吳宇震 劉金旭 陳之坤

山東港口渤海灣港集團(tuán)有限公司 濰坊 261000

0 引言

隨著海運(yùn)貿(mào)易在世界范圍內(nèi)的發(fā)展，特別是國家“一帶一路”倡議的提出，港口貨物的運(yùn)輸規(guī)模呈逐步增長的趨勢；而在港口貨物的運(yùn)輸中，各種起重設(shè)備在船舶裝卸過程中更是起著非常相當(dāng)關(guān)鍵的作用。通過對我國干散貨碼頭自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展情況的調(diào)研，初步掌握了碼頭前沿裝卸作業(yè)工藝、設(shè)備及其自動(dòng)化水平。調(diào)研結(jié)果顯示，目前港口碼頭在用的門座起重機(jī)主要分為吊鉤門座起重機(jī)、抓斗門座起重機(jī)和集裝箱吊具門座起重機(jī)3種類型，而三者中又以抓斗門座起重機(jī)最為主要，同時(shí)也是門座起重機(jī)中保有量最大的重要機(jī)型。

隨著國內(nèi)各大港口自動(dòng)化碼頭建設(shè)方興未艾，傳統(tǒng)碼頭的自動(dòng)化升級改造也成為智慧強(qiáng)港、科技興港的新藍(lán)海。其中，設(shè)備自動(dòng)化是其中最重要的環(huán)節(jié)[1]。門座起重機(jī)具有作業(yè)方式多樣、機(jī)動(dòng)靈活、集約碼頭土地面積、安全高效等特點(diǎn)，在港口碼頭的應(yīng)用廣泛。但是，傳統(tǒng)門座起重機(jī)的抓取、放料、抓斗防搖、設(shè)備防撞等作業(yè)操作主要依靠司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)判斷，對設(shè)備的安全性和可靠性是很大考驗(yàn)[2]，對司機(jī)經(jīng)驗(yàn)的依賴性很高。為提升港口作業(yè)智能化程度，優(yōu)化作業(yè)人員工作環(huán)境，提高設(shè)備安全性及可靠性，眾多港口企業(yè)、科研院所等單位相繼開展了門座起重機(jī)自動(dòng)化研究。

1 門座起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，門座起重機(jī)的自動(dòng)化尚處于起步階段，與自動(dòng)化集裝箱碼頭相比，若要實(shí)現(xiàn)散貨碼頭的裝卸自動(dòng)化、調(diào)度智能化、流程可視化，需挑戰(zhàn)更復(fù)雜的設(shè)備控制及更多變的應(yīng)用場景。門座起重機(jī)是一種有軌回轉(zhuǎn)式臂架起重機(jī)，主要由起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)等組成，其運(yùn)行軌跡復(fù)雜，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，變幅機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)則在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圓周運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同方向的直線運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)門座起重機(jī)的自動(dòng)化，需在起重機(jī)上增加各類智能傳感裝置（如絕對值高度編碼器、幅度編碼器、角度傳感器、張力傳感器、激光掃描與三維建模設(shè)備等），精確檢測出實(shí)時(shí)起升高度、變幅幅度、旋轉(zhuǎn)角度、貨物質(zhì)量等，通過實(shí)時(shí)掃描建模系統(tǒng)識別貨垛形狀、貨位高低、船舶艙口位置等對取料和卸料位置進(jìn)行坐標(biāo)設(shè)定，最終實(shí)現(xiàn)門座起重機(jī)較高程度的自動(dòng)化裝卸作業(yè)。

目前，國內(nèi)多個(gè)港口進(jìn)行了門座起重機(jī)的自動(dòng)化改造項(xiàng)目，其中比較典型的有東營港自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)改造、連云港抓斗門座起重機(jī)半自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、赤灣港自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)改造、黃驊港自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)改造、張家港自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)改造、石臼港區(qū)自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)改造等項(xiàng)目。

