集裝箱堆場門式起重機小車架自動化方案

陳鵬元 賈曉凡 李書強 林曉東

青島海西重機有限責任公司

1 引言

當前，集裝箱碼頭的建設與自動化港機設備的配合發展逐漸成為行業內的一種趨勢。通過先進的自動化港口集裝箱起重設備，結合無人集卡、自動導向小車(AGV)，實現對大型船舶的快速裝卸，有效提高了作業效率。

集裝箱堆場是船舶裝卸作業與內陸提交箱作業間的一個緩沖區，起到臨時儲存集裝箱的作用。隨著碼頭集裝箱吞吐量的不斷增長，堆場系統對整個集裝箱碼頭作業能力和效率的影響越來越明顯[1]，提高堆場內起重設備的自動化水平越來越重要。堆場中的主要起重設備為輪胎式龍門起重機與軌道式龍門起重機，除大車行走機構外，其作業的主要機構(起升機構與小車運行機構)均集中于小車架上，這一特性決定了起重設備的作業效率與小車架的自動化程度密切相關。為此，對目前主流的兩種自動化小車架方案進行研究和探討。

2 目標定位系統與負載定位系統的集成

2.1 目標定位系統

2.1.1 系統構成

TPS(Target Position Sensor，目標定位系統)采用三維激光掃描儀，安裝于小車架底部平臺，在小車運行的前后方向各安裝1個，可以實現當前工作貝位的集裝箱堆場和車道的全覆蓋掃描。此三維激光掃描儀非二維激光掃描儀加云臺的方式，通過內部鏡面配合實現三維掃描功能，處理速度快、精度高，能在小車和大車的高速運行過程中對目標物體實現精準掃描。

2.1.2 功能實現

起重設備在等待位置等待作業時，如果出現自動化系統已發送集卡進入堆場的指令，但TPS沒有檢測到車輛的情況，則遠程控制臺連接到起重設備，并且操作員可以通過自動輔助按鈕移動吊具進入車道，到達安全高度。如果滿足要求(進入指令和TPS檢測同時滿足)，則按自動輔助按鈕時吊具/負載均為自動著箱。

為保證自動著箱的效率和精度，起重設備需要檢測作業車道的集卡在小車方向的停車位置，便于起重設備吊具準確的停在作業車輛的上方。同時需要檢測集卡停車時的扭轉角度，便于軌道式龍門起重機提前通過吊具微動控制調整好吊具角度，縮短著箱的過程。整個過程由安裝在車道上方主梁上的TPS完成。TPS掃描范圍為小車方向和大車方向±45°，可確保掃描到目標位置的輪廓。由于TPS的安裝位置和掃描特性，非作業車道的來車不會對作業集卡和集裝箱輪廓掃描過程產生影響。

前后2套TPS掃描儀可掃描堆場集裝箱的輪廓并存儲，根據掃描的輪廓、TOS(Terminal Operation System，港口生產系統)已有的堆場圖冊以及PLC控制算法，實現小車方向的路徑優化和防碰箱功能，既提高效率，又可避免吊具和箱區內的集裝箱發生碰撞。在起升方向通過吊具向下的智能減速，實現軟著箱。通過箱區貝位間隙和排間隙的測量，進行鄰近箱位的防碰撞保護。

2.2 負載定位系統

2.2.1 系統構成

LPS(Load Position Sensor，負載定位系統)采用的是一套LPS相機光源和一套LPS光學相機。相機光源固定于吊具上架，發射信號，用于檢測吊具的X方向和Y方向的位置以及扭轉角度。1套相機光源有3個光源。光學相機安裝于小車架底部，作為接收器，接收來自相機光源發射的信號，光學相機通過RJ45屏蔽網線連接到控制柜的交換機。

吊具上架的相機光源與小車架底部的光學相機通過單芯多模光纖進行連接同步，用于屏蔽強太陽光和相鄰起重機設備光源的干擾。

2.2.2 功能實現

LPS光學相機檢測3個相機光源的信號，經過計算后確定吊具在大小車方向上的偏移位置、扭轉角度和吊具在水平面的旋轉角度，即測量吊具在X方向和Y方向上的實際偏移和扭轉，用于實現對吊具位置控制的閉環反饋，最終實現吊具和目標位置(例如集裝箱和集卡車)的精確對準。

該系統在4繩吊具和8繩吊具的情況下都可使用，但需電動或液壓微動系統配合，利用LPS對吊具姿態的檢測，通過控制小車的加減速，實現吊具電子防搖，保持吊具姿態的穩定性。LPS與TPS在小車架上的安裝位置見圖1。

1.LPS 2.TPS圖1 LPS與TPS安裝位置

3 吊具姿態檢測、堆場輪廓掃描與目標檢測系統的集成

3.1 吊具姿態檢測系統

3.1.1 系統構成

SDS(Spreader Detecting System，吊具姿態檢測系統)基于機器視覺，通過數字圖像處理技術，對集裝箱搬運時出現的前后偏移、左右偏轉的現象進行指引校正。系統由1套圖像采集設備和2套特征標定板組成。圖像采集設備安裝在起重設備的小車架上，特征標定板安裝在起重設備的吊具上架，通過圖像采集設備實時定位并計算特征標定板的位置來完成集裝箱的防搖和防扭功能[2]。

