基于激光及視覺檢測的自動化碼頭陸側交換區(qū)流程優(yōu)化

董 琪

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著科技的飛速發(fā)展以及人力資源成本的日益提高，傳統(tǒng)碼頭逐步被自動化碼頭所取代。自動化集裝箱碼頭的堆場內(nèi)由于情況相對簡單，可以完全實現(xiàn)自動化堆放箱。但在自動化碼頭常規(guī)采用的陸側交互區(qū)內(nèi)，需要和集卡進行頻繁交互作業(yè)，還需遠程人工介入，自動化程度有待完善[1]。

2 陸側交互區(qū)設備布置

在某碼頭選取堆場內(nèi)使用無懸臂軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)的陸側交互區(qū)來進行說明。

該堆場垂直于碼頭岸線排布，堆場靠岸線處為海側交互區(qū)，堆場另一頭為陸側交互區(qū)，2個交互區(qū)和堆場通過圍欄進行了物理隔離。陸側交互區(qū)的設置，保障進港的外部集卡無需進入自動化堆場內(nèi)即可完成進提箱的相關作業(yè)。

無懸臂軌道吊堆場的陸側交互區(qū)共設置5條集卡車道，面向堆場從右往左依次排開，按1至5標示，任一車道都可進行作業(yè)。車道與車道之間設置了物理圍欄，高度約1 m。在每條車道的安全島上各設置1臺陸側交換一體機，交換一體機上配備掃碼機讀取集卡相關信息，通訊按鈕及喇叭用于進行集卡司機和遠程軌道吊司機的溝通，緊停按鈕用于防止危險情況的發(fā)生，主要是砸車頭和集卡吊起等異常情況。

每條車道的一體機內(nèi)和車道內(nèi)對角處各安裝一個攝像頭，攝像頭圖像可反饋至軌道吊遠程操作臺，即在抓放箱的情況下遠程軌道吊司機可肉眼觀察車道內(nèi)情況，避免危險情況的發(fā)生。

3 陸側交換區(qū)進提箱流程

堆場內(nèi)除了裝船及卸船的集裝箱通過AGV在海側交互外，所有的外集卡進港后都是在陸側交換區(qū)進行進箱及提箱作業(yè)。進箱，即集卡帶箱進碼頭，軌道吊在陸側交換區(qū)把相應的箱子放進堆場；提箱，即集卡空車進碼頭，軌道吊在陸側交換區(qū)把集裝箱從堆場提出，放在集卡上。

3.1 陸側交換區(qū)進箱流程

集卡司機在碼頭外部預檢區(qū)域完成預檢后，生成二維碼條碼單，單上標注了提箱的箱區(qū)，集卡按條碼單上的指示駛到相應的陸側交換區(qū)，倒車進入任意一條指示燈為陸側的空車道。集卡按照地面黃色停車指示線停在車道內(nèi)的相應位置，集卡司機熄火并下車進入安全島，進入崗亭內(nèi)進行操作。首先在掃碼機下掃描二維碼，通訊至自動化軌道吊，軌道吊依據(jù)信息駛入陸側交換區(qū)，進入前一體機播報要求集卡司機按住超聲波按鈕，保障司機位置在安全島上。

自動化軌道吊通過大車及小車的自動定位到達集卡上方，3D掃描系統(tǒng)掃描完帶箱集卡位置后起升下降。首先下降至大約8 m的安全高度，系統(tǒng)推送至遠程操作臺，暫時停止自動化動作，待軌道吊司機通過車道內(nèi)攝像頭確認安全情況，并按下確認按鈕后繼續(xù)進入自動化流程。著箱并閉鎖后，起升上升約0.5 m后再次推送至遠程操作臺，由軌道吊司機確認是否有不安全情況，如安全，按下操作臺上確認按鈕繼續(xù)起升，待帶箱起升高度到達12 m的安全高度時，陸側交換一體機播報司機可離開安全島，整個進箱作業(yè)完成。

