門座起重機自動化在港口的應(yīng)用

曾欽堅，王文龍，全曉軍

（深圳赤灣港口發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518062）

1 研究背景和現(xiàn)狀

1.1 研究背景

隨著全球貿(mào)易的不斷發(fā)展和國際物流的快速增長，港口作為貨物流通的重要節(jié)點，承擔(dān)著大量貨物的裝卸和轉(zhuǎn)運任務(wù)。傳統(tǒng)港口裝卸作業(yè)通常依靠人工操作和傳統(tǒng)的機械設(shè)備，存在效率低下、安全隱患大、操作錯誤率高等問題。為了提高港口的效率、降低成本、降低事故風(fēng)險，滿足日益增長的運營需求，門座起重機自動化技術(shù)在港口得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。門座起重機自動化是指利用先進的傳感器、控制系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)門座起重機的自動化操作和控制。引入自動化技術(shù)可以實現(xiàn)門座起重機的自動導(dǎo)航、自動裝卸、自動堆放等功能，提高作業(yè)效率、降低人力成本、提升港口的運營安全性。

近年來，國內(nèi)外許多港口紛紛引進門座起重機自動化技術(shù)，并取得了顯著成效。然而，門座起重機自動化技術(shù)的應(yīng)用還面臨著一些挑戰(zhàn)。①門座起重機自動化技術(shù)的引入需要投入大量的資金和人力，且需要對港口的設(shè)施和流程進行改造和升級。②門座起重機自動化技術(shù)需要與現(xiàn)有的港口設(shè)備和系統(tǒng)進行無縫集成，確保整個港口運營的協(xié)調(diào)和順暢。此外，門座起重機自動化技術(shù)的應(yīng)用還涉及數(shù)據(jù)安全和隱私保護的問題，需要制定相應(yīng)的政策和措施進行管理和保護。因此，研究港口門座起重機自動化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、優(yōu)勢、面臨的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決方案，對于推動港口裝卸作業(yè)的現(xiàn)代化和智能化具有重要意義。

1.2 研究現(xiàn)狀和進展

1.2.1 智能化控制系統(tǒng)

門座起重機自動化的核心是智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。通過集成傳感器、控制器、執(zhí)行器等設(shè)備開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)自主操作和自動化控制的門座起重機系統(tǒng)。這些智能化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測門座起重機的狀態(tài)和環(huán)境信息，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和規(guī)則進行自主決策和操作，提高門座起重機的運行效率和安全性。門座起重機智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 門座起重機智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2.2 機器視覺技術(shù)

機器視覺技術(shù)在門座起重機自動化中起到了重要的作用。通過監(jiān)控設(shè)備和圖像處理算法，門座起重機可以實時獲取和分析裝卸作業(yè)場景的圖像信息。通過機器學(xué)習(xí)和圖像識別等技術(shù)[1]，門座起重機能夠自動識別和定位貨物，實現(xiàn)精確的裝卸操作，船舶點云模型如圖2 所示。

圖2 船舶點云模型示意圖

1.2.3 無人駕駛技術(shù)

無人駕駛技術(shù)是門座起重機自動化的重要組成部分。門座起重機通過自動駕駛技術(shù)實現(xiàn)無人操作和自主導(dǎo)航。通過精確的地圖和定位系統(tǒng)，以及高精度的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃算法，門座起重機能自動避開障礙物、規(guī)避危險區(qū)域，并按照預(yù)定的路徑進行裝卸作業(yè)，無人駕駛路徑規(guī)劃如圖3 所示。

圖3 無人駕駛路徑規(guī)劃圖

1.2.4 云計算和大數(shù)據(jù)分析

云計算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)[2]在門座起重機自動化中扮演著重要角色。將門座起重機的數(shù)據(jù)上傳到云端進行分析和處理，可以實現(xiàn)對門座起重機運行狀態(tài)和性能的實時監(jiān)測和評估。通過分析大量的數(shù)據(jù)，可以優(yōu)化門座起重機的運行策略和參數(shù)設(shè)置，提高門座起重機的工作效率和可靠性。

