集裝箱堆場(chǎng)輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)仿真及實(shí)測(cè)

曹 民， 朱愛璽， 黃秀松， 張志勇

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院， 上海 200093;2.上港集團(tuán) a. 工程建設(shè)指揮部； b. 上海海勃物流軟件有限公司， 上海 200080)

集裝箱堆場(chǎng)輪胎吊是一種應(yīng)用于集裝箱堆場(chǎng)、依賴輪胎移動(dòng)的門式起重設(shè)備，相比依賴軌道移動(dòng)的軌道吊具有投資成本低、機(jī)動(dòng)性好和標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全隱患多和自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)難度大等缺點(diǎn)。目前輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)仍處于研發(fā)測(cè)試(或試運(yùn)行)階段，尚未見到成功推廣的案例。據(jù)相關(guān)資料分析，現(xiàn)有的輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)方案大多采用激光掃描測(cè)距儀、絕對(duì)值編碼器和高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等1種或多種傳感器測(cè)量技術(shù)，普遍存在定位精度差、自動(dòng)化程度低、場(chǎng)地適應(yīng)性差、安全可靠性低、投資及維護(hù)成本高和作業(yè)效率提升不明顯等缺陷，因此總體實(shí)用性不強(qiáng),難以推廣應(yīng)用。[1-4]

為克服在試輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)存在的上述問題，提出一種集裝箱堆場(chǎng)輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)，根據(jù)激光測(cè)距傳感器、絕對(duì)值編碼器、高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和動(dòng)態(tài)傾角傳感器的測(cè)量信息及碼頭運(yùn)營管理系統(tǒng)的調(diào)度指令，通過懸停著落階段遠(yuǎn)程+現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制確認(rèn)方式，進(jìn)行吊具位置及速度、吊架扭轉(zhuǎn)及伸縮、旋鎖開閉等運(yùn)動(dòng)控制，自動(dòng)完成空載(或載箱)吊具的門字運(yùn)行、側(cè)傾修正、扭轉(zhuǎn)對(duì)位、懸停糾偏和抓箱放箱等作業(yè)。[5-6]

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 作業(yè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

作業(yè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)(見圖1)主要包括輪胎吊(1)、小車(2)、吊具(3)、腿柱(4)、集裝箱(5)、卡車(6)、絕對(duì)值編碼器(7)、激光測(cè)距傳感器(8)、高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(9)、動(dòng)態(tài)傾角傳感器(10)、急停按鈕(11)和自動(dòng)控制確認(rèn)按鈕(12)等組件。堆場(chǎng)集裝箱按序縱向堆積在輪胎吊下方;卡車通道位于輪胎吊下方一側(cè);小車在橫梁軌道上水平運(yùn)行;小車上的起升機(jī)構(gòu)通過吊索牽引吊具升降運(yùn)行;吊具包括吊架扭轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)和旋鎖開閉機(jī)構(gòu)等組件;用來測(cè)量小車水平方向位置及吊具垂向位置的絕對(duì)值編碼器分別安裝在小車運(yùn)行和起升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸上;用來測(cè)量吊具兩側(cè)下方堆場(chǎng)高度的4臺(tái)激光測(cè)距傳感器對(duì)稱安裝在小車4角(推薦前/后傳感器安裝間距W1=2Wc+2Wi，Wc為集裝箱寬度，Wi為集裝箱堆放間隙；推薦左/右傳感器安裝間距L1盡量大，但應(yīng)小于20英尺短箱的長(zhǎng)度；推薦起點(diǎn)/終點(diǎn)階段懸空低位時(shí)空載吊具/吊箱至目標(biāo)堆位的懸空高度Hg=Hc，Hc為集裝箱高度);用來采集吊具兩側(cè)及下方堆場(chǎng)、集卡車道視覺圖像的3臺(tái)高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)對(duì)稱安裝在小車前/后部(推薦前/后攝像機(jī)安裝間距Wh=Wc+Wi)和車道側(cè)腿柱的下部?jī)?nèi)側(cè)(推薦攝像機(jī)安裝高度為集卡貨臺(tái)平均離地高度);用來測(cè)量輪胎吊前后/左右雙向水平傾角的動(dòng)態(tài)傾角傳感器安裝在小車上;急停按鈕和自動(dòng)控制確認(rèn)按鈕分別安裝在車道側(cè)腿柱的下部外側(cè)。

