丁高耀 仇佳捷

寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程加快和國際貿(mào)易的不斷發(fā)展對港口物流效率提出了更高要求，同時也帶動了港口起重設(shè)備的迅猛發(fā)展。傳統(tǒng)港口起重機(jī)操控方式以人工現(xiàn)場操作為主，自動化程度不高，作業(yè)人員勞動強(qiáng)度大，工作效率相對低。近些年，在“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”和5G通訊技術(shù)大力發(fā)展的環(huán)境下，傳統(tǒng)操作將不再適用信息化、自動化、智能化的生產(chǎn)方式。2014年以來國內(nèi)已建成多個自動化碼頭，另外一些大型港口傳統(tǒng)裝卸碼頭也開展了智能化改造，陸續(xù)配置帶遠(yuǎn)程及自動化控制功能的起重設(shè)備或?qū)υO(shè)備進(jìn)行升級改造。

遠(yuǎn)程及自動控制技術(shù)在港口起重機(jī)中的應(yīng)用使起重機(jī)械的檢驗(yàn)面臨全新的課題與挑戰(zhàn)，由于國家未出臺起重機(jī)械遠(yuǎn)程控制及自動控制技術(shù)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和安全技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)階段的起重機(jī)械遠(yuǎn)程及自動化控制技術(shù)仍屬特種設(shè)備新技術(shù)應(yīng)用范疇，根據(jù)《特種設(shè)備安全法》規(guī)定：特種設(shè)備采用新材料、新技術(shù)、新工藝，與安全技術(shù)規(guī)范的要求不一致，或安全技術(shù)規(guī)范未作要求、可能對安全性能有重大影響的，應(yīng)向國務(wù)院負(fù)責(zé)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理的部門申報，由國務(wù)院負(fù)責(zé)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理的部門及時委托安全技術(shù)咨詢機(jī)構(gòu)或者相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)評審，評審結(jié)果經(jīng)國務(wù)院負(fù)責(zé)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理的部門批準(zhǔn)，方可投入生產(chǎn)、使用。因此，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)積極倡新技術(shù)研究及應(yīng)用，及時研究與制定相應(yīng)對策和檢驗(yàn)要求，確保該類設(shè)備的使用安全。

1 系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)程及自動化控制系統(tǒng)是智能化港口起重機(jī)的核心組成部分之一，該系統(tǒng)利用遠(yuǎn)程自動化控制技術(shù)，將起重機(jī)司機(jī)室復(fù)制到遠(yuǎn)程中控室，既可實(shí)現(xiàn)自動化操作，又可使在遠(yuǎn)程中控室的司機(jī)通過攝像頭代替人眼，進(jìn)行遠(yuǎn)程手動操作（見圖1）。

圖1 遠(yuǎn)程及自動化控制系統(tǒng)示例圖

港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)組成如圖2所示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動化碼頭對作業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化配置、作業(yè)任務(wù)實(shí)時動態(tài)分配、有效利用場地起重設(shè)備資源、提高碼頭的作業(yè)效率、減少起重機(jī)的待機(jī)時間和轉(zhuǎn)場次數(shù)等，進(jìn)一步降低能耗，提高碼頭節(jié)能減排效果。同時，遠(yuǎn)程作業(yè)還可節(jié)約人力資源，由一對一人機(jī)配置到一對多人機(jī)配置。

圖2 遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)技術(shù)組成

1）控制技術(shù)是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)設(shè)備的調(diào)度運(yùn)轉(zhuǎn)、自動控制、多設(shè)備聯(lián)動等操作，主要分為計劃調(diào)度、設(shè)備管理、設(shè)備控制等部分。其中，計劃調(diào)度部分與集裝箱碼頭裝卸計劃作業(yè)系統(tǒng)對接，用以為調(diào)度設(shè)備作業(yè)任務(wù)；設(shè)備管理部分與整個碼頭的設(shè)備控制管理系統(tǒng)相對接，用于根據(jù)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行設(shè)備調(diào)度及多設(shè)備配合聯(lián)動；設(shè)備控制部分用于單一設(shè)備控制決策，綜合分析調(diào)度指令、操作指令、設(shè)備信息、傳感器信息等信息，控制單一設(shè)備完成單一作業(yè)的控制核心。

