朱人平

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司長(zhǎng)興分公司，上海 201913）

在港口集裝箱起重機(jī)的施工過(guò)程當(dāng)中，系統(tǒng)調(diào)試項(xiàng)目是一個(gè)特別重要的環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)的調(diào)試模式未發(fā)生變化。當(dāng)集裝箱起重機(jī)的電梯發(fā)生故障時(shí)，調(diào)試工程師就只能通過(guò)登船扶梯走到約60 m 高的PLC 控制室進(jìn)行調(diào)試。這個(gè)過(guò)程不僅耗時(shí)耗力，而且需要承擔(dān)很高的安全風(fēng)險(xiǎn)。調(diào)試工程師還可能遇到金屬粉塵、油漆異味、臨時(shí)安裝的工藝平臺(tái)及組裝不完善的安全防護(hù)欄桿等安全隱患。為了提高調(diào)試作業(yè)工作效率和安全性，產(chǎn)生了探索新的調(diào)試方法和技術(shù)的需求。因此，集裝箱起重機(jī)的遠(yuǎn)程調(diào)試方法顯得尤為重要。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，將被調(diào)試的設(shè)備與調(diào)試設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試，不僅可以提高調(diào)試效率，還可以保障調(diào)試工程師的安全。但是在使用遠(yuǎn)程調(diào)試工具時(shí)，需注意網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性和安全性，以免造成不必要的損失。

假如同一個(gè)項(xiàng)目的多臺(tái)集裝箱起重機(jī)不能實(shí)現(xiàn)安裝臨時(shí)走廊的狀況，工程師便需要多次上下，既浪費(fèi)時(shí)間又消耗體力。為了完成工作任務(wù)，他們只能被迫加班。電子控制室和計(jì)算機(jī)室相鄰，噪音、煙霧和其他干擾因素不可避免。在這種傳統(tǒng)調(diào)試工作模式下，由于處在惡劣的工作環(huán)境下，再加上調(diào)試工程師較長(zhǎng)時(shí)間暴露在高頻的輻射氛圍中，一定程度會(huì)對(duì)其健康造成嚴(yán)重的傷害。這進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致調(diào)試工程師辭職，增加了調(diào)試人才庫(kù)的難度。尤其是各個(gè)項(xiàng)目的責(zé)任工程師會(huì)因各種不可控因素?zé)o法在第一時(shí)間趕到集裝箱起重機(jī)的調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)造成調(diào)試人力極度短缺的狀況，因此，有必要探索新的調(diào)試方法和技術(shù)，提高調(diào)試過(guò)程的效率和安全性。本文通過(guò)現(xiàn)有已經(jīng)成熟的網(wǎng)絡(luò)、視頻、通信等技術(shù)，將集裝箱起重機(jī)上的PLC 數(shù)據(jù)、工控機(jī)數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)等內(nèi)容通過(guò)無(wú)線鏈路傳輸至遠(yuǎn)端的中央控制室（簡(jiǎn)稱“中控室”），調(diào)試工程師在中控室處理問(wèn)題，分析數(shù)據(jù)，再結(jié)合傳統(tǒng)調(diào)試技術(shù)形成一種兼顧高效、新型、安全的調(diào)試方法和技術(shù)。

1 遠(yuǎn)程調(diào)試方法及子系統(tǒng)組成

該集裝箱起重機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)試方法主要由視頻圖像監(jiān)控及工控機(jī)控制系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)由遠(yuǎn)距離對(duì)講、單兵設(shè)備及緊急停止安全保護(hù)三大系統(tǒng)組成。

1.1 視頻圖像監(jiān)控及工控機(jī)控制系統(tǒng)

視頻圖像監(jiān)控及工控機(jī)控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、自帶拾音器的攝像機(jī)、路由器、POE 交換機(jī)、NVR 硬盤錄像機(jī)、5G 終端接入設(shè)備、PC 客戶端、管理服務(wù)器、高清解碼器、LCD 拼接大屏和核心交換機(jī)組成。具體的方案組成如圖1 所示，其主要分為3 部分，分別為集裝箱起重機(jī)端、5G 信號(hào)傳輸和中控室端。

