門座起重機自動化在港口的應用

曾欽堅，王文龍，全曉軍

（深圳赤灣港口發展有限公司，廣東 深圳 518062）

1 研究背景和現狀

1.1 研究背景

隨著全球貿易的不斷發展和國際物流的快速增長，港口作為貨物流通的重要節點，承擔著大量貨物的裝卸和轉運任務。傳統港口裝卸作業通常依靠人工操作和傳統的機械設備，存在效率低下、安全隱患大、操作錯誤率高等問題。為了提高港口的效率、降低成本、降低事故風險，滿足日益增長的運營需求，門座起重機自動化技術在港口得到了廣泛的關注和應用。門座起重機自動化是指利用先進的傳感器、控制系統、人工智能等技術，實現門座起重機的自動化操作和控制。引入自動化技術可以實現門座起重機的自動導航、自動裝卸、自動堆放等功能，提高作業效率、降低人力成本、提升港口的運營安全性。

近年來，國內外許多港口紛紛引進門座起重機自動化技術，并取得了顯著成效。然而，門座起重機自動化技術的應用還面臨著一些挑戰。①門座起重機自動化技術的引入需要投入大量的資金和人力，且需要對港口的設施和流程進行改造和升級。②門座起重機自動化技術需要與現有的港口設備和系統進行無縫集成，確保整個港口運營的協調和順暢。此外，門座起重機自動化技術的應用還涉及數據安全和隱私保護的問題，需要制定相應的政策和措施進行管理和保護。因此，研究港口門座起重機自動化技術的應用現狀、優勢、面臨的挑戰，并提出相應的解決方案，對于推動港口裝卸作業的現代化和智能化具有重要意義。

1.2 研究現狀和進展

1.2.1 智能化控制系統

門座起重機自動化的核心是智能化控制系統的設計和實現。通過集成傳感器、控制器、執行器等設備開發出能夠實現自主操作和自動化控制的門座起重機系統。這些智能化控制系統能夠實時監測門座起重機的狀態和環境信息，根據預設的算法和規則進行自主決策和操作，提高門座起重機的運行效率和安全性。門座起重機智能化控制系統架構如圖1所示。

圖1 門座起重機智能化控制系統架構示意圖

1.2.2 機器視覺技術

機器視覺技術在門座起重機自動化中起到了重要的作用。通過監控設備和圖像處理算法，門座起重機可以實時獲取和分析裝卸作業場景的圖像信息。通過機器學習和圖像識別等技術[1]，門座起重機能夠自動識別和定位貨物，實現精確的裝卸操作，船舶點云模型如圖2 所示。

圖2 船舶點云模型示意圖

1.2.3 無人駕駛技術

無人駕駛技術是門座起重機自動化的重要組成部分。門座起重機通過自動駕駛技術實現無人操作和自主導航。通過精確的地圖和定位系統，以及高精度的導航和路徑規劃算法，門座起重機能自動避開障礙物、規避危險區域，并按照預定的路徑進行裝卸作業，無人駕駛路徑規劃如圖3 所示。

圖3 無人駕駛路徑規劃圖

1.2.4 云計算和大數據分析

云計算和大數據分析技術[2]在門座起重機自動化中扮演著重要角色。將門座起重機的數據上傳到云端進行分析和處理，可以實現對門座起重機運行狀態和性能的實時監測和評估。通過分析大量的數據，可以優化門座起重機的運行策略和參數設置，提高門座起重機的工作效率和可靠性。

1.2.5 安全性和可靠性研究

門座起重機自動化技術的應用需要保證其安全性和可靠性。通過設計安全控制系統、開發故障診斷和預測算法，以及建立安全規范和標準，保障門座起重機自動化系統的安全運行，狀態監測和故障診斷示意圖如圖4 所示。

圖4 狀態監測和故障診斷示意圖

綜上，門座起重機自動化的研究和進展主要集中在智能化控制系統、機器視覺技術、無人駕駛技術、云計算和大數據分析以及安全性和可靠性研究等方面。這些研究成果的應用將推動門座起重機自動化技術的發展，并為港口裝卸作業提供更高效、安全和可靠的解決方案。

2 系統設計

2.1 架構和模塊設計

2.1.1 硬件模塊

①傳感器模塊包括各種傳感器，如激光雷達、攝像頭、壓力傳感器等，用于獲取門座機周圍環境和裝卸作業的相關信息。②控制器模塊負責接收傳感器模塊的數據，并根據預設的算法和規則進行決策和控制門座機的運動。

2.1.2 軟件模塊

①智能控制模塊。負責門座機的自主決策和控制。通過集成機器學習、路徑規劃、動態調度等算法，實現門座機的智能化操作。②機器視覺模塊。通過圖像處理和圖像識別算法，實現對貨物的識別、定位、跟蹤。同時，通過圖像分析和模式識別[3]，為智能控制模塊提供更準確的信息。③導航和定位模塊。通過引入地圖和定位系統，實現門座機的自主導航和定位。該模塊可以利用激光雷達、全球定位系統、慣性導航等技術，為門座機提供精確的位置信息。④數據分析模塊。將門座機的數據上傳到云端進行分析和處理。通過大數據分析算法，提取有價值的信息，優化門座機的運行策略和參數設置。

