王 勇

（天津港聯(lián)盟國際集裝箱碼頭有限公司，天津 300461）

引言

集裝箱碼頭進(jìn)入了智慧港口的新時代，大型設(shè)備的自動化升級改造已成為智慧港口建設(shè)的重要內(nèi)容，RTG 作為堆場作業(yè)的主力裝卸設(shè)備的自動化改造是傳統(tǒng)人工堆場向自動化堆場升級的主要工作之一。

RTG 自動化改造需要實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，其中大車機(jī)構(gòu)定位精度要求為厘米級，因為受到輪胎胎壓、跑道設(shè)施、大車糾偏等因素的影響，大車機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位難度較大，是RTG 自動化改造的關(guān)鍵技術(shù)。隨著GPS定位精度的提高，利用GPS技術(shù)進(jìn)行RTG精準(zhǔn)定位成為可能，本文通過對GPS 定位在天津港聯(lián)盟國際碼頭RTG 自動化升級項目中的方案展示，對GPS 定位技術(shù)在RTG 自動化改造中相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行探索，旨在為GPS 定位技術(shù)在港口設(shè)備自動化建設(shè)改造中的應(yīng)用推廣提供啟發(fā)和參考。

1 工程概述

天津港聯(lián)盟國際集裝箱碼頭有限公司位于北疆港區(qū)，本次RTG 自動化改造項目包括輪胎式場橋33 臺，改造后能實現(xiàn)全自動、半自動和遠(yuǎn)程操控三種作業(yè)模式。大車定位的需求在厘米級，大車定位的方案采用GPS 定位和原低架滑觸線上布置二維碼定位的冗余方案。結(jié)合實際作業(yè)的需求，在不同場景進(jìn)行了不同功能的開發(fā)應(yīng)用。

1.1 GPS 系統(tǒng)應(yīng)用功能

1）利用GPS 系統(tǒng)進(jìn)行場地測繪

根據(jù)碼頭實際位置及布局，采用GPS 系統(tǒng)對碼頭進(jìn)行整體測繪，獲取碼頭三維數(shù)據(jù)。通過三維數(shù)據(jù)建模觀測碼頭堆場信息，包括場地大小、貝位間距、場地高差（或地面沉降）等。

將碼頭場地內(nèi)測繪到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，為后續(xù)設(shè)備定位標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，為碼頭場地基建改造優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

2）利用GPS 系統(tǒng)對全場RTG 位置進(jìn)行實時定位

將GPS 系統(tǒng)應(yīng)用于RTG 設(shè)備終端，通過解算定位報文將經(jīng)緯度等坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)信息，將當(dāng)前獲取到的三維坐標(biāo)信息與測繪到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計算，即可得到當(dāng)前設(shè)備在整個碼頭中的位置信息，其他RTG 設(shè)備終端依此類推，獲取自身位置信息。通過GPS 對碼頭上所有設(shè)備終端進(jìn)行實時定位。

3）利用GPS 系統(tǒng)實現(xiàn)RTG 雙側(cè)糾偏及定位

在碼頭生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)大車糾偏異常、大車傾斜、定位不準(zhǔn)導(dǎo)致作業(yè)過程中著箱困難，影響作業(yè)效率。通過GPS 系統(tǒng)實現(xiàn)RTG 海陸側(cè)、大小貝雙側(cè)糾偏及定位，確保RTG 位置狀態(tài)正常，提高生產(chǎn)效率。

4）利用GPS 替換原有設(shè)備對位區(qū)點位信息解決大車特殊位置對位困難問題

RTG 進(jìn)行進(jìn)出場橋作業(yè)時，需要進(jìn)行取電小車對位操作。人工場橋作業(yè)時，依靠司機(jī)經(jīng)驗和噴漆的對位標(biāo)識進(jìn)行對位，效率較低尤其在夜間，影響RTG 轉(zhuǎn)過場時間。利用GPS 系統(tǒng)建立一個立體的坐標(biāo)軸，根據(jù)對位區(qū)的坐標(biāo)信息和大車的坐標(biāo)信息，可以實現(xiàn)快速精確的對位操作。