2 門座起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

抓斗門座起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用深度融合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、自動(dòng)控制和智能識別等先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合干散貨碼頭實(shí)際情況、發(fā)展需要和存在的問題，攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，主要包括基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的高精度定位冗余控制系統(tǒng)、高精度智能三維掃描技術(shù)、抓斗智能防搖技術(shù)、甩斗及掏艙作業(yè)技術(shù)、多機(jī)安全防撞系統(tǒng)、多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)、門座起重機(jī)智能運(yùn)維技術(shù)、智能綜合安防系統(tǒng)、基于人機(jī)界面（Human Maching Interface，HMI）的遠(yuǎn)程操作平臺(tái)、自動(dòng)化門座起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化等。

2.1 基于GNSS 高精度冗余控制定位系統(tǒng)

基于GNSS 高精度冗余控制定位系統(tǒng)主要包括門座起重機(jī)的起升定位系統(tǒng)、變幅定位系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)定位系統(tǒng)和大車行走定位系統(tǒng)?；贕NSS 技術(shù)的高精度定位方法根據(jù)各機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝方式，采用絕對值編碼器結(jié)合3D 激光掃描、增量型編碼器與絕對值編碼器冗余控制、絕對值編碼器＋GPS 系統(tǒng)、增量編碼器＋絕對值編碼器＋FLAG 板等定位方式，對門座起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大車行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行定位。同時(shí)，利用專用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（Real-Time Kinematic，RTK）基站與移動(dòng)接收站的配合，對作業(yè)場地進(jìn)行數(shù)字化標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)對門座起重機(jī)的各機(jī)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)系矢量實(shí)時(shí)定位，得到各機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置信息。同時(shí)，激光掃描儀也實(shí)時(shí)對抓斗進(jìn)行定位掃描，通過抓斗相對于臂架的位置信息實(shí)時(shí)獲取臂架的位置，通過GNSS 定位系統(tǒng)計(jì)算出臂架的相對位置，實(shí)現(xiàn)門座起重機(jī)的自動(dòng)化安全作業(yè)。

2.2 高精度智能三維掃描技術(shù)

GNSS 定位系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)獲取的RTK 位置計(jì)算數(shù)據(jù)以及通過編碼器等傳感器獲取門座起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)矢量冗余控制。

在門座起重機(jī)臂架上安裝3D 掃描儀及云臺(tái)對船艙口和倉內(nèi)物料、碼頭前沿有效作業(yè)范圍進(jìn)行掃描，并進(jìn)行仿真處理，形成三維圖像及各類信息數(shù)據(jù)庫，形成的3D 掃描多倉效果顯示圖如圖1 所示。智能三維數(shù)據(jù)采集和處理軟件自動(dòng)為門座起重機(jī)規(guī)劃最優(yōu)作業(yè)路徑，并將該信息轉(zhuǎn)化為PLC 控制指令，數(shù)據(jù)采集處理與三維成像系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)抓斗平穩(wěn)、精確落入最佳取料點(diǎn)，同時(shí)穩(wěn)定地在該區(qū)域進(jìn)行抓取作業(yè)。

圖1 3D 掃描多倉效果顯示圖

2.3 抓斗智能防搖技術(shù)

傳統(tǒng)門座起重機(jī)的抓取、放料、抓斗防搖、設(shè)備防撞等作業(yè)操作主要是依靠司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)加以判斷，對設(shè)備的安全性和可靠性是很大考驗(yàn)[3]，對司機(jī)經(jīng)驗(yàn)的依賴性很高。為提升港口作業(yè)智能化程度，優(yōu)化作業(yè)人員工作環(huán)境，提高設(shè)備本質(zhì)安全性及可靠性，關(guān)鍵在于突破抓斗防搖這一技術(shù)。

