集裝箱吊具智能技術在自動化碼頭中的應用

上海振華重工集團股份有限公司 上海 201314

1 設計背景

20世紀80年代中期，因人口增速放緩，集裝箱碼頭的自動化技術在勞動力成本較高和熟練勞動力匱乏的地區被關注。隨著國內多個項目的落地試運營，越來越多的碼頭正在著手全新自動化碼頭的籌備建設工作，或是現有設備的升級改造。傳統集裝箱吊具（以下簡稱吊具）的操作由人通過手和眼的協調進行，無法滿足自動化作業的需求，而自動化吊具需要做到：自動對箱精準，碼箱整齊；自動箱號識別提速碼頭管理；智能在線監測提供安全作業和高效作業保障；自動潤滑減少人工介入保養；吊具的預測性維護提升管理水平。為此，文中詳細介紹了吊具智能技術，可達到上述各項需求。

識別系統的集裝箱檢測和自動定位系統（LCS）依靠單點激光器堆疊時檢測底部集裝箱；箱號識別系統用于自動識別集裝箱箱號，供調度系統使用。基于稱重系統的算法用于檢測設備承載情況，即實現集裝箱的超偏載檢測和重量檢測，又可同步完成安全防護。自動潤滑系統根據程序設定自動對各關節進行定期潤滑、智能報警，減少人工干預。SMS吊具管理系統綜合利用物聯網、云計算及相關技術，結合先進的數據采集及分析方法，采用多學科交叉結合的形式，對吊具在線監控技術進行研究，對產品的維護周期、維護內容進行預測提醒，系統提供系列管理模板和表單供客戶使用，降低吊具維護保養中的人工管理工作量，使吊具日常維護保養監管更科學和準確。

2 識別系統

在無人干涉操作的情況下，通過傳感技術和AI人工智能的應用來實現自動化作業要求。相較于傳統操作員操作，應用傳感技術和AI人工智能可靈活精準控制，識別集裝箱信息，識別集裝箱的不規則變形及破損。

2.1 集裝箱檢測和自動定位系統

集裝箱檢測和自動定位系統（LCS）是基于激光傳感器的一種應用，安裝于吊具上的單點激光器檢測下方固定范圍內的物體，通過4個激光器來檢測判斷下方集裝箱的位置。單點激光器的模擬信號可接進吊具的CAN通訊輸入模塊或ASI通訊輸入模塊（輸入模塊具體形式取決于吊具的通訊協議），再進主機自動化控制系統（ACCS）進行處理。在碼箱時（第二層及以上放箱時）使用該系統，可精準對象作業。

單點激光器是LCS中數據采集單元，常用數量為4個和6個。軌道式起重機的大車方向誤差可控，所以在吊具內側4個鎖頭處安裝單點激光器來收集數據，數據傳輸至ACCS系統進行后臺運算，給出動作指令來調整小車方向的偏差，完成自動定位。輪胎式起重機的大車方向誤差較大，所以安裝于吊具內側4個鎖頭處的單點激光器用于收集小車方向誤差的數據，安裝于外側的2個單點激光器用于收集大車誤差的數據，數據傳輸至ACCS進行后臺運算，給出動作指令調整大車、小車方向的偏差，完成自動定位。

由于堆場的箱子之間存在間隙，通常大車方向為40 cm,小車方向為40 cm（見圖1）。當吊具吊運集裝箱進入堆箱區準備堆放時，下降一定高度進入到激光器設定有效檢測區域（見圖2黃色垂直區域）,若檢測到吊具下方有物體，說明此放箱吊具未對齊下方的箱體，通過模塊將此數據傳給ACCS，再由主機給出調整吊具姿態命令，已達到兩集裝箱對齊的狀態，完成對位。

圖1 堆箱示意圖

圖2 有效檢測區域

2.2 箱號識別系統

集裝箱的箱號ID用于倉儲管理、轉運管理、出入關管理等環節，傳統模式依賴人工識別，然后輸入計算機，人工操作的弊端是容易出現錯誤以及效率較低。箱號亟需自動識別，并直接進入碼頭管理系統，以適應自動化作業要求。自動化集裝箱碼頭吊具在四角安裝攝像頭或攝像機，抓取集裝箱頂部噴涂于鋼架上的箱號，通過OCR技術識別集裝箱號，為碼頭的集裝箱管理、集裝箱堆場管理、集裝箱倉儲搬運管理、海關集裝箱管理等提供便捷，可避免人為因素導致的記錄錯誤降低出錯率。

