時(shí)宏強(qiáng)

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

隨著激光和視覺技術(shù)的發(fā)展，基于激光及視覺技術(shù)的系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛。集卡事故是集裝箱碼頭較為常見的事故之一，集卡和集裝箱之間的相對(duì)距離檢測(cè)是傳統(tǒng)碼頭軌道式龍門起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱軌道吊)的標(biāo)配安全系統(tǒng)，即單機(jī)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)。傳統(tǒng)碼頭作業(yè)工況比較簡(jiǎn)單，單機(jī)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)只需在軌道吊靠近車道側(cè)的固定位置進(jìn)行設(shè)備安裝，即可滿足防護(hù)需求。但對(duì)于自動(dòng)化碼頭，由于其作業(yè)方式及堆場(chǎng)布局均與傳統(tǒng)碼頭有很大不同，單機(jī)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)已無法滿足自動(dòng)化碼頭需求，需結(jié)合自動(dòng)化碼頭的作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)及優(yōu)化。

2 常規(guī)單機(jī)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)介紹

單機(jī)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)采用激光掃描測(cè)距、模式識(shí)別和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)吊具、集裝箱、集卡等的實(shí)時(shí)位置檢測(cè)，并根據(jù)安全控制策略實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制，確保集卡上集裝箱的安全起吊，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生，提升集裝箱裝卸的安全性。

2.1 硬件系統(tǒng)組成

單機(jī)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)主要設(shè)備包含激光組件和系統(tǒng)控制器，與軌道吊上原有PLC系統(tǒng)和功能啟停選擇開關(guān)及蜂鳴器共同實(shí)現(xiàn)集卡危險(xiǎn)時(shí)的預(yù)警。激光組件安裝于軌道吊大車的集卡車道側(cè)下方位置，數(shù)據(jù)電纜連接到電氣房?jī)?nèi)的系統(tǒng)控制器上，系統(tǒng)控制器提供接口連接PLC通訊模塊。司機(jī)室內(nèi)控制臺(tái)上安裝信號(hào)指示燈，提示軌道吊司機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

激光掃描儀掃描的軌跡見圖1，激光掃描光束主要掃描位置是集裝箱高度、托架邊緣厚度、托架表面傾斜角度、機(jī)箱和托架的間隙等，通過這些數(shù)據(jù)綜合判斷集卡在起吊過程中的安全性。

圖1 激光掃描示意圖

2.2 單機(jī)系統(tǒng)作業(yè)流程

在卸車作業(yè)過程中，當(dāng)帶箱集卡到位，軌道吊小車到達(dá)車道上方，吊具放到集卡集裝箱上，旋鎖閉鎖。吊具起升上升，當(dāng)?shù)蹙咚衫K和著箱信號(hào)消失的瞬間，起升編碼器計(jì)算出當(dāng)前的高度，作為拖車+集裝箱的高度，PLC通過通訊線纜將相關(guān)數(shù)據(jù)傳給控制器。

當(dāng)?shù)蹙咂鹕龝r(shí)，控制器綜合起升編碼器、集裝箱下表面離集卡的距離及集卡底盤的坐標(biāo)，判斷集箱與集卡是否分離。

3 交換區(qū)集卡安全預(yù)防需求

自動(dòng)化碼頭與傳統(tǒng)碼頭在堆場(chǎng)布局上有所不同，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)布局一側(cè)為集卡車道，一側(cè)為集裝箱區(qū)；自動(dòng)化集裝箱碼頭堆場(chǎng)布局中間為集裝箱區(qū)，堆場(chǎng)一頭為陸側(cè)交換區(qū)，另一頭為海側(cè)交換區(qū)(見圖2)。

圖2 堆場(chǎng)布局示意圖

基于不同的堆場(chǎng)布局，自動(dòng)化碼頭和傳統(tǒng)碼頭的作業(yè)方式也存在差異。自動(dòng)化堆場(chǎng)軌道吊裝卸箱作業(yè)集中在交換區(qū)，由1條作業(yè)車道變?yōu)?條作業(yè)車道；同時(shí)當(dāng)在交換區(qū)進(jìn)行卸箱作業(yè)時(shí)，禁止集卡車在作業(yè)過程中移動(dòng)，避免安全事故[1]。因此自動(dòng)化碼頭對(duì)集卡安全性的需求相比傳統(tǒng)碼頭要求更高。具體可包括：交換區(qū)5條車道均需實(shí)現(xiàn)軌道吊作業(yè)中的集卡安全預(yù)警；交換區(qū)5條車道均是集卡作業(yè)，需要更加可靠的集卡安全預(yù)警系統(tǒng)，在保障作業(yè)效率的同時(shí)，降低誤報(bào)率和虛警率。