2.1.3 網絡通信模塊

門座機系統需要與其他系統進行數據交換和通信。通過網絡通信模塊，可以實現門座機與港口管理系統、料斗自動裝車系統等其他系統的連接，實現數據共享和協同操作。

2.1.4 安全控制模塊

門座機自動化系統需要保證安全性。安全控制模塊負責監測門座機的運行狀態和環境信息，實時識別潛在的危險和障礙物，并采取相應的措施，確保門座機的安全運行。門座起重機自動化系統的架構和模塊設計需要綜合考慮硬件和軟件的相互配合，實現門座起重機的自主決策、自主導航、自主操作。這些模塊的設計和集成將為門座起重機自動化提供基礎，并為港口裝卸作業提供更高效、安全、可靠的解決方案。

2.2 控制算法和決策邏輯設計

2.2.1 導航算法設計

①路徑規劃。根據門座起重機的起始位置和目標位置，設計路徑規劃算法，確定最佳路徑。可以使用經典的路徑規劃算法，如A*算法[4]、Dijkstra 算法、RRT 算法[5]。②避障算法。在路徑規劃的基礎上，設計避障算法，避免與障礙物發生碰撞。可以使用激光雷達或攝像頭獲取障礙物的位置信息，然后根據避障策略進行規避。

2.2.2 定位和防搖控制算法設計

①定位算法。根據傳感器獲取的位置信息，設計定位算法確定門座起重機的準確位置。可以使用北斗系統、激光雷達、視覺傳感器進行定位。②防搖控制算法。實時獲取門座起重機運行過程中起升、變幅、回轉等機構的位置和速度信息，結合作業環境、作業工況等因素，對門機的運行狀態進行計算和預測，結合路徑規劃的各個目標點的位置信息，自動生成相應的控制指令，通過各執行機構聯動運行，實現防搖控制。抓斗防搖理論基礎基于地球上單擺搖擺周期公式為，控制流程如圖5 所示。

2.2.3 決策邏輯設計

①裝卸任務調度。根據裝卸任務的優先級和門座起重機的可用性，設計任務調度算法確定裝卸的順序和時間。可以使用任務調度算法，如最短作業優先或最早截止時間優先。②動作決策。根據門座起重機的位置和物料的位置，設計動作決策算法確定門座起重機的動作，如抓取、放置或移動，可以使用狀態機或規則引擎進行動作決策。

2.2.4 安全性設計

①碰撞檢測和避免。設計碰撞檢測算法和避障策略，確保門座起重機與障礙物或其他門座起重機之間的安全距離。②負載監測和控制。設計負載監測算法和控制策略，確保門座起重機的負載在安全范圍內。

通過合理設計控制算法和決策邏輯，可以實現全自動門座機的自主決策、自主導航、自主操作，提高門座機的效率和安全性，為港口裝卸作業提供更高效、安全和可靠的解決方案。

3 門座起重機自動化技術的應用前景

3.1 提高運營效率

門座起重機自動化技術可以實現門座起重機的智能化操作和自動化控制，提高裝卸作業的效率和準確性。自動化技術可以減少人為因素的影響，提高裝卸作業的速度和精度，縮短貨物的停留時間，提高港口的吞吐能力。

3.2 提高安全性

門座起重機自動化技術可以減少人為錯誤和事故的發生。自動化控制系統可以對門座起重機的運行進行實時監控和控制，確保門座起重機的操作符合安全標準和規范。此外，自動化技術還可以通過傳感器和攝像頭等設備實時監測港口裝卸作業的環境和狀態，及時發現和處理安全隱患。

3.3 降低成本

門座起重機自動化技術可以降低人力成本和維護成本。自動化門座起重機極大地減少了人工操作，可以有效降低人力成本和培訓成本。此外，自動化門座起重機還可以減少設備的維護和修理成本，提高設備的使用壽命和可靠性。

3.4 實現智能化管理

門座起重機自動化技術可以與港口物流信息系統、船舶配載系統、貨物追蹤系統等進行網絡化和互聯互通。通過不同系統之間的數據共享和實時通信，實現港口門座起重機與其他系統的無縫對接，實現智能化的港口管理和調度，進一步提高港口的整體運營效率和協同能力。

3.5 環保節能

門座起重機自動化技術注重環保和節能。采用節能設備和智能能源管理系統等技術，可以減少能源消耗和環境污染，實現港口裝卸作業的可持續發展。

4 結語

門座起重機自動化技術在港口行業中的應用具有重要的意義。門座起重機自動化技術提高了港口的工作效率和安全性，提升了港口的競爭力。盡管面臨一些挑戰，但門座起重機自動化技術的應用前景依然廣闊。隨著科技的不斷發展和進步，自動化技術在港口行業中的應用將會越來越普遍，為港口行業的發展帶來更多的機遇和挑戰。