智能系統在船舶清艙作業中的應用

史大波，薛永杰，張 杰

（1.山東港口集團公司，山東青島 266500；2.青島港灣職業技術學院，山東青島 266404）

1 研究背景

2019 年11 月，交通運輸部等九部委印發《關于建設世界一流港口的指導意見》，到2025 年，世界一流港口建設取得重要進展，主要港口綠色、智慧、安全發展實現重大突破。到2035 年，全國港口發展水平整體躍升，主要港口總體達到世界一流水平，引領全球港口綠色發展、智慧發展。到2050 年，全面建成世界一流港口，形成若干個世界級港口群，發展水平位居世界前列[1]。

智慧綠色港口建設成為港口發展的主旋律，青島港先后實現集裝箱碼頭自動化、干散貨碼頭自動化，大大減輕職工勞動強度。清艙作業是流程作業必不可少的一個環節。在船舶卸貨后期，為了提高卸船效率，需要用單斗車、推耙機和人工在艙內進行清理和耙集，期間人員與設備相互混雜配合，存在人機交叉、機機交叉等安全風險。因此，對裝載機和挖掘機、門座起重、卸船機以及清艙屬具等進行無人化研究，具有重要意義。

2 干散貨船舶清艙作業存在的問題及解決方案

2.1 存在的問題

在山東港口集團各散貨碼頭紛紛實現干散貨作業流程自動化的大背景下，船舶清艙作業的收尾過程依然采用人工清理模式。由于船舶貨艙的艙口尺寸小于艙內容積尺寸以及卸船機械大型化的局限性，大型抓斗很難抓取船艙周邊角落的散貨物料，所以需要用單斗車、推耙機和人工在艙內進行散貨物料的清理、放高，將散貨物料靶集到艙口下方區域以便于抓斗抓取，艙口指揮手指揮卸船機械司機進行抓取散料并指揮合適的走行路線。卸貨過程中，存在卸船設備與艙內搬運設備之間的交叉作業，搬運設備、卸船設備與艙內清理人機之間的交叉作業，安全風險級別上升。另外，作業過程中艙內作業環境惡劣，粉塵及推耙機械尾氣彌漫，然而船舶清艙作業時間緊迫，清艙工人長時間在船艙內作業，不利于身心健康。

2.2 智能化解決方案

清艙作業通常涉及4 個要素（設備和人員），分別為：①清艙設備，如挖掘機、裝載機、推耙機等；②碼頭卸貨設備，如卸船機、門座起重機；③清艙專用工屬具，如抓斗；④艙口指揮人員，如上桿指揮手。具體的分工情況為：①清艙設備負責船舶卸船作業的收尾工作，邊角料的清理成堆等；②碼頭裝卸設備配合清艙專用工屬具（抓斗）進行散料卸貨作業；③艙口指揮人員（指揮手）通過觀察艙內情況，協調碼頭卸貨設備司機與艙內作業設備司機，指揮設備司機安全高效作業。

智能化技術改造的目的是刪減繁瑣的作業工序，利用傳感設備代替人工作業，使卸貨設備能夠準確地轉移到需要卸貨的艙口：通過各種傳感裝置掃描貨艙貨物形狀，優化作業路徑，避免設備之間作業干涉、本機各機構的協調與定位、清艙專用工屬具的防搖等問題；艙內設備實現遠程控制，避免人機交互作業；清艙專用工屬具裝備定位設備，通過算法優化運行軌跡，提高作業的效率與安全性；采用視覺傳感技術解決艙口指揮問題。解決好這4 個智能化方面的問題，清艙的效果與效率就會大大提高。本文給出的解決方案有7 項具體要點，其中碼頭卸貨設備即為卸船機和門座起重機。

2.2.1 船艙3D 掃描系統[2]

為了掌握船艙內貨物的實際情況，在碼頭卸貨設備（卸船機、門座起重機）臂架上安裝3D 掃描儀及云臺，對船舶以及船艙內的干散貨進行掃描、形成三維圖像并進行仿真處理。數據采集控制器采集船型及艙口、物料以及氣候對船舶作業的影響等數據形成信息數據庫，以便根據不同的船型、氣候等因素形成可調用不同的數據。

智能三維數據采集和處理軟件可以自動為碼頭卸貨設備的裝卸作業形成最優規劃作業路徑，這些信息經過處理后轉化成PLC 可以識別的指令，數據采集處理與三維成像系統和PLC 之間實時數據交互，實現精準的最佳卸料模式，以便在該卸貨區域穩定地進行干散貨物料的抓取作業（圖1）。

圖1 掃描效果

2.2.2 GPS 定位系統

為保證激光掃描儀點云的掃描精度及各機構的位置冗余保護，在碼頭卸貨設備上安裝1～2 套GPS 定位系統。經過中央處理服務器控制模型的轉換，GPS 絕對坐標數據轉換為以作業場地為三維空間，用（X，Y，Z）坐標表示，其中X、Y、Z 分別代表作業場地的長度坐標、寬度坐標和高度坐標。坐標數據可用于各機構的位置控制和激光點云成像后的位置信息的指導數據。