4 交換區(qū)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)

交換區(qū)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)采用多種技術(shù)融合，包括基于激光掃描測(cè)距的模式識(shí)別和定位技術(shù)、基于人工智能的集卡視覺識(shí)別技術(shù)、集卡特征跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)集卡箱車分離的檢測(cè)以及集卡實(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)測(cè)。

4.1 系統(tǒng)硬件組成

交換區(qū)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)主要設(shè)備包含激光云臺(tái)、攝像機(jī)、工控機(jī)、系統(tǒng)控制箱，系統(tǒng)組成見圖3。其中，激光云臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控集卡車托架與集裝箱相對(duì)位置；攝像機(jī)識(shí)別當(dāng)前作業(yè)車道的集卡車并對(duì)集卡車進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；工控機(jī)分為激光掃描工控機(jī)和視覺檢測(cè)工控機(jī)，激光掃描工控機(jī)主要控制激光掃描，視覺檢測(cè)工控機(jī)主要控制相機(jī)拍攝識(shí)別；系統(tǒng)控制箱用于驅(qū)動(dòng)激光云臺(tái)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)每條車道的集卡進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)，激光云臺(tái)需要安裝在相鄰兩條車道的中間位置。每條車道安裝2個(gè)相機(jī)，為使視野覆蓋整個(gè)車道，相機(jī)對(duì)角安裝，同時(shí)要求像機(jī)視野能夠覆蓋集卡車完整車胎。

圖3 系統(tǒng)組成圖

4.2 系統(tǒng)通訊及軟件接口

系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)通訊和DP通訊。系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組件之間采用網(wǎng)絡(luò)通訊，系統(tǒng)與PLC之間采用DP通訊(見圖4)。其中線纜1為DP通信線纜、線纜2為動(dòng)力線纜、線纜3為3D激光數(shù)據(jù)線纜、線纜4為激光電源線纜、線纜5為相機(jī)電源線、線纜6為相機(jī)數(shù)據(jù)線纜。

圖4 電纜連線圖

4.3 交換區(qū)激光應(yīng)用實(shí)例

4.3.1 應(yīng)用實(shí)例

在交換區(qū)中，每2個(gè)車道共用1套激光云臺(tái)系統(tǒng)，5號(hào)車道單獨(dú)使用1套，布置見圖5。自動(dòng)化軌道吊在距離陸側(cè)交換區(qū)200 m范圍內(nèi)接收到或者已經(jīng)啟動(dòng)了交換區(qū)作業(yè)指令，PLC啟動(dòng)與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)接口中“作業(yè)車道”由0變?yōu)閷?shí)際作業(yè)車道號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)。系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)車道號(hào)調(diào)用相應(yīng)的激光云臺(tái)系統(tǒng)，在3D掃描完成后，系統(tǒng)根據(jù)大車位置擺動(dòng)激光，使激光掃描作業(yè)中心位置，即吊具中心。

圖5 2號(hào)激光云臺(tái)對(duì)準(zhǔn)4車道后20 ft集裝箱

在圖5工況下，系統(tǒng)根據(jù)PLC發(fā)送的作業(yè)車道號(hào)，調(diào)用2號(hào)激光云臺(tái)，控制激光擺動(dòng)到4號(hào)車道進(jìn)行3D掃描。3D掃描完成后，系統(tǒng)根據(jù)PLC發(fā)送的大車位置，控制激光掃描平面擺動(dòng)到作業(yè)中心位置。激光擺動(dòng)到位時(shí)，軌道吊完成對(duì)箱及自動(dòng)著箱動(dòng)作。系統(tǒng)接收到吊具閉鎖信號(hào)后，相關(guān)集卡檢測(cè)功能啟動(dòng)，開始對(duì)集卡中心位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，識(shí)別吊具和集卡拖架的相對(duì)位置。

系統(tǒng)持續(xù)跟蹤集裝箱與集卡車的相對(duì)位置信息，當(dāng)?shù)蹙咂鹕龝r(shí)，系統(tǒng)綜合起升編碼器、集裝箱下表面離集卡的距離及集卡底盤的坐標(biāo)，判斷集裝箱與集卡是否分離；若未分離，則系統(tǒng)向PLC發(fā)送報(bào)警信息，否則集卡安全預(yù)警系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行直至吊具起升高度超過系統(tǒng)檢測(cè)區(qū)間。

4.3.2 集卡安全預(yù)警系統(tǒng)控制

系統(tǒng)安全保護(hù)觸發(fā)后，吊具只能以10%的額定速度慢速下降，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，允許集卡司機(jī)將鎖頭打開，繼續(xù)工作。

