曹 民， 朱愛璽， 黃秀松， 同寧方

(1. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院， 上海 200093;2. 上海海勃物流軟件有限公司， 上海 200080)

隨著國內(nèi)外貿(mào)易的不斷發(fā)展，集裝箱碼頭的吞吐量不斷攀升，集裝箱儲運(yùn)效率成為影響進(jìn)疏港周期、物流服務(wù)水平和供應(yīng)鏈成本的關(guān)鍵因素。目前集裝箱堆場的裝卸作業(yè)基本上依靠人工操控完成，普遍存在作業(yè)效率低、運(yùn)行能耗高、勞動強(qiáng)度大和安全隱患多等問題。在堆場進(jìn)出箱作業(yè)過程中，輪胎吊司機(jī)首先通過目測感知輪胎吊下方的箱位和堆高，然后根據(jù)作業(yè)指令提供的目標(biāo)箱位操縱大車、小車和吊具完成裝卸，最后通過目測檢查和確認(rèn)作業(yè)指令的完成情況。為避免人為操作不當(dāng)引發(fā)碰箱事故，場橋操作規(guī)程要求吊具走門框路徑(而不是最短路徑)，因而使作業(yè)效率和運(yùn)行能耗改善受限。為提高集裝箱堆場的作業(yè)效率，只有要求場橋運(yùn)行速度較高、司機(jī)的操控準(zhǔn)快靈活，但受體力、情緒和環(huán)境等因素影響，難免會出現(xiàn)操作失誤，引發(fā)場橋撞箱事故，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

隨著國家節(jié)能減排政策的大力推行，碼頭作業(yè)管理系統(tǒng)(作業(yè)管理TOS)迫切需要集成吊具路徑優(yōu)化控制功能，全面實(shí)現(xiàn)集裝箱堆場的自動化作業(yè)，為港口物流企業(yè)保障安全、降本增效。因此，為改善集裝箱場橋傳統(tǒng)門字路徑作業(yè)的效率和能耗，本文提出根據(jù)碼頭作業(yè)調(diào)度指令、小車載激光掃描定位等信息使吊具沿優(yōu)化路徑作業(yè)的控制方案。[1-5]

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1，主要包括：吊具路徑控制模塊(SRCM)、碼頭作業(yè)管理系統(tǒng)(TOS)、激光掃描測距儀(LMS)、視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)(VSC)、觸控式顯示屏(TS)、主/從站可編程控制器(PLC)、操縱手柄開關(guān)、旋鎖開閉狀態(tài)、小車位置編碼器、吊具位置編碼器、驅(qū)動器及接觸器、小車運(yùn)行電機(jī)、吊具起升電機(jī)和旋鎖開閉機(jī)構(gòu)等組件。該系統(tǒng)的工作原理為：場橋大車停車到位后，SRCM在根據(jù)TOS的調(diào)度指令和小車載LMS的測距信息，按照預(yù)定的掃描定位和路徑優(yōu)化等控制算法對堆場輪廓及吊具進(jìn)行定位識別和路徑優(yōu)化之后，將控制指令發(fā)送至主/從站PLC；主/從站PLC在根據(jù)操縱手柄開關(guān)、旋鎖開閉狀態(tài)、小車和吊具位置編碼器等信息對控制指令進(jìn)行比較、判斷和確認(rèn)之后，通過驅(qū)動器和接觸器驅(qū)動小車運(yùn)行電機(jī)、吊具起升電機(jī)和旋鎖開閉機(jī)構(gòu)，使吊具沿優(yōu)化路徑運(yùn)行到位，同時(shí)將運(yùn)行記錄回傳給SRCM和TOS；當(dāng)接收到操縱手柄開關(guān)信號時(shí)，系統(tǒng)立即將自動模式切換為手動模式，此后恢復(fù)自動模式須手動切換；當(dāng)超出控制范圍或出現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)，故障診斷處理程序可輸出急停和報(bào)警信號。為提高系統(tǒng)安全性和操控便利性，用戶還可通過VSC和TS對作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)視及調(diào)整。

2 控制算法設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖見圖2，主要涉及場橋(1)、小車(2)、吊具(3)、吊具反射板(4)、橫梁(5)、橫梁反射板(6)、激光掃描測距儀(7)、集裝箱(8)和卡車(9)等組件，其中：堆場集裝箱按序縱向堆積在場橋下方；卡車通道位于輪胎吊下方一側(cè)；小車在輪胎吊頂端軌道上水平運(yùn)行；吊具通過吊索與小車上的起升機(jī)構(gòu)相連；橫梁在輪胎吊腿部靠上位置；橫梁反射板垂直安裝在橫梁上；吊具反射板水平安裝在吊具框架頂部，且圓弧形反射面面向激光掃描傳感器(通過反射面上至少3個(gè)連續(xù)的激光掃描點(diǎn)來確定反射面圓心的坐標(biāo)位置)；激光掃描測距儀窗口朝下安裝在小車上，激光掃描面與xOy坐標(biāo)面平行，且與橫梁反射板和吊具反射板相交，在輪胎吊大車停穩(wěn)狀態(tài)下系統(tǒng)根據(jù)定位識別算法和路徑優(yōu)化算法對小車和吊具進(jìn)行運(yùn)動控制。

2.1 定位識別算法

[sbr,θbr]=[s,θ]，xs=sbr·cosθbr，ys=Ys

(1)

2) 吊具反射板的圓心坐標(biāo)及半徑。

xM=xs-sMcosθM，yM=Ys-sMsinθM,

M=m,m-1,m-2

(2)

