基于激光及視覺(jué)檢測(cè)的自動(dòng)化碼頭陸側(cè)交換區(qū)流程優(yōu)化

董 琪

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

隨著科技的飛速發(fā)展以及人力資源成本的日益提高，傳統(tǒng)碼頭逐步被自動(dòng)化碼頭所取代。自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場(chǎng)內(nèi)由于情況相對(duì)簡(jiǎn)單，可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化堆放箱。但在自動(dòng)化碼頭常規(guī)采用的陸側(cè)交互區(qū)內(nèi)，需要和集卡進(jìn)行頻繁交互作業(yè)，還需遠(yuǎn)程人工介入，自動(dòng)化程度有待完善[1]。

2 陸側(cè)交互區(qū)設(shè)備布置

在某碼頭選取堆場(chǎng)內(nèi)使用無(wú)懸臂軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱軌道吊)的陸側(cè)交互區(qū)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

該堆場(chǎng)垂直于碼頭岸線排布，堆場(chǎng)靠岸線處為海側(cè)交互區(qū)，堆場(chǎng)另一頭為陸側(cè)交互區(qū)，2個(gè)交互區(qū)和堆場(chǎng)通過(guò)圍欄進(jìn)行了物理隔離。陸側(cè)交互區(qū)的設(shè)置，保障進(jìn)港的外部集卡無(wú)需進(jìn)入自動(dòng)化堆場(chǎng)內(nèi)即可完成進(jìn)提箱的相關(guān)作業(yè)。

無(wú)懸臂軌道吊堆場(chǎng)的陸側(cè)交互區(qū)共設(shè)置5條集卡車道，面向堆場(chǎng)從右往左依次排開，按1至5標(biāo)示，任一車道都可進(jìn)行作業(yè)。車道與車道之間設(shè)置了物理圍欄，高度約1 m。在每條車道的安全島上各設(shè)置1臺(tái)陸側(cè)交換一體機(jī)，交換一體機(jī)上配備掃碼機(jī)讀取集卡相關(guān)信息，通訊按鈕及喇叭用于進(jìn)行集卡司機(jī)和遠(yuǎn)程軌道吊司機(jī)的溝通，緊停按鈕用于防止危險(xiǎn)情況的發(fā)生，主要是砸車頭和集卡吊起等異常情況。

每條車道的一體機(jī)內(nèi)和車道內(nèi)對(duì)角處各安裝一個(gè)攝像頭，攝像頭圖像可反饋至軌道吊遠(yuǎn)程操作臺(tái)，即在抓放箱的情況下遠(yuǎn)程軌道吊司機(jī)可肉眼觀察車道內(nèi)情況，避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

3 陸側(cè)交換區(qū)進(jìn)提箱流程

堆場(chǎng)內(nèi)除了裝船及卸船的集裝箱通過(guò)AGV在海側(cè)交互外，所有的外集卡進(jìn)港后都是在陸側(cè)交換區(qū)進(jìn)行進(jìn)箱及提箱作業(yè)。進(jìn)箱，即集卡帶箱進(jìn)碼頭，軌道吊在陸側(cè)交換區(qū)把相應(yīng)的箱子放進(jìn)堆場(chǎng)；提箱，即集卡空車進(jìn)碼頭，軌道吊在陸側(cè)交換區(qū)把集裝箱從堆場(chǎng)提出，放在集卡上。

3.1 陸側(cè)交換區(qū)進(jìn)箱流程

集卡司機(jī)在碼頭外部預(yù)檢區(qū)域完成預(yù)檢后，生成二維碼條碼單，單上標(biāo)注了提箱的箱區(qū)，集卡按條碼單上的指示駛到相應(yīng)的陸側(cè)交換區(qū)，倒車進(jìn)入任意一條指示燈為陸側(cè)的空車道。集卡按照地面黃色停車指示線停在車道內(nèi)的相應(yīng)位置，集卡司機(jī)熄火并下車進(jìn)入安全島，進(jìn)入崗?fù)?nèi)進(jìn)行操作。首先在掃碼機(jī)下掃描二維碼，通訊至自動(dòng)化軌道吊，軌道吊依據(jù)信息駛?cè)腙憘?cè)交換區(qū)，進(jìn)入前一體機(jī)播報(bào)要求集卡司機(jī)按住超聲波按鈕，保障司機(jī)位置在安全島上。

