王連成，魏夢(mèng)嬌

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱 RMG）作為集裝箱堆場(chǎng)的主要裝卸設(shè)備，具有良好的技術(shù)改造條件，國(guó)內(nèi)許多港口擬對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化改造，使其升級(jí)為自動(dòng)化軌道式集裝箱龍門起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱ARMG）。

1 RMG自動(dòng)化改造主要目標(biāo)

根據(jù)裝卸作業(yè)生產(chǎn)放入需求，RMG改造升級(jí)成ARMG主要是實(shí)現(xiàn)以下功能[1]：

1）不再需要RMG司機(jī)，僅通過(guò)操作員在中控室遠(yuǎn)程操作臺(tái)完成對(duì)ARMG的監(jiān)控和簡(jiǎn)單操作；

2）ARMG總能長(zhǎng)時(shí)間保持額定效率作業(yè)，其平均作業(yè)效率能達(dá)到28～30 move/h；

3）ARMG有較高的設(shè)備系統(tǒng)完好率，其故障間隔循環(huán)數(shù)不小于10 000 move；

4）ARMG有較高的自動(dòng)化程度，能與TOS系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫連接，能進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)抓取箱及翻倒箱，能實(shí)現(xiàn)內(nèi)集卡自動(dòng)化；

5）ARMG遠(yuǎn)程操作臺(tái)與ARMG能夠?qū)崿F(xiàn)“多對(duì)多”遠(yuǎn)程操控作業(yè)模式，操控比達(dá)到1：6。

2 RMG自動(dòng)化改造的主要內(nèi)容

2.1 增加ARMG自動(dòng)定位系統(tǒng)[2]

ARMG定位系統(tǒng)主要用來(lái)確定ARMG的三大機(jī)構(gòu)（起升機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)）前者相對(duì)后者的絕對(duì)位置，三大機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)要作業(yè)的集裝箱的三維坐標(biāo)。以地面為基準(zhǔn)建立一個(gè)坐標(biāo)系，小車位置定義為X方向，大車位置定義為Y方向，起升位置定義為Z方向。

1）起升機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)

起升位置的檢測(cè)，在起升的卷筒旁安裝一個(gè)絕對(duì)位置編碼器，對(duì)起升高度進(jìn)行定位；在起升卷筒末端另設(shè)有凸輪限位，用于起升高度安全保護(hù)及對(duì)起升位置進(jìn)行校驗(yàn)。

2）大小車定位系統(tǒng)

大車定位系統(tǒng)采用目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為成熟的FLAG定位系統(tǒng)。FLAG定位系統(tǒng)采用雙邊絕對(duì)值編碼器+定位板FLAG校驗(yàn)的方式。在ARMG兩側(cè)大車機(jī)構(gòu)上各安裝1個(gè)絕對(duì)值編碼器和一套對(duì)射傳感器，用于對(duì)大車的絕對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)；在ARMG兩側(cè)軌道旁安裝定位板FLAG（每隔6 m布置一個(gè)），用于在大車行進(jìn)過(guò)程中對(duì)編碼器位置進(jìn)行校驗(yàn)。如圖1所示。

圖1 大車機(jī)構(gòu)FLAG定位系統(tǒng)

對(duì)于自行小車傳動(dòng)系統(tǒng)，可采用在小車機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌道旁安裝一排磁尺，用于對(duì)小車機(jī)構(gòu)傳動(dòng)內(nèi)的實(shí)際位置進(jìn)行互相校準(zhǔn)；對(duì)于齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)，可在電機(jī)側(cè)安裝一個(gè)安全級(jí)別的編碼器。

3）吊具微動(dòng)系統(tǒng)

吊具微動(dòng)可通過(guò)四個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)推桿電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)增加絕對(duì)值編碼器來(lái)反饋推桿的實(shí)際位置，能達(dá)到快速且精準(zhǔn)的調(diào)整吊具，縮短吊具對(duì)箱時(shí)間。

4）負(fù)載定位系統(tǒng)

