無人機(jī)港口散貨堆場(chǎng)智能化自主作業(yè)

蔡鑫根

引言

傳統(tǒng)港口的散貨堆場(chǎng)上，散貨貨垛一般都存在堆放零散、形狀不規(guī)則、地面觀看有盲區(qū)等特點(diǎn)[1]，為了獲取堆場(chǎng)內(nèi)貨垛的分布情況、占地、體量等信息，采用人工測(cè)量方法耗費(fèi)人力較多且時(shí)間較長(zhǎng)，不利于庫(kù)場(chǎng)的時(shí)效性管理。通過實(shí)地考察，目前港口主要采用計(jì)件交接和人工盤庫(kù)等方式來對(duì)貨垛進(jìn)行測(cè)量，而這些散貨數(shù)量龐大，計(jì)數(shù)困難，且體積又較為膨脹，稱量難度較大，故港口各個(gè)利益主體之間的計(jì)量交接以及港口自身的內(nèi)部運(yùn)管就成為了困擾港口管理人員的一個(gè)重大難題。

目前，國(guó)內(nèi)外科研人員也在積極考慮對(duì)如何快速而準(zhǔn)確地獲取港口堆場(chǎng)物料堆存狀態(tài)及智能化管理進(jìn)行著研究[3]，通過對(duì)港口堆場(chǎng)料堆進(jìn)行三維建模來優(yōu)化整套散貨測(cè)量方式，從一定程度上可提高港口散貨堆場(chǎng)的智能化管理水平。

基于集成化多旋翼無人機(jī)作為巡檢平臺(tái)，通過搭載激光雷達(dá)等任務(wù)載荷設(shè)備來應(yīng)對(duì)港口散貨堆場(chǎng)貨垛進(jìn)行高精度的自動(dòng)化測(cè)量及智能化監(jiān)控作業(yè)，通過數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)對(duì)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行散貨堆垛建模、切分和體積計(jì)算等處理，搭配無人機(jī)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)及各種遠(yuǎn)控交互系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)港口散貨堆場(chǎng)的智能化自主作業(yè)。

系統(tǒng)組成

港口散貨堆場(chǎng)智能化自主作業(yè)系統(tǒng)主要由無人機(jī)機(jī)組平臺(tái)（含激光雷達(dá)等任務(wù)載荷設(shè)備）、無人機(jī)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)、無人機(jī)與機(jī)場(chǎng)指揮/調(diào)度平臺(tái)、任務(wù)規(guī)劃指揮平臺(tái)及數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

IAO系統(tǒng)通過無人機(jī)機(jī)組平臺(tái)上搭載的激光雷達(dá)等任務(wù)載荷設(shè)備掃描獲取港口堆場(chǎng)貨物料堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)鏈路將其發(fā)送給云端，由數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)完成港口堆場(chǎng)貨物堆料的體積量測(cè)與計(jì)算等，從而實(shí)現(xiàn)港口堆場(chǎng)貨物堆料的精準(zhǔn)量測(cè)。

IAO系統(tǒng)通過多余度的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（北斗+GPS+GLONASS+ GALILEO）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、無線通信技術(shù)（4G/5G+數(shù)圖傳）、SFM算法等技術(shù)手段的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口散貨堆場(chǎng)物料的準(zhǔn)確定位、實(shí)時(shí)跟蹤、過程控制和可視化管理等，提高了盤庫(kù)測(cè)量效率，降低了運(yùn)營(yíng)成本，從整體上可實(shí)現(xiàn)干散貨碼頭作業(yè)的全流程實(shí)時(shí)數(shù)字可視化管理。

無人機(jī)機(jī)組平臺(tái)

無人機(jī)機(jī)組平臺(tái)采用成熟、穩(wěn)定的多旋翼無人機(jī)，能夠以系留、非系留的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)港口散貨堆場(chǎng)庫(kù)管情況進(jìn)行堆垛測(cè)量、晝夜監(jiān)控等不同情景下的作業(yè)任務(wù)。目前所使用的為自行研發(fā)的無人機(jī)機(jī)組平臺(tái)，如圖2所示。