2 GPS 應(yīng)用方案

2.1 GPS 差分終端部署

為保證實施效果，對部署的位置選定在辦公樓的樓頂，選擇考慮的因素如下：

1）盡量選擇高處、空曠的位置，保證天線位置水平線10 °以上沒有遮擋；2）與易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地物（如高大建筑、樹木、大面積水域等）的距離不小于200 m；3）距電磁干擾區(qū)（如微波站、無線電發(fā)射臺、高壓線穿越地帶等）的距離不小于200 m；4）避開易產(chǎn)生振動的地帶，并保證GNSS天線的牢固性和安全性；5）基站配置一個接收機(jī)、電臺發(fā)射天線、GNSS 天線等，如圖1。

圖1 基站配置示意圖

基準(zhǔn)站位置選好后，首先進(jìn)行信號質(zhì)量測試，查看搜星情況是否良好。衛(wèi)星信號質(zhì)量滿足要求后，最終確定基站的架設(shè)位置。

表1 測試衛(wèi)星數(shù)量結(jié)果

2.2 RTG 移動站接收端部署

其次在RTG 小車頂部，海陸側(cè)兩端大梁對角處各安裝一個移動站接收端，用于檢測RTG 海陸側(cè)位置信息，為大車定位、糾偏提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 基站雙備份

采用GPS 系統(tǒng)，所有移動站依賴基站接收的數(shù)據(jù)，因此基站穩(wěn)定性尤為重要，需要對基站進(jìn)行雙備份，否則當(dāng)基站出現(xiàn)異常，所有移動站設(shè)備將無法進(jìn)行定位、對碼頭生產(chǎn)作業(yè)秩序造成較大影響。

通過架設(shè)備用基站，當(dāng)原基站出現(xiàn)異常時可快速進(jìn)行切換，避免生產(chǎn)任務(wù)長時間停止，如圖2。

圖2 GPS 基站備份圖

2.4 場地測繪

通過手持移動站或RTG 上安裝的移動站，對全場地進(jìn)行數(shù)據(jù)測繪，并將測繪到的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)錄入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，作為場地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將碼頭中的堆場位置、橫縱過道(或經(jīng)緯路)分割成N 個矩形坐標(biāo)區(qū)域，并記錄每個矩形區(qū)域?qū)?yīng)的位置信息，以此來確定終端設(shè)備所在區(qū)域?qū)崟r位置。

通過移動站獲取并記錄每一個堆場內(nèi)對應(yīng)的貝位坐標(biāo)信息、列位置信息、車道信息、高度信息等，為自動化堆場系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

2.5 RTG 實時定位

通過GPS 系統(tǒng)場地測繪提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及RTG 移動站實時數(shù)據(jù)，計算出當(dāng)前RTG 所在位置，并將位置信息發(fā)送給ECS 系統(tǒng)終端。ECS 收集獲取到的所有RTG 位置信息，并提供所有RTG 位置信息數(shù)據(jù)共享接口。自動化堆場系統(tǒng)在獲取到所有RTG 位置信息后，根據(jù)RTG 位置信息、作業(yè)任務(wù)信息、作業(yè)效率信息、作業(yè)狀態(tài)等信息，實現(xiàn)智能調(diào)度，提高RTG 利用率，減少空置時間，如圖3。

圖3 ECS 結(jié)構(gòu)圖

圖4 糾偏原理圖

本方案在獲取到RTG 經(jīng)緯度信息后，通過excel 將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)，利用算法及圖形實現(xiàn)動態(tài)位置顯示。

2.6 RTG 雙側(cè)糾偏

利用GPS 系統(tǒng)實現(xiàn)RTG 自動糾偏。通過在RTG 小車頂部，海陸側(cè)各安裝的移動站，實現(xiàn)雙側(cè)糾偏。

1）GPS 海陸側(cè)自動糾偏方式。

在海陸側(cè)對角處安裝的GPS-1、GPS-2 移動站，測量GPS-2 與GPS-1 實際位置差，虛擬出GPS-2’。通過GPS-1、GPS-2’與海側(cè)(或陸側(cè))糾偏基準(zhǔn)線實時位置差，計算出RTG 海陸糾偏差值。通過海陸側(cè)糾偏差值PLC 動態(tài)調(diào)整大車位置狀態(tài)實現(xiàn)海陸側(cè)自動糾偏。

