港口起重機遠程及自動控制系統檢驗方案研究與設計

丁高耀 仇佳捷

寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048

0 引言

隨著世界經濟全球化進程加快和國際貿易的不斷發展對港口物流效率提出了更高要求，同時也帶動了港口起重設備的迅猛發展。傳統港口起重機操控方式以人工現場操作為主，自動化程度不高，作業人員勞動強度大，工作效率相對低。近些年，在“工業4.0”、“中國制造2025”和5G通訊技術大力發展的環境下，傳統操作將不再適用信息化、自動化、智能化的生產方式。2014年以來國內已建成多個自動化碼頭，另外一些大型港口傳統裝卸碼頭也開展了智能化改造，陸續配置帶遠程及自動化控制功能的起重設備或對原設備進行升級改造。

遠程及自動控制技術在港口起重機中的應用使起重機械的檢驗面臨全新的課題與挑戰，由于國家未出臺起重機械遠程控制及自動控制技術的相應標準和安全技術規范，現階段的起重機械遠程及自動化控制技術仍屬特種設備新技術應用范疇，根據《特種設備安全法》規定：特種設備采用新材料、新技術、新工藝，與安全技術規范的要求不一致，或安全技術規范未作要求、可能對安全性能有重大影響的，應向國務院負責特種設備安全監督管理的部門申報，由國務院負責特種設備安全監督管理的部門及時委托安全技術咨詢機構或者相關專業機構進行技術評審，評審結果經國務院負責特種設備安全監督管理的部門批準，方可投入生產、使用。因此，檢驗機構應積極倡新技術研究及應用，及時研究與制定相應對策和檢驗要求，確保該類設備的使用安全。

1 系統組成

遠程及自動化控制系統是智能化港口起重機的核心組成部分之一，該系統利用遠程自動化控制技術，將起重機司機室復制到遠程中控室，既可實現自動化操作，又可使在遠程中控室的司機通過攝像頭代替人眼，進行遠程手動操作（見圖1）。

圖1 遠程及自動化控制系統示例圖

港口起重機遠程及自動控制系統組成如圖2所示，該系統可實現自動化碼頭對作業系統的優化配置、作業任務實時動態分配、有效利用場地起重設備資源、提高碼頭的作業效率、減少起重機的待機時間和轉場次數等，進一步降低能耗，提高碼頭節能減排效果。同時，遠程作業還可節約人力資源，由一對一人機配置到一對多人機配置。

圖2 遠程及自動控制系統技術組成

1）控制技術是系統的核心，負責設備的調度運轉、自動控制、多設備聯動等操作，主要分為計劃調度、設備管理、設備控制等部分。其中，計劃調度部分與集裝箱碼頭裝卸計劃作業系統對接，用以為調度設備作業任務；設備管理部分與整個碼頭的設備控制管理系統相對接，用于根據作業任務進行設備調度及多設備配合聯動；設備控制部分用于單一設備控制決策，綜合分析調度指令、操作指令、設備信息、傳感器信息等信息，控制單一設備完成單一作業的控制核心。

2）定位技術是遠程及自動運行控制系統的重要組成部分，主要負責各機構運轉過程中的定位功能，以幫助各機構安全、準確、可靠、快速到達指定位置，從而完成作業或作業待命的指令。根據運行機構分為大車定位、小車定位、起升定位等。

3）通訊技術是遠程及自動控制系統中數據連接傳輸的重要技術，負責將上位機的控制指令傳輸到終端設備，還負責將終端設備的相關信息傳輸到上位機供上位機或操作人員決策。通訊技術根據形式不同可分為有線通訊、無線通訊和準無線通訊。

4）保護技術是港口起重機遠程及自動運行的安全保障。由于遠程及自動控制設時間處于無人監視或部分區域無法監視的狀態，故需要增加相應的安全保護措施來保障設備的安全運行。常見的安全保護技術有防撞保護、防碰箱保護、防吊起保護（載車板未分離保護）等。

5）其他技術是輔助港口起重機遠程及自動運行的技術，如圖像處理技術，用以處理從現場傳輸過來的實時圖像，包括圖像剪切與拼接、圖像色彩與質量處理優化等。車輛引導是針對遠程自動起重機設備配合人工駕駛車輛，通過車輛引導技術引導駕駛人員將車輛停在作業位置，便于遠程自動設備進行作業。

2 主要風險點

遠程及自動控制系統使港口起重機可實現操作人員的遠程操作，在部分作業環節由主控系統來控制起重機自動完成作業。配置該系統的港口起重機是在原有起重機控制系統上添加了自動控制技術、傳感器技術、計算機技術、通訊技術等新技術的結合體，在一定程度上突破了傳統起重機設計理念，但現階段從設備的使用特點與傳統操作方式起重機相比較存在以下風險點：

1）操作視野界面不同 遠程系統操作者主要以目視顯示屏進行操作，對實物及環境的視感性比現場操作差；由于操作視屏組合方式的不同，往往會帶來視覺盲區；同時，普通操作者要通過較長時間培訓才能達到視覺的適應性。

2）操作者聽覺缺失 傳統起重機如遇到設備故障或人員傷害的突發響應，作業人員對聲音的有效辨識起到較大作用，但遠程端卻無法識別。

3）通訊系統存在時間延遲 因傳輸技術瓶頸、無線帶寬局限、多視頻信息大、圖像轉化速度等因素，不同的通訊方式往往反映在顯示屏中的動作會比實際滯后，故通訊系統的延遲會帶來較大危險。