圖1 視頻圖像監(jiān)控及工控機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 集裝箱起重機(jī)端

集裝箱起重機(jī)端整體采用數(shù)字方案，視頻圖像全部以數(shù)字形式傳輸，數(shù)據(jù)具有較高的兼容性、抗干擾性及安全性。視頻圖像監(jiān)控主要由視頻采集和視頻存儲(chǔ)2 個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。視頻采集由攝像機(jī)來(lái)完成，其被科學(xué)地布置在集裝箱起重機(jī)各機(jī)構(gòu)旁，使其視角能更高概率地覆蓋各個(gè)部位。從調(diào)試需求出發(fā)，特別針對(duì)集裝箱起重機(jī)上的視覺(jué)死角，視頻圖像監(jiān)控子系統(tǒng)需要選用高清晰度的攝像機(jī)，可以將攝像機(jī)所觀察到的場(chǎng)景顯示得更加清晰，對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行全天候不間斷監(jiān)控，通過(guò)接入5G 網(wǎng)絡(luò)的攝像機(jī)所采集的視頻數(shù)據(jù)可供用戶方隨時(shí)隨地查看，且不受時(shí)間、地域等因素限制，通過(guò)每個(gè)攝像機(jī)分配的IP 地址，用戶方可在任何一個(gè)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方查看。自帶拾音功能的攝像機(jī)可以協(xié)助調(diào)試工程師判斷現(xiàn)場(chǎng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)作狀態(tài)，檢查是否有異響，再配以NVR 硬盤錄像機(jī)，實(shí)現(xiàn)了視頻在本地存儲(chǔ)的功能，目的在于保證視頻存儲(chǔ)平臺(tái)的高質(zhì)量服務(wù)。為確保集裝箱起重機(jī)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全，使用了一種無(wú)須接入公共網(wǎng)絡(luò)即可使用的遠(yuǎn)程控制軟件。要訪問(wèn)工控機(jī)，首先要完成遠(yuǎn)程登錄IP 地址的設(shè)置，并且安裝定制的遠(yuǎn)程工業(yè)控制軟件。為了工作方便起見(jiàn)，遠(yuǎn)程工業(yè)控制軟件的訪問(wèn)權(quán)限也可以考慮設(shè)置為固定密碼，當(dāng)然也可以設(shè)置為隨機(jī)密碼，以獲得更大的安全性。每次訪問(wèn)前，集裝箱起重機(jī)碼頭必須配合工作人員將隨機(jī)密碼通知到中控室的調(diào)試工程師。若調(diào)試工程師想要訪問(wèn)集裝箱起重機(jī)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，他們需要將所訪問(wèn)的集裝箱起重機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的IP 地址和訪問(wèn)密碼輸入到中央控制室的PC 端遠(yuǎn)程控制軟件后臺(tái)，即可登錄操控集裝箱起重機(jī)上的工控機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電控系統(tǒng)PLC 程序參數(shù)的修改。

