基于RFID的門機抓斗防碰撞預警系統研究與應用

王均偉

（山東港口日照港嵐山公司，山東 日照 276808 ）

1 前言

安全對于一個企業(yè)來說，是生存的根本。如果用分數來衡量的話，100分里，安全就是最前面的1，沒有安全，其他的全是0。當前各企業(yè)都在不斷追求本質化安全生產，在生產作業(yè)過程中，人這個因素是最大的不安全，最大限度地減少人的參與，減人就是減風險，已經是當前安全管理的普遍共識。港口作為交通行業(yè)重要的一環(huán)，生產作業(yè)中大型設備多，臨近海邊，氣候條件和作業(yè)環(huán)境復雜多變，作業(yè)風險高。雖然各大港口積極利用機械化、自動化等技術手段，減少人的勞動強度，但是，對傳統的散貨碼頭來說，還是有大量的作業(yè)場景離不開人來輔助。例如，本文討論的船舶裝卸場景下的艙內機械駕駛人員、門機駕駛人員等，在技術上還沒有達到可靠的應用程度時，人還是不可或缺的。

當前，我們已經進入了萬物互聯的時代，各種新技術層出不窮,不斷推動社會進步。射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的，其被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g之一。射頻技術被廣泛應用于資產管理、物流等行業(yè)，給我們的工作和生活帶來了極大的便利。

隨著RFID射頻技術的不斷發(fā)展，在港口行業(yè)中應用越來越廣泛。例如，港口行業(yè)中應用最多、最成熟的對生產作業(yè)車輛的管理，利用RFID射頻技術，對港口的流動機械如裝載機、水平運輸車輛等進行電子化管理，實現不停車采集,快速通過閘口、地磅等關鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。還有利用射頻進行人員的定位管理，實時掌握人員動態(tài)等等。依托射頻技術，港口的生產作業(yè)數據采集更加快速、高效，在提高生產作業(yè)效率的同時，港口的運營成本不斷降低，管理水平不斷提升。

傳統的散貨船舶裝卸作業(yè)，主要依靠門機進行船岸作業(yè)，利用門機抓斗抓取貨物，隨著船艙內貨物的不斷減少，為保證船舶裝卸效率，通常情況下，在船艙內貨物快完成時，需要輔助清倉機械來輔助門機作業(yè)，保證門機抓斗的滿載率，提高裝卸效率。當船艙內有機械輔助清倉時，門機抓斗與艙內機械極易發(fā)生碰撞事故，進而造成人身傷害。此環(huán)節(jié)也是港口生產作業(yè)安全重點關注的之一。由于安全管控難度大，既要保證作業(yè)效率高，又要兼顧安全，所以一直是行業(yè)難點。如何保證安全的前提下，最大限度地提高作業(yè)效率是港口管理者一直追求的目標。本文探討一種利用有源射頻技術，實現門機抓斗與船艙內機械的防碰撞預警，能夠切實提高船舶裝卸作業(yè)的安全水平，有力保障人員安全。

基于RFID的門機抓斗防碰撞預警系統主要應用在門機與船艙內作業(yè)機械的防碰撞，主要創(chuàng)新點很好地克服了門機抓斗無法供電、不能加裝相關設備的難點，巧妙地利用有源射頻標簽，通過安裝在艙內機械的射頻讀寫器來感應門機抓斗的標簽，實現防撞預警，同時再通過5G網絡把報警信號實時反饋給門機司機，使艙內機械司機和門機司機能夠同時收到報警信號，達到防撞預警的目的。

2 系統組成

基于RFID的門機抓斗防碰撞預警系統，主要是利用有源射頻技術，工作頻率為2.4G，包括射頻標簽、射頻讀寫器、車載終端三部分組成。系統主要利用感應射頻標簽起到警示作用，達到防碰撞預警目的。按照安裝部位主要分為艙內機械和門機兩部分。艙內機械部分主要由射頻讀寫器和車載終端模塊組成，門機部分主要由抓斗射頻標簽和車載終端組成。

2.1 門機部分

2.1.1 抓斗射頻標簽

由于門機抓斗與門機主體是由鋼絲繩連接，無法直接接入電源，因此，采用安裝有源射頻標簽的形式，定位門機抓斗的位置?？紤]到門機抓斗與散貨貨物接觸，容易造成磕碰、撞擊等，所以對射頻標簽進行加固處理，但又不能影響標簽的讀寫。因此，采用鏤空的不銹鋼盒進行固定，即起到了防護作用，也不影響射頻卡的讀取。安裝位置也需要選在抓斗上方，不容易被磕碰的地方，同時為了保證不受到抓斗本身的遮擋，能夠及時讀取標簽，所以在抓斗的兩個對立的面上分別安裝標簽，防止一側有標簽受到抓斗本身的遮擋造成無法讀取標簽，不能報警的情況發(fā)生。射頻標簽采用有源紐扣電池，供電電池可持續(xù)供電1年，1年后進行更換。為保證標簽的可靠性，需對標簽電池定期進行檢測，如需更換電池可在進行抓斗維修維護的時候一起更換。