系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)或遠(yuǎn)程操作臺(tái)人機(jī)交互界面提供狀態(tài)指示。當(dāng)集卡安全預(yù)警功能處于停用狀態(tài)、使用狀態(tài)或者系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)行相關(guān)狀態(tài)顯示。

系統(tǒng)在遠(yuǎn)程控制臺(tái)上設(shè)置功能旁路選擇開關(guān)。當(dāng)功能旁路選擇開關(guān)處于“關(guān)”位置時(shí)，集卡安全預(yù)警功能停用，吊具起升不具有集卡安全保護(hù)功能。同時(shí)設(shè)置單次旁路開關(guān)，當(dāng)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警時(shí)，吊具停止上升，指示燈亮起，司機(jī)可按下旁路開關(guān)，進(jìn)行單次控制旁路；當(dāng)集卡安全預(yù)警系統(tǒng)未觸發(fā)或停用時(shí)，指示燈熄滅。

4.4 視覺檢測(cè)功能的應(yīng)用及拓展

此系統(tǒng)能利用碼頭車道原有的前后高清攝像頭，基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用目標(biāo)檢測(cè)算法，預(yù)測(cè)目標(biāo)的邊框、識(shí)別目標(biāo)的類別，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。

4.4.1 視覺檢測(cè)在車道垂直方向上的應(yīng)用

在集卡車的箱車分離階段，視覺檢測(cè)系統(tǒng)采用基于精準(zhǔn)尺度預(yù)測(cè)方法的實(shí)時(shí)視覺跟蹤算法，對(duì)檢測(cè)到的集卡車輪進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)跟蹤，以軌道吊起升下降時(shí)的集卡輪胎位置為基準(zhǔn)位置，并在系統(tǒng)中標(biāo)注基準(zhǔn)框(見圖6)。在整個(gè)作業(yè)運(yùn)行階段對(duì)前后車輪上下位置進(jìn)行像素級(jí)別的比對(duì)，系統(tǒng)判斷偏移值是否超過設(shè)定的閾值，如果沒有，說明集卡及集裝箱正常分離；如果超過閾值，說明集卡和集裝箱被同時(shí)提升，此時(shí)發(fā)送預(yù)警信息給PLC，緊急停止。

圖6 后攝像頭視角及輪胎標(biāo)準(zhǔn)框

4.4.2 視覺檢測(cè)在車道水平方向上的應(yīng)用

自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)要求集卡車在交換區(qū)停到相應(yīng)車道，在作業(yè)時(shí)需保持靜止，以便軌道吊抓放箱的掃描?；诖诵枨螅曈X檢測(cè)拓展了集卡移動(dòng)檢測(cè)的功能。和垂直方向上的檢測(cè)相同，以起升下降過程中的輪胎位置為基準(zhǔn)，在作業(yè)運(yùn)行階段對(duì)前后輪的左右位置進(jìn)行像素級(jí)別的比對(duì)，系統(tǒng)判斷偏移值是否超過設(shè)定的閾值，如果沒有，說明集卡未移動(dòng)；如果超過閾值，說明集卡移動(dòng)，此時(shí)發(fā)送預(yù)警信息給PLC，緊急停止。

4.4.3 視覺檢測(cè)在人員保護(hù)方面的應(yīng)用

自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)在交換區(qū)的作業(yè)運(yùn)行中，集卡司機(jī)是禁止進(jìn)入車道內(nèi)的。視覺檢測(cè)同樣可拓展出人員入侵功能，可繼續(xù)以前后輪為基準(zhǔn)框，無論集卡司機(jī)從哪個(gè)方向進(jìn)入作業(yè)車道內(nèi)，勢(shì)必會(huì)遮擋基準(zhǔn)框，此時(shí)系統(tǒng)同樣判別偏差值超過設(shè)定閾值，發(fā)送預(yù)警信息給PLC，軌道吊緊急停止。

4.4.4 視覺檢測(cè)系統(tǒng)在箱門檢測(cè)方面的應(yīng)用

車道前后都有攝像頭，無論單40 ft箱和雙20 ft箱門前后都可覆蓋，后續(xù)可基于大量的視覺深度學(xué)習(xí)，進(jìn)行箱門方向的特征判別，通過PLC反饋給碼頭運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，已便于后續(xù)調(diào)箱門作業(yè)的流程一體化，優(yōu)化作業(yè)效率。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化堆場(chǎng)交換區(qū)車道的安全保護(hù)，拓展集卡移動(dòng)檢測(cè)及人員入侵的報(bào)警功能，有效提升自動(dòng)化軌道吊的安全性和可靠性，并且后續(xù)還可拓展箱門檢測(cè)功能。