遠(yuǎn)控自動化技術(shù)在新港碼頭門機(jī)作業(yè)中的應(yīng)用研究

徐志浩 張仕旭

（廣州港股份有限公司新港港務(wù)分公司，廣州 510730）

門座式起重機(jī)（以下簡稱門機(jī)）作為廣州港新港碼頭前沿主要的大型裝卸設(shè)備，其作業(yè)方式僅靠司機(jī)室內(nèi)的操作人員進(jìn)行操控，勞動強(qiáng)度高、作業(yè)環(huán)境差、作業(yè)效率不能保證，而且存在安全風(fēng)險。由于碼頭貨物吞吐量的不斷增加，用工成本的不斷增加，加之現(xiàn)有司機(jī)老齡化，傳統(tǒng)的操作模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實需求，有必要研究和應(yīng)用高精度定位、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）自動控制、圖像識別、空間建模、信息通信等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)門機(jī)散貨作業(yè)的遠(yuǎn)控自動化操作，提高門機(jī)的自動化、智能化、信息化水平，降低司機(jī)操作難度及勞動強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，提升作業(yè)安全性，降低人工成本，助推公司智慧港口建設(shè)。

1 遠(yuǎn)控自動化技術(shù)概述

遠(yuǎn)控自動化技術(shù)是一種利用先進(jìn)的信息技術(shù)，通過傳感器和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備或系統(tǒng)的監(jiān)控、控制和自動化操作。遠(yuǎn)控自動化技術(shù)的實現(xiàn)，主要依賴傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、控制系統(tǒng)和智能算法。

首先，傳感器技術(shù)是遠(yuǎn)控自動化技術(shù)的基礎(chǔ)，通過各種傳感器（如攝像頭、激光雷達(dá)、溫度傳感器等）收集現(xiàn)場信息，實時反饋給系統(tǒng)。這些傳感器能夠捕捉門機(jī)操作中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如位置、速度、載重量等，為后續(xù)決策提供必要的數(shù)據(jù)。

其次，通信技術(shù)是實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的關(guān)鍵組成部分[1]。光無線通信技術(shù)（5G、物聯(lián)網(wǎng)通信等）的應(yīng)用，使得操作中心可以實時與門機(jī)建立連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，保證操作的及時性和可靠性。

再次，控制系統(tǒng)是遠(yuǎn)控自動化技術(shù)的核心，它依靠傳感器數(shù)據(jù)和通信技術(shù)的支持，精確控制門機(jī)。控制系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的算法調(diào)整門機(jī)的運動、位置和動作，以滿足不同的操作需求。這些系統(tǒng)通常具備高度的自主性和智能性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的操作場景。

最后，智能算法可以分析傳感器的數(shù)據(jù)，預(yù)測門機(jī)的運動和貨物處理需求，并做出相應(yīng)的決策。例如，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，智能算法可以優(yōu)化門機(jī)的路徑規(guī)劃，提高操作效率，減少能源消耗，從而降低運營成本。

2 新港碼頭門機(jī)操作現(xiàn)狀

門機(jī)在廣州港新港碼頭等散雜貨碼頭扮演著不可或缺的角色，是港口物流體系的重要組成部分，在港口運營中起著關(guān)鍵作用，其操作效率和準(zhǔn)確性對港口運營的順暢性和經(jīng)濟(jì)性有著重要影響[2]，但也面臨著一系列挑戰(zhàn)。一方面，門機(jī)操作需要具備高度安全性，誤操作可能導(dǎo)致貨物出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p失。另一方面，門機(jī)操作主要依賴于人工操作，操作人員的操作水平和經(jīng)驗存在差異，可能導(dǎo)致操作結(jié)果的質(zhì)量不同。此外，門機(jī)操作通常需要司機(jī)在高空駕駛室內(nèi)長時間工作，加上設(shè)備運行時的噪聲、振動以及作業(yè)環(huán)境差，導(dǎo)致操作人員勞動強(qiáng)度高、容易疲勞，進(jìn)而影響操作的效率和安全性。因此，有必要探索更先進(jìn)的操作方式，如遠(yuǎn)控自動化操控方式，以克服現(xiàn)有操作方式的局限性，提高門機(jī)操作的質(zhì)量和效率。

