集卡防吊起技術(shù)方案探討

陳鵬元，李書強(qiáng)，余珍勝

（青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司，山東 青島 266530）

引 言

隨著世界集裝箱碼頭的不斷發(fā)展，以及集裝箱運(yùn)輸量的不斷增長，起重機(jī)的操作地點(diǎn)逐漸由司機(jī)室轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境更為舒適的中控室，而這種轉(zhuǎn)變的一項(xiàng)重要任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)效率更高，工作更安全的目標(biāo)。

集裝箱起重機(jī)在集卡上卸箱的過程中，由于集卡的鎖銷未完全打開或集卡司機(jī)忘記解鎖，會(huì)出現(xiàn)吊具將集裝箱連同集卡車一并吊起或者部分吊起，通常稱為吊集卡事故，而在中控室的起重機(jī)司機(jī)很難準(zhǔn)確迅速地發(fā)現(xiàn)安全隱患，一旦起重機(jī)將集裝箱及卡車一起吊起，就會(huì)發(fā)生及其嚴(yán)重的安全事故，輕則集裝箱鎖銷損壞或集卡車損壞，重則發(fā)生起重機(jī)毀損情況，甚者發(fā)生集卡車傾覆，造成集卡車司機(jī)的傷亡。

為了確保港口生產(chǎn)作業(yè)安全，預(yù)防此類事故的發(fā)生，提高作業(yè)效率，各碼頭及港機(jī)設(shè)備制造廠商均為起重機(jī)設(shè)置了集卡防吊起保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)前此系統(tǒng)主要有兩種技術(shù)方案。

1 激光掃描儀方案

本系統(tǒng)采用激光掃描測距原理、模式識(shí)別和自動(dòng)控制技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)檢測吊具、集裝箱、集卡車三者之間的位置關(guān)系，并根據(jù)之前預(yù)定的安全控制方案對起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)的進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)防吊集卡的功能，以此避免安全事故的發(fā)生，提升集裝箱裝卸工作的安全性與可靠性。

1.1 設(shè)備安裝

該方案的設(shè)備主要包括：Sick的二維掃描儀和控制器。2D激光掃描儀安裝于起重機(jī)大車的側(cè)下方位置，通過光纖通訊連接到電氣房內(nèi)的防吊集卡控制器上，防吊集卡控制器提供接口連接PLC通訊模塊。司機(jī)室內(nèi)的控制臺(tái)（包括中控室的操作臺(tái)）上安裝信號(hào)指示燈，提示起重機(jī)司機(jī)。激光掃描儀主要掃描位置是集裝箱高度、托盤邊緣厚度、托盤表面傾斜角度、機(jī)箱和托盤的間隙等，通過這些數(shù)據(jù)綜合判斷卡車是否被吊起。

圖1 激光掃描儀

1.2 工作原理

在卸車作業(yè)過程中，當(dāng)帶箱集卡到位，起重機(jī)小車機(jī)構(gòu)開到作業(yè)集卡的車道上方，吊具放到集卡集裝箱上，閉鎖；起升上升。PLC通過通訊線纜（本項(xiàng)目使用Profibus-DP通訊）將來自編碼器等元器件反饋的起升高度信息傳給集卡防吊控制器。該系統(tǒng)在對集卡車輛和集裝箱的識(shí)別中，實(shí)現(xiàn)對兩者的準(zhǔn)確識(shí)別和勾勒，分析兩者的相對運(yùn)動(dòng)情況，判斷吊具是否連同集卡車一起吊起。

當(dāng)?shù)蹙咂鹕叨取⒓b箱下表面離集卡的距離提升相同的高度，而且集卡底盤的坐標(biāo)不變時(shí)，說明集裝箱正常提升；當(dāng)?shù)蹙呱媳砻孀鴺?biāo)、集卡底盤坐標(biāo)提升相同的高度，而集裝箱下表面離集卡的距離保持不變時(shí)，說明集裝箱連同集卡同時(shí)被吊起。

由于激光掃描儀在實(shí)際使用中，會(huì)受反射的陽光、雨雪天氣、大霧天氣等因素的影響，因而發(fā)生誤報(bào)警的情況，為防止此情況的出現(xiàn)，本項(xiàng)目在大梁上方設(shè)置了一個(gè)3D激光掃描儀，其主要功能為集卡定位引導(dǎo)和防砸車頭，但其也可通過掃描作用，對集卡車的整體狀態(tài)提供檢測和判斷功能，間接為集卡防吊起系統(tǒng)提供保障。

1.3 控制方案

當(dāng)系統(tǒng)判斷出現(xiàn)集卡被吊起的情況后，控制吊具停止，此時(shí)司機(jī)只能操作起升機(jī)構(gòu)以10%的限定速度慢速下降，不能起升。吊具下放到松繩和著箱后，起升上升的防吊集卡控制解除。危險(xiǎn)解除后，集卡司機(jī)可以重新將鎖頭打開，繼續(xù)工作。

系統(tǒng)在司機(jī)控制臺(tái)（包括遠(yuǎn)程操控臺(tái)）上設(shè)置啟停選擇功能開關(guān)。當(dāng)該選擇功能開關(guān)撥到“關(guān)”的位置時(shí)，集卡防吊起功能關(guān)閉，吊具起升機(jī)構(gòu)不具有防吊集卡的保護(hù)功能。

