李洪建

天津港焦炭碼頭有限公司

1 引言

港口人工智能應(yīng)用發(fā)展迅速，裝載機(jī)作為通用泊位碼頭散貨裝卸生產(chǎn)中的主力機(jī)型，無(wú)論是進(jìn)口設(shè)備還是國(guó)產(chǎn)設(shè)備，除發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱控制系統(tǒng)外，電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等控制方式仍為常規(guī)控制，受設(shè)備自身技術(shù)條件的限制和復(fù)雜作業(yè)工況的影響，針對(duì)裝載機(jī)的智能技術(shù)應(yīng)用一直處于研究探索階段。借鑒國(guó)內(nèi)外智能采礦寬體自卸車(chē)和道路施工中推土機(jī)、壓路機(jī)的自動(dòng)化成功案例，提出“5G遙控+半智能”限制條件下的無(wú)人駕駛自主作業(yè)操控方案。

2 裝載機(jī)典型智能場(chǎng)景分析

裝載機(jī)主要用于裝車(chē)、歸垛和下倉(cāng)作業(yè)。裝車(chē)作業(yè)耗時(shí)最長(zhǎng)，為避免疏港車(chē)輛超載，裝車(chē)時(shí)稱重計(jì)量，尤其最后一斗要根據(jù)單車(chē)?yán)塾?jì)重量，增加或抖落部分貨物以更接近限重值。下倉(cāng)作業(yè)最為復(fù)雜，操作技術(shù)要求高，剛下倉(cāng)時(shí)要盡快打開(kāi)工作面，根據(jù)貨物流動(dòng)性，選擇不同的鏟運(yùn)或歸堆模式，作業(yè)中需避免鏟壞水倉(cāng)井蓋和撞損舷梯等船具設(shè)施。歸垛作業(yè)需要司機(jī)根據(jù)貨物堆積狀態(tài)，選擇好歸垛角度，將貨物堆到預(yù)定高度。該作業(yè)過(guò)程為3個(gè)工況中單循環(huán)時(shí)間最短的，但需要頻繁切換檔位以提升掘進(jìn)鏟運(yùn)效率。

裝車(chē)、歸垛和下倉(cāng)3種工況操作技術(shù)要求各異，目前不具備人工智能的全工況應(yīng)用。碼頭前沿和堆場(chǎng)內(nèi)都存在歸垛工況，堆場(chǎng)內(nèi)的歸垛工作量大，受場(chǎng)地條件限制工作面狹小，相鄰或其他區(qū)域的裝卸作業(yè)又會(huì)形成交通干擾因素，非最佳典型場(chǎng)景。碼頭歸垛工況條件較為寬松，出口裝船時(shí)只有歸垛作業(yè)工況，裝載機(jī)僅承擔(dān)倒運(yùn)后的貨物歸垛或配合門(mén)座起重機(jī)抓斗抓取后的貨物歸垛，每個(gè)歸垛作業(yè)循環(huán)時(shí)間在20 s左右，具備一人遠(yuǎn)程操控多臺(tái)裝載機(jī)的可能性。碼頭歸垛工況是理想的智能化典型場(chǎng)景，是裝載機(jī)智能化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)突破的最佳切入點(diǎn)。

3 裝載機(jī)智能化改造方案

3.1 搭建5G通訊網(wǎng)絡(luò)

5G通訊具有毫秒級(jí)超低時(shí)延特性，為遠(yuǎn)距離條件下的機(jī)械操控和作業(yè)監(jiān)控提供了可行的技術(shù)方案。散貨碼頭前沿區(qū)域均建有防風(fēng)網(wǎng)和高桿燈塔等設(shè)施，通過(guò)在這些設(shè)施上增設(shè)5G基站，實(shí)現(xiàn)碼頭前沿區(qū)域無(wú)線信號(hào)的全覆蓋，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的裝載機(jī)之間能夠進(jìn)行信息互聯(lián)互通，滿足實(shí)時(shí)操控要求。

