感知技術在自動化集裝箱碼頭的應用

耿衛(wèi)寧

(青島新前灣集裝箱碼頭有限責任公司，山東 青島 266500)

共商、共建、共享的“一帶一路”倡議為21世紀人類加強經濟和文化交流提供了一條嶄新路徑，提供了中國人民與世界各國人民構建人類命運共同體的新方案[1]。港口是海上絲綢之路的起點，依托于改革開放40多年的技術、資本積累，中國港口體量已躍居全球第一，并建成投產代表港口最高科技水平的自動化集裝箱碼頭。目前，國家大力推進港口產業(yè)轉型升級，進行智慧港口建設[2]。沿海各省紛紛成立省港口集團，整合資源、避免同質低層競爭。國內港口紛紛進行傳統碼頭自動化升級改造和新自動化碼頭建設。自動化碼頭系統是復雜的巨系統，其終極目標和“中國智造”核心體系一致，即基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產方式[3]。加快自動化碼頭的優(yōu)化升級，推進智慧港口的建設，是順應全球“工業(yè)4.0”革命浪潮的需要，是加快“中國智造2025”建設的需要。本文通過介紹自動化碼頭狀態(tài)感知環(huán)節(jié)現狀，探索狀態(tài)感知發(fā)展方向，為自動化碼頭的完善和升級提供參考。

1 自動化碼頭狀態(tài)感知的重要性

自動化碼頭信息物理系統是支持自動化碼頭運行的綜合技術體系，它構建了一個虛實映射的體系，在該體系中物理系統和信息系統互相作用，數據在兩者之間自由流動[4]。自動化碼頭系統通過狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行4個環(huán)節(jié)完成生產服務，見圖1。在這4個環(huán)節(jié)中，數據始終貫穿其中，在數據流動的過程中，物理系統和信息系統實時感知新的數據并不斷迭代更新。數據是驅動自動化碼頭運行的靈魂，而所有的數據均來自于物理系統和信息系統的感知。

圖1 “感知→分析→決策→執(zhí)行”循環(huán)

《三體智能革命》[5]對未來智能時代的描述是“始于感知，精于計算，巧于決策，勤于執(zhí)行，善于學習”。感知是實現自動化、智能化的第一步，感知的及時性、準確性、全面性直接導致后續(xù)分析、決策、執(zhí)行的結果。

2 自動化碼頭狀態(tài)感知的類型

2.1 傳感器感知信息

自動化碼頭系統實質是復雜的機器人系統。自動化集裝箱碼頭相對于傳統人工集裝箱碼頭，最直觀的變化是自動化的設備代替了有人駕駛的設備。傳統碼頭靠“人”感知反饋的環(huán)境、箱貨、設備自身、任務執(zhí)行情況等信息，在自動化碼頭完全靠“機”完成。自動化設備依靠大量的傳感器實時、準確反饋信息。各種類型、數量眾多的傳感器感知信息的方式多用于自動化碼頭系統單元級的感知。

自動化碼頭系統使用的傳感器包括接近傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、超聲波傳感器、雷達傳感器等多種傳感器。一臺自動化橋吊單機約含400個傳感器，主要集中在3臺吊具和吊具上架部位，約200個；溫度、振動、機構應力感應器32個；整機激光感應系統8套，包括船型掃描系統3套、TDS(target detection system，目標檢測系統)1套、SDS(spreader detection system，吊具檢測系統)1套、大梁防撞系統2套、主吊具防扭防搖系統1套。

以青島港自動化碼頭水平運輸設備AGV(automatic guided vehicle，自動搬運車)為例，AGV的運行狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境通過傳感器感知，見表1。AGV通過感應地面埋設的磁釘確定車輛位置，AGV通過限位感應確定載運集裝箱位置，AGV通過角度編碼器感應車輪轉角，AGV通過溫度感應確定是否需要啟動空調給電池降溫，AGV通過壓力傳感器感應輪胎氣壓，AGV通過重力感應確定空、重載情況，AGV通過激光掃描儀確認前進路徑是否有障礙物。同時，設備管理人員通過系統對設備感知狀態(tài)來判斷設備是否運行正常，見表2。