1.2.5 安全性和可靠性研究

門座起重機自動化技術(shù)的應(yīng)用需要保證其安全性和可靠性。通過設(shè)計安全控制系統(tǒng)、開發(fā)故障診斷和預(yù)測算法，以及建立安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，保障門座起重機自動化系統(tǒng)的安全運行，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷示意圖如圖4 所示。

圖4 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷示意圖

綜上，門座起重機自動化的研究和進展主要集中在智能化控制系統(tǒng)、機器視覺技術(shù)、無人駕駛技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)分析以及安全性和可靠性研究等方面。這些研究成果的應(yīng)用將推動門座起重機自動化技術(shù)的發(fā)展，并為港口裝卸作業(yè)提供更高效、安全和可靠的解決方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 架構(gòu)和模塊設(shè)計

2.1.1 硬件模塊

①傳感器模塊包括各種傳感器，如激光雷達、攝像頭、壓力傳感器等，用于獲取門座機周圍環(huán)境和裝卸作業(yè)的相關(guān)信息。②控制器模塊負(fù)責(zé)接收傳感器模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和規(guī)則進行決策和控制門座機的運動。

2.1.2 軟件模塊

①智能控制模塊。負(fù)責(zé)門座機的自主決策和控制。通過集成機器學(xué)習(xí)、路徑規(guī)劃、動態(tài)調(diào)度等算法，實現(xiàn)門座機的智能化操作。②機器視覺模塊。通過圖像處理和圖像識別算法，實現(xiàn)對貨物的識別、定位、跟蹤。同時，通過圖像分析和模式識別[3]，為智能控制模塊提供更準(zhǔn)確的信息。③導(dǎo)航和定位模塊。通過引入地圖和定位系統(tǒng)，實現(xiàn)門座機的自主導(dǎo)航和定位。該模塊可以利用激光雷達、全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航等技術(shù)，為門座機提供精確的位置信息。④數(shù)據(jù)分析模塊。將門座機的數(shù)據(jù)上傳到云端進行分析和處理。通過大數(shù)據(jù)分析算法，提取有價值的信息，優(yōu)化門座機的運行策略和參數(shù)設(shè)置。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

門座機系統(tǒng)需要與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和通信。通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊，可以實現(xiàn)門座機與港口管理系統(tǒng)、料斗自動裝車系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同操作。

2.1.4 安全控制模塊

門座機自動化系統(tǒng)需要保證安全性。安全控制模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測門座機的運行狀態(tài)和環(huán)境信息，實時識別潛在的危險和障礙物，并采取相應(yīng)的措施，確保門座機的安全運行。門座起重機自動化系統(tǒng)的架構(gòu)和模塊設(shè)計需要綜合考慮硬件和軟件的相互配合，實現(xiàn)門座起重機的自主決策、自主導(dǎo)航、自主操作。這些模塊的設(shè)計和集成將為門座起重機自動化提供基礎(chǔ)，并為港口裝卸作業(yè)提供更高效、安全、可靠的解決方案。

2.2 控制算法和決策邏輯設(shè)計

2.2.1 導(dǎo)航算法設(shè)計

①路徑規(guī)劃。根據(jù)門座起重機的起始位置和目標(biāo)位置，設(shè)計路徑規(guī)劃算法，確定最佳路徑?？梢允褂媒?jīng)典的路徑規(guī)劃算法，如A*算法[4]、Dijkstra 算法、RRT 算法[5]。②避障算法。在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，設(shè)計避障算法，避免與障礙物發(fā)生碰撞?？梢允褂眉す饫走_或攝像頭獲取障礙物的位置信息，然后根據(jù)避障策略進行規(guī)避。

2.2.2 定位和防搖控制算法設(shè)計

①定位算法。根據(jù)傳感器獲取的位置信息，設(shè)計定位算法確定門座起重機的準(zhǔn)確位置?？梢允褂帽倍废到y(tǒng)、激光雷達、視覺傳感器進行定位。②防搖控制算法。實時獲取門座起重機運行過程中起升、變幅、回轉(zhuǎn)等機構(gòu)的位置和速度信息，結(jié)合作業(yè)環(huán)境、作業(yè)工況等因素，對門機的運行狀態(tài)進行計算和預(yù)測，結(jié)合路徑規(guī)劃的各個目標(biāo)點的位置信息，自動生成相應(yīng)的控制指令，通過各執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)動運行，實現(xiàn)防搖控制。抓斗防搖理論基礎(chǔ)基于地球上單擺搖擺周期公式為，控制流程如圖5 所示。