門座起重機(jī)控制抓斗防搖的方法主要可分為機(jī)械控制和電控系統(tǒng)控制。機(jī)械控制主要是通過安裝相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)防搖；電控系統(tǒng)控制是一種基于電氣控制的主動(dòng)控制方式[4]，通過動(dòng)力學(xué)仿真建模是目前解決抓斗防搖問題的重要手段[5]。

抓斗智能防搖系統(tǒng)主要由PLC 控制器、各機(jī)構(gòu)定位傳感器、視頻監(jiān)控裝置、CMS 服務(wù)器和中控操作臺(tái)等組成。門座起重機(jī)的抓斗和出繩口上架通過鋼絲繩軟性連接，在自動(dòng)化作業(yè)過程中必須保證鋼絲繩始終處于豎直向下的狀態(tài)，否則抓斗發(fā)生搖擺時(shí)可能會(huì)碰撞到船艙。根據(jù)門座起重機(jī)整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)、抓斗規(guī)格以及鋼絲繩纏繞方式等因素建立精確的勻速圓周運(yùn)動(dòng)及單擺數(shù)學(xué)模型，利用CMS 服務(wù)器和PLC 控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，對抓斗運(yùn)動(dòng)軌跡的點(diǎn)云特征進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)抓斗在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下無晃動(dòng)運(yùn)行，從而提升抓斗移動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和安全性，有效地控制了抓斗搖擺時(shí)間，提高了門座起重機(jī)的作業(yè)效率。

2.4 甩斗及掏艙作業(yè)技術(shù)

基于門座起重機(jī)抓斗智能防搖系統(tǒng)，本文拓展開發(fā)了甩斗作業(yè)技術(shù)和掏艙作業(yè)技術(shù)。利用抓斗智能防搖系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算的特點(diǎn)，能夠提前判斷減速距離及最終停止位置的功能，可將抓斗穩(wěn)定、可靠地規(guī)劃在安全區(qū)域內(nèi)自動(dòng)化作業(yè)，并在此基礎(chǔ)上提出甩斗作業(yè)和掏艙作業(yè)2種技術(shù)。進(jìn)而，利用門座起重機(jī)智能防搖系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算的特點(diǎn)，建立AI 人工智能掏艙云數(shù)據(jù)庫，通過大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對人工操作進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，在門座起重機(jī)自動(dòng)化作業(yè)時(shí)訓(xùn)練出1 套熟練的如同人工操作的掏艙動(dòng)作，實(shí)時(shí)智能選取最佳取料點(diǎn)和落料點(diǎn)進(jìn)行裝卸作業(yè)。

2.4.1 甩斗作業(yè)

甩斗作業(yè)的原理是通過計(jì)算出當(dāng)前擺長下的搖擺周期及搖擺距離，在抓斗向前擺動(dòng)過程中開斗卸料，并計(jì)算出抓斗回?cái)[時(shí)鋼絲繩達(dá)到豎直狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)，從而抵消返程時(shí)抓斗的搖晃角度，甩斗作業(yè)過程如圖2 所示。

圖2 甩斗作業(yè)示意圖

2.4.2 掏艙作業(yè)

掏艙作業(yè)的原理是以抓斗智能防搖系統(tǒng)具有精確可靠的數(shù)學(xué)模型及算法作為技術(shù)支撐，該系統(tǒng)可在抓斗起升行程中保證穩(wěn)定的防搖效果，使抓斗在下降到甲板下方后仍能快速進(jìn)入船艙兩側(cè)，且保證鋼絲繩不擺動(dòng)，避免和船艙壁發(fā)生剮蹭。掏艙作業(yè)過程如圖3 所示。掃描云臺(tái)為抓斗行徑路線提供邊界識別保障，在安全的前提下讓抓斗深入船艙內(nèi)進(jìn)行定量的物料掏取。

圖3 掏艙作業(yè)示意圖

2.5 多機(jī)安全防撞系統(tǒng)

