)線通訊和準(zhǔn)無(wú)線通訊。

4）保護(hù)技術(shù)是港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動(dòng)運(yùn)行的安全保障。由于遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制設(shè)時(shí)間處于無(wú)人監(jiān)視或部分區(qū)域無(wú)法監(jiān)視的狀態(tài)，故需要增加相應(yīng)的安全保護(hù)措施來(lái)保障設(shè)備的安全運(yùn)行。常見(jiàn)的安全保護(hù)技術(shù)有防撞保護(hù)、防碰箱保護(hù)、防吊起保護(hù)（載車板未分離保護(hù)）等。

5）其他技術(shù)是輔助港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動(dòng)運(yùn)行的技術(shù)，如圖像處理技術(shù)，用以處理從現(xiàn)場(chǎng)傳輸過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)圖像，包括圖像剪切與拼接、圖像色彩與質(zhì)量處理優(yōu)化等。車輛引導(dǎo)是針對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)起重機(jī)設(shè)備配合人工駕駛車輛，通過(guò)車輛引導(dǎo)技術(shù)引導(dǎo)駕駛?cè)藛T將車輛停在作業(yè)位置，便于遠(yuǎn)程自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。

2 主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)使港口起重機(jī)可實(shí)現(xiàn)操作人員的遠(yuǎn)程操作，在部分作業(yè)環(huán)節(jié)由主控系統(tǒng)來(lái)控制起重機(jī)自動(dòng)完成作業(yè)。配置該系統(tǒng)的港口起重機(jī)是在原有起重機(jī)控制系統(tǒng)上添加了自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等新技術(shù)的結(jié)合體，在一定程度上突破了傳統(tǒng)起重機(jī)設(shè)計(jì)理念，但現(xiàn)階段從設(shè)備的使用特點(diǎn)與傳統(tǒng)操作方式起重機(jī)相比較存在以下風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：

1）操作視野界面不同 遠(yuǎn)程系統(tǒng)操作者主要以目視顯示屏進(jìn)行操作，對(duì)實(shí)物及環(huán)境的視感性比現(xiàn)場(chǎng)操作差；由于操作視屏組合方式的不同，往往會(huì)帶來(lái)視覺(jué)盲區(qū)；同時(shí)，普通操作者要通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間培訓(xùn)才能達(dá)到視覺(jué)的適應(yīng)性。

2）操作者聽(tīng)覺(jué)缺失 傳統(tǒng)起重機(jī)如遇到設(shè)備故障或人員傷害的突發(fā)響應(yīng)，作業(yè)人員對(duì)聲音的有效辨識(shí)起到較大作用，但遠(yuǎn)程端卻無(wú)法識(shí)別。

3）通訊系統(tǒng)存在時(shí)間延遲 因傳輸技術(shù)瓶頸、無(wú)線帶寬局限、多視頻信息大、圖像轉(zhuǎn)化速度等因素，不同的通訊方式往往反映在顯示屏中的動(dòng)作會(huì)比實(shí)際滯后，故通訊系統(tǒng)的延遲會(huì)帶來(lái)較大危險(xiǎn)。

4）作業(yè)環(huán)境未完全封閉 部分遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制的起重機(jī)作業(yè)區(qū)域未完全封閉，雖然相關(guān)制度較齊全，但集卡車輛、廠區(qū)內(nèi)部人員可隨意出入，特別是對(duì)于大小車運(yùn)行采用全自動(dòng)化控制的起重機(jī)存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

5）操作系統(tǒng)不夠穩(wěn)定 新開(kāi)發(fā)的操縱系統(tǒng)不夠完善，尚需時(shí)間的驗(yàn)證，特別是軟件系統(tǒng)如何與相應(yīng)硬件系統(tǒng)匹配更需要不同工況測(cè)試，傳輸信息的丟失、多界面的轉(zhuǎn)變等都影響起重機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。

6）硬件的配置不可靠 所有定位檢測(cè)裝置、攝像頭配置的好壞直接影響機(jī)構(gòu)運(yùn)行位置精度和視頻真實(shí)性。

7）安全保護(hù)裝置配置不齊全 為了最大程度防止意外的發(fā)生，在傳統(tǒng)起重機(jī)配置的基礎(chǔ)上增加必要的安全保護(hù)裝置，如起升自動(dòng)運(yùn)行中防重疊、防刮碰保護(hù)，大車自動(dòng)運(yùn)行防碰撞保護(hù)等，安全保護(hù)裝置的到位情況、可靠性、有無(wú)采用冗余功能等均影響設(shè)備的運(yùn)行安全。

3 檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

1）通訊系統(tǒng)的檢驗(yàn)技術(shù) 主要通過(guò)研究通訊延時(shí)對(duì)起重機(jī)械作業(yè)的影響、不同通訊方式面臨的干擾、無(wú)線通訊接入點(diǎn)切換對(duì)通訊連續(xù)性的影響等問(wèn)題，借鑒相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合起重機(jī)械實(shí)際使用特點(diǎn)制定相應(yīng)指標(biāo)，并研究相應(yīng)測(cè)試驗(yàn)證方法。

2）監(jiān)控系統(tǒng)的檢驗(yàn)技術(shù) 主要研究畫面及其延時(shí)對(duì)操作人員操作的影響，研究測(cè)定監(jiān)控畫面延時(shí)的檢驗(yàn)技術(shù)，制定監(jiān)控畫面質(zhì)量及傳輸質(zhì)量的相應(yīng)指標(biāo)，結(jié)合起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制情況下操作人員對(duì)監(jiān)控畫面的需求，制定符合不同運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面內(nèi)容要求的指標(biāo)。

