史大波，薛永杰，張 杰

（1.山東港口集團公司，山東青島 266500；2.青島港灣職業(yè)技術(shù)學院，山東青島 266404）

1 研究背景

2019 年11 月，交通運輸部等九部委印發(fā)《關(guān)于建設世界一流港口的指導意見》，到2025 年，世界一流港口建設取得重要進展，主要港口綠色、智慧、安全發(fā)展實現(xiàn)重大突破。到2035 年，全國港口發(fā)展水平整體躍升，主要港口總體達到世界一流水平，引領(lǐng)全球港口綠色發(fā)展、智慧發(fā)展。到2050 年，全面建成世界一流港口，形成若干個世界級港口群，發(fā)展水平位居世界前列[1]。

智慧綠色港口建設成為港口發(fā)展的主旋律，青島港先后實現(xiàn)集裝箱碼頭自動化、干散貨碼頭自動化，大大減輕職工勞動強度。清艙作業(yè)是流程作業(yè)必不可少的一個環(huán)節(jié)。在船舶卸貨后期，為了提高卸船效率，需要用單斗車、推耙機和人工在艙內(nèi)進行清理和耙集，期間人員與設備相互混雜配合，存在人機交叉、機機交叉等安全風險。因此，對裝載機和挖掘機、門座起重、卸船機以及清艙屬具等進行無人化研究，具有重要意義。

2 干散貨船舶清艙作業(yè)存在的問題及解決方案

2.1 存在的問題

在山東港口集團各散貨碼頭紛紛實現(xiàn)干散貨作業(yè)流程自動化的大背景下，船舶清艙作業(yè)的收尾過程依然采用人工清理模式。由于船舶貨艙的艙口尺寸小于艙內(nèi)容積尺寸以及卸船機械大型化的局限性，大型抓斗很難抓取船艙周邊角落的散貨物料，所以需要用單斗車、推耙機和人工在艙內(nèi)進行散貨物料的清理、放高，將散貨物料靶集到艙口下方區(qū)域以便于抓斗抓取，艙口指揮手指揮卸船機械司機進行抓取散料并指揮合適的走行路線。卸貨過程中，存在卸船設備與艙內(nèi)搬運設備之間的交叉作業(yè)，搬運設備、卸船設備與艙內(nèi)清理人機之間的交叉作業(yè)，安全風險級別上升。另外，作業(yè)過程中艙內(nèi)作業(yè)環(huán)境惡劣，粉塵及推耙機械尾氣彌漫，然而船舶清艙作業(yè)時間緊迫，清艙工人長時間在船艙內(nèi)作業(yè)，不利于身心健康。

2.2 智能化解決方案

清艙作業(yè)通常涉及4 個要素（設備和人員），分別為：①清艙設備，如挖掘機、裝載機、推耙機等；②碼頭卸貨設備，如卸船機、門座起重機；③清艙專用工屬具，如抓斗；④艙口指揮人員，如上桿指揮手。具體的分工情況為：①清艙設備負責船舶卸船作業(yè)的收尾工作，邊角料的清理成堆等；②碼頭裝卸設備配合清艙專用工屬具（抓斗）進行散料卸貨作業(yè)；③艙口指揮人員（指揮手）通過觀察艙內(nèi)情況，協(xié)調(diào)碼頭卸貨設備司機與艙內(nèi)作業(yè)設備司機，指揮設備司機安全高效作業(yè)。

智能化技術(shù)改造的目的是刪減繁瑣的作業(yè)工序，利用傳感設備代替人工作業(yè)，使卸貨設備能夠準確地轉(zhuǎn)移到需要卸貨的艙口：通過各種傳感裝置掃描貨艙貨物形狀，優(yōu)化作業(yè)路徑，避免設備之間作業(yè)干涉、本機各機構(gòu)的協(xié)調(diào)與定位、清艙專用工屬具的防搖等問題；艙內(nèi)設備實現(xiàn)遠程控制，避免人機交互作業(yè)；清艙專用工屬具裝備定位設備，通過算法優(yōu)化運行軌跡，提高作業(yè)的效率與安全性；采用視覺傳感技術(shù)解決艙口指揮問題。解決好這4 個智能化方面的問題，清艙的效果與效率就會大大提高。本文給出的解決方案有7 項具體要點，其中碼頭卸貨設備即為卸船機和門座起重機。

