RTG集裝箱堆場智能化遠程控制技術綜述及探討

喬俊杰

（南京港龍?zhí)都b箱碼頭有限公司，江蘇南京210000）

RTG集裝箱堆場智能化遠程控制技術綜述及探討

喬俊杰

（南京港龍?zhí)都b箱碼頭有限公司，江蘇南京210000）

我國自動化集裝箱碼頭發(fā)展尚處于起步階段，對現(xiàn)有設備操控網(wǎng)絡進行自動化改造是順應這一趨勢的重要途徑。國內(nèi)堆場遠程調(diào)度主要集中在軌道式龍門起重機上，而對RTG的智能化遠程控制研究較少，對RTG的糾偏系統(tǒng)研究更是少有涉足。針對現(xiàn)有集裝箱堆場控制模式存在的問題，以堆場作業(yè)系統(tǒng)為控制對象，并研究了一系列的定位、糾偏、防撞、光纖通訊、智能調(diào)度、智能控制、遠程控制等先進技術及子系統(tǒng)，提出一種新的“智能化+遠程控制”的港口堆場系統(tǒng)作業(yè)新模式，為我國港口集裝箱堆場的遠程控制和智能化提供了理論研究基礎及技術支持。

RTG；集裝箱堆場；智能化；遠程控制

世界經(jīng)濟與國際貿(mào)易增速加快將推動全球集裝箱運輸需求增幅擴大。IMF去年10月發(fā)布的《世界經(jīng)濟展望》預測，2016年全球經(jīng)濟將增長3.6%，同比高出0.5個百分點。著名航運咨詢機構克拉克森預測，今年全球集裝箱運輸需求增長4.2%，增速加快1.7個百分點。德魯里預測，今年全球集裝箱運輸需求增長3.3%，增速加快1.6個百分點。從國內(nèi)市場來看，上海航運交易所預計，綜合模型預測認為，今年中國港口集裝箱吞吐量將達到2.17億TEU左右，同比增長3.5%~4.5%.現(xiàn)代港口正成為經(jīng)貿(mào)發(fā)展的催化劑，它對周圍地區(qū)和腹地產(chǎn)生巨大的商業(yè)輻射功能，推動區(qū)域經(jīng)濟和貿(mào)易發(fā)展[1]。

世界港口都在大力推進第四代高效智慧港口建設[2]。縱觀世界主要港口的發(fā)展趨勢，第二、三代港口仍是當今港口發(fā)展的主流，隨著經(jīng)濟全球化、市場國際化和信息網(wǎng)絡化，一些大型港口已經(jīng)開始向第四代港口轉型，正向國際化、規(guī)模化、系統(tǒng)化發(fā)展，形成高度整合的“大物流”港，在國外，如新奧爾良港、鹿特丹港、漢堡港和新加坡港等國際港口在現(xiàn)代信息技術方面的應用早為人熟知且享譽國際。因此，進一步拓展港口智能化功能的“增值物流”、打造技術密集型的“智能港”是當前和今后港口發(fā)展的潮流。我國港口只有跟上這一發(fā)展潮流，才能真正實現(xiàn)強港夢。如今，我國港口加快推進信息化建設，構建現(xiàn)代化、信息化的港口管理與運作體系，努力打造智能港口，邁出了其向國際樞紐港口看齊的關鍵一步。借助信息的全面感知和智能互聯(lián)能力，港口的集疏運、生產(chǎn)作業(yè)、海關監(jiān)管、倉儲物流、港口服務等多種港口需求做出智能化響應，讓港口形成具備可持續(xù)內(nèi)生動力，加速推動港口的業(yè)務升級，從而幫助它們實現(xiàn)向國際樞紐級港口的快速演變。在港口轉型升級的大潮中，智能化已然成為港口未來的發(fā)展方向。

目前，我國港口生產(chǎn)調(diào)度、裝卸過程還是以人工操作模式為主，不僅效率低，成本高，同時安全性也得不到保障。港口裝卸設備系統(tǒng)總體上具有間隙性生產(chǎn)的特點，設備利用率低，平均水平約30%左右，這是由運輸裝卸系統(tǒng)的特點所決定的，而生產(chǎn)作業(yè)時，裝卸強度很大，由設備的任何故障引起的停機都將給正常生產(chǎn)帶來嚴重影響，直至使整個裝卸系統(tǒng)癱瘓[3]。傳統(tǒng)集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)受自然環(huán)境、技術發(fā)展等因素影響較大，在新形勢下，集裝箱碼頭在生產(chǎn)作業(yè)和操作管理模式方面的精細化、系統(tǒng)化、智能化化要求更高。國外自動化碼頭已經(jīng)實現(xiàn)了集裝箱堆場的全自動作業(yè)，我國自動化集裝箱碼頭發(fā)展尚處于起步階段，對現(xiàn)有設備操控網(wǎng)絡進行自動化改造是順應這一趨勢的重要途徑。

