計算機遠程控制系統在起重機管理中的運用分析

周傳林

（湖北特種設備檢驗檢測研究院宜昌分院 湖北 宜昌 443000）

0 引言

目前，我國起重機管理過程中的計算機控制系統處于在作業現場進行控制的狀態。隨著我國信息化、科技化的發展，起重機管理中會受到空間和時間的限制，對于起重機管理中的信息交互無法遠程獲取及控制，因此本文通過運用計算機遠程控制系統用來改善目前存在的問題，通過遠程數據傳輸技術與起重機管理相結合，構建計算機遠程控制系統，完成對于起重的管理，提高起重機作業的效率和穩定性。

1 計算機遠程控制技術定義及原理

遠程控制是指在與被控制目標距離較遠的位置，通過計算機設備使用網絡通信技術與被控制目標（起重機）進行連接，并通過本地計算機對被控制目標（起重機）進行管理或維護的行為。計算機遠程控制的基礎是計算機與被控目標（起重機）的網絡通信，在通信技術可以選取有線，或者無線的方式，但由于一般遠程控制中兩者相對較遠，通常采用無線通信的方式，避免在使用有線通信中需要鋪設長距離的網絡傳輸線的問題。在通信協議上一般采取TCP/IP網絡通信協議、UDP協議等。在遠程控制系統中通常使用計算軟件程序，軟件程序通常由兩部分組成：一部分是主控系統的客戶端程序，另一部分是受控系統的服務器端程序[1]。使用時需要在主控系統中運行客戶端程序，通過客戶端向受控端發送控制信號，通過與受控系統的服務器端程序建立遠程服務，再通過建立的遠程服務，使用各種遠程控制功能發送遠程控制命令，控制受控系統中各種模塊運行進而達到控制起重機的效果。

2 計算機遠程控制系統的組成

計算機遠程控制系統在起重機管理的運用過程中，通過計算機遠程控制中心和起重機設備系統的結合，計算機遠程控制系統作為主控系統，起重機設備系統作為受控系統，并通過協議進行數據交換，實現計算機對起重機進行遠程管理控制，通過計算機遠程控制可以完成復雜的起重機管理[2]。

2.1 主控系統

計算機遠程控制系統中主控系統的功能，主要是完成控制指令的輸入，將被控制的起重機進行的操作及其反饋信息進行信息呈現，根據主控系統的框架可將控制結構分為三種，分別為集中式控制結構、分散式控制結構和遞階式控制結構，每種控制結構的優缺點如下。

2.1.1 集中式控制結構

集中式結構指的是在系統中建立一個控制中心，通過單一的控制結構完成對于各種信息的統一處理，所有的信息處理工作和下達控制指令工作均由單一的控制中心完成，可以完成全局控制[3]。整個控制結構較為簡單，建立時較為方便，且信息處理的延遲較低，通過較低的信息處理延遲減少信息傳輸產生誤差的概率。但正因該結構簡單，為了獲得較好的控制效果，在設備投入、安裝工序等方面造價高昂，資源共享程度較低。

2.1.2 分散式控制結構

分散式結構指的是將整體的控制系統進行分化，分化出各個獨立的子系統，各個子系統獨立完成功能作用，從而使系統功能的復雜性降低。由于子系統的存在，各個子系統接收和處理的信息較少，反應較為迅速，能夠縮短信息傳輸和處理的時間，且當子系統出現故障時不會使整個系統癱瘓，保證了整體系統的穩定性。但是由于各子系統各自工作，處于平行狀態，沒有上下級管理，在需要調整的時候難以進行有效的調整，且存在各子系統通信的滯后和互相干擾等現象。

2.1.3 遞階式控制結構

由遞階式控制結構形成主體系統的是最適合應用于起重機管理的系統。遞階式控制結構在分散式結構控制的基礎上增設對子系統的控制，控制器作為子系統的上級，通過上級與上級之間的信息交換，完成對功能的協調、調配，然后再對下級子系統下達命令，完成相應的功能。遞階控制結構結合了集中控制結構和分散控制結構的優點，一方面可以實現對局部的控制，另一方面又能夠對全局予以協調控制。

