集裝箱場橋吊具路徑優化

曹 民， 朱愛璽， 黃秀松， 同寧方

(1. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院， 上海 200093;2. 上海海勃物流軟件有限公司， 上海 200080)

隨著國內外貿易的不斷發展，集裝箱碼頭的吞吐量不斷攀升，集裝箱儲運效率成為影響進疏港周期、物流服務水平和供應鏈成本的關鍵因素。目前集裝箱堆場的裝卸作業基本上依靠人工操控完成，普遍存在作業效率低、運行能耗高、勞動強度大和安全隱患多等問題。在堆場進出箱作業過程中，輪胎吊司機首先通過目測感知輪胎吊下方的箱位和堆高，然后根據作業指令提供的目標箱位操縱大車、小車和吊具完成裝卸，最后通過目測檢查和確認作業指令的完成情況。為避免人為操作不當引發碰箱事故，場橋操作規程要求吊具走門框路徑(而不是最短路徑)，因而使作業效率和運行能耗改善受限。為提高集裝箱堆場的作業效率，只有要求場橋運行速度較高、司機的操控準快靈活，但受體力、情緒和環境等因素影響，難免會出現操作失誤，引發場橋撞箱事故，造成不必要的經濟損失。

隨著國家節能減排政策的大力推行，碼頭作業管理系統(作業管理TOS)迫切需要集成吊具路徑優化控制功能，全面實現集裝箱堆場的自動化作業，為港口物流企業保障安全、降本增效。因此，為改善集裝箱場橋傳統門字路徑作業的效率和能耗，本文提出根據碼頭作業調度指令、小車載激光掃描定位等信息使吊具沿優化路徑作業的控制方案。[1-5]

1 系統結構設計

控制系統的結構框圖見圖1，主要包括：吊具路徑控制模塊(SRCM)、碼頭作業管理系統(TOS)、激光掃描測距儀(LMS)、視頻監控攝像機(VSC)、觸控式顯示屏(TS)、主/從站可編程控制器(PLC)、操縱手柄開關、旋鎖開閉狀態、小車位置編碼器、吊具位置編碼器、驅動器及接觸器、小車運行電機、吊具起升電機和旋鎖開閉機構等組件。該系統的工作原理為：場橋大車停車到位后，SRCM在根據TOS的調度指令和小車載LMS的測距信息，按照預定的掃描定位和路徑優化等控制算法對堆場輪廓及吊具進行定位識別和路徑優化之后，將控制指令發送至主/從站PLC；主/從站PLC在根據操縱手柄開關、旋鎖開閉狀態、小車和吊具位置編碼器等信息對控制指令進行比較、判斷和確認之后，通過驅動器和接觸器驅動小車運行電機、吊具起升電機和旋鎖開閉機構，使吊具沿優化路徑運行到位，同時將運行記錄回傳給SRCM和TOS；當接收到操縱手柄開關信號時，系統立即將自動模式切換為手動模式，此后恢復自動模式須手動切換；當超出控制范圍或出現系統故障時，故障診斷處理程序可輸出急停和報警信號。為提高系統安全性和操控便利性，用戶還可通過VSC和TS對作業過程進行監視及調整。

2 控制算法設計

控制系統的結構簡圖見圖2，主要涉及場橋(1)、小車(2)、吊具(3)、吊具反射板(4)、橫梁(5)、橫梁反射板(6)、激光掃描測距儀(7)、集裝箱(8)和卡車(9)等組件，其中：堆場集裝箱按序縱向堆積在場橋下方；卡車通道位于輪胎吊下方一側；小車在輪胎吊頂端軌道上水平運行；吊具通過吊索與小車上的起升機構相連；橫梁在輪胎吊腿部靠上位置；橫梁反射板垂直安裝在橫梁上；吊具反射板水平安裝在吊具框架頂部，且圓弧形反射面面向激光掃描傳感器(通過反射面上至少3個連續的激光掃描點來確定反射面圓心的坐標位置)；激光掃描測距儀窗口朝下安裝在小車上，激光掃描面與xOy坐標面平行，且與橫梁反射板和吊具反射板相交，在輪胎吊大車停穩狀態下系統根據定位識別算法和路徑優化算法對小車和吊具進行運動控制。

2.1 定位識別算法

[sbr,θbr]=[s,θ]，xs=sbr·cosθbr，ys=Ys

(1)