1.2 作業(yè)系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)

作業(yè)系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)(見圖2)主要包括位于中控室的碼頭運(yùn)營管理系統(tǒng)(TOS)、遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)(RMC)及位于輪胎吊的絕對(duì)值編碼器(AVE)、激光測(cè)距傳感器(LDS)、動(dòng)態(tài)傾角傳感器(DTS)、高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(HDC)、可編程自動(dòng)化控制器(PAC)或工控機(jī)(IPC)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)(RSM)、操作手柄開關(guān)(OHS)、急停按鈕(ESB)、自動(dòng)控制確認(rèn)按鈕(ACB)、可編程控制器(PLC)或運(yùn)動(dòng)控制器(SMC)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(MPD)、大車行走機(jī)構(gòu)(GTM)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)(TTM)、吊具起升機(jī)構(gòu)(SLM)、旋鎖開閉機(jī)構(gòu)(SLSM)和吊架扭轉(zhuǎn)伸縮機(jī)構(gòu)(HTTM)等組件。該系統(tǒng)的工作原理為：2臺(tái)AVE分別測(cè)量小車水平方向的絕對(duì)位置和吊具垂向的絕對(duì)位置，4臺(tái)LDS分別測(cè)量吊具兩側(cè)下方的堆場(chǎng)高度，1臺(tái)DTS測(cè)量輪胎吊前后/左右方向的水平傾角，2臺(tái)HDC分別采集吊具兩側(cè)及下方堆場(chǎng)的視覺圖像，ESB和ACB分別接收集卡司機(jī)的急停和確認(rèn)信號(hào)；PAC或IPC通過通信端口分別接收AVE,LDS,DTS和HDC發(fā)送的數(shù)據(jù)流，并通過數(shù)字I/O口分別接收ESB和ACB的電平信號(hào)及通過無線局域網(wǎng)(WLAN)接收RMC的遠(yuǎn)程操控指令和來自于TOS的箱位調(diào)度指令，同時(shí)將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控信息反饋給RMC和TOS；PAC或IPC按照手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制算法，通過通信端口將控制指令發(fā)送給PLC或SMC；PLC或SMC將控制指令通過MPD分別驅(qū)動(dòng)GTM,TTM,SLM,SLSM和HTTM運(yùn)行，同時(shí)接收輪胎吊RSM及OHS等輸入信號(hào)，并發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)指示等輸出信號(hào)。

1.3 作業(yè)系統(tǒng)的控制流程

作業(yè)系統(tǒng)的控制流程(見圖3)主要包括系統(tǒng)啟動(dòng)、參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行等4部分。運(yùn)行模式主要分手動(dòng)和自動(dòng)2種，且具有模式互補(bǔ)功能。開機(jī)時(shí)默認(rèn)自動(dòng)運(yùn)行模式，若切換至手動(dòng)運(yùn)行模式，系統(tǒng)將暫停自動(dòng)運(yùn)行后續(xù)步驟;再次切換回自動(dòng)運(yùn)行模式并解除暫停，系統(tǒng)將恢復(fù)自動(dòng)運(yùn)行后續(xù)步驟。

1) 系統(tǒng)啟動(dòng)：控件初始化/使能/禁用，讀入系統(tǒng)參數(shù)退出設(shè)置，系統(tǒng)故障診斷(若有系統(tǒng)故障，則退出系統(tǒng),提示及記錄故障)，連續(xù)讀取AVE位置xa和ya,LDS測(cè)距yl,DTS傾角θz和θx,HDC視覺,RMC指令及PLC反饋等端口通信數(shù)據(jù)。

