陳鵬元,李書強(qiáng),余珍勝
(青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司,山東 青島 266530)
隨著世界集裝箱碼頭的不斷發(fā)展,以及集裝箱運(yùn)輸量的不斷增長(zhǎng),起重機(jī)的操作地點(diǎn)逐漸由司機(jī)室轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境更為舒適的中控室,而這種轉(zhuǎn)變的一項(xiàng)重要任務(wù),是實(shí)現(xiàn)效率更高,工作更安全的目標(biāo)。
集裝箱起重機(jī)在集卡上卸箱的過(guò)程中,由于集卡的鎖銷未完全打開或集卡司機(jī)忘記解鎖,會(huì)出現(xiàn)吊具將集裝箱連同集卡車一并吊起或者部分吊起,通常稱為吊集卡事故,而在中控室的起重機(jī)司機(jī)很難準(zhǔn)確迅速地發(fā)現(xiàn)安全隱患,一旦起重機(jī)將集裝箱及卡車一起吊起,就會(huì)發(fā)生及其嚴(yán)重的安全事故,輕則集裝箱鎖銷損壞或集卡車損壞,重則發(fā)生起重機(jī)毀損情況,甚者發(fā)生集卡車傾覆,造成集卡車司機(jī)的傷亡。
為了確保港口生產(chǎn)作業(yè)安全,預(yù)防此類事故的發(fā)生,提高作業(yè)效率,各碼頭及港機(jī)設(shè)備制造廠商均為起重機(jī)設(shè)置了集卡防吊起保護(hù)系統(tǒng),當(dāng)前此系統(tǒng)主要有兩種技術(shù)方案。
本系統(tǒng)采用激光掃描測(cè)距原理、模式識(shí)別和自動(dòng)控制技術(shù),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)吊具、集裝箱、集卡車三者之間的位置關(guān)系,并根據(jù)之前預(yù)定的安全控制方案對(duì)起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)的進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)防吊集卡的功能,以此避免安全事故的發(fā)生,提升集裝箱裝卸工作的安全性與可靠性。
該方案的設(shè)備主要包括:Sick的二維掃描儀和控制器。2D激光掃描儀安裝于起重機(jī)大車的側(cè)下方位置,通過(guò)光纖通訊連接到電氣房?jī)?nèi)的防吊集卡控制器上,防吊集卡控制器提供接口連接PLC通訊模塊。司機(jī)室內(nèi)的控制臺(tái)(包括中控室的操作臺(tái))上安裝信號(hào)指示燈,提示起重機(jī)司機(jī)。激光掃描儀主要掃描位置是集裝箱高度、托盤邊緣厚度、托盤表面傾斜角度、機(jī)箱和托盤的間隙等,通過(guò)這些數(shù)據(jù)綜合判斷卡車是否被吊起。
圖1 激光掃描儀
在卸車作業(yè)過(guò)程中,當(dāng)帶箱集卡到位,起重機(jī)小車機(jī)構(gòu)開到作業(yè)集卡的車道上方,吊具放到集卡集裝箱上,閉鎖;起升上升。PLC通過(guò)通訊線纜(本項(xiàng)目使用Profibus-DP通訊)將來(lái)自編碼器等元器件反饋的起升高度信息傳給集卡防吊控制器。該系統(tǒng)在對(duì)集卡車輛和集裝箱的識(shí)別中,實(shí)現(xiàn)對(duì)兩者的準(zhǔn)確識(shí)別和勾勒,分析兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況,判斷吊具是否連同集卡車一起吊起。
當(dāng)?shù)蹙咂鹕叨?、集裝箱下表面離集卡的距離提升相同的高度,而且集卡底盤的坐標(biāo)不變時(shí),說(shuō)明集裝箱正常提升;當(dāng)?shù)蹙呱媳砻孀鴺?biāo)、集卡底盤坐標(biāo)提升相同的高度,而集裝箱下表面離集卡的距離保持不變時(shí),說(shuō)明集裝箱連同集卡同時(shí)被吊起。
由于激光掃描儀在實(shí)際使用中,會(huì)受反射的陽(yáng)光、雨雪天氣、大霧天氣等因素的影響,因而發(fā)生誤報(bào)警的情況,為防止此情況的出現(xiàn),本項(xiàng)目在大梁上方設(shè)置了一個(gè)3D激光掃描儀,其主要功能為集卡定位引導(dǎo)和防砸車頭,但其也可通過(guò)掃描作用,對(duì)集卡車的整體狀態(tài)提供檢測(cè)和判斷功能,間接為集卡防吊起系統(tǒng)提供保障。
當(dāng)系統(tǒng)判斷出現(xiàn)集卡被吊起的情況后,控制吊具停止,此時(shí)司機(jī)只能操作起升機(jī)構(gòu)以10%的限定速度慢速下降,不能起升。吊具下放到松繩和著箱后,起升上升的防吊集卡控制解除。危險(xiǎn)解除后,集卡司機(jī)可以重新將鎖頭打開,繼續(xù)工作。
系統(tǒng)在司機(jī)控制臺(tái)(包括遠(yuǎn)程操控臺(tái))上設(shè)置啟停選擇功能開關(guān)。當(dāng)該選擇功能開關(guān)撥到“關(guān)”的位置時(shí),集卡防吊起功能關(guān)閉,吊具起升機(jī)構(gòu)不具有防吊集卡的保護(hù)功能。
系統(tǒng)在CMS上或司機(jī)操作臺(tái)(包括遠(yuǎn)程操控臺(tái))提供狀態(tài)指示燈。當(dāng)防吊集卡功能處于停用狀態(tài)時(shí),CMS指示燈變?yōu)榛疑?操作臺(tái)指示燈熄滅;當(dāng)防吊集卡功能處于使用狀態(tài)時(shí),CMS指示燈變?yōu)榫G色;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),指示燈閃爍。
