梁錦雄 徐 家 黃金海 竇 琴

1 招商港口集團(tuán) 2 北京精衡偉視科技有限公司

1 引言

在集裝箱碼頭岸邊裝卸過程中，影響岸邊起重機(jī)(以下簡稱岸橋)作業(yè)效率的主要因素為內(nèi)拖車的初次停駐位置與正確位置存在偏差，吊具下放到接近裝卸高度時(shí)需要制動(dòng)，內(nèi)拖車司機(jī)需要前后移動(dòng)車輛與吊具對(duì)齊，吊具方能最后下放，導(dǎo)致作業(yè)過程被延長。精確對(duì)位依賴于內(nèi)拖車司機(jī)的作業(yè)技能，這種對(duì)位方式不僅耗時(shí)長，作業(yè)效率低下，而且存在磨損吊具角和碰損集裝箱角等問題，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成吊具砸碰拖車頭事故。為解決此問題，現(xiàn)階段集裝箱碼頭一般采用人工放置對(duì)位標(biāo)方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)拖車對(duì)位。這種方式雖可以提高對(duì)位速度，但是在多車道并發(fā)作業(yè)或作業(yè)模式發(fā)生變化時(shí)需要人工在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)頻繁移動(dòng)對(duì)位標(biāo)桿，耗費(fèi)人力并存在嚴(yán)重的安全隱患。

2 研究現(xiàn)狀分析

2007年武玉升[1]提出基于超聲波測(cè)距的集裝箱岸橋吊具定位系統(tǒng)。2010年后該領(lǐng)域?qū)W者紛紛從計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)角度解決吊具下方集裝箱定位的問題，Jung C等[2-5]提出將兩臺(tái)攝像機(jī)安裝在岸橋吊具上，實(shí)時(shí)采集吊具下方圖像信息并基于雙目立體視覺和霍夫變換算法定位集裝箱。2017年李定謝爾[6]研究利用SVM算法和視覺跟蹤檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)集裝箱定位。基于超聲波測(cè)距的方法雖然對(duì)硬件平臺(tái)要求不高，容易實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)槿菀资艿酵饨绛h(huán)境的干擾，沒有實(shí)用性。而基于計(jì)算機(jī)視覺的集裝箱定位方法由于工程實(shí)際中受到高溫、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)光等復(fù)雜工業(yè)環(huán)境對(duì)攝像機(jī)成像質(zhì)量影響較大，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性得不到保障，后期維護(hù)成本較大，這些理論研究方法難以在集裝箱碼頭實(shí)際推廣應(yīng)用。

在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)方面，徐寶興[7]提出在岸橋大車行走機(jī)構(gòu)海陸兩側(cè)固定位置安裝紅外激光發(fā)射模塊和光敏檢測(cè)管的方案，通過對(duì)射式光電開關(guān)判斷內(nèi)拖車位置是否行駛到指定對(duì)位點(diǎn)。光電開關(guān)對(duì)位方式雖然具有反應(yīng)速度快、成本低、功耗低、響應(yīng)時(shí)間快以及使用壽命長等特點(diǎn)，但因?yàn)橹荒茚槍?duì)單一車道的內(nèi)拖車進(jìn)行位置檢測(cè)，其他車道上行駛的內(nèi)拖車會(huì)干擾目標(biāo)車道的對(duì)位判斷，并且采用光電開關(guān)對(duì)位方式的對(duì)位系統(tǒng)只適用于岸橋裝船作業(yè)中吊具與載箱內(nèi)拖車的對(duì)位，缺乏靈活性和可拓展性。包起帆、陳志輝等[8-9]提出將激光掃描儀安裝在云臺(tái)上對(duì)岸橋下方的各作業(yè)車道進(jìn)行掃描測(cè)距，利用云臺(tái)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)車道切換，通過微處理器計(jì)算內(nèi)拖車上集裝箱與岸橋吊具起吊點(diǎn)之間的偏差，并將偏差量顯示在LED顯示屏上，向內(nèi)拖車司機(jī)提供準(zhǔn)確的對(duì)位引導(dǎo)數(shù)據(jù)。但通過云臺(tái)旋轉(zhuǎn)切換車道在多車道同時(shí)作業(yè)時(shí)無法快速提供實(shí)際作業(yè)車道的對(duì)位引導(dǎo)信息；偏遠(yuǎn)車道的激光掃描面較為傾斜，易受到內(nèi)拖車拖板高度和橫向位置的影響，對(duì)位數(shù)據(jù)不夠精確；云臺(tái)與激光掃描儀整體安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝難度較大；云臺(tái)工作一段時(shí)間后不僅存在角度累積誤差，需要定期校正，而且在海岸高潮濕、高鹽霧環(huán)境下，易發(fā)生機(jī)械故障，維修困難，使用成本較高，因此難以推廣。

