GPS 系統在輪胎式場橋自動化改造中的研究及應用

王 勇

（天津港聯盟國際集裝箱碼頭有限公司，天津 300461）

引言

集裝箱碼頭進入了智慧港口的新時代，大型設備的自動化升級改造已成為智慧港口建設的重要內容，RTG 作為堆場作業的主力裝卸設備的自動化改造是傳統人工堆場向自動化堆場升級的主要工作之一。

RTG 自動化改造需要實現精準定位，其中大車機構定位精度要求為厘米級，因為受到輪胎胎壓、跑道設施、大車糾偏等因素的影響，大車機構精準定位難度較大，是RTG 自動化改造的關鍵技術。隨著GPS定位精度的提高，利用GPS技術進行RTG精準定位成為可能，本文通過對GPS 定位在天津港聯盟國際碼頭RTG 自動化升級項目中的方案展示，對GPS 定位技術在RTG 自動化改造中相關應用進行探索，旨在為GPS 定位技術在港口設備自動化建設改造中的應用推廣提供啟發和參考。

1 工程概述

天津港聯盟國際集裝箱碼頭有限公司位于北疆港區，本次RTG 自動化改造項目包括輪胎式場橋33 臺，改造后能實現全自動、半自動和遠程操控三種作業模式。大車定位的需求在厘米級，大車定位的方案采用GPS 定位和原低架滑觸線上布置二維碼定位的冗余方案。結合實際作業的需求，在不同場景進行了不同功能的開發應用。

1.1 GPS 系統應用功能

1）利用GPS 系統進行場地測繪

根據碼頭實際位置及布局，采用GPS 系統對碼頭進行整體測繪，獲取碼頭三維數據。通過三維數據建模觀測碼頭堆場信息，包括場地大小、貝位間距、場地高差（或地面沉降）等。

將碼頭場地內測繪到的三維數據進行數據建模，為后續設備定位標準提供基礎數據支持，為碼頭場地基建改造優化提供數據支撐。

2）利用GPS 系統對全場RTG 位置進行實時定位

將GPS 系統應用于RTG 設備終端，通過解算定位報文將經緯度等坐標信息轉換為三維坐標信息，將當前獲取到的三維坐標信息與測繪到基礎數據進行比較計算，即可得到當前設備在整個碼頭中的位置信息，其他RTG 設備終端依此類推，獲取自身位置信息。通過GPS 對碼頭上所有設備終端進行實時定位。

3）利用GPS 系統實現RTG 雙側糾偏及定位

在碼頭生產過程中會出現大車糾偏異常、大車傾斜、定位不準導致作業過程中著箱困難，影響作業效率。通過GPS 系統實現RTG 海陸側、大小貝雙側糾偏及定位，確保RTG 位置狀態正常，提高生產效率。

4）利用GPS 替換原有設備對位區點位信息解決大車特殊位置對位困難問題

RTG 進行進出場橋作業時，需要進行取電小車對位操作。人工場橋作業時，依靠司機經驗和噴漆的對位標識進行對位，效率較低尤其在夜間，影響RTG 轉過場時間。利用GPS 系統建立一個立體的坐標軸，根據對位區的坐標信息和大車的坐標信息，可以實現快速精確的對位操作。

2 GPS 應用方案

2.1 GPS 差分終端部署

為保證實施效果，對部署的位置選定在辦公樓的樓頂，選擇考慮的因素如下：

1）盡量選擇高處、空曠的位置，保證天線位置水平線10 °以上沒有遮擋；2）與易產生多路徑效應的地物（如高大建筑、樹木、大面積水域等）的距離不小于200 m；3）距電磁干擾區（如微波站、無線電發射臺、高壓線穿越地帶等）的距離不小于200 m；4）避開易產生振動的地帶，并保證GNSS天線的牢固性和安全性；5）基站配置一個接收機、電臺發射天線、GNSS 天線等，如圖1。

圖1 基站配置示意圖

基準站位置選好后，首先進行信號質量測試，查看搜星情況是否良好。衛星信號質量滿足要求后，最終確定基站的架設位置。

表1 測試衛星數量結果

2.2 RTG 移動站接收端部署

其次在RTG 小車頂部，海陸側兩端大梁對角處各安裝一個移動站接收端，用于檢測RTG 海陸側位置信息，為大車定位、糾偏提供數據支撐。

2.3 基站雙備份

采用GPS 系統，所有移動站依賴基站接收的數據，因此基站穩定性尤為重要，需要對基站進行雙備份，否則當基站出現異常，所有移動站設備將無法進行定位、對碼頭生產作業秩序造成較大影響。

通過架設備用基站，當原基站出現異常時可快速進行切換，避免生產任務長時間停止，如圖2。

圖2 GPS 基站備份圖

2.4 場地測繪

通過手持移動站或RTG 上安裝的移動站，對全場地進行數據測繪，并將測繪到的三維坐標數據錄入到系統數據庫中，作為場地基礎數據。將碼頭中的堆場位置、橫縱過道(或經緯路)分割成N 個矩形坐標區域，并記錄每個矩形區域對應的位置信息，以此來確定終端設備所在區域實時位置。