1.1.2 5G 信號(hào)傳輸

由于集裝箱起重機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控的高要求高標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)主流行業(yè)準(zhǔn)則，4K 和8K 視頻的傳輸速率至少要12~40 Mbps 和48~160 Mbps。此時(shí)，4G 網(wǎng)絡(luò)不能滿足所需技術(shù)要求。因此，需要提高超高清視頻的傳輸效率。5G 傳輸速率是4G 網(wǎng)絡(luò)速率的10 倍以上，網(wǎng)絡(luò)速度快使用戶有了更好的體驗(yàn)。因?yàn)?G 的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間是1 ms，約是4G 網(wǎng)絡(luò)的1/10，幾乎可以達(dá)到準(zhǔn)實(shí)時(shí)的水平。又因?yàn)榍衅夹g(shù)可以把物理網(wǎng)絡(luò)切片成若干個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，能適應(yīng)于各種場(chǎng)景。在同一5G 網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)可以確保集裝箱起重機(jī)設(shè)備中畫面?zhèn)鬏斮|(zhì)量，延遲不會(huì)受到其他5G 用戶影響。而且由于5G 網(wǎng)絡(luò)良好的承載能力可以成為解決這一場(chǎng)景需求的非常有效的解決手段。集裝箱起重機(jī)端和中央控制室端是通過(guò)路由器和中央控制室的EG 網(wǎng)關(guān)建立IPsec VPN隧道。中央控制室的交換機(jī)通過(guò)中央控制室的EG 網(wǎng)關(guān)進(jìn)入IPsec VPN 隧道，再?gòu)闹醒肟刂剖叶藗鬏數(shù)?G信號(hào)基站。集裝箱起重機(jī)端的5G 終端接入設(shè)備接收5G 基站發(fā)出的信號(hào)，再?gòu)?G 終端出隧道到用戶設(shè)備（UE）。該方法能有效提高超高清視頻的傳輸效率，滿足網(wǎng)絡(luò)流量、存儲(chǔ)空間和回程延遲的技術(shù)要求，最終連上集裝箱起重機(jī)端的交換機(jī)。

1.1.3 中控室端

中央控制室采用視頻管理子系統(tǒng)，主要由5G 終端進(jìn)行設(shè)備接入、路由器、管理服務(wù)器、高清解碼器和核心交換機(jī)組成。5G 終端將中央控制室設(shè)備和集裝箱起重機(jī)的設(shè)備接入5G 網(wǎng)絡(luò)，由管理服務(wù)器管理設(shè)備。高清解碼器對(duì)碼頭區(qū)發(fā)回的編碼數(shù)字視頻進(jìn)行解碼操作。安裝有監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)軟件的PC 客戶端可以集中管理視頻圖像，延遲低，響應(yīng)速度快?？梢钥刂坪筒榭凑麄€(gè)系統(tǒng)的所有前端錄像數(shù)據(jù)，并配有高清解碼器，實(shí)現(xiàn)在液晶拼接屏上多屏顯示功能。這使得相關(guān)技術(shù)人員可以直觀地了解岸橋的實(shí)時(shí)情況，及時(shí)進(jìn)行指揮調(diào)度。

1.2 遠(yuǎn)距離對(duì)講系統(tǒng)及單兵設(shè)備

1.2.1 遠(yuǎn)距離對(duì)講系統(tǒng)

傳統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)調(diào)試工作模式轉(zhuǎn)為遠(yuǎn)程調(diào)試后，原有的對(duì)講機(jī)聯(lián)絡(luò)方式已無(wú)法實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的溝通需求，一種信號(hào)好、速度快、長(zhǎng)距離溝通的通信方式變得極為重要。遠(yuǎn)距離通信對(duì)講的示意圖如圖2 所示。

圖2 遠(yuǎn)距離通信對(duì)講的示意圖

圖2 描述了不需要網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)距離通信內(nèi)部通信系統(tǒng)。通過(guò)使用信號(hào)基站，對(duì)講機(jī)可以像公共網(wǎng)絡(luò)一樣快速運(yùn)行，提供穩(wěn)定、清晰和靈活的對(duì)講機(jī)功能，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離公共網(wǎng)絡(luò)通信。該系統(tǒng)通過(guò)提供全媒體和可視化功能，超越了只能進(jìn)行語(yǔ)音通信的原始對(duì)講機(jī)的局限性。無(wú)論是文本對(duì)話、語(yǔ)音對(duì)講、照片上傳，甚至視頻對(duì)話，都可以實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況提交給調(diào)度平臺(tái)。當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)調(diào)試需求時(shí)，可以通過(guò)調(diào)度平臺(tái)以及服務(wù)器組將中央控制室的對(duì)講設(shè)備和集裝箱起重機(jī)組合在一起。專業(yè)的配合人員隨后可以帶著對(duì)講設(shè)備到中控室的調(diào)試工程師那里進(jìn)行遠(yuǎn)距離低延時(shí)的通信。