4）作業環境未完全封閉 部分遠程及自動控制的起重機作業區域未完全封閉，雖然相關制度較齊全，但集卡車輛、廠區內部人員可隨意出入，特別是對于大小車運行采用全自動化控制的起重機存在較大風險。

5）操作系統不夠穩定 新開發的操縱系統不夠完善，尚需時間的驗證，特別是軟件系統如何與相應硬件系統匹配更需要不同工況測試，傳輸信息的丟失、多界面的轉變等都影響起重機運行的穩定。

6）硬件的配置不可靠 所有定位檢測裝置、攝像頭配置的好壞直接影響機構運行位置精度和視頻真實性。

7）安全保護裝置配置不齊全 為了最大程度防止意外的發生，在傳統起重機配置的基礎上增加必要的安全保護裝置，如起升自動運行中防重疊、防刮碰保護，大車自動運行防碰撞保護等，安全保護裝置的到位情況、可靠性、有無采用冗余功能等均影響設備的運行安全。

3 檢驗關鍵技術研究

1）通訊系統的檢驗技術 主要通過研究通訊延時對起重機械作業的影響、不同通訊方式面臨的干擾、無線通訊接入點切換對通訊連續性的影響等問題，借鑒相關標準，結合起重機械實際使用特點制定相應指標，并研究相應測試驗證方法。

2）監控系統的檢驗技術 主要研究畫面及其延時對操作人員操作的影響，研究測定監控畫面延時的檢驗技術，制定監控畫面質量及傳輸質量的相應指標，結合起重機遠程及自動控制情況下操作人員對監控畫面的需求，制定符合不同運行狀態監控畫面內容要求的指標。

3）定位系統檢驗技術 主要研究不同定位技術的實際定位效果，包括但不限于GPS定位、復合地理信息標識定位、圖像識別定位、特定標識定位、格雷姆線定位、編碼器定位等。定位系統包括大車行走、小車行走和起升等機構，結合起重機在遠程及自動控制工況下實際工作需要及運行過程中可能對周圍帶來的隱患，制定系統定位精度指標，并制定以上運行機構定位系統定位精度的檢驗技術。

4）安全保護功能的檢驗技術 主要通過研究較安全保護功能的不同實現形式，如通過傳感器、圖像識別技術實現的技術特點，分析不同實現形式的安全性和可靠性，結合港口起重機作業特點，分析遠程及自動操作與司機室操作不同，制定需要增加的安全保護功能，以及傳統保護功能的實現指標，研究各種保護功能的試驗方法和檢驗手段。

4 檢驗方案設計

港口起重機遠程及自動控制技術的應用，從特種設備安全角度出發，是特種設備新技術的應用范疇，但由于遠程及自動控制技術缺少相應的參照依據，故對新技術合法認定是在檢驗方案實施的關鍵。遠程自動控制系統檢驗前期流程如圖3所示。

圖3 遠程自動控制系統檢驗前期流程

遠程及自動控制港口起重機的整體檢驗主要分為常規檢驗和遠程及自動控制系統專項檢驗。其中，常規檢驗按照國家現有安全技術規范和標準要求對港口起重機的相應部分進行檢驗；遠程及自動控制系統的專項檢驗針對設備中遠程自動控制系統設置專門的檢驗項目。由于港口起重機品種、制造設計單位的不同，相應遠程及自動控制系統實施技術也不同，根據本地區范圍內現有的遠程及自動控制設備的配置情況，研究設計了圖4所示遠程及自動控制系統檢驗方案主要項目。

圖4 遠程及自動控制系統主要檢驗項目分類圖

1）資料審查 審查產品出廠資料，包括產品質量合格證、安裝及其使用維護保養說明、設計文件、操作使用說明書是否符合技術規格書或技術合同要求等，如采用機器視覺等軟件控制方式應提供相應設計說明。

2）作業環境檢查 檢查現場作業區域是否有可靠的封閉或防護措施。

3）零部件及電氣裝置檢查 對遠程及自動化系統增加的硬件如零部件、電氣裝置、防護裝置等，檢查其狀態情況。

4）遠程控制臺檢查主要包括操作和顯示兩大部分，操作又可分為操作權限、手柄及按鈕、緊（應）急停止開關、控制聯鎖等；顯示可分為視頻監控、狀態顯示和語音廣播等。

5）定位技術檢查 除各機構的定位精度要求外，還要看定位系統是否具備故障檢測功能，如當發生故障或無法準確定位時應停在原地并向控制臺發出故障信號。

6）通訊技術檢查主要包括傳輸能力和抗干擾能力，通訊中斷反應能力應符合設計要求，當設計要求未規定時應小于0.5 s通訊中斷發出報警后，不得自動重連，需要人工復位確認。

7）保護技術檢查主要包括大車防撞保護、集裝箱防碰箱保護、集裝箱未與集卡分離的防吊起保護，輪胎式起重機應設置大車自動糾偏保護，以便準確檢測集裝箱上下間的距離應設置箱高檢測保護等。

5 結語

起重機遠程自動化控制技術是未來起重機智能化的發展方向之一，在暫缺國家標準和檢驗規范的前提下，檢驗機構應參考相關企業的設計標準，根據起重機遠程自動化控制系統的設計思路和改造方案，制定專項的檢驗方案，從而有效降低使用風險，也給生產技術改進和使用管理工作提供指導意見，保障起重機的安全運行。