3 遠(yuǎn)控自動化技術(shù)在新港碼頭門機(jī)操作中的應(yīng)用及實施

3.1 自動定位和導(dǎo)航技術(shù)

自動定位和導(dǎo)航技術(shù)是遠(yuǎn)控自動化技術(shù)的另一個關(guān)鍵組成部分，對門機(jī)的操作至關(guān)重要。使用先進(jìn)的定位設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、激光雷達(dá)、編碼器等，門機(jī)可以精確確定自身的位置和方向。導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑規(guī)劃實現(xiàn)自動化運動控制，提高操作的準(zhǔn)確性和效率[3]。自動定位和導(dǎo)航技術(shù)使門機(jī)能夠更加精確地定位作業(yè)位置和貨物，有助于提高裝卸的效率和準(zhǔn)確性。

門機(jī)各機(jī)構(gòu)的定位方式要求準(zhǔn)確可靠，不易受到干擾，避免出現(xiàn)定位錯誤和位置信息丟失的情況，同時要配有相應(yīng)的校驗設(shè)施。根據(jù)這些要求，可以通過在各機(jī)構(gòu)安裝絕對值編碼器、限位開關(guān)、動態(tài)傾角傳感器等，實現(xiàn)各機(jī)構(gòu)位置的定位檢測及校驗。

導(dǎo)航系統(tǒng)的核心是作業(yè)路徑的規(guī)劃算法，而作業(yè)路徑規(guī)劃算法主要基于門機(jī)設(shè)備的狀態(tài)信息，采用激光掃描建模、視覺識別等手段，獲取取料及放料位置、空間障礙點位置、船舶信息等數(shù)據(jù)，在安全的前提下綜合計算、規(guī)劃出當(dāng)前作業(yè)運行的最優(yōu)路徑。

3.2 激光掃描識別建模技術(shù)

要想實現(xiàn)門機(jī)自動化作業(yè)流程，就需要對貨船及物料進(jìn)行識別建模，獲取抓斗安全出艙高度（艙口高度）、艙口坐標(biāo)、物料高度等信息。可以通過安裝激光掃描儀掃描場景，然后處理獲取的點云數(shù)據(jù)，通過算法提取所需信息并進(jìn)行建模，具體實施方法如下。

激光掃描儀為360°-2D 掃描模式，添加一個軸的運動，合成3D 結(jié)果，完成場景3D 建模。因此，掃描儀模塊的硬件架構(gòu)為激光掃描儀+伺服電機(jī)云臺。通過伺服控制器精確控制云臺的旋轉(zhuǎn)角度，利用歐式變換矩陣計算方法，將掃描儀獲得的每一幀掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下。

3.2.1 坐標(biāo)變換原理

根據(jù)剛體變換原理，對于任意一個點V，假定其在2 個坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別表示為Va、Vb，兩坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為Rab，平移向量為tab，則坐標(biāo)變換公式為

如果采用齊次坐標(biāo)形式，則設(shè)兩坐標(biāo)系之間的變換矩陣Tab為

根據(jù)式（1）、式（2），可以得到最終的坐標(biāo)變換公式為

3.2.2 掃描儀坐標(biāo)變換鏈分析

將從激光掃描儀獲取到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系下的點云，可根據(jù)D-H 變換原理進(jìn)行坐標(biāo)系變換，得到轉(zhuǎn)軸到掃描儀的變換矩陣Tal，基座到轉(zhuǎn)軸的變換矩陣Tba，云臺基座坐標(biāo)系和門機(jī)回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)系之間的變換矩陣Thb，以及基座到轉(zhuǎn)軸的變換矩陣Twh。

掃描儀在每一幀數(shù)據(jù)中獲取的位置信息Pl，經(jīng)過坐標(biāo)變換處理后，可以在門機(jī)坐標(biāo)系中重新表示為對應(yīng)的位置Pw，變換公式為

