自動化集裝箱堆場遠(yuǎn)程控制技術(shù)方案

張誠龍

洋浦國際集裝箱碼頭有限公司

1 引言

隨著海南自由貿(mào)易港的開發(fā)建設(shè)，某港口經(jīng)營業(yè)務(wù)不斷發(fā)展壯大，為實(shí)現(xiàn)減少生產(chǎn)人員以及人工操作、改善司機(jī)作業(yè)環(huán)境、降低碼頭營運(yùn)成本、提高集裝箱碼頭作業(yè)效率、提高碼頭管理水平等目的，該港區(qū)某碼頭開展集裝箱堆場門式起重機(jī)(以下簡稱場橋)遠(yuǎn)程控制技術(shù)的研究與應(yīng)用，推動自動化堆場、智慧碼頭的建設(shè)。

2 港口基本情況

本次自動化堆場建設(shè)涉及32臺場橋和32塊堆場(見圖1)。A101～A110、A201～A210、A301～A310為30塊重箱堆場，每塊堆場長約226 m,設(shè)置了30臺輪胎式龍門起重機(jī)(以下簡稱RTG)；B105、B205為2塊空箱堆場，設(shè)置2臺軌道式龍門起重機(jī)(以下簡稱RMG),2臺RMG共用1組軌道，軌道總長425 m。

圖1 碼頭堆場布置示意圖

3 自動化堆場建設(shè)思路

集裝箱碼頭堆場裝卸作業(yè)是由多類設(shè)備和多種系統(tǒng)組成的復(fù)雜而龐大的工程，本次改造的碼頭通過在多個層級上對堆場裝卸環(huán)節(jié)各作業(yè)要素進(jìn)行賦能，融合網(wǎng)絡(luò)、傳感器、優(yōu)化控制、智能識別、協(xié)同處理、分布式應(yīng)用等技術(shù)，對多個智能系統(tǒng)協(xié)同集成(見圖2)，實(shí)現(xiàn)堆場自動化裝卸作業(yè)。

圖2 智能控制示意圖

(1)碼頭操作系統(tǒng)(以下簡稱TOS)作為碼頭生產(chǎn)的核心軟件，統(tǒng)籌集裝箱的裝卸、配載、堆場、疏港等作業(yè)計劃，發(fā)送堆場相關(guān)的自動化作業(yè)指令(任務(wù)信息中包含：任務(wù)號、設(shè)備號、箱號、起點(diǎn)位置、終點(diǎn)位置、集卡號、集卡類型、箱在集卡上的位置等)給智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(以下簡稱ECS)，ECS將執(zhí)行結(jié)果反饋(反饋信息包含：任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)、抓箱標(biāo)記、任務(wù)開始時間、抓箱時間、完成時間、報錯信息等)給TOS[1]。

(2)ECS獲取TOS的業(yè)務(wù)指令，進(jìn)行業(yè)務(wù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、優(yōu)化排序、安全邏輯檢驗(yàn)后，分解為設(shè)備控制命令，發(fā)送給場橋上的設(shè)備控制單元(PLC)執(zhí)行。

(3)場橋上PLC執(zhí)行ECS命令，自動運(yùn)行吊具到目標(biāo)位置上方后，ECS自動綁定中控室內(nèi)空閑操作臺，司機(jī)只需在操作臺遠(yuǎn)程操作場橋完成收箱和放箱動作，并且1個操作臺可控制多臺場橋的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)多對多遠(yuǎn)程控制。

(4)遠(yuǎn)程操作臺上布置遠(yuǎn)程操作所需的操作手柄、按鈕、顯示屏、觸摸屏、語音通話設(shè)備、PLC模塊。

(5)在場橋上安裝必要的攝像機(jī)作為視頻前端，在中控室配置視頻服務(wù)器、監(jiān)控顯示屏等作為視頻后端，組成視頻系統(tǒng)。司機(jī)在遠(yuǎn)程操作場橋時，通過視頻監(jiān)控畫面進(jìn)行集裝箱的抓、放箱操作。

(6)在作業(yè)車道入口處安裝集卡入欄識別系統(tǒng)，檢測和識別集卡到達(dá)并上報TOS，作為作業(yè)指令的觸發(fā)條件。在場橋門腿處設(shè)集卡識別系統(tǒng)、集卡引導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集卡的精確對位，引導(dǎo)集卡司機(jī)調(diào)整?？课恢茫瑴?zhǔn)確停在RTG/RMG起吊位置，減輕集卡司機(jī)勞動強(qiáng)度，提高集裝箱裝卸效率。

