黎廣宇

摘 要：集卡停車對(duì)位是集裝箱碼頭裝卸工藝中的重要一環(huán)，其執(zhí)行效果長(zhǎng)期受限于裝卸現(xiàn)場(chǎng)司機(jī)的個(gè)人能力和經(jīng)驗(yàn)水平。通過(guò)智能化的技術(shù)手段進(jìn)行集卡停車對(duì)位的輔助可以較大程度改善這一現(xiàn)象。本文著重闡述了基于激光和視覺的集卡停車對(duì)位技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：集卡停車對(duì)位;激光定位;機(jī)器視覺;

中圖分類號(hào)：U664.4? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）02-0039-03

集裝箱起重機(jī)是集裝箱碼頭的核心作業(yè)機(jī)械，結(jié)合集裝箱的水平運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)碼頭的主要生產(chǎn)工藝。起重機(jī)裝卸車作業(yè)與集裝箱碼頭主要業(yè)務(wù)的大半工作量均有直接聯(lián)系，集卡停車對(duì)位是其中的重要環(huán)節(jié)且操作難度較高，因此能一定程度上的影響碼頭整體運(yùn)行效率。在碼頭企業(yè)普遍追求以智能化技術(shù)手段提升生產(chǎn)運(yùn)行效率的背景下，集裝箱起重機(jī)集卡停車對(duì)位輔助技術(shù)的研究和應(yīng)用也逐漸受到關(guān)注。

1 技術(shù)應(yīng)用背景及痛點(diǎn)

在集裝箱起重機(jī)進(jìn)行裝卸車作業(yè)時(shí)，集卡司機(jī)需要針對(duì)當(dāng)前作業(yè)起重機(jī)的外形尺寸進(jìn)行對(duì)位停車。在對(duì)位停車過(guò)程中，集卡司機(jī)一般憑借一些簡(jiǎn)單的標(biāo)記進(jìn)行起重機(jī)大車方向停車位置的粗略判斷。當(dāng)起重機(jī)吊具到達(dá)集卡上方附近時(shí)，集卡司機(jī)需要通過(guò)目測(cè)的方式反復(fù)確認(rèn)并前后移動(dòng)集卡，輔助起重機(jī)司機(jī)完成吊具對(duì)位。

在起重機(jī)裝卸車作業(yè)的前期，由于吊具距離集卡較遠(yuǎn)，集卡司機(jī)難以準(zhǔn)確地判斷位置，一步到位地完成與起重機(jī)的停車對(duì)位的成功率很低。因此所有裝卸過(guò)程中的誤差調(diào)整均需等到吊具與集卡逐漸地接近，再通過(guò)兩位司機(jī)的肉眼觀測(cè)、逐步的進(jìn)行微調(diào)、減少誤差直至完成吊具對(duì)位。此過(guò)程中起重機(jī)司機(jī)與集卡司機(jī)需要緊密配合，依靠人員的能力和經(jīng)驗(yàn)完成每一次的裝卸作業(yè)。

在缺乏有效的技術(shù)輔助的情況下，集卡司機(jī)無(wú)法利用吊具未到位前的時(shí)間完成精確對(duì)位停車，一定程度上的降低了裝卸效率。且由于裝卸車作業(yè)的操作難度較大，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的裝卸車作業(yè)難以保證吊具對(duì)位一次成功，多次的嘗試裝卸也提高了吊具、集裝箱與集卡間的摩擦、碰撞的可能性，威脅設(shè)備安全的同時(shí)也帶來(lái)了諸多安全問(wèn)題。

2 集卡停車對(duì)位輔助技術(shù)

多年以來(lái)，大量研究試圖從智能化輔助定位的角度找出上述問(wèn)題的解決方案。其核心思路是在集裝箱起重機(jī)裝卸車任務(wù)執(zhí)行的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)集卡的定位并獲取車輛與起重機(jī)的相對(duì)位置，進(jìn)而給與車輛恰當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)使之與起重機(jī)及早、精確的對(duì)位，實(shí)現(xiàn)降低對(duì)位操作難度以及減少吊具到位后的集卡與吊具間配合對(duì)位時(shí)間的目的。