系統(tǒng)在司機(jī)控制臺(tái)上(包括遠(yuǎn)程操控臺(tái))提供防吊起的控制旁路開關(guān),選用的是帶指示燈的復(fù)位開關(guān)。當(dāng)集卡防吊起系統(tǒng)觸發(fā)時(shí),系統(tǒng)控制吊具停止上升,只能做下降動(dòng)作,此時(shí)指示燈亮起,司機(jī)可按下旁路開關(guān),進(jìn)行單次的控制;當(dāng)防吊起未觸發(fā)或停止使用時(shí),指示燈處于常滅狀態(tài)。
本系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺和AI人工智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)集裝箱與集卡車托盤關(guān)于鎖扣解鎖狀態(tài)的全天候、全天時(shí)的實(shí)時(shí)識(shí)別檢測(cè),之前預(yù)定的安全控制方案,在集裝箱和集卡車托盤未分離的異常情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的控制,以此防止集卡被吊起,避免事故的發(fā)生,保障作業(yè)安全,提高作業(yè)效率。
圖2 視覺系統(tǒng)攝像頭
1)采用攝像機(jī)采集的圖像信息,借助于攝像頭視覺技術(shù)判斷集卡托盤與集裝箱的位置關(guān)系。
2)集卡防吊的保護(hù)距離為集卡車被吊起30 cm。
3)可排除內(nèi)集卡對(duì)系統(tǒng)的干擾,避免誤運(yùn)作,加強(qiáng)系統(tǒng)可用性
4)提供可視化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示,方便查看,升級(jí),維護(hù)。
機(jī)器視覺集卡防吊起系統(tǒng)主要由前端相機(jī)、工控機(jī)(視頻處理機(jī))和通訊模塊組成,如圖3所示。前端相機(jī)安裝在起重機(jī)大車腿部的適當(dāng)位置,系統(tǒng)的工控機(jī)安裝在電氣房?jī)?nèi),前端相機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與POE交換機(jī)相連,該P(yáng)OE交換機(jī)通過(guò)光纖與光纖交換機(jī)相連,工控機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與光纖交換機(jī)相連,同時(shí)該工控機(jī)與電氣房?jī)?nèi)的Profibus-DP/TCP轉(zhuǎn)換模塊相連,Profibus-DP/TCP轉(zhuǎn)換模塊再與起重機(jī)上的PLC相連。
圖3 視覺集卡防吊起系統(tǒng)架構(gòu)
為了對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià),往往需要對(duì)大量的正負(fù)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì),對(duì)于視覺防吊起系統(tǒng)而言,正樣本是正常作業(yè)視頻,負(fù)樣本是集裝箱和集卡同時(shí)被吊起的異常作業(yè)視頻。然而如果作業(yè)出現(xiàn)了異常,對(duì)于碼頭而言就是發(fā)生了安全事故,因此,在日常的使用過(guò)程中,可允許少量樣本的誤報(bào)(即集裝箱未與集卡車同時(shí)被吊起,但系統(tǒng)顯示集卡車被連同吊起),但需杜絕漏報(bào)情況(及集裝箱與集卡車同時(shí)被吊起,但系統(tǒng)顯示集卡車未被吊起)的發(fā)生。對(duì)于此問(wèn)題,在調(diào)試過(guò)程中,需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)隔值,找到一個(gè)平衡點(diǎn),同時(shí),為了保障系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,系統(tǒng)將圖像進(jìn)行灰度處理后,會(huì)以每秒30次的頻率對(duì)圖像進(jìn)行判斷和處理,通過(guò)車輪檢測(cè)和異常判定算法判斷當(dāng)前幀和起始幀相比車輪有沒有離地,從而實(shí)現(xiàn)集裝箱卡車防吊起的作用。
本項(xiàng)目通過(guò)青島前灣港自動(dòng)化堆場(chǎng)的測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估,其中合計(jì)作業(yè)30 000余次,該視覺防吊起系統(tǒng)成功預(yù)警10次吊起集卡的事故,放箱時(shí)的掛聯(lián)事故報(bào)警3次,虛報(bào)8次。具體性能如下:
1)漏報(bào)率:0%;
2)誤報(bào)率:<0.3 ‰;
3)集卡車集裝箱托盤被吊起高度由于300 mm;
4)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間:<0.2 s;
5)具有自檢功能,系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信息;
6)支持多種類型的集卡托盤,且不受托盤高度影響。
結(jié)合當(dāng)前各碼頭及港機(jī)制造廠的集裝箱起重機(jī)械,分析了利用2D激光掃描儀和利用攝像頭視覺兩種方案實(shí)現(xiàn)集卡防吊起的原理和使用方案。激光掃描儀的方案成本較高,但安裝方便,調(diào)試簡(jiǎn)單;攝像頭視覺的方案成本較低,便于維護(hù),但港機(jī)的使用率不高,作為一項(xiàng)新穎的技術(shù),日后會(huì)逐漸完善,提升準(zhǔn)確度,并可以應(yīng)用到集卡防吊起之外的其他系統(tǒng)中。