同時，還可利用攝像頭捕獲的集裝箱外觀信息，通過模板匹配模型識別、判定集裝箱的完好性。這種模板匹配模型將捕捉的信息數據與系統內原本輸入的大量破損集裝箱信息數據進行比對，最終判別集裝箱是否完好。對于破損嚴重的、鎖孔變形的、被認為不適合吊具安全起吊的，此時需要人工介入并干預，對集裝箱進行評估，判斷是否符合被安全起吊的條件。

3 集裝箱稱重和超載保護系統

集裝箱運輸質量誤報或超重將導致海運危險運輸甚至發生海運事故，所以國際海事組織海上安全委員會IMO批準《國際海上人命安全公約》（以下簡稱SOLAS）修正案（集裝箱質量驗證新規）于2016年7月1日起強制生效。如果不符合SOLAS規定，在裝船前未能提供正確的集裝箱驗證總質量（VGM）,集裝箱將無法裝船。

傳統碼頭通過閘口地磅用去皮稱重的方法進行集裝箱稱重。集裝箱和集卡一起稱重，進閘口時為總重，出閘口時為集卡質量，稱重精度低，且由工作人員計算并記錄效率較低，影響碼頭集卡的進出速度。吊具配置的稱重系統既可解決集卡進出速度問題，又可提高集裝箱稱重精度，還能應用于主機的超載、偏載安全保護。如圖3所示，稱重系統由傳感器、前端處理器、控制器、顯示屏、打印機、PLC、PC端等組成。

圖3 稱重系統

自動化吊具上配置稱重系統能解決稱重精度低、效率低的問題。通過轉銷四角處傳感器檢測鎖頭的承載，模擬量信號經過放大器通過I/O模塊進控制器,經過控制器內設置的數據模型進行計算，再將數據傳至終端顯示器及打印機、PC終端、起重機PLC等。 由于直接從鎖頭處檢測承載，故稱重精度比地磅要高。數據直接可進PC終端，完全不需要手動計算和記錄。同時，記錄的載荷及載荷偏心距傳入起重機PLC，一旦監測到超載、偏載情況即停止起升動作，發出超載、偏載報警，確保安全作業，以及集裝箱的安全海運。如果將稱重數據接入SMS吊具管理系統，還可預測轉銷的壽命。

4 自動潤滑系統

集裝箱吊具多在海邊鹽霧較大環境中工作，在其工作過程中，沖擊大，結構之間相對運動頻繁，機構工作級別高。傳統集裝箱吊具的潤滑方式為手動注入或涂抹潤滑脂，在各機構的潤滑點油嘴處、有相對摩擦的減磨塊與鋼結構或鋼結構與鋼結構的表面處。傳統潤滑方式主要有潤滑不及時、不均勻、遺漏風險大、人工成本高等缺陷。集裝箱吊具的自動化相對于傳統吊具自動化作業程度高，動作的頻繁程度會大大增加，在碼頭配置人員減少的情況下，自動潤滑系統技術就可以有效解決這些問題。

自動集中潤滑系統常用的單線式潤滑系統，遞進式潤滑系統，雙線式潤滑系統，采用模塊化設計將所有潤滑點集中在若干個分配器上。分配器通過主油路與潤滑泵相連，采用程序控制潤滑泵的方式，對各潤滑點實行定時、定量加注潤滑油脂。潤滑效果好，不會導致潤滑不及時，不均勻和遺漏。手動潤滑和自動潤滑的效果對比如圖4所示。

圖4 手動自動潤滑的效果

5 吊具管理系統

吊具管理系統（SMS）具備信息獲取、信息傳遞、信息處理、信息再生、信息利用等功能，與智能化工具相結合，對吊具進行精細化、智能化實時管理，監管吊具運行狀況，管理吊具智能維護、故障診斷、預測性維護保養。