表1 AGV單機部分傳感器

續(xù)表1

表2 AGV前端車橋速度反饋

自動化碼頭為海邊露天作業(yè)，作業(yè)強度為全天候24 h，作業(yè)對象為質量達數十噸的集裝箱。傳感器的選型、安裝、維護均很重要，部分傳感器的選型要適應高溫、低溫、高濕的環(huán)境；部分傳感器的安裝既要符合工況需求，又要耐受高頻率、高強度的沖擊振動；傳感器相關參數設定既要確保獲取信息的準確，又要避免誤報；部分傳感器隨著使用時間的延長和作業(yè)量的累計須進行微調。如橋吊吊具部分傳感器，必須能承受每天上千次的劇烈振動；若AGV激光掃描儀設定值過高，就會導致在雨雪天氣將雨滴、雪花誤報為行車障礙物。

2.2 人機交互傳遞信息

受限于感知技術發(fā)展現狀和被感知對象的復雜性，自動化碼頭系統尚未實現完全的自動感知。在涉及人身安全、高事故風險仍采用人工確認的感知方式。人工對系統感知狀態(tài)做出確認，確認信息反饋給系統。人機信息交互的方式多出現在人與自動化碼頭系統級之間的信息交互。

以青島港自動化碼頭為例，橋吊作業(yè)前激光器掃描船舶作業(yè)貝位輪廓，單機自動化根據掃描結果確定橋吊吊具運行路徑，因船舶作業(yè)環(huán)境復雜，掃描結果不能確保100%準確，且船舶作業(yè)的高風險性，須人為設定橋吊吊具運行路線的安全高度。因外集卡拖盤鈕鎖狀態(tài)、外集卡司機狀態(tài)尚無法感知，自動化碼頭與外集卡的交互仍需要外集卡司機通過操作碼頭一體機設備給堆場自動化系統提供信息。

2.3 網絡接口傳輸信息

自動化碼頭系統是一個復雜巨系統之系統級系統。其內部有海側裝卸系統、水平運輸系統、堆場堆碼系統、陸側集疏運系統、信息處理系統等諸多系統協同運行，其外部與EDI(electronic data interchange，電子數據交換)信息中心、物流中心、集疏運平臺、船公司、場站、海關等諸多單位連接。自動化碼頭系統時刻通過眾多接口實現系統內部、系統外部大量的信息傳遞，見表3。

表3 自動化碼頭TMS系統與內外部信息傳遞

3 自動化碼頭狀態(tài)感知待優(yōu)化方面

3.1 全面性

自動化碼頭系統通過多種感知方式和感知器的泛在連接，實現了自動化碼頭系統內在任何時間、任何地點、任何設備、任何箱貨的狀態(tài)感知和信息傳遞。但對自動化碼頭系統外的被感知對象，仍有感知空白區(qū)域。自動化碼頭橋吊裝卸船作業(yè)，作業(yè)過程中的集裝箱船舶受潮水、涌浪、裝卸進度等因素影響，船體姿態(tài)不停地發(fā)生變化，而自動化橋吊主吊具對這種狀態(tài)變化的感知尚處于空白，尤其是吊具在甲板下的船艙內作業(yè)時，船舶的傾斜度對作業(yè)安全影響很大，一旦吊具姿態(tài)與船舶傾斜度不匹配，易造成卡槽事故(卡槽指吊具卡在船艙導槽內，不能起升也不能下降)，這是目前自動化碼頭橋吊作業(yè)最大的風險。集裝箱船舶配備自動調平系統，系統能實時感知船體姿態(tài)，該信息沒有與碼頭系統共享，造成感知空白區(qū)域。自動化碼頭系統應加強與外部的連接，提高狀態(tài)感知的全面性。