圖像采集設備又稱“防搖攝像頭”，集相機、鏡頭、工控機于一體，是獲取圖片的核心部件，主要進行圖像的采集、分析與結果發送。特征標定板用光源做成、特殊圖案定制，為圖像采集設備提供特征，輔助軟件計算分析用。

3.1.2 功能實現

圖像采集設備與PLC通過網口連接，采用Modbus協議進行通訊。PLC發送開始檢測的信號給圖像采集設備，設備開始以20次/s的速度進行拍照。軟件實時對圖像進行分析，計算出偏移距離和偏轉角度并將結果傳給PLC系統，通過PLC系統能夠控制實現如下功能。

(1)防搖功能。通過安裝在起重設備小車架上的圖像采集設備對安裝在吊具上架的特征標定板進行拍照，視覺軟件實時分析計算特征標定板在圖像中的位置變化，進而轉換成吊具的前后偏移距離，檢測精度為高度25 m內時優于10 mm。

(2)防扭功能。通過標定反光板在靜止狀態下的偏轉角度，然后對實時運動中圖像采集設備采集的圖片進行分析，進而計算出特征標定板相對靜止狀態時的偏轉角度，完成吊具的扭轉角度測量，檢測精度為0.2°。

3.2 堆場輪廓掃描系統

3.2.1 系統構成

YPSS(Yard Profile Scanning System，堆場輪廓掃描系統)采用2D掃描儀(單箱吊具為1個，雙箱吊具為2個)，安裝于小車架底部，掃描方向為小車運行方向，掃描起重設備下方作業區域。擬合掃描的2D輪廓，結合集裝箱的形狀特征，計算障礙物的高度波形，將障礙物高度數據輸出到控制系統。控制系統根據障礙物高度波形，結合吊具當前位置和速度，進行路徑預判計算，以此來達到設備保護的目的。

3.2.2 功能實現

當大車初次在堆場中運行時，堆場情況將會被標記為未掃描，PLC系統通知YPSS大車所在的堆場位置。在小車運行期間，YPSS可以掃描下方堆場集裝箱的高度、寬度和箱間的間隙尺寸。掃描出的信息跟TOS傳來的堆場集裝箱信息作比較，校驗堆場信息的一致性，并將掃描出的堆場箱區輪廓顯示在OAS(Operator Assistance System，操作員輔助操作系統)界面中(見圖2)。

圖2 OAS界面中的箱區信息

系統提供吊具防撞檢測，在吊具及吊具下集裝箱的四周定義安全區域，此安全區域包含防碰撞的安全距離，而且根據小車和吊具的速度和位置實時更新。當此安全區域與掃描的集裝箱輪廓發生碰撞時，輸出信號給主控系統實現對小車的減速和停車控制，或者在優化路徑運行時調整路徑防止碰撞。

3.3 目標檢測系統

3.3.1 系統構成

1.TPS掃描儀圖3 TDS掃描儀安裝位置

TDS(Target Detection System，目標檢測系統)采用2個3D掃描儀，安裝于小車架兩側，掃描方向為大車運行方向(見圖3)。該系統應用于全自動模式下的自動著箱輔助檢測。通過建立3D輪廓數據模型，實時檢測目標位置集裝箱相對小車架的位置，找出吊具上集裝箱與下方參照物的相對位置。然后與PLC的位置參數作比較，進行檢測調整，再將反饋差值提供給PLC形成一個閉環的自動著箱檢測系統。

3.3.2 功能實現

該系統可獲知即將進行裝卸作業箱體的精確位置，計算作業位置等，并實現以下功能。

(1)輔助堆場輪廓掃描。小車運動到目標位置0.3 m(可設置)以內時，啟動TDS檢測目標箱位功能，旋轉掃描儀內部的伺服電機，掃描目標箱位的箱邊沿。通過前后2個掃描儀的反饋結果，計算目標箱位的小車位置和大車位置。在小車停止運動時，啟動TDS檢測堆場輪廓功能，旋轉伺服電機掃描整個堆場輪廓；在小車運動時，實時掃描堆場的數據更新堆場輪廓。

(2)自動智能軟著箱。通過實時追蹤起升位置和吊具擺動位置以及不斷的比較吊具與目標集裝箱之間的距離，結合設備的運轉性能參數，依靠激光掃描儀測量并計算出1個安全的減速區域，并控制起升機構或小車智能減速，達到設備快速、平穩著箱，減少吊具的沖撞及提高作業效率。此功能在吊具與目標箱有安全威脅時才會觸發，在“安全作業區”的范圍內，設備仍按照規劃路徑全速運行。

4 結語

結合多個碼頭與港機制造廠的集裝箱起重機械設備[3]，對主流自動化小車架的2種方案進行了分析探討。通過分析得知，2種方案在原理與實現的功能等方面大致相同，在實現的方式、配置的硬件設備等方面有所區別。2種方案在實際使用中均有較好的效果，相較于傳統司機室操作，自動化小車架對集裝箱碼頭作業效率、安全性和成本節約等方面有很大的提升。