安全防撞系統(tǒng)主要包含軟件防撞計(jì)算系統(tǒng)和硬件防撞裝置2 部分。其中，軟件防撞計(jì)算系統(tǒng)是通過掃描儀收集船艙的信息，由自動(dòng)化數(shù)據(jù)庫服務(wù)器計(jì)算出抓斗與船艙的關(guān)系、兩者之間的距離從而起到防撞的作用。硬件防撞系統(tǒng)主要包含大車防撞和臂架防撞2 部分，大車防撞是通過安裝在大車行走機(jī)構(gòu)上的傳感器防止大車在運(yùn)行過程中與大車軌道上的障礙物發(fā)生碰撞，同時(shí)通過PLC 檢測相鄰2 個(gè)門座起重機(jī)之間的距離，設(shè)置安全距離實(shí)現(xiàn)防碰撞的功能。臂架防撞是根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，通過安裝在大車變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、機(jī)器房、象鼻梁等機(jī)構(gòu)上的雷達(dá)防撞傳感器實(shí)時(shí)檢測各機(jī)構(gòu)位置信息，通過預(yù)留安全距離的方式來實(shí)現(xiàn)防碰撞。同時(shí)，與高精度定位系統(tǒng)協(xié)同，設(shè)定防碰撞區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)防撞功能，解決了門座起重機(jī)集群式自動(dòng)化作業(yè)狀態(tài)下的安全避讓與防撞問題，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備安全與作業(yè)效率雙保障。

2.6 多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)

相鄰2 臺(tái)自動(dòng)化門座起重機(jī)協(xié)同作業(yè)包含相反方向、相同方向和面對面作業(yè)等3 種不同的作業(yè)方式。其中，以面對面協(xié)同作業(yè)流程最復(fù)雜。通過建立同時(shí)在左側(cè)船艙作業(yè)或同時(shí)在右側(cè)船艙作業(yè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型，動(dòng)態(tài)檢測相鄰門座起重機(jī)臂架和抓斗的實(shí)時(shí)位置，通過劃分取料區(qū)域、共用區(qū)域和卸料區(qū)域等不同作業(yè)區(qū)域進(jìn)行區(qū)域申請通行與區(qū)域鎖定的動(dòng)態(tài)切換模式，實(shí)現(xiàn)作業(yè)最優(yōu)路徑規(guī)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)門座起重機(jī)的自動(dòng)化協(xié)同作業(yè)，避免相互碰撞，提升作業(yè)效率。

2.7 自動(dòng)化綜合安防系統(tǒng)

搭建門座起重機(jī)自動(dòng)化綜合安防系統(tǒng)，通過部署在門座起重機(jī)上的高清攝像頭監(jiān)控其在自動(dòng)化作業(yè)過程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及作業(yè)環(huán)境；通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程控制中心，利用圖像智能感知、異聲檢測等技術(shù)實(shí)現(xiàn)煙霧報(bào)警檢測、人員入侵檢測、艙口尺寸檢測及抓斗防碰撞、清倉作業(yè)區(qū)域安全聯(lián)鎖、關(guān)鍵部位故障預(yù)警以及報(bào)警查詢等功能。

在煙霧發(fā)生、人員入侵期間，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)報(bào)警，并生成報(bào)警特征數(shù)據(jù)、報(bào)警照片，供后續(xù)查找、分析、取證。當(dāng)門座起重機(jī)進(jìn)行清倉作業(yè)時(shí)，抓斗運(yùn)行區(qū)域的安全防碰撞主要以艙內(nèi)的作業(yè)區(qū)域最復(fù)雜，安防系統(tǒng)實(shí)時(shí)將艙內(nèi)清倉作業(yè)的流動(dòng)機(jī)械的位置與抓斗位置進(jìn)行安全聯(lián)鎖，確保抓斗在作業(yè)區(qū)域內(nèi)不會(huì)與流動(dòng)機(jī)械發(fā)生碰撞，保證人員與設(shè)備的安全。

2.8 基于HMI 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作平臺(tái)