2.2.1 船艙3D 掃描系統(tǒng)[2]

為了掌握船艙內(nèi)貨物的實際情況，在碼頭卸貨設備（卸船機、門座起重機）臂架上安裝3D 掃描儀及云臺，對船舶以及船艙內(nèi)的干散貨進行掃描、形成三維圖像并進行仿真處理。數(shù)據(jù)采集控制器采集船型及艙口、物料以及氣候?qū)Υ白鳂I(yè)的影響等數(shù)據(jù)形成信息數(shù)據(jù)庫，以便根據(jù)不同的船型、氣候等因素形成可調(diào)用不同的數(shù)據(jù)。

智能三維數(shù)據(jù)采集和處理軟件可以自動為碼頭卸貨設備的裝卸作業(yè)形成最優(yōu)規(guī)劃作業(yè)路徑，這些信息經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)化成PLC 可以識別的指令，數(shù)據(jù)采集處理與三維成像系統(tǒng)和PLC 之間實時數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)精準的最佳卸料模式，以便在該卸貨區(qū)域穩(wěn)定地進行干散貨物料的抓取作業(yè)（圖1）。

圖1 掃描效果

2.2.2 GPS 定位系統(tǒng)

為保證激光掃描儀點云的掃描精度及各機構(gòu)的位置冗余保護，在碼頭卸貨設備上安裝1～2 套GPS 定位系統(tǒng)。經(jīng)過中央處理服務器控制模型的轉(zhuǎn)換，GPS 絕對坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以作業(yè)場地為三維空間，用（X，Y，Z）坐標表示，其中X、Y、Z 分別代表作業(yè)場地的長度坐標、寬度坐標和高度坐標。坐標數(shù)據(jù)可用于各機構(gòu)的位置控制和激光點云成像后的位置信息的指導數(shù)據(jù)。

GPS 定位系統(tǒng)可對設備各個機構(gòu)位置進行精確、實時位置計算，進而實現(xiàn)對碼頭卸貨設備裝卸作業(yè)的精準控制，達到穩(wěn)定、高效、安全的作業(yè)效果（圖2）。同時，采用高度集成化、模塊化的控制系統(tǒng)降低了設備的故障率，易于設備的維修保養(yǎng)。

圖2 GPS 定位天線

2.2.3 碼頭卸貨設備抓斗定位

采用增量型編碼器與絕對值編碼器冗余控制，不僅能精準定位抓斗位置，而且能保證當其中的編碼器故障時，控制系統(tǒng)依然能安全可靠地工作。精確的定位功能是一切自動化作業(yè)的基礎(chǔ)保障，只有在確保定位精度的基礎(chǔ)之上，單機自動化系統(tǒng)才能實現(xiàn)對抓斗的無人精確控制（圖3）。

圖3 門座起重機抓斗定位

2.2.4 抓斗防搖技術(shù)[3]

碼頭卸貨設備的抓斗是通過鋼絲繩實現(xiàn)收放作業(yè)，這種柔性設計必然會導致抓斗作業(yè)時左右搖擺，嚴重時可能撞擊到船艙，因此在自動裝卸干散貨過程中需要鋼絲繩始終處于垂直的作業(yè)狀態(tài)。因此，需要根據(jù)裝卸作業(yè)的規(guī)律建立起抓斗勻速圓周運動及單擺數(shù)學模型，利用變幅機構(gòu)的動作來抵消回轉(zhuǎn)機構(gòu)啟動和停止時用離心力產(chǎn)生的抓斗晃動，同時根據(jù)鋼絲繩長度反演抓斗與碼頭卸貨設備頭部滑輪垂直方向的角度，計算變幅機構(gòu)輸出速度、加速度，電機輸出的扭矩以及轉(zhuǎn)動慣量，再將參量經(jīng)過濾波降噪以后輸入變頻器控制系統(tǒng)，以抵消抓斗在回轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生的角速度、角加速度。