2) 吊具反射板的圓心坐標及半徑。

xM=xs-sMcosθM，yM=Ys-sMsinθM,

M=m,m-1,m-2

(2)

(3)

(4)

(5)

3) 吊索下索點平面中點在搖擺和平衡位置的坐標。當滿足|εhr|=|rcc-Rhr|→min且|eh|=|xcc-xs+Wsh-Whr|≤Ehmax時，有

xhi=xcc-Whr，yhi=ycc-Hhr

(6)

xh=xs-Wsh，yh=Ys+Hsp-

(7)

4) 堆場和車載集裝箱頂面中點的坐標(n=1,2,…,7)。

[snt,θnt]=[s,θ]，yn=Ys-sntsinθnt

(8)

(9)

2.2 路徑優化算法

(10)

1) 出箱行程，包括起箱、上坡、下坡和落箱等4個階段。

(1) 起箱階段，有

xh=xa，yh=ya+Hh→

(11)

xh=xho→xj-Wc-sx，yh=yho→yj+Yhmax-4Hc，[xh,yh]滿足kh=max(ku)

(12)

Hc+sy，[xh,yh]滿足kh=max(kd)

(13)

(4) 落箱階段，當xho=x7且xhi→xh(吊具停止搖擺)時，有

xh=xho=x7，yh=yho→y7+Hh+Hc

(14)

2) 進箱行程，即出箱行程的逆過程，算法以此類推(從略)。

3 仿真試驗分析

為模擬小車運行、吊具升降、吊架扭轉、旋鎖開閉、操作手柄及旋鈕開關、集裝箱、集卡和堆場等基本功能，研制按比例微縮的仿真試驗臺架(見圖3)。該臺架基于LabVIEW編程軟件、四軸運動控制器、智能一體步進電機、多圈絕對值編碼器、激光測距傳感器(對稱安裝在小車上，用于替代激光掃描)、雙軸動態傾角傳感器(平直安裝在大車上，用于大車側傾修正)、微型夜視補光攝像頭(對稱安裝在小車上，用于視覺冗余監控)和觸控式平板電腦等軟件或硬件開發，其基本參數為：起升質量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；吊具轉角±45°。

任選6種堆碼形式作為測試條件，分別測得吊具的門字路徑和優化路徑(見圖4)及2種路徑下的吊具行程(見表1)。測試結果表明：優化路徑較門字路徑大幅縮短了吊具行程，節能效果明顯；由于優化路徑下吊具平移高度降低，導致吊索長度加長、擺幅加大，延長了目標位停擺等待時間，因而限制了作業效率的有效提升。

a)堆碼形式1b)堆碼形式2

c)堆碼形式3d)堆碼形式4

e)堆碼形式5f)堆碼形式6

圖4 吊具在6種堆碼形式下的門字/優化路徑

4 現場試驗分析

該系統已在某集裝箱碼頭堆場的RC40/46輪胎吊(起升質量40 t，跨距23.47 m，起升高度15.24 m，小車速度70 m/min，滿載/空載起升速度20 m/min/45 m/min，滿載/空載大車速度25 m/min/120 m/min，吊具回轉角度±5°)上安裝調試(見圖5)，初步試驗效果與前述仿真試驗基本相同，但小車自動運行到位偏差較大，主要與控制系統響

應滯后有關，有待進一步優化控制系統的軟硬件。

a)b)

c)d)

圖5 控制系統的現場試驗

5 結束語

本文針對集裝箱場橋在傳統門字路徑下作業效率和能耗改善受限的問題，提出根據碼頭作業調度指令、小車載激光掃描定位等信息使另具沿優化路徑作業的控制方案，并通過具體設計、仿真試驗和現場試驗初步驗證該方案可顯著縮短吊具作業行程，從而有效提升作業效率和降低運行能耗，為后續進一步改善作業效能、開展吊具路徑優化和防搖擺控制等研究提供了改進方向。

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

[2] NGO Q H, HONG K S. Adaptive Sliding Mode Control of Container Cranes[J]. IET Control Theory & Applications. IET Journals & Magazines, 2012,31: 662-668.

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

[4] 曹民，朱愛璽．集裝箱門式起重機用吊具路徑優化控制系統：ZL201310175699.0[P].2014-12-03．

[5] 曹民．集裝箱堆場輪胎吊自動化作業系統：ZL201510650957.5[P].2017-03-31．