3.2 陸側交換區(qū)提箱流程

集卡進入陸側交互區(qū)直至集卡司機下車刷卡的流程和進箱時一致，待集卡司機掃碼完成后，相應信息通訊至自動化軌道吊，軌道吊在堆場內(nèi)自動抓取對應的集裝箱并帶箱往陸側交換區(qū)行駛，通過大車及小車的自動定位到達集卡上方。3D掃描系統(tǒng)掃描完集卡位置后起升下降，首先下降至大約8 m的安全高度，系統(tǒng)推送至遠程操作臺，暫時停止自動化動作，待軌道吊司機通過機器上攝像頭確認沒有砸車頭情況，確認安全并按下按鈕后繼續(xù)進入自動化流程，著箱并開鎖把集裝箱放置在集卡上，空吊具上升0.5 m后，再次推送至遠程操作臺由軌道吊司機確認放箱是否準確，如無誤，按下確認按鈕，起升繼續(xù)上升至8 m安全高度并播報集卡司機可離開安全島。

4 陸側交換區(qū)安全系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 系統(tǒng)硬件組成

為減少遠程操作的介入，在本地需增加相應的操作。通過多種測試并結合碼頭現(xiàn)狀，在交換區(qū)一體機上加裝了一個黃色帶燈按鈕，在進箱過程中由集卡司機通過此按鈕來判斷集卡的安全情況，確認安全后可安全釋放。

但僅靠集卡司機操作也存在安全隱患，為此，在陸側交換區(qū)增加了防集卡吊起系統(tǒng)及集卡移動檢測系統(tǒng)。防集卡吊起系統(tǒng)由2D激光掃描儀和可330°回轉的云臺組成，當進行集卡車進箱作業(yè)時，激光云臺垂直于地面對集卡車中心位置進行實時監(jiān)控，識別吊具和集卡車拖架的相對位置，檢測集卡車是否因懸鎖未解鎖造成吊起事故，并在發(fā)生吊起事故時，向控制系統(tǒng)發(fā)送報警信息。集卡移動檢測系統(tǒng)，基于原車道的2個攝像頭，識別當前作業(yè)車道的集卡車，并對集卡車進行實時跟蹤，當發(fā)現(xiàn)集卡車在作業(yè)未完成時出現(xiàn)移動，向控制系統(tǒng)發(fā)送報警信息；同時，根據(jù)2個攝像機的信息，系統(tǒng)實施檢測作業(yè)車道是否有人員或障礙物入侵，并在發(fā)現(xiàn)入侵時，向控制系統(tǒng)發(fā)送報警信息。

所有以上硬件還需考慮和單機的通訊交互，基于此，在陸側交換區(qū)增加了BLOCK PLC用于關聯(lián)相關通訊，整個陸側交換區(qū)系統(tǒng)所增加的硬件見圖1。

1.激光掃描儀 2.旋轉云臺 3.控制機箱 4.相機 5.視覺控制機箱圖1 交換區(qū)硬件布置

4.2 系統(tǒng)通訊及軟件接口

新增加的系統(tǒng)考慮穩(wěn)定性和安全性，在陸側設置了一個BLOCK PLC，PLC采取和自動化軌道吊相同系列的模塊，保證了整體系統(tǒng)的一致性和通用性。通過原本已在陸側的交換機經(jīng)光纜接入港口的網(wǎng)絡并通過YARD PLC和軌道吊單機進行通訊，具體配置見圖2。

圖2 陸側交換區(qū)通訊配置示意圖

BLOCK PLC和工控機之間通過PROFIBUS DP轉換模塊使用DP通訊，通過配置相關GSD文件，在軌道吊主程序內(nèi)配置分站及相關接口協(xié)議。接口協(xié)議一部分為PLC傳給陸側交換區(qū)系統(tǒng)，主要是一些軌道吊的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括起升、大車、小車位置、著箱及開閉鎖狀態(tài)、車道信息等；另一部分為陸側交換區(qū)系統(tǒng)反饋給PLC的數(shù)據(jù)，包含各激光狀態(tài)、各攝像頭狀態(tài)、系統(tǒng)是否觸發(fā)及各種故障狀態(tài)。