(7)為了減少安全事故，提高作業(yè)效率，建立可靠、準(zhǔn)確的安全防護(hù)體系，包括：集卡防吊起、集卡車頭防砸保護(hù)、大車防撞、防撞箱系統(tǒng)、吊具下降防撞等。

4 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

4.1 自動調(diào)度模塊

自動化作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)基于大型集裝箱堆場架構(gòu)，通過控制軟件和各種優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)自動化設(shè)備的驅(qū)動、堆場調(diào)度管理、交換區(qū)管理等目標(biāo)[2]。將諸多碼頭作業(yè)要素考慮在內(nèi)，根據(jù)各種機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)動態(tài)計算任務(wù)優(yōu)先級，優(yōu)化任務(wù)列表，動態(tài)分配作業(yè)機(jī)械，合理配置機(jī)械資源，從而提高作業(yè)效率。

(1)自動翻箱。在系統(tǒng)發(fā)送主作業(yè)任務(wù)之前，當(dāng)自動調(diào)度模塊判斷主出箱任務(wù)上層有壓箱時，就會產(chǎn)生一個同場搬移任務(wù)，調(diào)度判斷此任務(wù)為自動翻箱，將任務(wù)優(yōu)先分配給場橋設(shè)備，完成自動翻箱。

(2)自動換車。港內(nèi)集卡出箱(裝船、搬移)作業(yè)，由于集卡本身的不可控，上層任務(wù)箱的集卡晚于下層箱的集卡到達(dá)，若兩輛集卡是同一個計劃組內(nèi)的，可將二者的任務(wù)箱進(jìn)行交換，從而減少翻箱作業(yè)，提高堆場作業(yè)效率。

(3)位置更新。自動化任務(wù)由TOS批量發(fā)送，計劃位置會因?yàn)樽詣臃涞纫蛩匕l(fā)生變化，在任務(wù)推送給場橋之前，自動調(diào)度模塊會重新檢索起點(diǎn)、終點(diǎn)的位置，將位置信息更新后，再發(fā)送給場橋，從而確保位置信息準(zhǔn)確。

4.2 通訊技術(shù)

整個通訊網(wǎng)絡(luò)形式為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以中控室核心交換機(jī)為數(shù)據(jù)交換中心，綜合運(yùn)用無線AP、波導(dǎo)管、光纖等通信技術(shù)，建立了高可靠性、靈活的多態(tài)立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)港口設(shè)備控制通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)TOS、ECS、操作臺、RTG、RMG及其他設(shè)備間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)交換。

(1)中控室冗余網(wǎng)絡(luò)。中控室2臺核心交換機(jī)采用堆疊技術(shù)，將2臺核心交換機(jī)邏輯上合成1個總交換機(jī)。堆疊系統(tǒng)2臺核心交換機(jī)之間冗余備份，同時利用Eth-Trunk實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備的鏈路冗余備份。任意1臺核心交換機(jī)故障，不影響整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作。

(2)中控室與RMG通訊。RMG作業(yè)區(qū)固定，采用帶光耦的電纜卷盤和帶光纖的復(fù)合型卷盤電纜，與中控室核心交換機(jī)通過光纖建立穩(wěn)定通訊。

(3)中控室與RTG通訊。RTG作業(yè)靈活，其工作區(qū)域不定；為保持RTG工作靈活特性，中控系統(tǒng)與RTG通訊采用無線方案：作業(yè)時采用裂縫波導(dǎo)管通訊方式、轉(zhuǎn)場過街時采用自由無線通訊方式。

采用5.8 G雙腔裂縫波導(dǎo)管，利用定制支架安裝在低架滑觸線上，波導(dǎo)管基站安裝在每條RTG供電支架中間的位置，波導(dǎo)管向兩側(cè)延伸部署約113 m，從而實(shí)現(xiàn)227 m的覆蓋。裂縫波導(dǎo)管穩(wěn)定性高，不易受到干擾，波導(dǎo)輻射的信號集中，隨距離的變化起伏小，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)移動通信系統(tǒng)中。在縱一路至縱四路(見圖1)分別部署4個高塔自由無線基站，使用高增益定向天線覆蓋整個自動化堆場。當(dāng)RTG進(jìn)行轉(zhuǎn)場時，在箱區(qū)端頭進(jìn)行油電切換的同時，自動進(jìn)行波導(dǎo)管通訊和自由無線通訊的切換。

4.3 自動定位技術(shù)