2) 參數(shù)設(shè)置：恢復(fù)用戶/出廠設(shè)置,修改/保存用戶設(shè)置，應(yīng)用并退出參數(shù)設(shè)置。

3) 手動(dòng)運(yùn)行：實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行速度、吊具升降速度、吊架扭轉(zhuǎn)/伸縮和旋鎖開閉等控制功能。小車運(yùn)行速度控制還包括防打保齡功能(撞箱預(yù)警時(shí)小車減速直至停止運(yùn)行);吊具升降速度控制還包括松繩停降功能(下降至觸底松繩時(shí)吊具停止下降);旋鎖開閉控制還包括緊繩禁開鎖功能(緊繩狀態(tài)時(shí)旋鎖禁止開鎖)。

4) 自動(dòng)運(yùn)行：作業(yè)指令未更新或有錯(cuò)誤時(shí)等待作業(yè)指令，否則順序執(zhí)行準(zhǔn)備階段(包括上升至門頂、平移至門頂起點(diǎn))、起點(diǎn)階段(包括下降至懸空低位、提示自動(dòng)控制確認(rèn)、下降至觸底松繩、閉鎖抓箱及上升至門頂)、過渡階段(包括平移至門頂終點(diǎn))和終點(diǎn)階段(包括下降至懸空低位、提示自動(dòng)控制確認(rèn)、下降至觸底松繩、開鎖放箱及上升至門頂)等作業(yè)步驟，在此期間可隨時(shí)執(zhí)行急停并退出自動(dòng)運(yùn)行、中止自動(dòng)運(yùn)行、跳過當(dāng)前轉(zhuǎn)至下一步驟、暫停后續(xù)步驟和切換至手動(dòng)模式并暫停后續(xù)步驟等操作；當(dāng)|LDS定位-HDC定位|≥誤差門限ξ時(shí)，暫停后續(xù)步驟、故障提示及記錄；在吊具懸停著落階段，處于車道排位時(shí)須遠(yuǎn)程與集卡司機(jī)同時(shí)保持確認(rèn)狀態(tài)方可繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行，處于其他排位時(shí)僅需保持遠(yuǎn)程確認(rèn)狀態(tài)即可繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。對(duì)小車運(yùn)動(dòng)方向側(cè)兩路LDS對(duì)位算法、懸空低位吊箱上緣距門頂高度算法等關(guān)鍵流程作以下具體說明。

1) 當(dāng)|Xo-xa|≤Wc/2+2Wi且|Xo-xa|≥Wc/2時(shí)，若yl0-yl1≥Hc/2且yl0-yl2≥Hc/2，則

(1)

2) 當(dāng)|Xo-xa|≤Wc/2+2Wi且|Xo-xa|

(2)