自動(dòng)化軌道吊通過(guò)大車及小車的自動(dòng)定位到達(dá)集卡上方，3D掃描系統(tǒng)掃描完帶箱集卡位置后起升下降。首先下降至大約8 m的安全高度，系統(tǒng)推送至遠(yuǎn)程操作臺(tái)，暫時(shí)停止自動(dòng)化動(dòng)作，待軌道吊司機(jī)通過(guò)車道內(nèi)攝像頭確認(rèn)安全情況，并按下確認(rèn)按鈕后繼續(xù)進(jìn)入自動(dòng)化流程。著箱并閉鎖后，起升上升約0.5 m后再次推送至遠(yuǎn)程操作臺(tái)，由軌道吊司機(jī)確認(rèn)是否有不安全情況，如安全，按下操作臺(tái)上確認(rèn)按鈕繼續(xù)起升，待帶箱起升高度到達(dá)12 m的安全高度時(shí)，陸側(cè)交換一體機(jī)播報(bào)司機(jī)可離開安全島，整個(gè)進(jìn)箱作業(yè)完成。

3.2 陸側(cè)交換區(qū)提箱流程

集卡進(jìn)入陸側(cè)交互區(qū)直至集卡司機(jī)下車刷卡的流程和進(jìn)箱時(shí)一致，待集卡司機(jī)掃碼完成后，相應(yīng)信息通訊至自動(dòng)化軌道吊，軌道吊在堆場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)抓取對(duì)應(yīng)的集裝箱并帶箱往陸側(cè)交換區(qū)行駛，通過(guò)大車及小車的自動(dòng)定位到達(dá)集卡上方。3D掃描系統(tǒng)掃描完集卡位置后起升下降，首先下降至大約8 m的安全高度，系統(tǒng)推送至遠(yuǎn)程操作臺(tái)，暫時(shí)停止自動(dòng)化動(dòng)作，待軌道吊司機(jī)通過(guò)機(jī)器上攝像頭確認(rèn)沒(méi)有砸車頭情況，確認(rèn)安全并按下按鈕后繼續(xù)進(jìn)入自動(dòng)化流程，著箱并開鎖把集裝箱放置在集卡上，空吊具上升0.5 m后，再次推送至遠(yuǎn)程操作臺(tái)由軌道吊司機(jī)確認(rèn)放箱是否準(zhǔn)確，如無(wú)誤，按下確認(rèn)按鈕，起升繼續(xù)上升至8 m安全高度并播報(bào)集卡司機(jī)可離開安全島。

4 陸側(cè)交換區(qū)安全系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 系統(tǒng)硬件組成

為減少遠(yuǎn)程操作的介入，在本地需增加相應(yīng)的操作。通過(guò)多種測(cè)試并結(jié)合碼頭現(xiàn)狀，在交換區(qū)一體機(jī)上加裝了一個(gè)黃色帶燈按鈕，在進(jìn)箱過(guò)程中由集卡司機(jī)通過(guò)此按鈕來(lái)判斷集卡的安全情況，確認(rèn)安全后可安全釋放。