1.2.2 單兵設(shè)備

當(dāng)集裝箱起重機(jī)發(fā)生故障，需要遠(yuǎn)程調(diào)試時(shí)，工程師就需要對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行觀察或檢查電氣元件的狀態(tài)。而這需要能夠傳輸實(shí)時(shí)信息（如視頻圖像）的設(shè)備。單兵設(shè)備（智能眼鏡）的使用示意圖如圖3 所示。

圖3 單兵設(shè)備（智能眼鏡）的使用示意圖

圖3 展現(xiàn)了集裝箱起重機(jī)端的合作人員如何通過(guò)佩戴智能眼鏡來(lái)共同協(xié)助進(jìn)行調(diào)試工作?，F(xiàn)場(chǎng)視頻通過(guò)智能眼鏡以第一人稱視角實(shí)時(shí)廣播到中央控制室，與此同時(shí)，工作人員還可以通過(guò)視頻、聲音、文字和圖像等溝通手段來(lái)與調(diào)試工程師進(jìn)行交流。現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)也會(huì)實(shí)時(shí)直接存儲(chǔ)在AI 智能眼鏡平臺(tái)上，然后通過(guò)后臺(tái)處理將結(jié)果反饋給佩戴智能眼鏡的工作人員。集裝箱起重機(jī)遇到技術(shù)問(wèn)題，需要專家進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)支持時(shí)，調(diào)試工程師可以使用遠(yuǎn)程控制軟件訪問(wèn)集裝箱起重機(jī)的工控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。該方法能有效提高調(diào)試過(guò)程的效率和安全性，減輕調(diào)試工程師的工作量。如果無(wú)法提供實(shí)時(shí)的故障狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致專家的判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤，影響解決處理故障的效率。引入單兵設(shè)備后，在現(xiàn)場(chǎng)的施工人員，可將故障狀態(tài)通過(guò)單兵設(shè)備實(shí)時(shí)傳給遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)端的專家可以直接給予指導(dǎo)，第一時(shí)間排除故障，合理利用專家資源，節(jié)約企業(yè)成本。在生產(chǎn)過(guò)程中，監(jiān)管人員和用戶還可以通過(guò)單兵設(shè)備的音視頻無(wú)死角實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管和巡檢。這將大幅度縮短報(bào)驗(yàn)時(shí)間，也會(huì)有利于現(xiàn)場(chǎng)人員迅速開(kāi)展下一道工序工作，從而提供基本的技術(shù)支持，降低了上下機(jī)的疲勞強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。該方法能有效提高調(diào)試效率和安全性，減輕調(diào)試工程師的工作量，提高調(diào)試質(zhì)量。

1.3 緊急停止安全保護(hù)系統(tǒng)

急停按鈕安裝在起重機(jī)操作臺(tái)上，按鈕常閉觸點(diǎn)串聯(lián)形成一個(gè)常閉的硬件回路電路。到最后回路會(huì)連接安全繼電器，實(shí)現(xiàn)急停保護(hù)系統(tǒng)中的保護(hù)功能。當(dāng)再次需要觸發(fā)急停保護(hù)時(shí)，只需要按下任意急停按鈕開(kāi)關(guān)，常閉回路斷開(kāi)使安全繼電器觸發(fā)，集裝箱起重機(jī)便無(wú)法控制和操作。然而，該系統(tǒng)的局限性是須在集裝箱起重機(jī)上操作才可以觸發(fā)。為了提高安全性，需要探索實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程緊急停車保護(hù)的新技術(shù)和新方法。為了保證集裝箱起重機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)試的安全和穩(wěn)定性，既要進(jìn)行緊急停止保護(hù)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，還要實(shí)現(xiàn)集裝箱起重機(jī)急停系統(tǒng)的正常工作，可將工業(yè)繼電器的輔助觸點(diǎn)接入原硬件回路中。遠(yuǎn)程緊急停止安全保護(hù)系統(tǒng)裝置示意圖和觸發(fā)安全繼電器的緊急停止保護(hù)系統(tǒng)硬件回路圖示，分別如圖4、圖5 所示。