3) 當(dāng)xa∈[Xo-Wc/2+Wi,Xo+Wc/2-Wi]時(shí)，對(duì)yl進(jìn)行濾波，則

1.4 作業(yè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

作業(yè)系統(tǒng)軟件基于LabVIEW及其運(yùn)動(dòng)、視覺、實(shí)時(shí)等工具包開發(fā)，能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)模式運(yùn)行、遠(yuǎn)程桌面監(jiān)控及虛擬仿真演示(基于前次作業(yè)更新的堆場(chǎng)輪廓信息，可在自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行模式下對(duì)當(dāng)前的作業(yè)指令進(jìn)行作業(yè)流程預(yù)演)等程序功能。主程序面板(見圖4)主要由二維圖片控件(包括作業(yè)場(chǎng)景動(dòng)畫演示)、視覺影像控件(包括作業(yè)場(chǎng)景攝像監(jiān)視)、字符串顯示控件(包括箱位調(diào)度指令、被吊箱型指令和吊具工作狀態(tài))、數(shù)值顯示控件(包括吊具當(dāng)前位置、吊具當(dāng)前速度和大車當(dāng)前傾角)、選項(xiàng)卡控件(包括自動(dòng)運(yùn)行模式、手動(dòng)運(yùn)行模式)、布爾顯示控件(包括故障報(bào)警、指令已完成、急停外部按鈕和自動(dòng)控制確認(rèn)外部按鈕)及布爾輸入控件(包括設(shè)置、仿真、啟動(dòng)、急停和退出)等區(qū)位組成;參數(shù)設(shè)置子程序面板(見圖5)主要由布爾輸入控件(包括保存用戶設(shè)置、恢復(fù)用戶設(shè)置、恢復(fù)出廠設(shè)置和應(yīng)用退出)及選項(xiàng)卡控件(包括動(dòng)畫演示參數(shù)、大車結(jié)構(gòu)參數(shù)、小車結(jié)構(gòu)參數(shù)、吊具結(jié)構(gòu)參數(shù)、集裝箱結(jié)構(gòu)參數(shù)、堆場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、編碼器配置參數(shù)、激光器配置參數(shù)、傾角計(jì)配置參數(shù)、攝像頭配置參數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)和控制器配置參數(shù))等區(qū)位組成。主程序框圖(見圖6)主要包括參數(shù)初始化、通信端口配置、退出設(shè)置讀取、界面事件處理、自動(dòng)模式順序控制、外部開關(guān)動(dòng)作響應(yīng)、視覺影像獲取及處理等程序結(jié)構(gòu)；子程序框圖主要包括參數(shù)設(shè)置、作業(yè)場(chǎng)景動(dòng)畫演示、堆場(chǎng)輪廓初始化數(shù)組、箱位排號(hào)X軸坐標(biāo)、箱位排號(hào)相對(duì)Y軸零位激光測(cè)距、X軸運(yùn)動(dòng)方向側(cè)相對(duì)Y軸零位激光測(cè)距及各類傳感器/編碼器端口通信等程序模塊。

2 仿真測(cè)試

為便于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬仿真測(cè)試，研制按比例縮小的仿真測(cè)試臺(tái)架(見圖7)，精準(zhǔn)模擬大車行走(待裝)、小車運(yùn)行、吊具升降、吊架扭轉(zhuǎn)、旋鎖開閉、操作手柄及旋鈕開關(guān)、常用集裝箱、集卡和堆場(chǎng)等基本功能。臺(tái)架基本參數(shù)為：起升質(zhì)量5 kg；跨距1 200 mm；起升高度782 mm；升降速度40 mm/s；小車速度40 mm/s；吊具轉(zhuǎn)角±45°；大車行走到位、自動(dòng)運(yùn)行模式下的仿真測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求(抓/放箱偏差≤5 mm且成功率≥95%)。該測(cè)試臺(tái)架基于LabVIEW編程軟件、EtherNet/IP四軸運(yùn)動(dòng)控制器、智能一體式步進(jìn)電機(jī)、RS485多圈絕對(duì)值編碼器、RS485激光測(cè)距傳感器、RS485動(dòng)態(tài)傾角傳感器、USB微型夜視補(bǔ)光攝像頭和觸控式平板電腦等軟硬件開發(fā)，具有結(jié)構(gòu)精細(xì)、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于模擬仿真測(cè)試、控制算法開發(fā)、駕駛操作培訓(xùn)和航運(yùn)科普演示等領(lǐng)域中。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