但僅靠集卡司機(jī)操作也存在安全隱患，為此，在陸側(cè)交換區(qū)增加了防集卡吊起系統(tǒng)及集卡移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。防集卡吊起系統(tǒng)由2D激光掃描儀和可330°回轉(zhuǎn)的云臺(tái)組成，當(dāng)進(jìn)行集卡車進(jìn)箱作業(yè)時(shí)，激光云臺(tái)垂直于地面對(duì)集卡車中心位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，識(shí)別吊具和集卡車拖架的相對(duì)位置，檢測(cè)集卡車是否因懸鎖未解鎖造成吊起事故，并在發(fā)生吊起事故時(shí)，向控制系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息。集卡移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，基于原車道的2個(gè)攝像頭，識(shí)別當(dāng)前作業(yè)車道的集卡車，并對(duì)集卡車進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，當(dāng)發(fā)現(xiàn)集卡車在作業(yè)未完成時(shí)出現(xiàn)移動(dòng)，向控制系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息；同時(shí)，根據(jù)2個(gè)攝像機(jī)的信息，系統(tǒng)實(shí)施檢測(cè)作業(yè)車道是否有人員或障礙物入侵，并在發(fā)現(xiàn)入侵時(shí)，向控制系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息。

所有以上硬件還需考慮和單機(jī)的通訊交互，基于此，在陸側(cè)交換區(qū)增加了BLOCK PLC用于關(guān)聯(lián)相關(guān)通訊，整個(gè)陸側(cè)交換區(qū)系統(tǒng)所增加的硬件見(jiàn)圖1。

1.激光掃描儀 2.旋轉(zhuǎn)云臺(tái) 3.控制機(jī)箱 4.相機(jī) 5.視覺(jué)控制機(jī)箱圖1 交換區(qū)硬件布置

4.2 系統(tǒng)通訊及軟件接口

新增加的系統(tǒng)考慮穩(wěn)定性和安全性，在陸側(cè)設(shè)置了一個(gè)BLOCK PLC，PLC采取和自動(dòng)化軌道吊相同系列的模塊，保證了整體系統(tǒng)的一致性和通用性。通過(guò)原本已在陸側(cè)的交換機(jī)經(jīng)光纜接入港口的網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)YARD PLC和軌道吊單機(jī)進(jìn)行通訊，具體配置見(jiàn)圖2。

圖2 陸側(cè)交換區(qū)通訊配置示意圖

BLOCK PLC和工控機(jī)之間通過(guò)PROFIBUS DP轉(zhuǎn)換模塊使用DP通訊，通過(guò)配置相關(guān)GSD文件，在軌道吊主程序內(nèi)配置分站及相關(guān)接口協(xié)議。接口協(xié)議一部分為PLC傳給陸側(cè)交換區(qū)系統(tǒng)，主要是一些軌道吊的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括起升、大車、小車位置、著箱及開閉鎖狀態(tài)、車道信息等；另一部分為陸側(cè)交換區(qū)系統(tǒng)反饋給PLC的數(shù)據(jù)，包含各激光狀態(tài)、各攝像頭狀態(tài)、系統(tǒng)是否觸發(fā)及各種故障狀態(tài)。

工控機(jī)上配置的2個(gè)網(wǎng)口對(duì)應(yīng)陸側(cè)的2套系統(tǒng)功能。1號(hào)網(wǎng)口直聯(lián)至陸側(cè)交換區(qū)內(nèi)的POE交換機(jī)上，通過(guò)配置和攝像頭相同網(wǎng)段的地址來(lái)讀取視頻流，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)檢測(cè)的功能。2號(hào)網(wǎng)口連接工控機(jī)旁的交換機(jī)，5車道的3組激光單元的網(wǎng)線也匯聚此交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)集卡防吊起的功能。

工控機(jī)內(nèi)一共運(yùn)行2套程序，一套為主控程序，系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)都通過(guò)此主控程序和PLC進(jìn)行交互；一套為視覺(jué)檢測(cè)程序，通過(guò)分析讀取到的視頻流數(shù)據(jù)來(lái)判斷集卡是否有移動(dòng)。