2.2 受控系統

受控系統主要為起重機設備系統，通過計算機對起重機作業現場進行控制和管理，并對工作現場的數據信息進行采集、反饋，根據具體應用包括受控中心、數據采集節點、中間控制節點等。利用軟件或硬件使起重機設備系統中各個節點、設備發生作用，進而實現控制。

2.3 通信協議

在主控系統和受控系統通信的過程中，由于在搭建計算機遠程控制系統中存在軟件不同、硬件對于數據的通信要使用相關通信協議來實現數據之間的有效傳輸、共享。

3 計算機遠程控制系統在起重機管理中的運用

計算機遠程控制系統在起重機管理的運用過程中，通過計算機遠程控制中心和起重機設備系統的結合，計算機遠程控制系統作為主控系統，起重機設備系統作為受控系統，并通過協議進行數據交換，實現計算機對起重機進行遠程管理控制，通過計算機遠程控制可以完成復雜的起重機管理。本文以港口集裝箱起重機管理為例進行計算機遠程控制系統的應用研究。

3.1 遠程控制中心構架

遠程控制中心主要由操作控制系統、智能管理模塊、輔助作業模塊、設備監控模塊以及指令交互模塊組成，其構架圖如圖1所示。

3.1.1 操作控制模塊

操作控制模塊即遠程控制中心的操作臺，操作人員通過操作控制模塊進行起重機管理指令的輸入，完成指令的發布，還可以根據其他模塊反饋回來的數據，對所需的起重機各類數據進行顯示，完成對起重機狀態的把控。

3.1.2 智能管理模塊

智能管理模塊是基于計算機控制系統的進階應用，通過建立智能分析決策模塊和知識數據庫模塊完成智能化管理，在智能分析決策模塊中設立作業規劃系統、任務繪畫系統、數據分析系統和環境識別系統，這些系統通過自動調取知識數據庫中的知識解決問題，可以通過知識數據庫中保存的處理方法代替人工操作管理或者為操作者提供幫助[4]。

3.1.3 輔助作業模塊

輔助作業模塊的主要作用是將現場信息圖形化處理，通過輔助作業模塊將起重機作業現場的集裝箱起始或目的地位置、吊物裝載車輛的位置、起重機吊具的上升或下降速度、設備作業切換提醒等信息圖形化，輔助操作人員根據現場信息對起重機進行管理。

3.1.4 設備監控模塊

設備監控模塊主要對起重機設備作業進行監控，主要包含視頻監控子模塊、廣播子模塊、設備運行信息監控模塊。監控子模塊通過攝像裝置對現場的實際情況實行實時跟蹤監控；廣播子模塊完成操作臺與現場的語音通信，實現對現場的調度、指揮等；設備運行信息監控模塊通過在起重機各部位設置傳感器，如電機溫度傳感器、工作裝置速度和壓力傳感器等，通過傳感器反饋的數據對設備的工作狀態進行監控。

3.1.5 指令交互模塊

指令交互模塊實現了操作臺的輸入指令和作業現場起重機指令交互，主要通過可編程控制器、通信子模塊及調制器完成信息交互功能，指令交互模塊是實現遠程控制中心與現場起重機信息溝通、交流的橋梁。

3.2 起重機設備系統架構

起重機設備系統因使用于施工作業現場，所以起重機設備系統較為復雜，主要分為定位模塊、目標檢測模塊、防撞擊模塊、固定模塊系統及識別模塊等，系統結構如圖2所示。

3.2.1 定位模塊

定位模塊的主要用途是對起重作業現場中的起重機及其大車、小車和集裝箱貨車進行定位，在起重機的電機、卷筒等設施中加裝傳感器，通過傳感器進行數據的采集及感應，然后信號傳輸至模塊中，通過定位模塊中設置的編碼器等元件進行信號的轉譯工作，通過信號對比進行位置的精確校驗，完成起重機定位，起重機大車指的是起重機橋架運行結構，起重機小車指的是起重機起升運行機構[5]。起重機大車、小車的定位基本原理與起重機的原理類似不再贅述。對集裝箱貨車定位則是通過激光掃描，在對起重機進行遠程控制時，由遠程控制中心的智能管理系統將集裝箱貨車的相關信息如集裝箱貨車的集裝箱裝載情況、裝載的集裝箱尺寸信息、貨車所在通道傳遞給定位模塊，定位模塊通過激光掃描對集裝箱貨車進行輪廓掃描進而確定貨車的實際位置，再將位置信息和目的地信息呈現給貨車司機，貨車司機根據導航操縱集裝箱貨車移動至目的地，全部信息通過計算機進行處理，通過對集裝箱貨車的定位、導航高效完成作業。