基于對(duì)國產(chǎn)激光掃描儀的應(yīng)用研究，提出一套面向集裝箱碼頭陸側(cè)裝卸作業(yè)的岸橋拖車對(duì)位引導(dǎo)及作業(yè)安全防護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過作業(yè)信息顯示屏實(shí)時(shí)給出內(nèi)拖車當(dāng)前位置與正確停駐位置之間的偏差量及調(diào)整方向，引導(dǎo)內(nèi)拖車司機(jī)預(yù)先駕駛內(nèi)拖車停駐在準(zhǔn)確位置上，岸橋吊具下放過程中不用做中間停頓即能夠完成作業(yè)，從而顯著提升作業(yè)效率；同時(shí)，通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)拖車水平拖吊具和吊具碰砸車頭/碰箱等作業(yè)險(xiǎn)情的及時(shí)檢測(cè)和規(guī)避，實(shí)現(xiàn)岸邊作業(yè)的安全保護(hù)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

岸橋內(nèi)拖車對(duì)位引導(dǎo)及安全保護(hù)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)見圖1。系統(tǒng)主要由5臺(tái)車道二維激光掃描儀(以下簡稱激光掃描儀)、系統(tǒng)控制器SC、顯示控制器和4臺(tái)作業(yè)信息顯示屏組成。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)在每臺(tái)岸橋上安裝了5臺(tái)激光掃描儀，分別對(duì)5條常用作業(yè)車道的內(nèi)拖車進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這樣不僅解決了單掃描儀+云臺(tái)旋轉(zhuǎn)方案的諸多應(yīng)用問題，而且能同時(shí)獲取全部作業(yè)車道內(nèi)正在作業(yè)的內(nèi)拖車拖板及內(nèi)拖車載箱的準(zhǔn)確剖面輪廓，能夠同時(shí)計(jì)算各作業(yè)車道的對(duì)位引導(dǎo)數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)確定當(dāng)前作業(yè)車道，從而提高對(duì)位引導(dǎo)的有效性和時(shí)效性。

激光掃描儀是一種發(fā)射激光掃描光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，能夠在全天候條件下有效工作，獲取精確的二維輪廓數(shù)據(jù)，是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)傳感器。選用戶外工作能力較強(qiáng)、性價(jià)比更高、具有較高的分辨率，尤其適合對(duì)目標(biāo)的位置和形狀進(jìn)行精確探測(cè)的國產(chǎn)激光掃描儀，同時(shí)采用多次回波分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)雨霧煙塵穿透，確保了系統(tǒng)的有效性和可靠性。

系統(tǒng)控制器SC是本系統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)采集和處理的核心部件，SC通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與岸橋的PLC控制系統(tǒng)通信，獲得岸橋吊具的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)，發(fā)送吊具制動(dòng)等作業(yè)安全防護(hù)指令；通過工業(yè)以太網(wǎng)與各車道激光掃描儀通信，實(shí)時(shí)獲取各車道內(nèi)拖車及內(nèi)拖車載箱的準(zhǔn)確剖面輪廓數(shù)據(jù)，完成對(duì)位偏差量計(jì)算和作業(yè)險(xiǎn)情檢測(cè)；通過工業(yè)以太網(wǎng)將對(duì)位引導(dǎo)信息以及安全離場(chǎng)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到顯示控制器VC，引導(dǎo)拖車司機(jī)準(zhǔn)確對(duì)位或安全離場(chǎng)。