負(fù)載定位系統(tǒng)為了彌補(bǔ)吊具的定位誤差，通過(guò)微動(dòng)推桿、掃描儀或光纖陀螺儀等相關(guān)檢測(cè)技術(shù)得到吊具相對(duì)于小車的一個(gè)相對(duì)位置，PLC系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)提供的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算出一個(gè)補(bǔ)償位置值，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊具相對(duì)于小車和周圍集裝箱之間的距離。同時(shí)結(jié)合吊具和集裝箱的相對(duì)位置，自動(dòng)控制PLC會(huì)對(duì)安裝在上架上的吊具微動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送指令，補(bǔ)償測(cè)量的偏差值，最終完成吊具定位。對(duì)于使用八繩機(jī)械防搖吊具，吊具定位系統(tǒng)無(wú)需額外增加吊具防搖功能；對(duì)于非八繩吊具，則需增加小車吊具的閉環(huán)防搖功能。

2.2 增加目標(biāo)定位系統(tǒng)

目標(biāo)定位系統(tǒng)是通過(guò)安裝在小車架平臺(tái)上的兩個(gè)三維激光掃描儀持續(xù)掃描目標(biāo)物。三維激光掃描儀掃描速度快、精度高，能在小車和大車機(jī)構(gòu)高速運(yùn)行過(guò)程中消除干擾因素對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行精確掃描。目標(biāo)物包括自動(dòng)化箱區(qū)的集裝箱、內(nèi)外集卡車輪廓、內(nèi)外集卡所載集裝箱。如圖2所示。

圖2 小車架平臺(tái)上安裝的三維激光掃描儀

系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）系統(tǒng)能對(duì)箱區(qū)輪廓進(jìn)行掃描，自動(dòng)識(shí)別小車方向和大車方向的各種箱型，如45 ft、40 ft、20 ft，并能掃描出集裝箱的高度、寬度和箱間的間隙尺寸（排間隙及貝位間隙）。掃描出的信息跟TOS系統(tǒng)傳來(lái)的箱區(qū)信息作比較，校驗(yàn)其一致性，通過(guò)確認(rèn)后的集裝箱輪廓可以計(jì)算出集裝箱的防碰撞距離，完成對(duì)小車的減速和停車控制。

2）系統(tǒng)根據(jù)三維激光掃描儀讀取的集裝箱輪廓信息，計(jì)算出最優(yōu)路線，系統(tǒng)引導(dǎo)吊具停在待裝集裝箱位置或集卡正上方，并控制吊具下降至安全高度，然后提示遠(yuǎn)程操作員進(jìn)入手動(dòng)作業(yè)狀態(tài)。

對(duì)于三維激光掃描儀，為保證其測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在每個(gè)箱區(qū)入口ARMG軌距內(nèi)安裝1個(gè)目標(biāo)定位矯正裝置。如圖3所示。

圖3 TPS矯正裝置

2.3 增加集卡引導(dǎo)定位系統(tǒng)

RMG傳統(tǒng)方法依靠集卡司機(jī)通過(guò)個(gè)人目測(cè)，前后反復(fù)移動(dòng)集卡，完成集卡與吊具對(duì)位。傳統(tǒng)方法降低了RMG裝卸速度，且吊具、集裝箱與集卡間的碰撞難以避免。ARMG增加集卡引導(dǎo)定位系統(tǒng)，采用基于二維（單車道或車道在軌道側(cè)方案）、三維激光掃描儀（雙車道，作業(yè)車道與軌道之間有超車道方案）的方式，實(shí)現(xiàn)集卡快速精確定位。三維激光掃描儀安裝在 ARMG大梁上、二維激光掃描儀安裝在 ARMG大腿橫梁處，用于對(duì)內(nèi)外集卡進(jìn)行停車引導(dǎo)，并采用 LED顯示屏顯示集卡對(duì)位信息（前進(jìn)或后退方向、距離等信息），及時(shí)提示集卡司機(jī)調(diào)整?？课恢茫瑢?shí)現(xiàn) ARMG軌距內(nèi)作業(yè)的空載和重載集卡精確對(duì)位，使集卡預(yù)先準(zhǔn)確停在ARMG起吊位置，減輕司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高集裝箱的裝卸效率。如圖4所示。