2）定位技術(shù)是遠(yuǎn)程及自動運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)各機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的定位功能，以幫助各機(jī)構(gòu)安全、準(zhǔn)確、可靠、快速到達(dá)指定位置，從而完成作業(yè)或作業(yè)待命的指令。根據(jù)運(yùn)行機(jī)構(gòu)分為大車定位、小車定位、起升定位等。

3）通訊技術(shù)是遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)連接傳輸?shù)闹匾夹g(shù)，負(fù)責(zé)將上位機(jī)的控制指令傳輸?shù)浇K端設(shè)備，還負(fù)責(zé)將終端設(shè)備的相關(guān)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)供上位機(jī)或操作人員決策。通訊技術(shù)根據(jù)形式不同可分為有線通訊、無線通訊和準(zhǔn)無線通訊。

4）保護(hù)技術(shù)是港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動運(yùn)行的安全保障。由于遠(yuǎn)程及自動控制設(shè)時間處于無人監(jiān)視或部分區(qū)域無法監(jiān)視的狀態(tài)，故需要增加相應(yīng)的安全保護(hù)措施來保障設(shè)備的安全運(yùn)行。常見的安全保護(hù)技術(shù)有防撞保護(hù)、防碰箱保護(hù)、防吊起保護(hù)（載車板未分離保護(hù)）等。

5）其他技術(shù)是輔助港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動運(yùn)行的技術(shù)，如圖像處理技術(shù)，用以處理從現(xiàn)場傳輸過來的實(shí)時圖像，包括圖像剪切與拼接、圖像色彩與質(zhì)量處理優(yōu)化等。車輛引導(dǎo)是針對遠(yuǎn)程自動起重機(jī)設(shè)備配合人工駕駛車輛，通過車輛引導(dǎo)技術(shù)引導(dǎo)駕駛?cè)藛T將車輛停在作業(yè)位置，便于遠(yuǎn)程自動設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。

2 主要風(fēng)險點(diǎn)

遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)使港口起重機(jī)可實(shí)現(xiàn)操作人員的遠(yuǎn)程操作，在部分作業(yè)環(huán)節(jié)由主控系統(tǒng)來控制起重機(jī)自動完成作業(yè)。配置該系統(tǒng)的港口起重機(jī)是在原有起重機(jī)控制系統(tǒng)上添加了自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等新技術(shù)的結(jié)合體，在一定程度上突破了傳統(tǒng)起重機(jī)設(shè)計理念，但現(xiàn)階段從設(shè)備的使用特點(diǎn)與傳統(tǒng)操作方式起重機(jī)相比較存在以下風(fēng)險點(diǎn)：

1）操作視野界面不同 遠(yuǎn)程系統(tǒng)操作者主要以目視顯示屏進(jìn)行操作，對實(shí)物及環(huán)境的視感性比現(xiàn)場操作差；由于操作視屏組合方式的不同，往往會帶來視覺盲區(qū)；同時，普通操作者要通過較長時間培訓(xùn)才能達(dá)到視覺的適應(yīng)性。

2）操作者聽覺缺失 傳統(tǒng)起重機(jī)如遇到設(shè)備故障或人員傷害的突發(fā)響應(yīng)，作業(yè)人員對聲音的有效辨識起到較大作用，但遠(yuǎn)程端卻無法識別。

3）通訊系統(tǒng)存在時間延遲 因傳輸技術(shù)瓶頸、無線帶寬局限、多視頻信息大、圖像轉(zhuǎn)化速度等因素，不同的通訊方式往往反映在顯示屏中的動作會比實(shí)際滯后，故通訊系統(tǒng)的延遲會帶來較大危險。