早在智能交通系統(tǒng)發(fā)展的初期，車輛的檢測(cè)和定位就作為其中的一項(xiàng)核心技術(shù)而被廣泛的研究[1-2]。多年以來(lái)有大量的傳感技術(shù)被用于集裝箱碼頭車輛定位的相關(guān)研究，主要包括了磁釘定位[3]、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位、無(wú)線定位[3]、紅外線發(fā)射接收傳感器[4]、光電開關(guān)[5]、激光[6-15]、機(jī)器視覺[16-17]等技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年針對(duì)集卡停車對(duì)位的研究，目前的研究主要集中在激光技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)方向。

2.1基于激光技術(shù)的集卡停車對(duì)位

使用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)集卡停車對(duì)位的輔助功能是目前研究最多應(yīng)用也較為成熟廣泛的技術(shù)方案。

2005年，西安交通大學(xué)的劉剛等人針對(duì)集裝箱碼頭集卡對(duì)位困難的問(wèn)題，使用二維激光掃描設(shè)備對(duì)集卡進(jìn)行垂直掃描，實(shí)現(xiàn)了車輛對(duì)位的輔助功能。該研究成果在香港HIT 碼頭和深圳YICT 碼頭進(jìn)行了試用。根據(jù)兩個(gè)碼頭設(shè)備及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的不同，單臺(tái)門式起重機(jī)使用2～6臺(tái)激光設(shè)備。系統(tǒng)采用的二維激光掃描器分辨率0.25°，設(shè)備測(cè)量精度優(yōu)于100mm。[6]

2007年，上海交通大學(xué)的呂朝峰等人使用多個(gè)三維激光設(shè)備協(xié)同工作的方式，實(shí)現(xiàn)了集卡的快速定位。該研究使用了4臺(tái)固定于起重機(jī)大車低架橫梁的激光掃描設(shè)備，單臺(tái)設(shè)備最大掃描量程80m、單點(diǎn)測(cè)量精度±10mm，垂直掃描范圍180°、垂直角分辨率0.25°，水平掃描范圍100°、角分辨率0.01°。在進(jìn)行集卡的整體掃描的基礎(chǔ)上，研究實(shí)現(xiàn)了集卡的粗定位，并通過(guò)對(duì)集裝箱頂部邊緣數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合，計(jì)算集裝箱精確定位坐標(biāo)及姿態(tài)。[8]

2009年，針對(duì)激光掃描設(shè)備識(shí)別未裝載集裝箱的集卡的效果不理想的問(wèn)題，南京大學(xué)計(jì)算機(jī)軟件新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王繼堂等人提出了激光掃描測(cè)距和視頻圖像處理相結(jié)合的解決方案。該研究使用兩套二維激光加裝伺服電機(jī)的方式獲取激光測(cè)量數(shù)據(jù)。激光掃描數(shù)據(jù)處理結(jié)果使用視覺的邊緣檢測(cè)定位進(jìn)行修正。該研究探索了激光掃描與機(jī)器視覺技術(shù)在集卡對(duì)位的融合應(yīng)用，并開始考慮了系統(tǒng)的建設(shè)成本問(wèn)題。[9]

由于成本的優(yōu)勢(shì)，單點(diǎn)激光也在集卡停車對(duì)位領(lǐng)域有著研究和應(yīng)用。2010年，廣州南沙海港集裝箱碼頭使用7組單點(diǎn)激光設(shè)備實(shí)現(xiàn)了集卡定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)車道上裝載了單個(gè)20英尺、40英尺或45英尺集裝箱的集卡進(jìn)行區(qū)分和定位。[10]

2016年青島前灣集裝箱碼頭使用激光掃描測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)了集卡自動(dòng)定位系統(tǒng);該系統(tǒng)使用兩臺(tái)激光掃描設(shè)備，其激光檢測(cè)距離為30m、激光測(cè)量誤差為50 mm[13]。2019年廈門海潤(rùn)集裝箱碼頭采用了類似的技術(shù)方案，其集卡停車對(duì)位系統(tǒng)誤差小于80mm，取得了良好的效果[15]。

在上述十余年基于激光的集卡停車對(duì)位技術(shù)的研究中可以看出，隨著對(duì)技術(shù)和應(yīng)用的研究的日趨深入，所用激光測(cè)量設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和數(shù)量在總體上呈下降趨勢(shì)?？梢姰?dāng)集卡停車對(duì)位應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)后，碼頭方對(duì)于系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)成本的關(guān)注程度開始提升。