任務(wù)載荷設(shè)備

無人機(jī)所掛載的檢測(cè)設(shè)備采用輕小型激光雷達(dá)并攜帶相機(jī)，通過激光掃描構(gòu)建點(diǎn)云，同步相機(jī)獲得物體表面紋理，最終通過后處理軟件生成可以直接測(cè)量的貨垛掃描模型，搭載的激光檢測(cè)設(shè)備如圖3所示。

無人機(jī)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)

無人機(jī)機(jī)場(chǎng)作為綜合管理系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，其主要擔(dān)負(fù)著為無人機(jī)自動(dòng)起降提供標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)、差分定位基站、更換（充放電）無人機(jī)電池、預(yù)制航線、讀取載荷數(shù)據(jù)、監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行狀態(tài)、靜置存放無人機(jī)、監(jiān)控周圍環(huán)境等功能，系統(tǒng)的完整性以及自動(dòng)化作業(yè)能力對(duì)于整體有效運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。

機(jī)庫(kù)內(nèi)支持自動(dòng)更換無人機(jī)電池、自動(dòng)起降和自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)等各種無人值守作業(yè)功能；配備外部環(huán)境感知系統(tǒng)以達(dá)到監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、溫度、濕度、光照等外界因素。同時(shí)外置攝像頭以遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)場(chǎng)外部結(jié)構(gòu)、環(huán)境、飛機(jī)起降情況等；安裝可由后臺(tái)管理的應(yīng)急燈實(shí)現(xiàn)夜間維護(hù)、防盜、應(yīng)急照明等功能。配備高性能天線實(shí)現(xiàn)與無人機(jī)之間的通信。無人機(jī)機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)如圖4所示。

無人機(jī)與機(jī)場(chǎng)指揮/調(diào)度平臺(tái)

無人機(jī)與機(jī)場(chǎng)指揮/調(diào)度平臺(tái)（又稱為天牧云）主要負(fù)責(zé)無人機(jī)機(jī)組平臺(tái)及機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)的組織調(diào)度與監(jiān)控管理；該平臺(tái)通過云端與機(jī)場(chǎng)機(jī)庫(kù)、無人機(jī)進(jìn)行通信，能夠?qū)崟r(shí)接收無人機(jī)通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)回傳的圖像和狀態(tài)數(shù)據(jù)，也可以收到機(jī)場(chǎng)通過光纖傳輸?shù)囊曨l信號(hào)和傳感器數(shù)據(jù)；該平臺(tái)通過遠(yuǎn)程發(fā)送指令給機(jī)場(chǎng)，操控其打開或關(guān)閉艙門，升起或下落無人機(jī)升降臺(tái)，以及更換（充放電）電池等指令，同時(shí)具備遠(yuǎn)程控制無人機(jī)自動(dòng)起飛和降落、規(guī)劃航線、執(zhí)行路徑、調(diào)整云臺(tái)、拍照錄像、精準(zhǔn)降落等；該平臺(tái)交互界面如圖5所示。

任務(wù)規(guī)劃指揮平臺(tái)

任務(wù)規(guī)劃指揮平臺(tái)（又稱天際云）在接收到港口生產(chǎn)部門下發(fā)的作業(yè)任務(wù)后，主要負(fù)責(zé)將生產(chǎn)部門的大面積目標(biāo)分解為可執(zhí)行的任務(wù)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的編排串接，并針對(duì)任務(wù)的期望完成度、完成質(zhì)量、完成時(shí)間等要求進(jìn)行調(diào)整，之后將任務(wù)傳送給無人機(jī)與機(jī)場(chǎng)指揮/調(diào)度平臺(tái)以進(jìn)行進(jìn)一步處理；該平臺(tái)交互界面如圖6所示。