根據(jù)剛體坐標(biāo)變換原理，對于任何一個特征，變換矩陣R均成立。變換矩陣R為

式中：T為旋轉(zhuǎn)矩陣；Pr為“相對坐標(biāo)系”中的點。

在得到旋轉(zhuǎn)矩陣T的基礎(chǔ)上，只需在兩坐標(biāo)系下找到1 個相對應(yīng)的點，即可得到平移向量pw"，應(yīng)用式為

式中：Pi為掃描儀坐標(biāo)系中的原始點，是掃描儀捕捉到的數(shù)據(jù)點在其本身坐標(biāo)系中的位置；t為從掃描儀坐標(biāo)系到門機(jī)坐標(biāo)系的平移向量，用于描述兩坐標(biāo)系之間的空間位置差異。

根據(jù)以上原理，利用激光掃描儀標(biāo)定板進(jìn)行掃描，通過平面提取的方式，獲得不同平面在激光掃描儀下的法向量，根據(jù)其一一對應(yīng)關(guān)系，即可求解變換矩陣。同時，結(jié)合相關(guān)標(biāo)定及算法計算對點云進(jìn)行分析，提取出艙口結(jié)果，該結(jié)果是后續(xù)PLC 控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行的基礎(chǔ)。

3.3 抓斗防搖定位技術(shù)

在通常情況下，門機(jī)抓斗移動時，由于慣性、風(fēng)力等因素會出現(xiàn)搖擺，如果不加以控制，抓斗就無法準(zhǔn)確停止在某一設(shè)定位置。為了實現(xiàn)門機(jī)全自動作業(yè)，必須解決抓斗搖擺問題。

解決抓斗搖擺，可以從硬件和軟件兩方面著手。一方面，在門機(jī)的各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝位置檢測裝置，實時獲得運行中各機(jī)構(gòu)的位置、速度等信息。另一方面，軟件根據(jù)硬件輸入的有效信息，結(jié)合環(huán)境等因素，計算和預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)。結(jié)合目標(biāo)點的位置信息，生成相應(yīng)的指令，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)動運行，實現(xiàn)抓斗防搖和定位。

抓斗防搖理論基礎(chǔ)是地球上單擺搖擺周期公式。單擺搖擺周期公式為

式中：T為單擺往復(fù)擺動1 個來回所需的時間；L為單擺的長度；g為重力加速度。

抓斗防搖控制流程，如圖1 所示。由圖1 可知，角度計算的外部變量只有等效繩長，因此測得精準(zhǔn)的繩長是必要的前提條件。通過加速度和力矩來估算角度，而后通過改變加速度去修復(fù)角度。旋轉(zhuǎn)防搖主要對整個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，先通過計算得到實時的旋轉(zhuǎn)方向上的搖擺角度和變幅方向上的搖擺角度，再通過改變旋轉(zhuǎn)速度和變幅速度，使擺角衰減。此外，在起升、變幅和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上安裝編碼器，識別或設(shè)定卸料點的位置，配合以上防搖算法，使抓斗能穩(wěn)定停在目標(biāo)位置上，實現(xiàn)自動定位功能。

圖1 控制流程

3.4 遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控技術(shù)

通過高度靈活的通信技術(shù)，操作人員可以在遠(yuǎn)控中心，遠(yuǎn)程控制門機(jī)并實時監(jiān)視門機(jī)的狀態(tài)、位置和性能，這為實時干預(yù)和決策提供了有力支持。從技術(shù)角度來看，遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸和處理過程。通信系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r傳輸大量數(shù)據(jù)，包括門機(jī)的位置、速度、負(fù)載情況等。在遠(yuǎn)控中心，需要建立高效的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，用于處理來自門機(jī)的大規(guī)模數(shù)據(jù)流。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要設(shè)計安全可靠的通信協(xié)議和機(jī)制，以確保操作指令的準(zhǔn)確傳達(dá)和門機(jī)的安全操作，具體設(shè)計方案如下。

3.4.1 總體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案對確保通信的高效、安全來說至關(guān)重要。總體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案采用了分層的架構(gòu)，以一個強(qiáng)大的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為中心，通過高帶寬連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c效率，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)示意圖

周邊的分布式接入點靈活擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，允許端用戶設(shè)備和邊緣計算資源無縫接入。同時，考慮系統(tǒng)的健壯性和可靠性，方案中嵌入多級冗余機(jī)制，包括雙路由器設(shè)計和備用服務(wù)器，以保證網(wǎng)絡(luò)在任何單點故障情況下均能持續(xù)運行。這樣層次化的網(wǎng)絡(luò)布局不僅增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理能力，也強(qiáng)化了安全防護(hù)，為實現(xiàn)智能化的業(yè)務(wù)操作奠定了堅實的基礎(chǔ)。通過此方案，能夠確保數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可靠性，為用戶提供無縫連接的體驗。