4）作業(yè)環(huán)境未完全封閉 部分遠(yuǎn)程及自動控制的起重機(jī)作業(yè)區(qū)域未完全封閉，雖然相關(guān)制度較齊全，但集卡車輛、廠區(qū)內(nèi)部人員可隨意出入，特別是對于大小車運(yùn)行采用全自動化控制的起重機(jī)存在較大風(fēng)險。

5）操作系統(tǒng)不夠穩(wěn)定 新開發(fā)的操縱系統(tǒng)不夠完善，尚需時間的驗(yàn)證，特別是軟件系統(tǒng)如何與相應(yīng)硬件系統(tǒng)匹配更需要不同工況測試，傳輸信息的丟失、多界面的轉(zhuǎn)變等都影響起重機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定。

6）硬件的配置不可靠 所有定位檢測裝置、攝像頭配置的好壞直接影響機(jī)構(gòu)運(yùn)行位置精度和視頻真實(shí)性。

7）安全保護(hù)裝置配置不齊全 為了最大程度防止意外的發(fā)生，在傳統(tǒng)起重機(jī)配置的基礎(chǔ)上增加必要的安全保護(hù)裝置，如起升自動運(yùn)行中防重疊、防刮碰保護(hù)，大車自動運(yùn)行防碰撞保護(hù)等，安全保護(hù)裝置的到位情況、可靠性、有無采用冗余功能等均影響設(shè)備的運(yùn)行安全。

3 檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

1）通訊系統(tǒng)的檢驗(yàn)技術(shù) 主要通過研究通訊延時對起重機(jī)械作業(yè)的影響、不同通訊方式面臨的干擾、無線通訊接入點(diǎn)切換對通訊連續(xù)性的影響等問題，借鑒相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合起重機(jī)械實(shí)際使用特點(diǎn)制定相應(yīng)指標(biāo)，并研究相應(yīng)測試驗(yàn)證方法。

2）監(jiān)控系統(tǒng)的檢驗(yàn)技術(shù) 主要研究畫面及其延時對操作人員操作的影響，研究測定監(jiān)控畫面延時的檢驗(yàn)技術(shù)，制定監(jiān)控畫面質(zhì)量及傳輸質(zhì)量的相應(yīng)指標(biāo)，結(jié)合起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動控制情況下操作人員對監(jiān)控畫面的需求，制定符合不同運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面內(nèi)容要求的指標(biāo)。

3）定位系統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù) 主要研究不同定位技術(shù)的實(shí)際定位效果，包括但不限于GPS定位、復(fù)合地理信息標(biāo)識定位、圖像識別定位、特定標(biāo)識定位、格雷姆線定位、編碼器定位等。定位系統(tǒng)包括大車行走、小車行走和起升等機(jī)構(gòu)，結(jié)合起重機(jī)在遠(yuǎn)程及自動控制工況下實(shí)際工作需要及運(yùn)行過程中可能對周圍帶來的隱患，制定系統(tǒng)定位精度指標(biāo)，并制定以上運(yùn)行機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)定位精度的檢驗(yàn)技術(shù)。

4）安全保護(hù)功能的檢驗(yàn)技術(shù) 主要通過研究較安全保護(hù)功能的不同實(shí)現(xiàn)形式，如通過傳感器、圖像識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)，分析不同實(shí)現(xiàn)形式的安全性和可靠性，結(jié)合港口起重機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，分析遠(yuǎn)程及自動操作與司機(jī)室操作不同，制定需要增加的安全保護(hù)功能，以及傳統(tǒng)保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)指標(biāo)，研究各種保護(hù)功能的試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)手段。