3.2 升級(jí)操控系統(tǒng)

對(duì)傳統(tǒng)裝載機(jī)進(jìn)行智能化升級(jí)，必須進(jìn)行電控技術(shù)改造，增加I/O信息交互功能。液壓系統(tǒng)的先導(dǎo)控制升級(jí)為比例控制，使電液比例信號(hào)與邏輯控制程序?qū)印＿M(jìn)一步優(yōu)化操作控制和反饋程序，增設(shè)系統(tǒng)自檢和互鎖保護(hù)功能，確?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

系統(tǒng)根據(jù)不同輸入信號(hào)狀態(tài)經(jīng)邏輯控制運(yùn)算后輸出動(dòng)力控制信號(hào)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓泵站和閥組等，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合。為使控制邏輯滿足工況要求，對(duì)司機(jī)操作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)作分解，確定不同信號(hào)狀態(tài)和具體參數(shù)值，找準(zhǔn)邏輯控制規(guī)律，形成不同工況下的動(dòng)力控制模塊組，將人工經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為邏輯控制語(yǔ)言，使智能化操作過(guò)程順暢和高效。

3.3 增設(shè)智能控制系統(tǒng)

裝載機(jī)散貨作業(yè)工況存在道路行駛和操控的復(fù)雜性，需要頻繁換檔和動(dòng)態(tài)避讓高空抓斗，可應(yīng)用高清地圖、北斗差分定位等技術(shù)，且相應(yīng)邏輯算法需進(jìn)一步調(diào)整或重新優(yōu)化。

通過(guò)差分定位和設(shè)備姿態(tài)數(shù)據(jù)自主計(jì)算運(yùn)行軌跡和路線，裝載機(jī)無(wú)人駕駛精度可達(dá)到厘米級(jí)，保證路徑準(zhǔn)確與精準(zhǔn)停靠，避免裝載機(jī)越界增加安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)人形和車(chē)形識(shí)別功能，判斷取樣、撿雜和更換屬具時(shí)的人機(jī)相對(duì)位置，遇有人機(jī)交叉風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行減速或者強(qiáng)制停車(chē)的處理[1]。裝載機(jī)裝車(chē)和下倉(cāng)作業(yè)還需由司機(jī)人工操控，系統(tǒng)需具備智能遠(yuǎn)程操作和手動(dòng)駕駛兩種模式的切換功能，作為全智能化前的應(yīng)對(duì)措施。

貨垛垛形動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)要判斷貨垛高度、貨物集港的位置和貨垛變化，根據(jù)動(dòng)態(tài)識(shí)別結(jié)果合理界定歸垛順序和方式。針對(duì)獨(dú)立區(qū)域貨物歸垛時(shí)，自主設(shè)定歸垛切入點(diǎn)和歸垛方式，與人工操作相比更精準(zhǔn)、更規(guī)范。

3.4 開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程管控和交互系統(tǒng)

遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)會(huì)準(zhǔn)確記錄發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、制動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓泵站等關(guān)鍵部件的運(yùn)行時(shí)間和頻率，提示部件的精準(zhǔn)維護(hù)計(jì)劃；出現(xiàn)故障或事故時(shí)，系統(tǒng)能回放現(xiàn)場(chǎng)全景圖像，更加直觀準(zhǔn)確地查找問(wèn)題原因。監(jiān)控人員通過(guò)5G回傳的實(shí)時(shí)圖像遠(yuǎn)程監(jiān)控裝載機(jī)自主作業(yè)狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)狀況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)提示并請(qǐng)求接管設(shè)備，監(jiān)控人員通過(guò)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)操控裝置干預(yù)裝載機(jī)，警報(bào)解除并經(jīng)監(jiān)控人員確認(rèn)后轉(zhuǎn)入監(jiān)控狀態(tài)。每次干預(yù)過(guò)程都會(huì)被記錄在歷史檔案中，研發(fā)人員定期收集歷史資料，修正算法，逐步減少遠(yuǎn)程干預(yù)頻率，提升智能作業(yè)水平。