圖4 集卡引導(dǎo)定位技術(shù)

2.4 自動(dòng)著箱系統(tǒng)

具備以上各項(xiàng)自動(dòng)化功能（ARMG三大機(jī)構(gòu)定位、目標(biāo)定位、集卡定位及引導(dǎo)、吊具定位及微動(dòng)）后，ARMG在堆場(chǎng)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)需人工干預(yù)的自動(dòng)著箱功能，為了保證安全，外集卡進(jìn)行裝卸箱作業(yè)需要遠(yuǎn)程操作人員遠(yuǎn)控實(shí)現(xiàn)。

2.5 增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控主要由安裝于 ARMG上面的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)完成，全程作業(yè)操作中能及時(shí)且清晰地監(jiān)視全方位的工作視角及周圍工作環(huán)境。前端攝像頭布置情況如表1所示。

各攝像頭的主要功能如下：

1）通過(guò)吊具鎖孔攝像頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)著箱功能，保證外集卡作業(yè)時(shí)遠(yuǎn)程手動(dòng)操作的準(zhǔn)確高效；

2）整體全景攝像頭用來(lái)查看吊具上架平臺(tái)電纜卷盤情況及作業(yè)過(guò)程中ARMG正下方情況；

3）集卡車道全景攝像頭用來(lái)觀測(cè)集卡車道的情況；

4）大機(jī)過(guò)街?jǐn)z像頭用于中控室操作人員手動(dòng)控制過(guò)街時(shí)，對(duì)前后兩個(gè)方向的道路狀況進(jìn)行觀察，保證過(guò)街安全；

5）集卡車道前后攝像頭安裝于ARMG集卡車道側(cè)大車門腿，主要用于觀察作業(yè)車道的集卡鎖頭，以保證大機(jī)對(duì)集卡進(jìn)行裝箱作業(yè)時(shí)，集卡前后鎖頭對(duì)鎖情況，充分保證裝卸作業(yè)安全；

6）大機(jī)行走攝像頭在ARMG大機(jī)行走時(shí)用于查看大車方向的障礙物，確保安全。

表1 前端攝像頭布置情況

2.6 增加集卡車牌號(hào)識(shí)別系統(tǒng)

圖5 自動(dòng)化堆場(chǎng)入口處RFID初檢

圖6 ARMG上RFID校驗(yàn)

采用雙重RFID校驗(yàn)集卡信息，在集卡車道入口及 ARMG大機(jī)安裝有源 RFID讀卡器（型號(hào)一致），以獲取與集卡綁定的標(biāo)簽信息（內(nèi)外集卡均需配置RFID卡）。當(dāng)集卡集卡車道入口時(shí)，將識(shí)別集卡上的RFID卡，將信息通知給ARMG，ARMG預(yù)先進(jìn)行裝卸作業(yè)安排。集卡到達(dá)堆場(chǎng)后，ARMG上RFID系統(tǒng)自動(dòng)讀取車輛信息，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析，把集卡車牌號(hào)等信息發(fā)給 TOS系統(tǒng)處理相關(guān)作業(yè)任務(wù)，自動(dòng)核對(duì) ARMG作業(yè)的集裝箱是否與集卡信息匹配。

2.7 增加集裝箱號(hào)碼識(shí)別及箱門檢測(cè)系統(tǒng)

為滿足 ARMG作業(yè)時(shí)的集裝箱號(hào)自動(dòng)識(shí)別需求，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)接作業(yè)管理系統(tǒng)及對(duì)應(yīng) ARMG的PLC，獲取作業(yè)工況類型、起箱高度、作業(yè)集裝箱箱號(hào)等信號(hào)，箱號(hào)及箱門自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)觸發(fā)啟用集裝箱號(hào)監(jiān)控相機(jī)截取相應(yīng)箱號(hào)圖像，采用圖像分析、信號(hào)處理、模式識(shí)別等技術(shù)，對(duì)畫面中包含集裝箱號(hào)及箱門的圖像進(jìn)行字符定位、字符分割、字符識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集裝箱號(hào)及箱門的自動(dòng)化識(shí)別。