該作業(yè)系統(tǒng)已在碼頭堆場(chǎng)的RC40/46輪胎吊(起升質(zhì)量40 t，跨距23.47 m，起升高度15.24 m，小車速度70 m/min，滿/空載起升速度20/45 m/min，滿/空載大車速度25/120 m/min，吊具回轉(zhuǎn)角度±5°)上實(shí)現(xiàn)安裝調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(見圖8)，參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及作業(yè)規(guī)范得到的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：在大車行走到位、自動(dòng)運(yùn)行模式條件下，小車抓箱偏差≤50 mm且成功率≥95%，符合設(shè)計(jì)要求；而小車放箱偏差>20 mm且成功率<95%，不符合設(shè)計(jì)要求。究其原因,主要與所選單點(diǎn)激光測(cè)距傳感器的響應(yīng)時(shí)間、高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的分辨率、原配可編程控制器的通信速率、吊具未等停搖就著箱、小車定長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)控制策略及小車固有定位精度等有關(guān)[7-8]，有待進(jìn)一步優(yōu)化作業(yè)系統(tǒng)軟硬件的選型和設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)在試集裝箱堆場(chǎng)輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)存在的諸多問題，提出根據(jù)激光測(cè)距傳感器、絕對(duì)值編碼器、高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及動(dòng)態(tài)傾角傳感器的測(cè)量信息和碼頭運(yùn)營管理系統(tǒng)的調(diào)度指令，通過懸停著落階段遠(yuǎn)程+現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制確認(rèn)方式，自動(dòng)完成空載(或載箱)吊具的門字運(yùn)行、側(cè)傾修正、扭轉(zhuǎn)對(duì)位、懸停糾偏和抓箱放箱等作業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出完整、具體的設(shè)計(jì)試制過程，研制結(jié)構(gòu)精細(xì)的仿真測(cè)試臺(tái)架。通過仿真測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和效果分析，初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性、有效性(大車行走到位、自動(dòng)運(yùn)行模式條件下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明小車抓箱偏差及成功率符合設(shè)計(jì)要求)和局限性(小車放箱

偏差及成功率不符合設(shè)計(jì)要求)，為后續(xù)研制任務(wù)指明了改進(jìn)方向(改善小車放箱偏差及成功率，以符合設(shè)計(jì)要求)。此外，后續(xù)還需在現(xiàn)有仿真測(cè)試臺(tái)架基礎(chǔ)上增加大車行走及基于地基增強(qiáng)的衛(wèi)星+慣性組合導(dǎo)航定位等功能，以便精細(xì)仿真大車運(yùn)動(dòng)控制策略，提升現(xiàn)場(chǎng)大車行走到位的精度。

[1] KNIGHT C E, BECERRA V, HOLDERBAUM W, et al. Modelling and Simulating the Operation of RTG Container Cranes[C]//Power Electronics, Machines and Drives. 6th IET International Conference, 2012: 1-6.

[2] KGO Q H, HONG K S. Adaptive Sliding Mode Control of Container Cranes[J]. IET Control Theory & Applications. IET Journals & Magazines, 2012: 662-668.

[3] TRIEU P V, TUAN L A. Combined Controls of Floating Container Cranes[C]//Control, Automation and Information. International Conference on IEEE, 2015: 442-447.

[4] 段朝輝.離散貨源需求下的集裝箱橋吊配置優(yōu)化離散貨源需求下的集裝箱橋吊配置優(yōu)化[J].中國航海，2016，39(2)：120-124.

[5] 曹民，朱愛璽．集裝箱門式起重機(jī)用吊具路徑優(yōu)化控制系統(tǒng)：ZL2013101756990[P]．2014-12-03．

[6] 曹民．集裝箱堆場(chǎng)輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)：ZL2015106509575[P]．2017-03-22．

[7] KAWAI H, CHOI Y, KIM Y B, et al. Position Measurement of Container Crane Spreader Using an Image Sensor System for Anti-Sway Controllers[C]//Control, Automation and Systems. International Conference on IEEE, 2008: 683-686.

[8] MAHRUEYAN M, KHALOOZADEH H. On the Skew and Sway Control of Container Cranes[C]//Control, Instrumentation and Automation. 2nd International Conference on IEEE, 2011: 407-412.