3.4.2 控制系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)）總體設(shè)計

遠(yuǎn)程操作臺內(nèi)設(shè)置獨立的遠(yuǎn)控PLC 系統(tǒng)，可以與門機(jī)通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。操作臺遠(yuǎn)控PLC 與機(jī)上自動化PLC 通信，采用西門子特有S7 通信協(xié)議。機(jī)上自動化系統(tǒng)PLC 與定位系統(tǒng)、激光掃描建模系統(tǒng)、安全防護(hù)、視頻/語音系統(tǒng)和主機(jī)電控PLC 等系統(tǒng)，采用工業(yè)總線或以太網(wǎng)通信連接。整體控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 整體控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3.4.3 遠(yuǎn)控系統(tǒng)與門機(jī)通信

為了滿足主機(jī)跟中控室視頻信號和控制信號的通信需求，配置1 根動力/光纖二合一的上機(jī)電纜，配置6 芯或以上光纖。上機(jī)光纜在地面接線箱進(jìn)行光纖熔接，實現(xiàn)門機(jī)與中控室遠(yuǎn)控系統(tǒng)的通信。

3.4.4 機(jī)上通信

機(jī)上網(wǎng)絡(luò)分為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及非控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)兩部分。控制網(wǎng)絡(luò)以原有PLC 系統(tǒng)為主站，連接新增的遠(yuǎn)控PLC 及各傳感器。非控制網(wǎng)絡(luò)為視頻/音頻系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。門機(jī)上的各個攝像機(jī)、音頻終端以超六類以太網(wǎng)線接入就近網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接箱，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接箱通過超六類以太網(wǎng)線或光纖連接到電氣房總交換機(jī)。總交換機(jī)是機(jī)上網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域中心，該交換機(jī)連接機(jī)上所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過電纜卷盤光纖與中控室系統(tǒng)核心交換機(jī)通信。

4 設(shè)計與實施論證

4.1 測試目標(biāo)

測試的主要目標(biāo)是評估遠(yuǎn)控自動化技術(shù)在新港碼頭門機(jī)操作中的應(yīng)用效果和優(yōu)勢。通過引入自動定位與導(dǎo)航、抓斗防搖、遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制等技術(shù)，檢驗是否可以顯著提升門機(jī)操作的準(zhǔn)確性和安全性，減輕勞動強(qiáng)度[4]。

4.2 測試方法和數(shù)據(jù)收集

為了評估遠(yuǎn)控自動化技術(shù)在新港碼頭門機(jī)操作中的實際效果，進(jìn)行了全面測試，在測試中采集了大量詳細(xì)的數(shù)據(jù)。先后統(tǒng)計門機(jī)的各機(jī)構(gòu)定位、抓斗防搖、自動化作業(yè)等數(shù)據(jù)，并采集、記錄現(xiàn)場相關(guān)標(biāo)記和傳感器數(shù)據(jù)。

4.2.1 自動定位檢測

定位誤差標(biāo)準(zhǔn)如下：第一，起升機(jī)構(gòu)的定位誤差不應(yīng)超過±50 mm；第二，變幅機(jī)構(gòu)的定位誤差不應(yīng)超過±100 mm；第三，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的定位誤差不應(yīng)超過±2°（35 000 mrad）。現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表1 ～表3 所示。

表1 起升機(jī)構(gòu)測試數(shù)據(jù)表 單位：mm

表2 變幅機(jī)構(gòu)測試數(shù)據(jù)表 單位：mm

表3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)測試數(shù)據(jù)表 單位：mrad

4.2.2 激光掃描建模及作業(yè)路徑規(guī)劃

通過構(gòu)建一個詳盡的三維模型，精確再現(xiàn)實際作業(yè)環(huán)境，通過高級算法規(guī)劃作業(yè)路徑，確保機(jī)械臂的運動軌跡既高效又安全，避免與環(huán)境中的障礙物發(fā)生沖突。利用人工智能技術(shù)，使模型能夠自動識別最佳作業(yè)策略，并在復(fù)雜的作業(yè)場景中做出及時調(diào)整。該系統(tǒng)不僅提高了作業(yè)效率，降低了人力成本，還通過減少操作錯誤提升了作業(yè)安全性，展現(xiàn)了現(xiàn)代自動化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。測試情況如圖4 所示。