2）GPS 大小貝自動糾偏及定位方式。

在海陸側(cè)對角處安裝的GPS-1、GPS-2 移動站，測量GPS-2 與GPS-1 實際位置差，虛擬出GPS-2’。通過GPS-1、GPS-2’與大貝目標(biāo)位置基準(zhǔn)線實時差值，計算出RTG 海陸側(cè)在大小貝方向的差值。通過獲取到海陸側(cè)在大小貝方向的差值實現(xiàn)大小貝方向大車自動糾偏，防止大車從“矩形狀態(tài)”變成“平行四邊形狀態(tài)”。當(dāng)大車為“平行四邊形狀態(tài)”時，大車在位置不動的情況下，箱區(qū)第一列與最后一列在大小貝方向相差較大，造成吊具著箱對位困難。

2.7 RTG 自動定位

通過測繪到的場地、貝位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與當(dāng)前RTG安裝的移動站獲取到的實時位置信息，獲取到RTG與作業(yè)指令目標(biāo)位距離差值，根據(jù)獲取到的當(dāng)前位置與目標(biāo)位置位置關(guān)系，計算出大車需要移動的方向及距離，如圖5。

圖5 自動定位計算示意圖

同理，利用GPS 替換原有設(shè)備對位區(qū)點位信息，根據(jù)RTG 當(dāng)前位置和目標(biāo)位置（對位區(qū)GPS坐標(biāo)），計算出小車需要移動的方向和距離，以解決取電小車對位困難問題。

3 實施效果和不足

3.1 實施效果

依托天津港聯(lián)盟國際碼頭RTG 改造項目，進(jìn)行了技術(shù)方案實施和驗證，實施效果如下：

1）通過GPS 系統(tǒng)，實現(xiàn)了全局定位功能。此定位系統(tǒng)涵蓋了碼頭地形，海側(cè)陸側(cè)大貝小貝方向，碼頭內(nèi)所有RTG。為碼頭自動化提供了精確的位置信息；

2）雙側(cè)GPS 糾偏方案相比傳統(tǒng)的激光加滑觸線糾偏方案，其一在進(jìn)行海陸側(cè)糾偏的同時可以對大小貝實現(xiàn)自動糾偏，可以更有效的防止RTG 出現(xiàn)“平行四邊形”的情況；其二可以有效的減少對滑觸線等基礎(chǔ)建設(shè)的依賴；

3）實現(xiàn)GPS 基站主機(jī)熱切功能。當(dāng)現(xiàn)場作業(yè)出現(xiàn)不可控原因?qū)е抡Ｊ褂玫幕境霈F(xiàn)問題時，可以進(jìn)行主機(jī)熱切換，保證作用正常進(jìn)行；

4）利用GPS 替換原有設(shè)備對位區(qū)點位信息。傳統(tǒng)對位操作中使用激光雷達(dá)進(jìn)行對位，定位不精準(zhǔn)，對位困難，導(dǎo)致對位操作耗時長，工作效率低。本方案利用GPS 系統(tǒng)，根據(jù)對位區(qū)的坐標(biāo)信息和大車的坐標(biāo)信息，可以實現(xiàn)快速精確的對位操作。

3.2 實施中的不足

1）衛(wèi)星數(shù)量、云層的遮擋對數(shù)據(jù)報文有一定的影響，會產(chǎn)生浮動解和固定解的數(shù)據(jù)差異，對設(shè)備定位精度有一定的影響；

2）基站位置選擇有一定的要求限制，需要避開電磁干擾區(qū)。

4 結(jié)語

RTG是集裝箱碼頭堆場的主力裝卸設(shè)備，由于其轉(zhuǎn)過場靈活，設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施投資少，被集裝箱碼頭廣泛采用，以天津港為例現(xiàn)存人工輪胎式場橋約150臺。近年來，各碼頭開始大規(guī)模進(jìn)行設(shè)備自動化升級，RTG大車機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位技術(shù)的研究成為設(shè)備自動化升級的重要關(guān)鍵技術(shù)之一。

通過對GPS系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了RTG大車機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位。在此基礎(chǔ)，進(jìn)行場橋自動糾偏、場橋進(jìn)出場對位輔助、雙基站切換等相關(guān)功能的開發(fā)。為RTG的自動化改造提供了成熟的方案，并且與磁釘?shù)榷ㄎ环桨赶啾?，采用GPS系統(tǒng)定位方案有投資少、無土建施工、施工工藝方便、后期維修方便等優(yōu)點，一定能在RTG的自動化升級改造中得到廣泛的推廣和使用。