3）定位系統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù) 主要研究不同定位技術(shù)的實(shí)際定位效果，包括但不限于GPS定位、復(fù)合地理信息標(biāo)識(shí)定位、圖像識(shí)別定位、特定標(biāo)識(shí)定位、格雷姆線定位、編碼器定位等。定位系統(tǒng)包括大車行走、小車行走和起升等機(jī)構(gòu)，結(jié)合起重機(jī)在遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制工況下實(shí)際工作需要及運(yùn)行過(guò)程中可能對(duì)周圍帶來(lái)的隱患，制定系統(tǒng)定位精度指標(biāo)，并制定以上運(yùn)行機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)定位精度的檢驗(yàn)技術(shù)。

4）安全保護(hù)功能的檢驗(yàn)技術(shù) 主要通過(guò)研究較安全保護(hù)功能的不同實(shí)現(xiàn)形式，如通過(guò)傳感器、圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)，分析不同實(shí)現(xiàn)形式的安全性和可靠性，結(jié)合港口起重機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，分析遠(yuǎn)程及自動(dòng)操作與司機(jī)室操作不同，制定需要增加的安全保護(hù)功能，以及傳統(tǒng)保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)指標(biāo)，研究各種保護(hù)功能的試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)手段。

4 檢驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，從特種設(shè)備安全角度出發(fā)，是特種設(shè)備新技術(shù)的應(yīng)用范疇，但由于遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制技術(shù)缺少相應(yīng)的參照依據(jù)，故對(duì)新技術(shù)合法認(rèn)定是在檢驗(yàn)方案實(shí)施的關(guān)鍵。遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)前期流程如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)前期流程

遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制港口起重機(jī)的整體檢驗(yàn)主要分為常規(guī)檢驗(yàn)和遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)專項(xiàng)檢驗(yàn)。其中，常規(guī)檢驗(yàn)按照國(guó)家現(xiàn)有安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)港口起重機(jī)的相應(yīng)部分進(jìn)行檢驗(yàn)；遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)的專項(xiàng)檢驗(yàn)針對(duì)設(shè)備中遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置專門的檢驗(yàn)項(xiàng)目。由于港口起重機(jī)品種、制造設(shè)計(jì)單位的不同，相應(yīng)遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)也不同，根據(jù)本地區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有的遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制設(shè)備的配置情況，研究設(shè)計(jì)了圖4所示遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)方案主要項(xiàng)目。

圖4 遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制系統(tǒng)主要檢驗(yàn)項(xiàng)目分類圖

1）資料審查 審查產(chǎn)品出廠資料，包括產(chǎn)品質(zhì)量合格證、安裝及其使用維護(hù)保養(yǎng)說(shuō)明、設(shè)計(jì)文件、操作使用說(shuō)明書是否符合技術(shù)規(guī)格書或技術(shù)合同要求等，如采用機(jī)器視覺(jué)等軟件控制方式應(yīng)提供相應(yīng)設(shè)計(jì)說(shuō)明。

2）作業(yè)環(huán)境檢查 檢查現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)區(qū)域是否有可靠的封閉或防護(hù)措施。

3）零部件及電氣裝置檢查 對(duì)遠(yuǎn)程及自動(dòng)化系統(tǒng)增加的硬件如零部件、電氣裝置、防護(hù)裝置等，檢查其狀態(tài)情況。

4）遠(yuǎn)程控制臺(tái)檢查主要包括操作和顯示兩大部分，操作又可分為操作權(quán)限、手柄及按鈕、緊（應(yīng)）急停止開(kāi)關(guān)、控制聯(lián)鎖等；顯示可分為視頻監(jiān)控、狀態(tài)顯示和語(yǔ)音廣播等。

5）定位技術(shù)檢查 除各機(jī)構(gòu)的定位精度要求外，還要看定位系統(tǒng)是否具備故障檢測(cè)功能，如當(dāng)發(fā)生故障或無(wú)法準(zhǔn)確定位時(shí)應(yīng)停在原地并向控制臺(tái)發(fā)出故障信號(hào)。

6）通訊技術(shù)檢查主要包括傳輸能力和抗干擾能力，通訊中斷反應(yīng)能力應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，當(dāng)設(shè)計(jì)要求未規(guī)定時(shí)應(yīng)小于0.5 s通訊中斷發(fā)出報(bào)警后，不得自動(dòng)重連，需要人工復(fù)位確認(rèn)。

7）保護(hù)技術(shù)檢查主要包括大車防撞保護(hù)、集裝箱防碰箱保護(hù)、集裝箱未與集卡分離的防吊起保護(hù)，輪胎式起重機(jī)應(yīng)設(shè)置大車自動(dòng)糾偏保護(hù)，以便準(zhǔn)確檢測(cè)集裝箱上下間的距離應(yīng)設(shè)置箱高檢測(cè)保護(hù)等。

5 結(jié)語(yǔ)

起重機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)是未來(lái)起重機(jī)智能化的發(fā)展方向之一，在暫缺國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)規(guī)范的前提下，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)參考相關(guān)企業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)起重機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和改造方案，制定專項(xiàng)的檢驗(yàn)方案，從而有效降低使用風(fēng)險(xiǎn)，也給生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)和使用管理工作提供指導(dǎo)意見(jiàn)，保障起重機(jī)的安全運(yùn)行。