作業(yè)流程

IAO系統(tǒng)通過微信小程序下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)，天際云運(yùn)營(yíng)人員領(lǐng)取任務(wù)并且編排工作，天牧云航線運(yùn)營(yíng)人員接收由天際云下發(fā)的編排后任務(wù)進(jìn)行航線規(guī)劃，之后下發(fā)至操控人員，操控人員根據(jù)任務(wù)情況調(diào)配飛機(jī)、機(jī)庫(kù)、載荷進(jìn)入任務(wù)執(zhí)行，任務(wù)執(zhí)行完成后，由操控人員下載對(duì)應(yīng)的任務(wù)數(shù)據(jù)，并隨即通過遠(yuǎn)程助手在機(jī)庫(kù)邊緣服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合后處理，并最終交付給港口企業(yè)用于深度分析應(yīng)用。

IAO系統(tǒng)的作業(yè)流程如圖7所示。

結(jié)果分析與對(duì)比

港口堆場(chǎng)貨物料堆體積量測(cè)

數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)對(duì)激光雷達(dá)所采集的現(xiàn)場(chǎng)貨垛數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模、快速去噪、模型修復(fù)等工作，以生成中控前端平臺(tái)上可直接使用的三維模型，并延伸至庫(kù)場(chǎng)管理及生產(chǎn)規(guī)劃等管理板塊，針對(duì)料堆的體積量測(cè)處理如圖8所示。

對(duì)于1km長(zhǎng)度的條形散貨堆場(chǎng)，傳統(tǒng)手工激光雷達(dá)掃描時(shí)間為40h，而采用IAO系統(tǒng)的無人機(jī)激光雷達(dá)掃描時(shí)間則為0.4h，相對(duì)于傳統(tǒng)方式，時(shí)間效率提升達(dá)到了100倍。

同時(shí)，我們對(duì)4個(gè)給定重量的堆垛點(diǎn)進(jìn)行了傳統(tǒng)手工測(cè)量和無人機(jī)測(cè)量?jī)煞N方式的結(jié)果對(duì)比，如表1所示，采用IAO系統(tǒng)的無人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量的精度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的手工激光雷達(dá)測(cè)量精度。

基于可視化平臺(tái)的智能化自主作業(yè)

港口可視化平臺(tái)屬于綜合性前端展示平臺(tái)，港口企業(yè)在該平臺(tái)上綜合展示自身港口生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)概況，由于港口內(nèi)散貨流轉(zhuǎn)是動(dòng)態(tài)變化的，需要將庫(kù)場(chǎng)內(nèi)堆垛的周期性變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載更新，通過校正堆場(chǎng)原點(diǎn)的空間坐標(biāo)，可以將激光雷達(dá)的后處理數(shù)據(jù)同步加載到可視化平臺(tái)上，模擬呈現(xiàn)堆場(chǎng)貨垛的變化情況。

智能化自主作業(yè)過程如圖9所示。

通過IAO系統(tǒng)的可視化平臺(tái)，可以在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控港口散貨堆場(chǎng)貨物的實(shí)時(shí)變化情況，對(duì)于特定變化可以給出相應(yīng)的提示或警告信息，這為港口散貨堆場(chǎng)的智能化管理提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

結(jié)束語

本文提出了一種港口智能化自主作業(yè)（IAO）創(chuàng)新應(yīng)用模式，可以通過搭載激光雷達(dá)的無人機(jī)對(duì)港口散貨堆場(chǎng)貨物進(jìn)行3D掃描檢測(cè)，以準(zhǔn)確測(cè)量出堆場(chǎng)內(nèi)堆狀物料的形態(tài)、體積及重量等信息；同時(shí)，IAO系統(tǒng)的各智能化管理平臺(tái)也可有效地降低港口管理人員的工作強(qiáng)度并提升工作效率；IAO系統(tǒng)的可視化平臺(tái)通過集采數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)加載，亦可同步顯示現(xiàn)場(chǎng)貨垛的變化情況，以備實(shí)時(shí)監(jiān)控；于傳統(tǒng)方式相比，整個(gè)過程具備無人值守特點(diǎn)，體現(xiàn)了現(xiàn)代化設(shè)備的智能化、數(shù)字化優(yōu)勢(shì)，從而大大提升了港口散貨堆場(chǎng)的智能化管理水平。

參 考 文 獻(xiàn)

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