(3)

(4)

(5)

3) 吊索下索點(diǎn)平面中點(diǎn)在搖擺和平衡位置的坐標(biāo)。當(dāng)滿足|εhr|=|rcc-Rhr|→min且|eh|=|xcc-xs+Wsh-Whr|≤Ehmax時(shí)，有

xhi=xcc-Whr，yhi=ycc-Hhr

(6)

xh=xs-Wsh，yh=Ys+Hsp-

(7)

4) 堆場和車載集裝箱頂面中點(diǎn)的坐標(biāo)(n=1,2,…,7)。

[snt,θnt]=[s,θ]，yn=Ys-sntsinθnt

(8)

(9)

2.2 路徑優(yōu)化算法

(10)

1) 出箱行程，包括起箱、上坡、下坡和落箱等4個(gè)階段。

(1) 起箱階段，有

xh=xa，yh=ya+Hh→

(11)

xh=xho→xj-Wc-sx，yh=yho→yj+Yhmax-4Hc，[xh,yh]滿足kh=max(ku)

(12)

Hc+sy，[xh,yh]滿足kh=max(kd)

(13)

(4) 落箱階段，當(dāng)xho=x7且xhi→xh(吊具停止搖擺)時(shí)，有

xh=xho=x7，yh=yho→y7+Hh+Hc

(14)

2) 進(jìn)箱行程，即出箱行程的逆過程，算法以此類推(從略)。

3 仿真試驗(yàn)分析

為模擬小車運(yùn)行、吊具升降、吊架扭轉(zhuǎn)、旋鎖開閉、操作手柄及旋鈕開關(guān)、集裝箱、集卡和堆場等基本功能，研制按比例微縮的仿真試驗(yàn)臺架(見圖3)。該臺架基于LabVIEW編程軟件、四軸運(yùn)動控制器、智能一體步進(jìn)電機(jī)、多圈絕對值編碼器、激光測距傳感器(對稱安裝在小車上，用于替代激光掃描)、雙軸動態(tài)傾角傳感器(平直安裝在大車上，用于大車側(cè)傾修正)、微型夜視補(bǔ)光攝像頭(對稱安裝在小車上，用于視覺冗余監(jiān)控)和觸控式平板電腦等軟件或硬件開發(fā)，其基本參數(shù)為：起升質(zhì)量5 kg；跨距1 200 mm；起升高度782 mm；升降速度40 mm/s；小車速度40 mm/s；吊具轉(zhuǎn)角±45°。

任選6種堆碼形式作為測試條件，分別測得吊具的門字路徑和優(yōu)化路徑(見圖4)及2種路徑下的吊具行程(見表1)。測試結(jié)果表明：優(yōu)化路徑較門字路徑大幅縮短了吊具行程，節(jié)能效果明顯；由于優(yōu)化路徑下吊具平移高度降低，導(dǎo)致吊索長度加長、擺幅加大，延長了目標(biāo)位停擺等待時(shí)間，因而限制了作業(yè)效率的有效提升。

a)堆碼形式1b)堆碼形式2

c)堆碼形式3d)堆碼形式4

e)堆碼形式5f)堆碼形式6

圖4 吊具在6種堆碼形式下的門字/優(yōu)化路徑

4 現(xiàn)場試驗(yàn)分析

該系統(tǒng)已在某集裝箱碼頭堆場的RC40/46輪胎吊(起升質(zhì)量40 t，跨距23.47 m，起升高度15.24 m，小車速度70 m/min，滿載/空載起升速度20 m/min/45 m/min，滿載/空載大車速度25 m/min/120 m/min，吊具回轉(zhuǎn)角度±5°)上安裝調(diào)試(見圖5)，初步試驗(yàn)效果與前述仿真試驗(yàn)基本相同，但小車自動運(yùn)行到位偏差較大，主要與控制系統(tǒng)響

應(yīng)滯后有關(guān)，有待進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)的軟硬件。

a)b)

c)d)

圖5 控制系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)

5 結(jié)束語

本文針對集裝箱場橋在傳統(tǒng)門字路徑下作業(yè)效率和能耗改善受限的問題，提出根據(jù)碼頭作業(yè)調(diào)度指令、小車載激光掃描定位等信息使另具沿優(yōu)化路徑作業(yè)的控制方案，并通過具體設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)初步驗(yàn)證該方案可顯著縮短吊具作業(yè)行程，從而有效提升作業(yè)效率和降低運(yùn)行能耗，為后續(xù)進(jìn)一步改善作業(yè)效能、開展吊具路徑優(yōu)化和防搖擺控制等研究提供了改進(jìn)方向。

[1] KNIGHT C E， BECERRA V， HOLDERBAUM W， et al. Modelling and Simulating the Operation of RTG Container Cranes[C]//6th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2012), IET Conference Publications, 2012: 1-6.

[2] NGO Q H, HONG K S. Adaptive Sliding Mode Control of Container Cranes[J]. IET Control Theory & Applications. IET Journals & Magazines, 2012,31: 662-668.

[3] TRIEU P V, TUAN L A. Combined Controls of Floating Container Cranes[C]//International Conference on Control, Automation and Information Sciences. IEEE Conference Publications, 2015: 442-447.

[4] 曹民，朱愛璽．集裝箱門式起重機(jī)用吊具路徑優(yōu)化控制系統(tǒng)：ZL201310175699.0[P].2014-12-03．

[5] 曹民．集裝箱堆場輪胎吊自動化作業(yè)系統(tǒng)：ZL201510650957.5[P].2017-03-31．