系統(tǒng)控制器順序完成如下處理流程和功能：

(1)從岸橋PLC控制系統(tǒng)獲取吊具實(shí)時(shí)工況參數(shù)。

(2)計(jì)算吊具當(dāng)前作業(yè)工況參數(shù)。

(3)從各激光掃描儀獲取各作業(yè)車道中線的實(shí)時(shí)掃描輪廓數(shù)據(jù)。

(4)從各作業(yè)車道中線的實(shí)時(shí)掃描輪廓數(shù)據(jù)中識(shí)別內(nèi)拖車拖板及載箱的實(shí)時(shí)輪廓，計(jì)算各車道內(nèi)拖車當(dāng)前作業(yè)工況參數(shù)及內(nèi)拖車作業(yè)對(duì)位偏差量。

(5)基于吊具實(shí)時(shí)工況參數(shù)、各車道內(nèi)拖車當(dāng)前作業(yè)工況參數(shù)及作業(yè)對(duì)位偏差量，生成各車道的對(duì)位引導(dǎo)信息及安全離場(chǎng)提示信息，同時(shí)根據(jù)各車道的實(shí)時(shí)作業(yè)狀態(tài)確定當(dāng)前需要優(yōu)先顯示的作業(yè)車道。

(6)向顯示控制器發(fā)送當(dāng)前優(yōu)先顯示作業(yè)車道的對(duì)位引導(dǎo)信息及安全離場(chǎng)提示信息。

(7)對(duì)吊具所在的作業(yè)車道的作業(yè)險(xiǎn)情進(jìn)行檢測(cè)和判定，作業(yè)險(xiǎn)情為吊具碰砸內(nèi)拖車車頭、載箱或下方的非拖車目標(biāo)。

(8)如發(fā)現(xiàn)存在作業(yè)險(xiǎn)情，當(dāng)?shù)蹙呦路鸥叨炔桓哂诎踩苿?dòng)高度時(shí)，對(duì)岸橋PLC控制系統(tǒng)發(fā)出吊具下放制動(dòng)指令。

顯示控制器VC通過以太網(wǎng)與系統(tǒng)控制器通訊，獲取對(duì)位引導(dǎo)信息和安全離場(chǎng)提示信息，并通過以太網(wǎng)分發(fā)到各作業(yè)信息顯示屏顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)4臺(tái)高亮度室外型大尺寸圖文顯示屏作為作業(yè)信息顯示屏，分別安裝在岸邊起重機(jī)每個(gè)門柱的車道側(cè)便于內(nèi)拖車司機(jī)觀察的適當(dāng)位置上。作業(yè)信息顯示屏采用全彩貼片式燈珠，具有廣視角、配光好、混光好和高對(duì)比度等特點(diǎn)，具備以太網(wǎng)接口，可接入系統(tǒng)局域網(wǎng)，并做了充分的散熱、防水、防雷和防塵設(shè)計(jì)，能夠全天候穩(wěn)定工作，在強(qiáng)陽光下圖像清晰醒目。

4 應(yīng)用測(cè)試

4.1 系統(tǒng)處理的內(nèi)拖車對(duì)位數(shù)據(jù)點(diǎn)示例

系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)處理及算法設(shè)計(jì)，主要包括激光掃描儀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、感興趣區(qū)域的劃定、對(duì)位特征點(diǎn)檢測(cè)、作業(yè)模式識(shí)別、對(duì)位偏差量計(jì)算及相關(guān)安全邏輯處理。算法主要分為3個(gè)部分：建立岸橋吊具、集裝箱和內(nèi)拖車平面模型，總結(jié)岸橋裝卸作業(yè)的全部作業(yè)工況，推導(dǎo)對(duì)位公式。圖2為經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的空載內(nèi)拖車激光掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)，圖2(a)為右行內(nèi)拖車，圖2(b)為左行內(nèi)拖車。圖中半圓形即為激光掃描儀，圖中大矩形框代表識(shí)別出來的內(nèi)拖車輪廓，小矩形框中為識(shí)別的拖車頭輪廓。大矩形框中3個(gè)小圈，位于最左和最右的2個(gè)圈內(nèi)的點(diǎn)即為對(duì)位算法識(shí)別出來的前后導(dǎo)板特征點(diǎn)，中間的圈為根據(jù)前后導(dǎo)板特征點(diǎn)計(jì)算出來的空載內(nèi)拖車對(duì)位基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖2 空載拖車數(shù)據(jù)點(diǎn)示例