通過移動站獲取并記錄每一個堆場內對應的貝位坐標信息、列位置信息、車道信息、高度信息等，為自動化堆場系統提供數據支持。

2.5 RTG 實時定位

通過GPS 系統場地測繪提供的基礎數據以及RTG 移動站實時數據，計算出當前RTG 所在位置，并將位置信息發送給ECS 系統終端。ECS 收集獲取到的所有RTG 位置信息，并提供所有RTG 位置信息數據共享接口。自動化堆場系統在獲取到所有RTG 位置信息后，根據RTG 位置信息、作業任務信息、作業效率信息、作業狀態等信息，實現智能調度，提高RTG 利用率，減少空置時間，如圖3。

圖3 ECS 結構圖

圖4 糾偏原理圖

本方案在獲取到RTG 經緯度信息后，通過excel 將經緯度轉化為坐標，利用算法及圖形實現動態位置顯示。

2.6 RTG 雙側糾偏

利用GPS 系統實現RTG 自動糾偏。通過在RTG 小車頂部，海陸側各安裝的移動站，實現雙側糾偏。

1）GPS 海陸側自動糾偏方式。

在海陸側對角處安裝的GPS-1、GPS-2 移動站，測量GPS-2 與GPS-1 實際位置差，虛擬出GPS-2’。通過GPS-1、GPS-2’與海側(或陸側)糾偏基準線實時位置差，計算出RTG 海陸糾偏差值。通過海陸側糾偏差值PLC 動態調整大車位置狀態實現海陸側自動糾偏。

2）GPS 大小貝自動糾偏及定位方式。

在海陸側對角處安裝的GPS-1、GPS-2 移動站，測量GPS-2 與GPS-1 實際位置差，虛擬出GPS-2’。通過GPS-1、GPS-2’與大貝目標位置基準線實時差值，計算出RTG 海陸側在大小貝方向的差值。通過獲取到海陸側在大小貝方向的差值實現大小貝方向大車自動糾偏，防止大車從“矩形狀態”變成“平行四邊形狀態”。當大車為“平行四邊形狀態”時，大車在位置不動的情況下，箱區第一列與最后一列在大小貝方向相差較大，造成吊具著箱對位困難。

2.7 RTG 自動定位

通過測繪到的場地、貝位基礎數據與當前RTG安裝的移動站獲取到的實時位置信息，獲取到RTG與作業指令目標位距離差值，根據獲取到的當前位置與目標位置位置關系，計算出大車需要移動的方向及距離，如圖5。

圖5 自動定位計算示意圖

同理，利用GPS 替換原有設備對位區點位信息，根據RTG 當前位置和目標位置（對位區GPS坐標），計算出小車需要移動的方向和距離，以解決取電小車對位困難問題。

3 實施效果和不足

3.1 實施效果

依托天津港聯盟國際碼頭RTG 改造項目，進行了技術方案實施和驗證，實施效果如下：

1）通過GPS 系統，實現了全局定位功能。此定位系統涵蓋了碼頭地形，海側陸側大貝小貝方向，碼頭內所有RTG。為碼頭自動化提供了精確的位置信息；

2）雙側GPS 糾偏方案相比傳統的激光加滑觸線糾偏方案，其一在進行海陸側糾偏的同時可以對大小貝實現自動糾偏，可以更有效的防止RTG 出現“平行四邊形”的情況；其二可以有效的減少對滑觸線等基礎建設的依賴；

3）實現GPS 基站主機熱切功能。當現場作業出現不可控原因導致正常使用的基站出現問題時，可以進行主機熱切換，保證作用正常進行；

4）利用GPS 替換原有設備對位區點位信息。傳統對位操作中使用激光雷達進行對位，定位不精準，對位困難，導致對位操作耗時長，工作效率低。本方案利用GPS 系統，根據對位區的坐標信息和大車的坐標信息，可以實現快速精確的對位操作。

3.2 實施中的不足

1）衛星數量、云層的遮擋對數據報文有一定的影響，會產生浮動解和固定解的數據差異，對設備定位精度有一定的影響；

2）基站位置選擇有一定的要求限制，需要避開電磁干擾區。

4 結語

RTG是集裝箱碼頭堆場的主力裝卸設備，由于其轉過場靈活，設備和基礎設施投資少，被集裝箱碼頭廣泛采用，以天津港為例現存人工輪胎式場橋約150臺。近年來，各碼頭開始大規模進行設備自動化升級，RTG大車機構精準定位技術的研究成為設備自動化升級的重要關鍵技術之一。

通過對GPS系統的應用實現了RTG大車機構精準定位。在此基礎，進行場橋自動糾偏、場橋進出場對位輔助、雙基站切換等相關功能的開發。為RTG的自動化改造提供了成熟的方案，并且與磁釘等定位方案相比，采用GPS系統定位方案有投資少、無土建施工、施工工藝方便、后期維修方便等優點，一定能在RTG的自動化升級改造中得到廣泛的推廣和使用。