基于堆場自動化控制的需求，綜合應(yīng)用激光掃描、編碼器、定位條碼、定位標(biāo)尺、光電校驗(yàn)等感知手段，實(shí)現(xiàn)場橋上的三大機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)定位，使得三大機(jī)構(gòu)自動、準(zhǔn)確運(yùn)行到目標(biāo)位置。

(1)RTG大車定位。按照一定規(guī)則編排條碼，做成防水膠貼，粘貼在堆場的RTG供電支架反光板上，RTG上的激光掃碼器連續(xù)掃過條碼上的編碼，根據(jù)編碼數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

(2)小車定位。采用直線絕對值編碼器進(jìn)行定位檢測，直線絕對值編碼器由感應(yīng)標(biāo)尺和閱讀頭組成。感應(yīng)標(biāo)尺安裝在主梁上，與小車運(yùn)行軌道平行，閱讀頭安裝在小車架上。閱讀頭與感應(yīng)標(biāo)尺為非接觸式，當(dāng)小車運(yùn)行時閱讀頭沿感應(yīng)標(biāo)尺移動，可實(shí)時讀出感應(yīng)標(biāo)尺數(shù)值反饋給場橋控制系統(tǒng)。小車定位校驗(yàn)采用光電傳感器，在主梁上設(shè)置一定數(shù)量擋板，小車運(yùn)行時，光電傳感器每經(jīng)過一個擋板，控制系統(tǒng)記錄當(dāng)前直線絕對值編碼器數(shù)值；當(dāng)經(jīng)過下一個擋板時，將2次記錄的數(shù)值進(jìn)行比較，得出的數(shù)值為固定數(shù)值，如果該數(shù)值不等于2個擋板間的距離，可判斷小車的直線絕對值編碼器出現(xiàn)故障。通過多個擋板進(jìn)行連續(xù)判斷，可保證直線絕對值編碼器值的準(zhǔn)確性。

(3)起升定位。利用安裝在起升機(jī)構(gòu)卷筒軸心處的絕對值編碼器，測量起升卷筒轉(zhuǎn)動的圈數(shù)和角度，通過計算轉(zhuǎn)換為起升的高度值。這種測量方式的測量精度很高，且絕對值編碼器測量值安全可靠，安裝簡單。起升定位校驗(yàn)采用激光掃描儀進(jìn)行非接觸性測量，測量吊具相對于小車平臺的高度值。吊具上安裝一塊特征板，為安裝在小車平臺上的激光掃描儀提供較好的掃描檢測平面。激光掃描儀掃描到特征板上A、B、C3個邊際點(diǎn)(見圖3)，對讀取的信息進(jìn)行去噪、擬合、邊際判定等算法，可得特征板的3個邊際點(diǎn)高度。在小車到特征板的距離的基礎(chǔ)上加上特征板的安裝高度，即可獲得小車到吊具的實(shí)時高度。另外，場橋運(yùn)行時，吊具存在擺動，此時測量值會跟隨吊具擺動而發(fā)生變化，導(dǎo)致所測量高度值存在偏差，可在激光掃描連續(xù)檢測的基礎(chǔ)上，根據(jù)吊具擺動特性運(yùn)用軟件算法處理，獲取吊具實(shí)際高度值。

1.邊際點(diǎn)C 2.邊際點(diǎn)B 3.邊際點(diǎn)A圖3 吊具及特征板示意圖

4.4 RTG大車糾偏控制技術(shù)

利用激光測距、軟件算法等技術(shù)，通過大車門腿上前后2個激光測距儀，檢測到RTG供電支架上擋板的距離，確定大車行走姿態(tài)，建立糾偏控制模型。根據(jù)RTG大車實(shí)際行駛路線與預(yù)定路線的偏差，運(yùn)用糾偏控制模型控制RTG前后大車的驅(qū)動電機(jī)，糾正大車行駛方向和速度，解決大車蛇形行走等難題，確保RTG能自動平穩(wěn)行走。

4.5 集卡定位及引導(dǎo)技術(shù)

應(yīng)用無線射頻識別(以下簡稱RFID)、激光掃描等智能感知手段，實(shí)現(xiàn)集卡定位及引導(dǎo)。

港內(nèi)集卡綁定固定RFID卡，港外集卡在入閘時發(fā)RFID卡完成綁定。在作業(yè)車道入口處安裝RFID天線，當(dāng)目標(biāo)集卡到達(dá)作業(yè)車道入口時，RFID天線檢測到集卡上的RFID卡并回傳給TOS，觸發(fā)作業(yè)指令。在場橋門腿上安裝RFID天線，識別到目標(biāo)集卡到達(dá)作業(yè)位置，即啟動集卡引導(dǎo)系統(tǒng)。