SMS使傳統管理模式轉變為以互聯網為核心的現代化管理方式，主要特點有設計過程數字化、維保自動化和智能化、管理多變量優化和多目標優化、網絡化并行設計和協同設計等。吊具管理系統的主要功能是實現在吊具管理、經營過程中，通過信息基礎設施，在集成平臺上實現信息采集（傳感器及儀器儀表、閥門）、信息傳輸（通信）、信息處理（計算機）以及信息的綜合應用等，主要研究內容為利用信息化相關知識實現對吊具故障維保的高效化管理，改變以往傳統人工維保的現狀；將吊具信息數字化，便于全方位進行監管；通過診斷模型來對吊具進行故障診斷，利用失效模型和壽命計算模型進行壽命預測及維保計劃推測。

5.1 智能維護

吊具在集裝箱起重機中占據重要地位，吊具故障時刻影響著起重機的正常使用。隨著自動化集裝箱吊具使用規模的擴大，為確保吊具的穩定使用，減少常見故障問題，吊具必須進行科學、高效的實時管理與維護，智能維保模式是解決問題的根本。吊具故障維修效率低的原因，主要有以下方面：

1）缺乏對信息化生產管理的重視，吊具故障信息采集、作業量、維護情況等均由人工統計來完成，存在時間和地域的限制，且管理效率不高，導致吊具在使用中出現的問題難以及時解決并減少。

2）吊具的各項參數復雜多樣，復雜的數據統計難以保存與更新，增加了吊具維護管理難度，直接影響了吊具維保效率。

借助大數據、云計算等高新技術實現吊具信息化管理，通過信息化技術把數據轉換為信息、知識，搭建吊具故障分析模型，對碼頭現場運行數據多維度、多層次的挖掘分析，并對監管的吊具部件提供預報警機制，充分發揮碼頭RCMS數據的二次開發利用，為客戶和企業科學管理設備、決策分析提供有利依據，大大提高吊具維保效率，充分發揮信息化與工業化的深度融合，實現吊具智能維護。

5.2 故障診斷

自動化集裝箱吊具功能比傳統吊具多，吊具的復雜程度高，吊具的故障診斷變得更重要。為了及時知曉吊具的狀態，減少維護時間，降低維保人員的技術檢測門檻，吊具故障診斷功能可以改善上述問題，提高吊具的作業效率，方便用戶使用。

根據吊具采集到的各種信息，組態界面可配置，數據指標可配置，采集規則可配置，轉發規則可配置，大部分采用拖拽式配置能力，部分需要腳本語言做配置。通過預設的機制，例如時間檢測、動作檢測、壽命檢測、邏輯分析等做到智能診斷，疊加工業物聯網的軟硬件設備，可自動發送診斷信息，可通過語音、網頁、郵件、短信、APP等網絡自動推送診斷內容，可查看吊具自診斷的錯誤日志，故障診斷模型給出故障代碼及判斷具體位置的傳感器，執行器等設備是否發生故障。

5.3 預測性維護保養

預設關鍵部件的維護周期，及時提醒進行維護保養；預設部件使用壽命，及時提醒進行更換。利用SMS吊具管理系統中監測的數據，輸入失效模型和壽命計算模型，能做到提前預測壽命，提前預測失效，及時推送維護與更換計劃，避免過度使用造成損壞甚至安全事故。

6 結束語

隨著全球自動化碼頭的加速建設以及全球貿易不斷緊密聯系，集裝箱吞吐量逐年在增加。對于自動化作業配套的吊具，需要解決保證快速高效作業即快速精準定位、確保安全作業、通過維保手段確保作業設備的低故障率、高穩定性等問題。本文對自動化碼頭集裝箱吊具應對這些問題所應用的集裝箱檢測和自動定位、稱重系統解決集裝箱VGM、起重機超載保護、自動潤滑系統、SMS吊具管理系統、智能維護系統等均予以詳述，這些技術在吊具上得到實際的應用，有效地解決了問題，提高了整個碼頭的作業效率，提高了吊具的作業效率。