與生產(chǎn)系統(tǒng)交互，使現(xiàn)場(chǎng)秩序管控更智慧。分析運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)出閘口和衡重等信息，判斷是否長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，以便在生產(chǎn)空擋時(shí)停機(jī)值守；根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)中不同船艙裝貨效率差異，提示遠(yuǎn)程人員調(diào)整作業(yè)線機(jī)械配置數(shù)量。

4 裝載機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鏟斗狀態(tài)控制

歸垛作業(yè)既要貨物歸攏到位，也要保證鏟斗韌板與碼頭面層之間的摩擦阻力適當(dāng)，需要在控制鏟斗鏟貨姿態(tài)的同時(shí)合理施加鏟斗與地面的壓力，并隨著鏟斗韌板的磨損自動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)。作業(yè)中通過(guò)貨物圖像掃描分析，確定歸垛路線和車(chē)輛行駛速度，以歸集地面零散貨物后，精準(zhǔn)找到貨垛切入點(diǎn)，使所歸貨物不從鏟斗近端溢出，造成重復(fù)歸垛，影響作業(yè)效率。

由于船艙裝貨進(jìn)度的差異和門(mén)座起重機(jī)抓取位置的不同，垛形變化是不規(guī)律的，智能系統(tǒng)要及時(shí)識(shí)別待作業(yè)的區(qū)域，選定作業(yè)通道，適時(shí)歸堆干預(yù)，以保證每條裝船作業(yè)線的正常作業(yè)。船舶接近完工收尾時(shí)，待裝貨物減少，由歸高模式變?yōu)闅w堆模式，需要多角度歸垛歸攏貨物，收尾階段系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警，提示遠(yuǎn)程人員輔助做好監(jiān)管。

4.2 構(gòu)建立體安全防護(hù)體系

智能化作業(yè)必須保證機(jī)械自身安全和區(qū)域人機(jī)安全，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析避免危險(xiǎn)因素疊加。車(chē)載系統(tǒng)自身有穩(wěn)定性控制功能，避免前輪爬垛極限工況下機(jī)械失穩(wěn)。在開(kāi)頂箱卸貨、環(huán)保抑塵、鏟運(yùn)屬具和貨物取樣等環(huán)節(jié)，其他機(jī)械和人員都可能與裝載機(jī)出現(xiàn)交叉作業(yè)增加安全風(fēng)險(xiǎn)，并且裝載機(jī)歸垛過(guò)程也要避讓空中抓斗。裝載機(jī)智能作業(yè)中需要實(shí)時(shí)識(shí)別周邊環(huán)境的變化，提示人機(jī)交叉、機(jī)機(jī)交叉風(fēng)險(xiǎn)，在風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到避讓程度時(shí)，裝載機(jī)會(huì)主動(dòng)撤離或避讓?zhuān)淮L(fēng)險(xiǎn)值降低到允許范圍內(nèi)再進(jìn)入作業(yè)狀態(tài)，期間提示遠(yuǎn)程監(jiān)控人員對(duì)周邊人機(jī)進(jìn)行干預(yù)。

受照明條件、雨雪季節(jié)和場(chǎng)地平整度的限制，地面反光、倒影、積雪覆蓋和苫蓋網(wǎng)覆蓋等因素都會(huì)降低圖像識(shí)別效果，影響裝載機(jī)自主操作狀態(tài)，因此需提高圖像識(shí)別效率，有效應(yīng)對(duì)自然條件等因素造成的干擾。另外，異物夾雜會(huì)影響貨物質(zhì)量，必須輔助圖像識(shí)別等技術(shù)手段提升作業(yè)中異物識(shí)別精度。