工控機上配置的2個網(wǎng)口對應陸側的2套系統(tǒng)功能。1號網(wǎng)口直聯(lián)至陸側交換區(qū)內(nèi)的POE交換機上，通過配置和攝像頭相同網(wǎng)段的地址來讀取視頻流，實現(xiàn)移動檢測的功能。2號網(wǎng)口連接工控機旁的交換機，5車道的3組激光單元的網(wǎng)線也匯聚此交換機，實現(xiàn)集卡防吊起的功能。

工控機內(nèi)一共運行2套程序，一套為主控程序，系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)都通過此主控程序和PLC進行交互；一套為視覺檢測程序，通過分析讀取到的視頻流數(shù)據(jù)來判斷集卡是否有移動。

激光控制箱內(nèi)的2D控制器運行集卡防吊起程序，通過分析接收到的激光掃描儀數(shù)據(jù)來判斷是否有吊起的情況；3D控制器運行云臺程序，通過接收到的軌道吊數(shù)據(jù)調整云臺的回轉角度。

4.3 陸側交換區(qū)流程優(yōu)化

新增系統(tǒng)以陸側交換區(qū)進箱流程為例，在集卡進入陸側交互區(qū)直至集卡司機下車刷卡的流程和原進箱流程一致。在軌道吊駛入陸側前，BLOCK PLC接收作業(yè)車道信息，主控程序開始啟動，整個系統(tǒng)進入待命狀態(tài)，如無異常，自動化軌道吊駛入陸側交換區(qū)。此時主控程序通過軌道吊的大車編碼器數(shù)據(jù)計算云臺需擺動的位置，云臺跟隨軌道吊的大車位置擺動，直至停在集卡正上方，激光云臺就位。起升機構從18 m高度開始下降，此時高度的變化觸發(fā)視覺檢測程序的啟動，通過實時讀取車道攝像頭的視頻流，運用視覺算法來判斷集卡車是否產(chǎn)生水平方向位移，如無異常，起升機構持續(xù)下降。8 m安全高度的判斷通過軌道吊的3D掃描結合集卡移動來實現(xiàn)自動判斷，減少人工介入。通過8 m安全高度后起升機構繼續(xù)下降，著箱并閉鎖，此時集卡防吊起程序運行，激光識別箱體類型及平板位置，為后續(xù)防集卡吊起判別提供依據(jù)，激光識別界面見圖3。

圖3 激光識別集裝箱

起升機構帶箱繼續(xù)上升，此過程中激光持續(xù)檢測，上升0.5 m后交換區(qū)一體機上新增黃色按鈕閃爍，同時播報讓集卡司機確認箱板是否安全分離。如無異常，集卡司機可按下按鈕自行確認，無需等待遠程司機介入，減少等待時間。起升機構繼續(xù)上升，上升到8 m時集卡防吊起系統(tǒng)退出運行，云臺復位；上升到10 m時，視覺檢測程序退出運行，不再檢測集卡移動；上升至12 m時主控程序停止。至此，整個陸側交換區(qū)流程結束，集卡司機離開，軌道吊進入堆場，完成進箱作業(yè)流程。以上流程中任何時候發(fā)生異常，遠程軌道吊司機可隨時介入。

5 結語

陸側交換區(qū)在增加了BLOCK PLC、集卡防吊起系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)及司機確認按鈕后，把原來需要軌道吊司機遠程確認的工作，變?yōu)橛杉す夂鸵曈X的檢測結合集卡司機本地確認，在減少遠程人工介入的情況下并未降低作業(yè)安全性，且降低了集卡司機的等待時間，釋放了遠程操作臺的工作能力，提升了碼頭的整體作業(yè)效率。