圖4 遠(yuǎn)程緊急停止安全保護(hù)系統(tǒng)裝置示意圖

圖5 觸發(fā)安全繼電器的緊急停止保護(hù)系統(tǒng)硬件回路圖示

根據(jù)圖4，智能插頭的輸入端通電，智能插頭通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)（該網(wǎng)絡(luò)是為圖1 中的5G 終端接入設(shè)備提供的）。此時(shí)，智能插頭配置后，輸出端不通電，專業(yè)的工業(yè)繼電器也不會(huì)通電，a 和c 端點(diǎn)的常閉接口觸點(diǎn)狀態(tài)始終閉合狀態(tài)不變。最后整體硬件回路接到安全繼電器上。當(dāng)急停保護(hù)系統(tǒng)需要遠(yuǎn)程激活時(shí)，輸出端的電源由智能插頭軟件遠(yuǎn)程打開(kāi)，然后由智能插頭向工業(yè)繼電器供電。當(dāng)工業(yè)繼電器得電，端子a點(diǎn)和c 點(diǎn)間常閉接口觸點(diǎn)就會(huì)斷開(kāi)。圖5 中遠(yuǎn)程緊急停止的常閉觸點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)斷開(kāi)現(xiàn)象，并且與安全繼電器串聯(lián)的硬件電路也會(huì)發(fā)生斷開(kāi)現(xiàn)象。因此，不能實(shí)現(xiàn)安全繼電器的正常觸發(fā)條件，直接會(huì)導(dǎo)致集裝箱起重機(jī)出現(xiàn)無(wú)法控制關(guān)閉和操作機(jī)構(gòu)不能正常工作的問(wèn)題。而該方法就能有效提高集裝箱起重機(jī)的安全性，減少調(diào)試工程師的工作量。這種設(shè)計(jì)主要針對(duì)緊急停止保護(hù)系統(tǒng)的安全性，若繼續(xù)使用控制智能插座斷開(kāi)輸出電源的方式，那么在工業(yè)繼電器不得電時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)接入硬件回路的方式中，一旦出現(xiàn)智能插座在接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)出現(xiàn)斷網(wǎng)現(xiàn)象或智能插座輸入端異常斷電或意外斷電的情況，緊急停止保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)高頻次被觸發(fā)的緊急狀況，進(jìn)而影響緊停保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 結(jié)束語(yǔ)

集裝箱起重機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)試的處理方法，對(duì)解決集裝箱起重機(jī)制造階段調(diào)試工程師數(shù)量不足的問(wèn)題具有重要意義。升級(jí)調(diào)試資源的最優(yōu)組合配置，可以提高調(diào)試工作的效率，不僅能夠降低調(diào)試成本，而且還可以改善工作環(huán)境，進(jìn)而大大降低調(diào)試過(guò)程中所產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。一種解決方案是在中央控制室遠(yuǎn)程操作工業(yè)計(jì)算機(jī)。但是，這種方法易受到網(wǎng)絡(luò)的限制。如果對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)完全有切實(shí)的保障，調(diào)試工程師就不再需要去集裝箱起重機(jī)生產(chǎn)基地現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。他們就可以通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)直接在家里實(shí)現(xiàn)集裝箱起重機(jī)在調(diào)試時(shí)所需的技術(shù)支持和保障。該方法可以有效提高調(diào)試過(guò)程的效率和安全性，減輕調(diào)試工程師的工作量，提高調(diào)試質(zhì)量。