圖3所示為正在等待20 ft卸船作業(yè)的空載內(nèi)拖車和雙20 ft載箱內(nèi)拖車的數(shù)據(jù)點(diǎn)示例。圖3(a)中，激光掃描儀正前方的矩形框即為被識(shí)別出來的吊具和吊具上的20 ft集裝箱輪廓。在吊具下放過程中，雖然會(huì)出現(xiàn)吊具和吊具上的集裝箱遮擋車頭數(shù)據(jù)點(diǎn)的情況，但系統(tǒng)會(huì)存儲(chǔ)和跟蹤前一時(shí)刻的車頭輪廓。在吊具全速下放過程中，若吊具存在砸車頭的趨勢(shì)，防砸算法的判定邏輯生效，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)向岸橋PLC中寫入吊具下放制動(dòng)指令，從而實(shí)現(xiàn)岸橋作業(yè)的安全防護(hù)。

圖3 雙20 ft卸船作業(yè)的空載內(nèi)拖車和載箱內(nèi)拖車的數(shù)據(jù)點(diǎn)示例

圖3(b)為左行雙20 ft載箱內(nèi)拖車，雙20 ft箱對(duì)位的實(shí)現(xiàn)一直是內(nèi)拖車對(duì)位系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)，目前現(xiàn)有的對(duì)位系統(tǒng)均不支持雙箱對(duì)位，或雙箱對(duì)位準(zhǔn)確性差、精度低。但從圖3(b)可以看到，即使前箱和后箱之間的間距很小，本系統(tǒng)對(duì)位算法也能夠精準(zhǔn)識(shí)別和區(qū)分位于左側(cè)集裝箱的左/右特征點(diǎn)和右側(cè)集裝箱的左/右特征點(diǎn)。

4.2 系統(tǒng)安裝和運(yùn)行結(jié)果

系統(tǒng)在深西集裝箱碼頭42號(hào)岸橋上安裝，系統(tǒng)迄今已經(jīng)運(yùn)行近2年，經(jīng)過運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)輸出對(duì)位信息在誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，基本可以保證單次抓箱成功。此外，對(duì)內(nèi)拖車快速通過激光掃描區(qū)域和內(nèi)拖車倒車駛?cè)爰す鈷呙鑵^(qū)域等特殊工況也進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示特殊工況并未對(duì)系統(tǒng)功能造成干擾。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)突出特點(diǎn)有4個(gè)方面：一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的激光掃描儀能夠同時(shí)獲取岸橋全部作業(yè)車道內(nèi)正在作業(yè)的內(nèi)拖車拖板及內(nèi)拖車載箱的準(zhǔn)確剖面輪廓，同時(shí)計(jì)算各作業(yè)車道的對(duì)位引導(dǎo)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)確定當(dāng)前作業(yè)車道并實(shí)現(xiàn)及時(shí)引導(dǎo)，提高了對(duì)位引導(dǎo)的有效性和時(shí)效性；二是可以準(zhǔn)確區(qū)分拖車拖板上的雙20 ft箱與單40 ft箱，實(shí)現(xiàn)作業(yè)工況的準(zhǔn)確識(shí)別；三是采用高質(zhì)量的國產(chǎn)激光掃描儀，不僅降低了傳感器的維護(hù)成本，而且后續(xù)將控制器功能內(nèi)置傳感器產(chǎn)品后，系統(tǒng)更加簡單可靠；四是本系統(tǒng)同時(shí)集成了內(nèi)拖車安全離場(chǎng)提示功能和防砸車頭/車道防碰箱功能，為岸橋的車道作業(yè)提供了全面的安全防護(hù)。該系統(tǒng)可為岸橋的內(nèi)拖車車道作業(yè)對(duì)位引導(dǎo)和安全防護(hù)兩種需求提供完整的、高集成度的系統(tǒng)解決方案，在岸橋裝卸作業(yè)中有一定的推廣價(jià)值。