2.2.3 決策邏輯設(shè)計

①裝卸任務(wù)調(diào)度。根據(jù)裝卸任務(wù)的優(yōu)先級和門座起重機的可用性，設(shè)計任務(wù)調(diào)度算法確定裝卸的順序和時間?？梢允褂萌蝿?wù)調(diào)度算法，如最短作業(yè)優(yōu)先或最早截止時間優(yōu)先。②動作決策。根據(jù)門座起重機的位置和物料的位置，設(shè)計動作決策算法確定門座起重機的動作，如抓取、放置或移動，可以使用狀態(tài)機或規(guī)則引擎進行動作決策。

2.2.4 安全性設(shè)計

①碰撞檢測和避免。設(shè)計碰撞檢測算法和避障策略，確保門座起重機與障礙物或其他門座起重機之間的安全距離。②負(fù)載監(jiān)測和控制。設(shè)計負(fù)載監(jiān)測算法和控制策略，確保門座起重機的負(fù)載在安全范圍內(nèi)。

通過合理設(shè)計控制算法和決策邏輯，可以實現(xiàn)全自動門座機的自主決策、自主導(dǎo)航、自主操作，提高門座機的效率和安全性，為港口裝卸作業(yè)提供更高效、安全和可靠的解決方案。

3 門座起重機自動化技術(shù)的應(yīng)用前景

3.1 提高運營效率

門座起重機自動化技術(shù)可以實現(xiàn)門座起重機的智能化操作和自動化控制，提高裝卸作業(yè)的效率和準(zhǔn)確性。自動化技術(shù)可以減少人為因素的影響，提高裝卸作業(yè)的速度和精度，縮短貨物的停留時間，提高港口的吞吐能力。

3.2 提高安全性

門座起重機自動化技術(shù)可以減少人為錯誤和事故的發(fā)生。自動化控制系統(tǒng)可以對門座起重機的運行進行實時監(jiān)控和控制，確保門座起重機的操作符合安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。此外，自動化技術(shù)還可以通過傳感器和攝像頭等設(shè)備實時監(jiān)測港口裝卸作業(yè)的環(huán)境和狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患。

3.3 降低成本

門座起重機自動化技術(shù)可以降低人力成本和維護成本。自動化門座起重機極大地減少了人工操作，可以有效降低人力成本和培訓(xùn)成本。此外，自動化門座起重機還可以減少設(shè)備的維護和修理成本，提高設(shè)備的使用壽命和可靠性。

3.4 實現(xiàn)智能化管理

門座起重機自動化技術(shù)可以與港口物流信息系統(tǒng)、船舶配載系統(tǒng)、貨物追蹤系統(tǒng)等進行網(wǎng)絡(luò)化和互聯(lián)互通。通過不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和實時通信，實現(xiàn)港口門座起重機與其他系統(tǒng)的無縫對接，實現(xiàn)智能化的港口管理和調(diào)度，進一步提高港口的整體運營效率和協(xié)同能力。

3.5 環(huán)保節(jié)能

門座起重機自動化技術(shù)注重環(huán)保和節(jié)能。采用節(jié)能設(shè)備和智能能源管理系統(tǒng)等技術(shù)，可以減少能源消耗和環(huán)境污染，實現(xiàn)港口裝卸作業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

門座起重機自動化技術(shù)在港口行業(yè)中的應(yīng)用具有重要的意義。門座起重機自動化技術(shù)提高了港口的工作效率和安全性，提升了港口的競爭力。盡管面臨一些挑戰(zhàn)，但門座起重機自動化技術(shù)的應(yīng)用前景依然廣闊。隨著科技的不斷發(fā)展和進步，自動化技術(shù)在港口行業(yè)中的應(yīng)用將會越來越普遍，為港口行業(yè)的發(fā)展帶來更多的機遇和挑戰(zhàn)。