集卡引導(dǎo)系統(tǒng)主要設(shè)備包含激光雷達(dá)、控制器、LED顯示屏等。激光雷達(dá)對集卡進(jìn)行掃描(見圖4)，將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器識別集卡的行駛方向、位置及離場橋基準(zhǔn)起吊位的偏差距離，實(shí)時將方向信息、距離信息顯示在LED顯示屏上，提示司機(jī)調(diào)整集卡停車位置，完成精準(zhǔn)對位。

1.激光雷達(dá) 2.主梁圖4 集卡引導(dǎo)安裝示意圖

4.6 安全防護(hù)系統(tǒng)

結(jié)合軟件算法、硬件感知、智能識別、合理封閉、道閘管理、門禁管理等控制策略與技術(shù)，建立可靠、準(zhǔn)確的安全防護(hù)體系[3]。

(1)大車防撞保護(hù)。利用ECS軟件分析判斷，主動避免場橋間的碰撞。利用激光、雷達(dá)等感知手段，被動檢測大車行走方向的障礙物。利用前端視頻拍攝、后端視頻顯示，實(shí)時監(jiān)控大車行走畫面。

(2)小車方向負(fù)載防撞箱保護(hù)。采用激光測量的原理掃描堆場集裝箱的輪廓和吊具的實(shí)時位置，通過PLC控制吊具的提升高度和小車的移動，避免吊具或者吊具吊著的集裝箱與堆場上集裝箱相撞；同時通過已知的輪廓實(shí)現(xiàn)優(yōu)化路徑提高效率。

(3)吊具下降防撞保護(hù)。在吊具4角及短邊中間各裝1個激光測距儀(見圖5)，正對吊具下方測距，在吊具下降的過程中檢測下方區(qū)域是否有入侵物體，保證吊具安全下降到目標(biāo)箱上方。

1.吊具下降防撞激光測距儀圖5 吊具下降防撞保護(hù)激光安裝示意圖

(4)集卡防吊起功能。在操作集裝箱從外集卡拖車上吊起時，如果底板的集裝箱卡鎖沒有完全打開，就會將集卡吊起造成極大的安全事故，為了防止這種情況，在場橋上安裝集卡防吊起設(shè)備[4]。將激光掃描儀安裝在場橋裝車道一側(cè)下橫梁下方(見圖6)，位于場橋基距的中間位置，高度超過集卡拖板300 mm。當(dāng)司機(jī)遠(yuǎn)程操作場橋從集卡上方吊起集裝箱并起升到500 mm時，起升機(jī)構(gòu)自動停車，進(jìn)行集卡防吊起檢測，激光掃描傳感器掃描集裝箱下方的區(qū)間，如果集卡拖板與集裝箱沒有完全分離，掃描傳感器檢測到遮擋，反饋信號到場橋的遠(yuǎn)控PLC，及時停止起升動作。

1.大車中心線 2.下橫梁 3.激光掃描儀圖6 集卡防吊起激光安裝示意圖

(5)集卡車頭防砸保護(hù)。吊具在下降過程中，利用安裝在車道側(cè)下橫梁處的激光掃描儀實(shí)時對吊具下方區(qū)域進(jìn)行檢測，結(jié)合當(dāng)前吊具尺寸數(shù)據(jù)、小車位置、吊具高度及吊具運(yùn)行狀態(tài)，判斷出集卡車頭是否出現(xiàn)在有碰撞風(fēng)險的區(qū)域內(nèi)，對集卡車頭進(jìn)行實(shí)時保護(hù)。

5 結(jié)語

智能堆場的實(shí)施有效提高了集裝箱碼頭堆場裝卸作業(yè)效率和安全性。場橋大部分的運(yùn)行功能交由軟件自動完成，減少作業(yè)過程中出現(xiàn)的人為差錯，減少司機(jī)人員數(shù)量和企業(yè)用工成本，同時減少場內(nèi)穿梭人員數(shù)量，降低安全事故發(fā)生的風(fēng)險。場橋多資源協(xié)同、均衡配置，以及場橋的自動調(diào)度與作業(yè)路徑的優(yōu)化，提高了整體效率和箱量作業(yè)能力。智能堆場提高了港口碼頭的數(shù)字化管理水平，形成作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)記錄，便于隨時追溯。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后，可在任意位置遠(yuǎn)程訪問，維護(hù)方便。