2.8 增加集卡防吊起保護(hù)系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)外集卡防吊起保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用較為成熟方法為：激光傳感器安裝在集卡車道面大車橫梁處，能夠檢測(cè)一定范圍的障礙物，用于檢測(cè)集卡與集裝箱是否有效分離，避免因集卡與集裝箱間的轉(zhuǎn)鎖未拆造成集卡被吊起，該方法適合集卡作業(yè)車道與 ARMG大車軌道相鄰的方案。對(duì)于集卡作業(yè)車道與ARMG大車軌道間增加布置了超車道的方案，出于安全考慮，為了避免超車道車輛對(duì)集卡防吊起保護(hù)系統(tǒng)造成信號(hào)干擾，本工程集卡防吊起保護(hù)系統(tǒng)采用在 ARMG大梁上安裝集卡掃描系統(tǒng)（三維激光掃描儀），通過(guò)掃描作業(yè)車道集卡輪廓判斷集卡是否被吊起，實(shí)現(xiàn)集卡防吊起保護(hù)功能。

2.9 增加大車防撞保護(hù)系統(tǒng)

ARMG的大車防撞保護(hù)系統(tǒng)主要包括：

1）ARMG在堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)的防碰撞技術(shù)；

2）ARMG與集卡間的防碰撞技術(shù)；

3）相鄰兩臺(tái)ARMG之間的防碰撞技術(shù)；

4）ARMG與其他障礙物之間的防碰撞技術(shù)。

2.10 其他部分的改造

1）對(duì)軌道基礎(chǔ)及箱角基礎(chǔ)進(jìn)行改造。為提高作業(yè)效率，需對(duì)RMG大車的軌道進(jìn)行了調(diào)平調(diào)直的修復(fù)；對(duì)集裝箱箱區(qū)鋪面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使得重箱堆箱區(qū)的地面坡角接近零度角，可采用條基基礎(chǔ)。

2）對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造?？刂葡到y(tǒng)使得 1個(gè)遠(yuǎn)程控制臺(tái)可以同時(shí)監(jiān)控6臺(tái)及以上ARMG的作業(yè)，操作員可通過(guò)中控室遠(yuǎn)程操作臺(tái)完成對(duì)ARMG的監(jiān)控和操作。無(wú)論是裝載或者卸載作業(yè)，大部分的操作都自動(dòng)完成，ARMG的作業(yè)指令來(lái)自TOS，可實(shí)現(xiàn)帶路徑優(yōu)化的自動(dòng)運(yùn)行、堆場(chǎng)自動(dòng)著箱等功能，中控室操作員只需要在車道集卡安全高度以上手動(dòng)接管吊具的下降、著箱和開閉鎖等有限幾個(gè)動(dòng)作，用以確保安全。RMG的手動(dòng)和自動(dòng)操作能做到無(wú)縫切換。

3 某港應(yīng)用實(shí)例

某港集裝箱碼頭的31臺(tái)RMG通過(guò)以上10個(gè)方面的升級(jí)改造，于 2019年全部上線運(yùn)行，并取得了良好的效果。ARMG的平均作業(yè)效率由原 20自然箱/小時(shí)增加至約24自然箱/小時(shí)；ARMG操作人員減少約100人，且大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；自動(dòng)化技術(shù)使得 ARMG輕拿輕放、精準(zhǔn)對(duì)位，提供了設(shè)備的使用壽命，減少了安全事故。

4 結(jié) 語(yǔ)

ARMG的遠(yuǎn)程自動(dòng)化是全自動(dòng)集裝箱碼頭的基礎(chǔ)技術(shù)之一，具有作業(yè)人員少、運(yùn)營(yíng)成本低、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，有利于推進(jìn)智慧港口發(fā)展建設(shè)。本文提供的 RMG自動(dòng)化改造技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)集裝箱碼頭的創(chuàng)新發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)具有十分重要的借鑒意義。