4 檢驗(yàn)方案設(shè)計

港口起重機(jī)遠(yuǎn)程及自動控制技術(shù)的應(yīng)用，從特種設(shè)備安全角度出發(fā)，是特種設(shè)備新技術(shù)的應(yīng)用范疇，但由于遠(yuǎn)程及自動控制技術(shù)缺少相應(yīng)的參照依據(jù)，故對新技術(shù)合法認(rèn)定是在檢驗(yàn)方案實(shí)施的關(guān)鍵。遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)檢驗(yàn)前期流程如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)檢驗(yàn)前期流程

遠(yuǎn)程及自動控制港口起重機(jī)的整體檢驗(yàn)主要分為常規(guī)檢驗(yàn)和遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)專項檢驗(yàn)。其中，常規(guī)檢驗(yàn)按照國家現(xiàn)有安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求對港口起重機(jī)的相應(yīng)部分進(jìn)行檢驗(yàn)；遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)的專項檢驗(yàn)針對設(shè)備中遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)設(shè)置專門的檢驗(yàn)項目。由于港口起重機(jī)品種、制造設(shè)計單位的不同，相應(yīng)遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)也不同，根據(jù)本地區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有的遠(yuǎn)程及自動控制設(shè)備的配置情況，研究設(shè)計了圖4所示遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)檢驗(yàn)方案主要項目。

圖4 遠(yuǎn)程及自動控制系統(tǒng)主要檢驗(yàn)項目分類圖

1）資料審查 審查產(chǎn)品出廠資料，包括產(chǎn)品質(zhì)量合格證、安裝及其使用維護(hù)保養(yǎng)說明、設(shè)計文件、操作使用說明書是否符合技術(shù)規(guī)格書或技術(shù)合同要求等，如采用機(jī)器視覺等軟件控制方式應(yīng)提供相應(yīng)設(shè)計說明。

2）作業(yè)環(huán)境檢查 檢查現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域是否有可靠的封閉或防護(hù)措施。

3）零部件及電氣裝置檢查 對遠(yuǎn)程及自動化系統(tǒng)增加的硬件如零部件、電氣裝置、防護(hù)裝置等，檢查其狀態(tài)情況。

4）遠(yuǎn)程控制臺檢查主要包括操作和顯示兩大部分，操作又可分為操作權(quán)限、手柄及按鈕、緊（應(yīng)）急停止開關(guān)、控制聯(lián)鎖等；顯示可分為視頻監(jiān)控、狀態(tài)顯示和語音廣播等。

5）定位技術(shù)檢查 除各機(jī)構(gòu)的定位精度要求外，還要看定位系統(tǒng)是否具備故障檢測功能，如當(dāng)發(fā)生故障或無法準(zhǔn)確定位時應(yīng)停在原地并向控制臺發(fā)出故障信號。

6）通訊技術(shù)檢查主要包括傳輸能力和抗干擾能力，通訊中斷反應(yīng)能力應(yīng)符合設(shè)計要求，當(dāng)設(shè)計要求未規(guī)定時應(yīng)小于0.5 s通訊中斷發(fā)出報警后，不得自動重連，需要人工復(fù)位確認(rèn)。

7）保護(hù)技術(shù)檢查主要包括大車防撞保護(hù)、集裝箱防碰箱保護(hù)、集裝箱未與集卡分離的防吊起保護(hù)，輪胎式起重機(jī)應(yīng)設(shè)置大車自動糾偏保護(hù)，以便準(zhǔn)確檢測集裝箱上下間的距離應(yīng)設(shè)置箱高檢測保護(hù)等。

5 結(jié)語

起重機(jī)遠(yuǎn)程自動化控制技術(shù)是未來起重機(jī)智能化的發(fā)展方向之一，在暫缺國家標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)規(guī)范的前提下，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)參考相關(guān)企業(yè)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)起重機(jī)遠(yuǎn)程自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和改造方案，制定專項的檢驗(yàn)方案，從而有效降低使用風(fēng)險，也給生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)和使用管理工作提供指導(dǎo)意見，保障起重機(jī)的安全運(yùn)行。