配備帶有HMI 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作臺(tái)，操作面板上設(shè)有與司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)相同功能的操作手柄和操作按鈕，操作人員及管理人員可通過遠(yuǎn)程操作臺(tái)操作任意一臺(tái)門座起重機(jī)，也可連接到現(xiàn)場任意一臺(tái)門座起重機(jī)的PLC 控制器并進(jìn)行監(jiān)控，查看門座起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和歷史報(bào)警記錄，確保了港口的本質(zhì)安全要求。

2.9 門座起重機(jī)智能運(yùn)維技術(shù)

門座起重機(jī)智能運(yùn)維技術(shù)包括無線智能溫振傳感器和鋼絲繩全息狀態(tài)檢測系統(tǒng)。通過在門座起重機(jī)上加裝溫振一體采樣傳感器、漏磁傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備電動(dòng)機(jī)、鋼絲繩等重點(diǎn)部位健康信息的快速獲取，通過科學(xué)的狀態(tài)監(jiān)測算法、基于大數(shù)據(jù)的精確診斷分析、智能監(jiān)測與預(yù)警、統(tǒng)籌調(diào)度等手段大大提高設(shè)備維修效率，作到有針對性地預(yù)測性維修，加快事故處理速度的能力，降低事故率，從而有效地將每一臺(tái)設(shè)備的維修和管理與設(shè)備的運(yùn)維統(tǒng)一融合起來，為設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。

2.10 自動(dòng)化門座起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化

結(jié)合表1 所示國內(nèi)外干散貨碼頭裝卸及運(yùn)輸裝備相關(guān)技術(shù)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等文件的調(diào)研分析，現(xiàn)有國內(nèi)外關(guān)于干散貨碼頭裝卸及運(yùn)輸裝備安全技術(shù)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等文件，以及我國在干散貨碼頭、通用碼頭自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，開展自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的編制。

表1 港口門座起重機(jī)現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)

以上標(biāo)準(zhǔn)涉及自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、隨機(jī)文件、包裝、運(yùn)輸和貯存，適用于港口干散貨等裝卸作業(yè)用的自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)，其主要技術(shù)內(nèi)容包括抓斗門座起重機(jī)的基本要求、運(yùn)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)定位、貨物及艙口輪廓掃描成像及識別、抓斗自動(dòng)防搖、作業(yè)任務(wù)管理系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)等自動(dòng)化門座起重機(jī)必需的硬件和軟件設(shè)施要求。

標(biāo)準(zhǔn)的制定將能有效指導(dǎo)和規(guī)范自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和使用，促進(jìn)自動(dòng)化抓斗門座起重機(jī)的推廣應(yīng)用，對我國港口干散貨碼頭、通用碼頭自動(dòng)化、智能化進(jìn)程具有重大的推進(jìn)作用，對我國智慧港口的建設(shè)具有重要意義。

3 結(jié)語

目前，自動(dòng)化門座起重機(jī)處于初步應(yīng)用階段，本文研究的基于GNSS 高精度冗余控制定位系統(tǒng)、高精度智能三維掃描技術(shù)、抓斗智能防搖技術(shù)、甩斗及掏艙作業(yè)技術(shù)、多機(jī)安全防撞系統(tǒng)、多機(jī)協(xié)同作業(yè)技術(shù)、自動(dòng)化綜合安防系統(tǒng)、基于HMI 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作平臺(tái)、門座起重機(jī)智能運(yùn)維技術(shù)、自動(dòng)化門座起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化等關(guān)鍵技術(shù)，為自動(dòng)化門座起重機(jī)技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了有效的指導(dǎo)，為推動(dòng)門座起重機(jī)全自動(dòng)化作業(yè)提供了技術(shù)支撐和實(shí)踐參考依據(jù)，進(jìn)一步促進(jìn)了我國港口干散貨碼頭、通用碼頭自動(dòng)化進(jìn)程。