4.3 人工與自主學(xué)習(xí)互動(dòng)

裝載機(jī)智能作業(yè)初期，需要依賴預(yù)設(shè)好的數(shù)據(jù)庫(kù)模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)收集分析選擇預(yù)設(shè)的歸垛數(shù)據(jù)模型，在模型基礎(chǔ)上，依據(jù)可以測(cè)量的實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行自主行走、鏟裝和避讓等動(dòng)作[2]。同時(shí)系統(tǒng)可以記錄人工作業(yè)數(shù)據(jù)，與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，評(píng)價(jià)人工模式和自主作業(yè)模式的區(qū)別，提出數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化建議，提高系統(tǒng)內(nèi)的歸垛數(shù)據(jù)庫(kù)模型與實(shí)際作業(yè)的匹配性。

為提升智能作業(yè)水平，要增加機(jī)器自學(xué)習(xí)控制算法，通過(guò)自主試驗(yàn)—驗(yàn)證—再試驗(yàn)的過(guò)程，驗(yàn)證典型事件處理的邏輯合理性，迭代升級(jí)智能駕駛算法，將人工駕駛經(jīng)驗(yàn)融入自學(xué)習(xí)中，形成智能駕駛算法，達(dá)到智能駕駛操作優(yōu)于人工操作的目的。

5 裝載機(jī)智能化應(yīng)用前景

裝載機(jī)智能化應(yīng)用復(fù)雜程度有別于現(xiàn)有集卡或礦卡，除自動(dòng)駕駛之外還要自主作業(yè)，智能化應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)難度更大。碼頭前沿自主歸垛只是智能化應(yīng)用的第一步，在此基礎(chǔ)上推廣到貨場(chǎng)歸垛、裝車(chē)、下倉(cāng)作業(yè)工況中。

裝車(chē)環(huán)節(jié)需要識(shí)別車(chē)輛信息和車(chē)輛衡重?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)不同車(chē)型的限重要求進(jìn)行精準(zhǔn)裝載。下倉(cāng)作業(yè)環(huán)節(jié)需要借助懸掛艙口處的便攜5G中轉(zhuǎn)裝置，將艙內(nèi)封閉環(huán)境下的數(shù)據(jù)和圖像信息實(shí)時(shí)回傳，結(jié)合船圖實(shí)際避讓水艙蓋、舷梯等設(shè)施，根據(jù)貨物比重和船型等條件選擇“鏟或歸”作業(yè)方式，以滿足門(mén)座起重機(jī)抓斗抓取要求。裝車(chē)和下倉(cāng)兩個(gè)工況中智能化系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、自動(dòng)過(guò)衡數(shù)據(jù)的交互更加頻繁，作業(yè)數(shù)據(jù)模型和自主學(xué)習(xí)邏輯設(shè)計(jì)難度更大。

裝載機(jī)只有全智能化后才具有全社會(huì)推廣應(yīng)用價(jià)值，需在研發(fā)單位、港口企業(yè)和智能開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)等單位的共同努力下，解決諸多不確定性，實(shí)現(xiàn)提高裝卸服務(wù)質(zhì)量、效率和降低安全風(fēng)險(xiǎn)等目標(biāo)。還可實(shí)現(xiàn)一人遠(yuǎn)程控制多機(jī)，由智能化操作替代重復(fù)性、強(qiáng)度大的勞動(dòng)，從特定場(chǎng)景向全場(chǎng)景過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)全智能作業(yè)，使駕駛操作、調(diào)度指揮、安全監(jiān)控等崗位職能融合，進(jìn)一步優(yōu)化通用泊位散貨碼頭企業(yè)的人力資源配置。

6 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)的智能化運(yùn)行，提出了“5G遙控+半智能”限制條件下的無(wú)人駕駛自主作業(yè)操控方案，探討了裝載機(jī)智能化的路徑、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和制約因素，以提升通用泊位散貨裝卸的智能化水平。