為防止其他信號對射頻標簽的干擾，造成誤報的情況，需提前在數據庫中錄入射頻標簽與抓斗的對應關系，在實際使用過程中,不在數據庫內的標簽不進行報警,防止在作業(yè)過程中發(fā)生誤報警的情況發(fā)生,影響司機的正常作業(yè)。

2.1.2 車載終端

在門機駕駛室內安裝車載終端,能夠與后臺服務端進行通訊,確保報警信號能夠及時通過車載終端提醒門機司機進行避讓。可將報警信號同步輸出給門機控制系統PLC,自動讓門機停止作業(yè)，提高系統的應用效果。車載終端需滿足IP65以上防護等級，為便于軟件的開發(fā)，系統采用安卓系統，支持5G通訊，屏幕7寸以上，不宜過大，防止影響駕駛員視線。車載終端具備2個以上串口，便于連接門機PLC等。

2.2 艙內機械部分

2.2.1 射頻讀寫器

散貨船舶裝卸作業(yè)，輔助的清倉機械一般為挖掘機或者裝載機。在挖掘機或者裝載機駕駛室頂部安裝射頻讀寫器，讀寫角度為360°，駕駛室內接聲音報警器。反復調試讀寫器參數，確保設定15米范圍內讀到標簽后報警，提醒駕駛員進行避讓。15米的報警范圍主要是考慮到射頻標簽安裝在抓斗上方，需考慮抓斗本身的高度，同時，還需要留出司機做出避讓的反應時間。此報警范圍可根據現場實際情況進行適當調整，以滿足報警需要為前提。

2.2.2 車載終端

射頻讀寫器通過串口連接車載終端，及時把報警信號傳輸到后臺數據庫?？紤]傳輸信號的穩(wěn)定性和及時性，車載終端需具備5G傳輸模塊,利用5G的低時延特征,保證預警信號能夠快速傳輸。門機司機駕駛室的車載終端，也通過5G網絡傳輸,同步接收報警信號。在進行部署過程中，需對整個作業(yè)場景的5G信號進行全面檢測，保證信號全覆蓋，特別是船艙內信號，需重點進行檢測，信號差或者不穩(wěn)定的區(qū)域聯系運營商進行優(yōu)化，確保5G信號覆蓋良好。

3 車載終端軟件

艙內機械和門機的車載終端軟件一致，為保持系統的開放性，基于安卓平臺開發(fā),通電后軟件自啟動，防止人工關閉報警裝置。軟件設置檢測按鈕,能夠檢測車載終端與射頻讀寫器的連通性以及讀卡情況,同時檢測與后端數據的聯通性，確保整套防碰撞預警系統工作正常。區(qū)別在于艙內機械的車載終端連接射頻讀寫器，負責報警信號的觸發(fā)和回傳，門機上的車載終端負責接收報警信號。

4 工作原理與過程

由于有源射頻卡識別距離較長，容易造成誤讀的情況。如果發(fā)生誤讀，產生誤報警信號，會給司機造成困擾，影響作業(yè)的順暢。為防止多臺設備造成報警混亂，每臺門機車載終端與抓斗的射頻標簽進行事先綁定，建立好一一對應關系，每臺車載終端只接收本機抓斗的報警信號，防止誤報警。

在門機抓取船艙內貨物過程中,當抓斗接近艙內作業(yè)機械時,艙內機械上安裝的射頻讀寫器感應到抓斗上的射頻標簽,立即輸出一個報警信號,通過車載終端進行蜂鳴報警，提醒駕駛員避讓抓斗。同時，報警信號通過5G網絡傳回到后端數據庫。

門機駕駛室內的車載終端與后端通訊，當后臺接收到報警信號后，自動推送到相應的車載終端,車載終端同時報警,提醒門機司機避讓。車載終端收到信號后進行蜂鳴報警，同時信號傳輸給門機PLC，PLC控制門機自動停止工作。

本系統提供一種預警機制，在使用前需確保系統運行正常。在實際作業(yè)中，門機司機和艙內司機不能盲目完全依賴預警系統，還需要嚴格按照操作規(guī)程操作。

5 應用效果

基于RFID的門機抓斗防碰撞預警系統實現了散貨船舶作業(yè)門機司機和艙內司機的雙防碰撞預警，現場作業(yè)更透明，不僅可以應用于門機，也可應用于卸船機，部署簡單、快捷，成本低，利于大范圍推廣應用。系統很好地解決了船舶裝卸過程中多個作業(yè)機械的防碰撞問題，保障艙內機械司機的人身安全，有效提高散貨船舶的本質安全水平，給港口帶來較大的安全效益。同時，讓門機司機、艙內機械司機不用因擔心碰撞而過多的分神，更加專注于生產作業(yè)，裝卸效率更高。

6 結語

隨著RFID在港口中的不斷應用，港口對人、車、貨物等生產要素的感知能力將大大增強，可以不間斷為生產調度提供實時、精確的生產作業(yè)數據，助力港口管理者更加科學、高效地統籌調度港口資源，實現資源利用最大化。