3.2.2 目標檢測模塊

目標檢測模塊主要通過掃描儀完成對集裝箱的掃描和檢測，通過在起重機小車上安裝多個2D掃描儀，對大車、小車的運行方向進行掃描，通過相鄰貝位的輪廓信息，完成可遇到的障礙數據計算，通過多個掃描儀的數據之間的相互校正，避免、減少單個掃描儀進行掃描作業時產生的數據誤差，并將校正調整后的2D掃描數據集成為集裝箱的3D輪廓數據，完成對集裝箱的輪廓檢測。在起重機小車上安裝3D掃描儀，安裝位置根據小車架平臺的中心線而定。以港口集裝箱起重機為例，在小車架平臺海側中心線前方和陸側中心線的位置進行3D掃描儀的安裝，掃描方向均為起重機大車行進的方向。掃描儀掃描集裝箱海側、陸側邊線，通過邊線定位集裝箱位置，對集裝箱目標進行檢測，進而完成對吊具起升高度的測量。再根據對上下集中箱的偏差掃描數據，經指令交互后由遠程控制中心完成對起重機小車和起升機構的精準控制和管理[6]。

3.2.3 防撞擊模塊

在進行集裝箱吊裝時，由于集裝箱數量較多，吊裝運轉路線復雜交錯，因此為防止吊裝途中發生集裝箱撞擊情況，需要進行防撞擊設計，防撞擊設計的主要原理是通過對不同起重機大車之間的距離進行把控，對于有相撞風險的大車進行運動控制，從而保障起重機作業安全[7]。通過實時共享大車位置，智能控制模塊對每個起重機大車的位置進行把控，并通過對各個起重機大車相對距離進行判斷，判斷相對距離是否存在小于安全距離，當相對距離小于安全距離時則下達運動控制指令，制止相應大車的運行，從而避免出現集裝箱撞擊的現象[8]。

3.2.4 固定模塊

由于進行起重作業時外界自然氣候如風、雨等對集裝箱的影響，和起升、轉移過程中大車、小車速度的影響，和集裝箱中貨物慣性的存在，在集裝箱吊裝、轉移時集裝箱會發生傾斜、晃動等現象，因此需要對集裝箱進行固定防止晃動[9]。通過圖像采集系統進行實時狀態檢測，在檢測的過程中由于集裝箱的尺寸、大小不同等原因則難以對整個箱體進行準確測量，則需要設置標定物來進行檢測[10]。通過在吊具上設置標定板，根據對標定板的實時檢測，測量其運動時的偏移量和角度進而判斷集裝箱的狀態，通過檢測的數據由遠程控制中心對起重機進行遠程控制，通過調整吊具速度、位置等方式完成對集裝箱的偏移校正，使整個集裝箱起重、轉移的過程平滑、穩定，減少集裝箱的傾斜、晃動，從而保證吊裝過程的安全性，保證集裝箱中貨物不受損壞[11]。

3.2.5 識別系統

識別系統主要作用是完成對集裝箱的編號進行識別和對集裝箱貨車車號進行識別。通過對集裝箱編號的識別可以明確作業任務的完成度，通過對集裝箱車號進行識別可以幫助定位系統完成對集裝箱貨車的導航和引領[12]。通過在車道兩側安裝圖像采集設備，從集裝箱的側面對集裝箱的編號進行識別，當自動識別系統出現問題時，還可以通過遠程控制中心視頻監控模塊將視頻進行呈現，通過人工識別記錄，集裝箱車號識別系統設置在車輛通道入口處，通過射頻識別技術達到識別目的。

4 總結

本文通過對計算機控制系統的定義、原理和構成進行闡述，并對計算機控制系統在起重機管理中的架構、組成及功能進行分析，基于此，對計算機遠程控制系統在起重機管理中的運用進行了分析，希望可以通過對計算機遠程控制架構的剖析，提高計算機遠程控制系統的運行效果與起重機管理的契合度，從而提高起重機管理的高效性，進而提高起重機的工作效率。