3.2 精確性

受制于被感知對象的復雜性和感知環(huán)境的局限性，自動化碼頭系統部分信息的感知精確性有待提高。以自動化閘口的OCR(optical character recognition，光學字符識別)為例，集卡駛過閘口時觸發(fā)OCR系統，OCR系統通過圖像識別技術識別集卡、集裝箱信息，盡管識別率已接近100%，見表4。但動輒以百萬為統計單位的閘口進出量，很低比例的人工輔助識別也消耗大量的人力資源。

表4 自動化碼頭閘口OCR識別率

3.3 自動化

受制于被感知對象的不確定性和感知技術的發(fā)展水平，自動化碼頭系統部分信息的感知需要人工輔助。例如船型掃描安全高度的設定、集裝箱裝卸船時鈕鎖確認、外集卡與自動化軌道吊的交互等。墨菲定律[6]指出“如果有兩種或兩種以上的方式去做某件事情，而其中一種選擇方式將導致災難，則必定會有人做出這種選擇。”在高頻率的自動化作業(yè)模式下，“人”的行為是非標準、非恒定的，“人”的行為會因環(huán)境、情緒等因素變化，“人”是靠不住的[7]。自動化碼頭集港時，外集卡司機通過一體機與堆場自動化軌道吊進行信息交互，確保安全。一旦外集卡司機在確認托盤鈕鎖是否打開、集卡車盤是否被吊起時兩個環(huán)節(jié)給系統錯誤信息，就會導致集卡拖盤被自動化軌道吊吊起。因此，標準化、自動化的工業(yè)模式應逐步將“人”從臺前驅逐至幕后，將“人”的行為逐步從生產線中剔除。自動化碼頭為確保狀態(tài)感知的準確性，應逐步使用自動化感知方式替代人機交互傳遞信息的感知方式。

3.4 信息上傳層級待明確

自動化碼頭系統單元級、系統級、系統之系統級的三級劃分非常明確，但每一層級信息上傳層級尚不清晰，部分信息上傳層級過高，增大了高層級信息分析量，不利于問題的快速解決。以人體的眨眼反射和膝跳反射等非條件反射為例，人體感受器收到刺激后，傳入神經將信號傳遞給神經中樞，神經中樞做出決策并通過傳出神經傳遞信號，效應器做出相應反應[8]。此過程中，神經中樞并非大腦，眨眼反射的神經中樞是腦橋，膝跳反射的神經中樞是腰脊髓。決策在更低的層級做出既確保了快捷性又降低了大腦的負擔。同理，自動化碼頭系統很多感知信息上傳層級應明確，在更低層級決策更有利于系統運行的快捷性和穩(wěn)定性。

4 結論

1)自動化碼頭業(yè)務流程、設備運行均已實現數據驅動。數據來源于狀態(tài)感知，狀態(tài)感知是自動化碼頭系統運行的初始環(huán)節(jié)和關鍵環(huán)節(jié)，狀態(tài)感知直接影響后續(xù)實時分析、科學決策、精準執(zhí)行3個環(huán)節(jié)的進行。無論是傳統碼頭自動化改造還是新建自動化碼頭，均應對狀態(tài)感知進行高度重視和整體規(guī)劃設計。

2)自動化碼頭系統從感知信息廣度上實現全覆蓋，從感知信息程度上實現高精度，從感知信息方式上實現全自動，從感知層級的科學劃分等方面仍有很大的研究提升空間。

3)自動化碼頭與傳統人工碼頭相比，狀態(tài)感知渠道更為廣泛，狀態(tài)感知技術更為復雜。如何將多種感知技術有機融合，實現狀態(tài)感知的最佳效果，是自動化碼頭狀態(tài)感知長期研究方向。

4)如何解決多系統間復雜接口導致的系統穩(wěn)定性減低，如何解決大量感知器應用導致的設備復雜性提高、穩(wěn)定性降低，是自動化碼頭系統亟待解決的問題。