系統(tǒng)在CMS上或司機(jī)操作臺(tái)（包括遠(yuǎn)程操控臺(tái)）提供狀態(tài)指示燈。當(dāng)防吊集卡功能處于停用狀態(tài)時(shí)，CMS指示燈變?yōu)榛疑?操作臺(tái)指示燈熄滅；當(dāng)防吊集卡功能處于使用狀態(tài)時(shí)，CMS指示燈變?yōu)榫G色；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，指示燈閃爍。

系統(tǒng)在司機(jī)控制臺(tái)上（包括遠(yuǎn)程操控臺(tái)）提供防吊起的控制旁路開關(guān)，選用的是帶指示燈的復(fù)位開關(guān)。當(dāng)集卡防吊起系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)控制吊具停止上升，只能做下降動(dòng)作，此時(shí)指示燈亮起，司機(jī)可按下旁路開關(guān)，進(jìn)行單次的控制；當(dāng)防吊起未觸發(fā)或停止使用時(shí)，指示燈處于常滅狀態(tài)。

2 視覺方案

本系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺和AI人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集裝箱與集卡車托盤關(guān)于鎖扣解鎖狀態(tài)的全天候、全天時(shí)的實(shí)時(shí)識(shí)別檢測，之前預(yù)定的安全控制方案，在集裝箱和集卡車托盤未分離的異常情況下，實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的控制，以此防止集卡被吊起，避免事故的發(fā)生，保障作業(yè)安全，提高作業(yè)效率。

圖2 視覺系統(tǒng)攝像頭

2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）采用攝像機(jī)采集的圖像信息，借助于攝像頭視覺技術(shù)判斷集卡托盤與集裝箱的位置關(guān)系。

2）集卡防吊的保護(hù)距離為集卡車被吊起30 cm。

3）可排除內(nèi)集卡對系統(tǒng)的干擾，避免誤運(yùn)作，加強(qiáng)系統(tǒng)可用性

4）提供可視化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，方便查看，升級(jí)，維護(hù)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu).

機(jī)器視覺集卡防吊起系統(tǒng)主要由前端相機(jī)、工控機(jī)（視頻處理機(jī)）和通訊模塊組成，如圖3所示。前端相機(jī)安裝在起重機(jī)大車腿部的適當(dāng)位置，系統(tǒng)的工控機(jī)安裝在電氣房內(nèi)，前端相機(jī)通過網(wǎng)線與POE交換機(jī)相連，該P(yáng)OE交換機(jī)通過光纖與光纖交換機(jī)相連，工控機(jī)通過網(wǎng)線與光纖交換機(jī)相連，同時(shí)該工控機(jī)與電氣房內(nèi)的Profibus-DP/TCP轉(zhuǎn)換模塊相連，Profibus-DP/TCP轉(zhuǎn)換模塊再與起重機(jī)上的PLC相連。

圖3 視覺集卡防吊起系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 準(zhǔn)確性評(píng)估

為了對系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，往往需要對大量的正負(fù)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)，對于視覺防吊起系統(tǒng)而言，正樣本是正常作業(yè)視頻，負(fù)樣本是集裝箱和集卡同時(shí)被吊起的異常作業(yè)視頻。然而如果作業(yè)出現(xiàn)了異常，對于碼頭而言就是發(fā)生了安全事故，因此，在日常的使用過程中，可允許少量樣本的誤報(bào)（即集裝箱未與集卡車同時(shí)被吊起，但系統(tǒng)顯示集卡車被連同吊起），但需杜絕漏報(bào)情況（及集裝箱與集卡車同時(shí)被吊起，但系統(tǒng)顯示集卡車未被吊起）的發(fā)生。對于此問題，在調(diào)試過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)隔值，找到一個(gè)平衡點(diǎn)，同時(shí)，為了保障系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)將圖像進(jìn)行灰度處理后，會(huì)以每秒30次的頻率對圖像進(jìn)行判斷和處理，通過車輪檢測和異常判定算法判斷當(dāng)前幀和起始幀相比車輪有沒有離地，從而實(shí)現(xiàn)集裝箱卡車防吊起的作用。

本項(xiàng)目通過青島前灣港自動(dòng)化堆場的測試和實(shí)際運(yùn)行情況對準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，其中合計(jì)作業(yè)30 000余次，該視覺防吊起系統(tǒng)成功預(yù)警10次吊起集卡的事故，放箱時(shí)的掛聯(lián)事故報(bào)警3次，虛報(bào)8次。具體性能如下：

1）漏報(bào)率：0%；

2）誤報(bào)率：＜0.3 ‰；

3）集卡車集裝箱托盤被吊起高度由于300 mm；

4）系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間：＜0.2 s；

5）具有自檢功能，系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信息；

6）支持多種類型的集卡托盤，且不受托盤高度影響。

3 結(jié) 語

結(jié)合當(dāng)前各碼頭及港機(jī)制造廠的集裝箱起重機(jī)械，分析了利用2D激光掃描儀和利用攝像頭視覺兩種方案實(shí)現(xiàn)集卡防吊起的原理和使用方案。激光掃描儀的方案成本較高，但安裝方便，調(diào)試簡單；攝像頭視覺的方案成本較低，便于維護(hù)，但港機(jī)的使用率不高，作為一項(xiàng)新穎的技術(shù)，日后會(huì)逐漸完善，提升準(zhǔn)確度，并可以應(yīng)用到集卡防吊起之外的其他系統(tǒng)中。