2.2基于視覺技術(shù)的集卡停車對(duì)位

機(jī)器視覺是多年以來(lái)非常熱門的研究領(lǐng)域，具有一系列的基礎(chǔ)理論和分析方法，但基于視覺技術(shù)的集卡停車對(duì)位的研究和應(yīng)用相對(duì)較少。

2009年，同寧方等人使用垂直地面安裝的攝像機(jī)捕捉集卡作業(yè)的圖像信息，并采用類似光流前景提取的方法，對(duì)岸邊集裝箱起重機(jī)下的集卡進(jìn)行了識(shí)別和定位。該技術(shù)在上海洋山3期的集裝箱碼頭取得了應(yīng)用，起到了提升岸邊吊裝卸效率的作用。[16]

2010年，南京大學(xué)孔婷等人進(jìn)行了基于雙目立體視覺的集卡定位方法的研究。該研究基于岸邊起重機(jī)的工作環(huán)境，采用雙工業(yè)攝像機(jī)獲取目標(biāo)的圖像，對(duì)集卡目標(biāo)定位算法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了較為全面的研究。[17]

機(jī)器視覺及其相關(guān)技術(shù)是集卡檢測(cè)和定位的重要研究方向。由于其技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較高，對(duì)應(yīng)用環(huán)境的要求往往較為苛刻，因此基于該種技術(shù)的集卡停車對(duì)位還處在探索階段。將現(xiàn)有的通用算法和工具進(jìn)行合理的搭配及優(yōu)化，并在集裝箱碼頭起重機(jī)作業(yè)的現(xiàn)有應(yīng)用環(huán)境條件下配合更多的輔助手段，從而簡(jiǎn)化算法、提高機(jī)器視覺分析能力，將是基于視覺技術(shù)的集卡停車對(duì)位的一個(gè)可行的實(shí)現(xiàn)途徑。

3 發(fā)展趨勢(shì)

從集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)對(duì)集卡停車對(duì)位的應(yīng)用需求以及相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展來(lái)看，未來(lái)集卡停車對(duì)位技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)高精度和實(shí)時(shí)性并重、更低的實(shí)現(xiàn)成本、系統(tǒng)的模塊化等趨勢(shì)。

3.1高精度和實(shí)時(shí)性并重

經(jīng)過(guò)多年針對(duì)集卡停車對(duì)位的研究和應(yīng)用實(shí)踐，基于不同傳感器的對(duì)位技術(shù)趨于成熟和完善，其中基于激光掃描傳感器的集卡停車對(duì)位技術(shù)已可以基本滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。但是在有限的條件下，追求更高的集卡停車對(duì)位精度還是更好的定位實(shí)時(shí)性依舊是兩難的選擇。未來(lái)的集卡停車對(duì)位系統(tǒng)需要同時(shí)提高定位精度和實(shí)時(shí)性，從而提高對(duì)集卡停車對(duì)位的輔助能力。

3.2更低的實(shí)現(xiàn)成本

為追求集卡停車對(duì)位的應(yīng)用效果，目前的解決方案中使用了大量的以激光掃描為代表的高精度傳感器。該類設(shè)備價(jià)格較高、國(guó)產(chǎn)率低、建設(shè)投資較大，一定程度上的影響了集卡停車對(duì)位系統(tǒng)應(yīng)用的普及。因此需要研究成本更低的實(shí)現(xiàn)方案。

3.3系統(tǒng)的模塊化

如今集裝箱碼頭的集卡停車對(duì)位往往作為一個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。但是隨著碼頭信息化水平普遍的提高，集卡停車對(duì)位系統(tǒng)將獲得更多的輸入信息并作為一個(gè)內(nèi)嵌功能融入集裝箱碼頭智能化體系中。

4 展望

集裝箱起重機(jī)集卡停車對(duì)位輔助技術(shù)改變了集裝箱裝卸完全依靠司機(jī)人眼識(shí)別和對(duì)位的工作方式。該技術(shù)的應(yīng)用在降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提高了裝卸效率，進(jìn)而總體上提升了碼頭盈利能力。隨著技術(shù)成熟度提高和實(shí)現(xiàn)成本逐漸降低，集卡停車對(duì)位系統(tǒng)將逐漸成為沿海甚至內(nèi)河集裝箱碼頭的標(biāo)配系統(tǒng)。

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