2.2.5 裝載機、挖掘機遠控操作

對單斗車和推耙機加裝激光掃描儀、傳感器、慣性導航系統(tǒng)以及通信模塊、視頻監(jiān)控等部件，并對穩(wěn)定系統(tǒng)的液壓裝置進行改造，實現(xiàn)了單斗車和推耙機的遠程控制（圖4）。

圖4 改裝示意

其主要技術(shù)有以下5 個：

（1）采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控船艙內(nèi)的作業(yè)狀況。

（2）艙內(nèi)環(huán)境智能感知及車輛定位系統(tǒng)。對清艙機械（船艙內(nèi)）作業(yè)區(qū)域，利用激光掃描儀實時掃描建模，結(jié)合定位技術(shù)，將清艙機械艙內(nèi)位置實時傳送到岸邊碼頭卸貨設備上，實現(xiàn)清艙機械與岸邊碼頭卸貨設備的安全協(xié)同作業(yè)（圖5）。

圖5 網(wǎng)絡示意

（3）利用慣性導航系統(tǒng)、安全態(tài)勢感知和防撞防搖技術(shù)，優(yōu)化清艙作業(yè)機械的行駛路徑和運動姿態(tài)，保障車輛在遠程操控時的作業(yè)安全。

（4）遠程操作臺有六屏幕顯示，具有操作模式無縫切換開關(guān)，清艙機械控制合/斷按鈕，故障復位按鈕、急停按鈕，走行操作踏板，大臂、小臂、鏟斗、回轉(zhuǎn)操作手柄等。遠程操作臺采用六自由度座椅，實時反饋車輛作業(yè)姿態(tài)，增強遠控操作人員對車輛運行態(tài)勢的感知。

（5）VCU（Vehicle Control Unit，車載控制單元）是遠控操作的處理器，負責處理來自車輛以及外界的各類感應信號和控制信號，完成單斗車、推耙機等搬運機械遠程控制和信息處理。

2.2.6 清艙專用工屬具

依據(jù)實際工況所研制清艙屬具為干散貨碼頭清艙屬具首創(chuàng)，可根據(jù)不同船艙結(jié)構(gòu)使用對應屬具，提高清艙速度，提升工作效率，每條船舶可至少提前2 h 完成清艙作業(yè)任務，節(jié)省清艙成本（圖6）。

圖6 新型船舶清艙屬具

2.2.7 電子上桿系統(tǒng)

該系統(tǒng)由前端高清顯示設備、無線網(wǎng)絡傳輸設備和移動監(jiān)控設備組成。其中，無線網(wǎng)絡傳輸設備是通過微波進行信號的發(fā)送與接收的橋接，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強和方便可移動性強等優(yōu)點；前端高清顯示設備安裝在門座起重機、卸船機司機室內(nèi)。無線網(wǎng)絡設備又分為固定端和移動端兩大類，前者安裝于門座起重機、卸船機旋轉(zhuǎn)平臺、臂架和司機室平臺上，后者安裝于移動監(jiān)控設備箱內(nèi)，作業(yè)時移動監(jiān)控設備箱放置于船上（圖7）。

圖7 移動端無線傳輸設備

3 結(jié)束語

目前，船舶清艙智能作業(yè)系統(tǒng)已應用于山東港口青島港，通過碼頭卸貨設備的自動化操作、裝載機和挖掘機的遠程控制、新型清倉屬具的使用以及電子上桿系統(tǒng)，實現(xiàn)了清艙作業(yè)各環(huán)節(jié)的無人化，保障清艙作業(yè)的設備和人員安全。這不僅提高了港口的核心競爭力，還開創(chuàng)了國內(nèi)外干散貨板塊船舶智能清艙建設新模式，有力地推動干散貨碼頭轉(zhuǎn)型升級，全面引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，對提升山東港口綠色智能化水平具有重要意義。