圖4 路徑規(guī)劃

4.2.3 抓斗防搖功能測試

抓斗防搖功能需要達(dá)到放料時，料斗的左右擺動幅度不造成灑料。抓斗防搖功能測試情況如表4 所示。

表4 抓斗防搖功能測試數(shù)據(jù)

4.2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能測試

監(jiān)控視頻系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到監(jiān)控視頻延時不超過280 ms，通信系統(tǒng)丟包率不大于1‰。監(jiān)控視頻系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 監(jiān)控視頻系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

遠(yuǎn)程控制及自動化功能應(yīng)達(dá)到控制延時不超過30 ms，通信系統(tǒng)丟包率不大于1‰，自動化平均作業(yè)效率不低于350 t·h-1。遠(yuǎn)程控制及自動化測試數(shù)據(jù)如表6所示。自動化作業(yè)測試的作業(yè)船舶數(shù)為24 條，自動化作業(yè)時間為11 539.95 min，具體測試數(shù)據(jù)如表7 所示。

表6 遠(yuǎn)程控制及自動化測試測試數(shù)據(jù)

表7 自動化作業(yè)測試數(shù)據(jù)

4.3 測試結(jié)果分析

自動定位和抓斗防搖技術(shù)的應(yīng)用，使新港碼頭門機(jī)能夠在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中更加精確地移動，降低了與其他設(shè)備或障礙物碰撞的風(fēng)險和灑料風(fēng)險，提高了操作的準(zhǔn)確性。貨船及物料識別建模和作業(yè)路徑規(guī)劃導(dǎo)航技術(shù)的引入，使門機(jī)可以智能識別舶艙口位置、船舷高度、物料、裝卸位置等，自動選擇安全、準(zhǔn)確、高效的作業(yè)路徑運行，對操作效率的提高和誤操作的減少都產(chǎn)生了積極影響。

遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控技術(shù)在實現(xiàn)新港門機(jī)散貨作業(yè)遠(yuǎn)控自動化作業(yè)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。操作人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)視門機(jī)的狀態(tài)和性能，隨時進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整，從而降低誤操作的風(fēng)險。在自動模式下，實現(xiàn)門機(jī)散貨作業(yè)的自動化，全過程無操作人員的參與和干涉，設(shè)備也能安全、高效運轉(zhuǎn)。而且設(shè)備處于受控狀態(tài)，物料在轉(zhuǎn)移過程中，抓斗平穩(wěn)無搖擺，能夠避免與船艙、船艙蓋板、船舷碰撞。在門機(jī)自動化散貨作業(yè)過程中，司機(jī)可隨時手動介入控制，全自動程序在司機(jī)手動介入時自動解除。

4.4 創(chuàng)新點的有效性論證

測試結(jié)果表明，遠(yuǎn)控自動化技術(shù)的應(yīng)用使新港碼頭門機(jī)散貨作業(yè)操作有較大的改善和提升，不僅提高了操作的效率和準(zhǔn)確性，還降低了運營成本和安全風(fēng)險。同時，自動定位和導(dǎo)航、貨船及物料自動識別和處理等功能在測試中得到了驗證，為散貨碼頭作業(yè)及運營帶來了較大的改進(jìn)[5]。因此，可以推斷遠(yuǎn)控自動化技術(shù)在新港碼頭門機(jī)操作中具有有效性，為散雜貨港口自動化提供了有力的支持和參考。

5 結(jié)語

遠(yuǎn)控自動化技術(shù)在新港碼頭門機(jī)散貨作業(yè)的應(yīng)用不僅提高了操作效率，還降低了操作風(fēng)險，對港口運營具有重要意義。新港碼頭門機(jī)操作的改進(jìn)提升，為港口行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。未來，該技術(shù)將在港口和物流領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提高運營效率，降低成本，為港口物流行業(yè)的發(fā)展帶來更多機(jī)遇。