激光控制箱內(nèi)的2D控制器運(yùn)行集卡防吊起程序，通過(guò)分析接收到的激光掃描儀數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否有吊起的情況；3D控制器運(yùn)行云臺(tái)程序，通過(guò)接收到的軌道吊數(shù)據(jù)調(diào)整云臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度。

4.3 陸側(cè)交換區(qū)流程優(yōu)化

新增系統(tǒng)以陸側(cè)交換區(qū)進(jìn)箱流程為例，在集卡進(jìn)入陸側(cè)交互區(qū)直至集卡司機(jī)下車刷卡的流程和原進(jìn)箱流程一致。在軌道吊駛?cè)腙憘?cè)前，BLOCK PLC接收作業(yè)車道信息，主控程序開始啟動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入待命狀態(tài)，如無(wú)異常，自動(dòng)化軌道吊駛?cè)腙憘?cè)交換區(qū)。此時(shí)主控程序通過(guò)軌道吊的大車編碼器數(shù)據(jù)計(jì)算云臺(tái)需擺動(dòng)的位置，云臺(tái)跟隨軌道吊的大車位置擺動(dòng)，直至停在集卡正上方，激光云臺(tái)就位。起升機(jī)構(gòu)從18 m高度開始下降，此時(shí)高度的變化觸發(fā)視覺(jué)檢測(cè)程序的啟動(dòng)，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取車道攝像頭的視頻流，運(yùn)用視覺(jué)算法來(lái)判斷集卡車是否產(chǎn)生水平方向位移，如無(wú)異常，起升機(jī)構(gòu)持續(xù)下降。8 m安全高度的判斷通過(guò)軌道吊的3D掃描結(jié)合集卡移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷，減少人工介入。通過(guò)8 m安全高度后起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)下降，著箱并閉鎖，此時(shí)集卡防吊起程序運(yùn)行，激光識(shí)別箱體類型及平板位置，為后續(xù)防集卡吊起判別提供依據(jù)，激光識(shí)別界面見(jiàn)圖3。

圖3 激光識(shí)別集裝箱

起升機(jī)構(gòu)帶箱繼續(xù)上升，此過(guò)程中激光持續(xù)檢測(cè)，上升0.5 m后交換區(qū)一體機(jī)上新增黃色按鈕閃爍，同時(shí)播報(bào)讓集卡司機(jī)確認(rèn)箱板是否安全分離。如無(wú)異常，集卡司機(jī)可按下按鈕自行確認(rèn)，無(wú)需等待遠(yuǎn)程司機(jī)介入，減少等待時(shí)間。起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)上升，上升到8 m時(shí)集卡防吊起系統(tǒng)退出運(yùn)行，云臺(tái)復(fù)位；上升到10 m時(shí)，視覺(jué)檢測(cè)程序退出運(yùn)行，不再檢測(cè)集卡移動(dòng)；上升至12 m時(shí)主控程序停止。至此，整個(gè)陸側(cè)交換區(qū)流程結(jié)束，集卡司機(jī)離開，軌道吊進(jìn)入堆場(chǎng)，完成進(jìn)箱作業(yè)流程。以上流程中任何時(shí)候發(fā)生異常，遠(yuǎn)程軌道吊司機(jī)可隨時(shí)介入。

5 結(jié)語(yǔ)

陸側(cè)交換區(qū)在增加了BLOCK PLC、集卡防吊起系統(tǒng)、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)及司機(jī)確認(rèn)按鈕后，把原來(lái)需要軌道吊司機(jī)遠(yuǎn)程確認(rèn)的工作，變?yōu)橛杉す夂鸵曈X(jué)的檢測(cè)結(jié)合集卡司機(jī)本地確認(rèn)，在減少遠(yuǎn)程人工介入的情況下并未降低作業(yè)安全性，且降低了集卡司機(jī)的等待時(shí)間，釋放了遠(yuǎn)程操作臺(tái)的工作能力，提升了碼頭的整體作業(yè)效率。