GPS 定位系統可對設備各個機構位置進行精確、實時位置計算，進而實現對碼頭卸貨設備裝卸作業的精準控制，達到穩定、高效、安全的作業效果（圖2）。同時，采用高度集成化、模塊化的控制系統降低了設備的故障率，易于設備的維修保養。

圖2 GPS 定位天線

2.2.3 碼頭卸貨設備抓斗定位

采用增量型編碼器與絕對值編碼器冗余控制，不僅能精準定位抓斗位置，而且能保證當其中的編碼器故障時，控制系統依然能安全可靠地工作。精確的定位功能是一切自動化作業的基礎保障，只有在確保定位精度的基礎之上，單機自動化系統才能實現對抓斗的無人精確控制（圖3）。

圖3 門座起重機抓斗定位

2.2.4 抓斗防搖技術[3]

碼頭卸貨設備的抓斗是通過鋼絲繩實現收放作業，這種柔性設計必然會導致抓斗作業時左右搖擺，嚴重時可能撞擊到船艙，因此在自動裝卸干散貨過程中需要鋼絲繩始終處于垂直的作業狀態。因此，需要根據裝卸作業的規律建立起抓斗勻速圓周運動及單擺數學模型，利用變幅機構的動作來抵消回轉機構啟動和停止時用離心力產生的抓斗晃動，同時根據鋼絲繩長度反演抓斗與碼頭卸貨設備頭部滑輪垂直方向的角度，計算變幅機構輸出速度、加速度，電機輸出的扭矩以及轉動慣量，再將參量經過濾波降噪以后輸入變頻器控制系統，以抵消抓斗在回轉方向上產生的角速度、角加速度。

2.2.5 裝載機、挖掘機遠控操作

對單斗車和推耙機加裝激光掃描儀、傳感器、慣性導航系統以及通信模塊、視頻監控等部件，并對穩定系統的液壓裝置進行改造，實現了單斗車和推耙機的遠程控制（圖4）。

圖4 改裝示意

其主要技術有以下5 個：

（1）采用視頻監控系統監控船艙內的作業狀況。

（2）艙內環境智能感知及車輛定位系統。對清艙機械（船艙內）作業區域，利用激光掃描儀實時掃描建模，結合定位技術，將清艙機械艙內位置實時傳送到岸邊碼頭卸貨設備上，實現清艙機械與岸邊碼頭卸貨設備的安全協同作業（圖5）。

圖5 網絡示意

（3）利用慣性導航系統、安全態勢感知和防撞防搖技術，優化清艙作業機械的行駛路徑和運動姿態，保障車輛在遠程操控時的作業安全。

（4）遠程操作臺有六屏幕顯示，具有操作模式無縫切換開關，清艙機械控制合/斷按鈕，故障復位按鈕、急停按鈕，走行操作踏板，大臂、小臂、鏟斗、回轉操作手柄等。遠程操作臺采用六自由度座椅，實時反饋車輛作業姿態，增強遠控操作人員對車輛運行態勢的感知。

（5）VCU（Vehicle Control Unit，車載控制單元）是遠控操作的處理器，負責處理來自車輛以及外界的各類感應信號和控制信號，完成單斗車、推耙機等搬運機械遠程控制和信息處理。

2.2.6 清艙專用工屬具

依據實際工況所研制清艙屬具為干散貨碼頭清艙屬具首創，可根據不同船艙結構使用對應屬具，提高清艙速度，提升工作效率，每條船舶可至少提前2 h 完成清艙作業任務，節省清艙成本（圖6）。

圖6 新型船舶清艙屬具

2.2.7 電子上桿系統

該系統由前端高清顯示設備、無線網絡傳輸設備和移動監控設備組成。其中，無線網絡傳輸設備是通過微波進行信號的發送與接收的橋接，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強和方便可移動性強等優點；前端高清顯示設備安裝在門座起重機、卸船機司機室內。無線網絡設備又分為固定端和移動端兩大類，前者安裝于門座起重機、卸船機旋轉平臺、臂架和司機室平臺上，后者安裝于移動監控設備箱內，作業時移動監控設備箱放置于船上（圖7）。

圖7 移動端無線傳輸設備

3 結束語

目前，船舶清艙智能作業系統已應用于山東港口青島港，通過碼頭卸貨設備的自動化操作、裝載機和挖掘機的遠程控制、新型清倉屬具的使用以及電子上桿系統，實現了清艙作業各環節的無人化，保障清艙作業的設備和人員安全。這不僅提高了港口的核心競爭力，還開創了國內外干散貨板塊船舶智能清艙建設新模式，有力地推動干散貨碼頭轉型升級，全面引領行業發展，對提升山東港口綠色智能化水平具有重要意義。