集裝箱堆場是船舶裝卸作業(yè)與內(nèi)陸提交箱作業(yè)間的一個緩沖區(qū)，起到臨時儲存集裝箱的作用。隨著碼頭集裝箱吞吐量不斷增加，堆場系統(tǒng)對整個集裝箱碼頭作業(yè)能力和效率瓶頸的作用越來越明顯，優(yōu)化堆場系統(tǒng)作業(yè)已成為重要的研究課題。現(xiàn)有半自動化集裝箱堆場雖然在一定程度上實現(xiàn)了堆場智能化管理和遠程控制，但是其堆場管理系統(tǒng)普遍采用外購，而自身獨立開發(fā)的系統(tǒng)則存在功能單一、算法冗雜的缺陷，而且構建整個集裝箱自動化堆場投資較大，同時全方位監(jiān)控方面存在視頻數(shù)據(jù)延遲，安全性能差。同時由于采用全稱無人操作，在一些關鍵節(jié)點使用機器直接判斷，容易出錯也導致效率偏低。所以研制針對目前港口中制約生產(chǎn)效率、安全、成本等因素，提出一種新的“智能化+遠程控制”的港口堆場系統(tǒng)作業(yè)新模式，該模式綜合考慮技術創(chuàng)新、勞動強度、安全保護、建設投入及可靠性，從理論和技術上對半自動化遠程控制和智能化展開深入研究，以期滿足現(xiàn)代港口發(fā)展的需要。

1 RTG智能控制技術概述

1.1 RTG作業(yè)狀態(tài)智能感知與自主控制

場橋遠控系統(tǒng)（iCRCS）通過從TOS系統(tǒng)中獲取堆場空間信息、集裝箱信息以及RTG信息后，對每一個集裝箱的空間位置、搬運設備（RTG）以及RTG的最優(yōu)路徑進行了確定。此時場橋遠控系統(tǒng)對RTG發(fā)出指令，通過系統(tǒng)的智能感知及RTG的自主控制功能，完成集裝箱的進場或出場。集智能作業(yè)與遠程控制為一體的新型堆場作業(yè)模式中，集裝箱的進出場主要搬運設備為RTG，因此智能化遠程操作用，所涉及到的智能感知和自主控制主要包括RTG大車運行感知與控制，集裝箱信息智能感知、RTG小車作業(yè)感知與控制3部分。

（1）RTG大車運行智能感知和自主控制

智能作業(yè)與遠程控制中，RTG在完成一次作業(yè)后，其位置信息和作業(yè)狀態(tài)信息會自動反饋給TOS系統(tǒng)，TOS系統(tǒng)將該信息傳輸給場橋遠控系統(tǒng)并給其發(fā)送作業(yè)指令。所涉及的智能感知和自主控制技術如表1所示。

表1 RTG大車運行中智能感知技術

（2）集裝箱車輛位置信息智能識別

在集裝箱堆場中，每個集裝箱的位置信息由場橋遠控系統(tǒng)（iCRCS）從TOS系統(tǒng)中獲取，并實時反饋給TOS系統(tǒng)予以更新，而堆場內(nèi)的集裝箱車輛信息則是通過GPS技術實現(xiàn)實時定位。在集裝箱車輛上安裝DGPS設備，與PLC或者遠程操作主控工作站連接，進行授時與定位功能，實現(xiàn)車輛位置的實時定位輸出，精度在2 cm以內(nèi)；實現(xiàn)輸出GPS的授時同步信號，精度為20 ns；相關數(shù)據(jù)輸出頻率為10~20 Hz；輸出經(jīng)緯度坐標信息，可以轉換到場地平面坐標信息，以及轉換為場、貝排的箱位信息；提供串口以及網(wǎng)口接口連接，可與工作站電腦連接通訊，也可以直接連接PLC實時通訊；可提供場地GIS相關信息，自動計算與目標場地的距離。

（3）RTG小車作業(yè)智能感知與控制

在場橋遠控系統(tǒng)（iCRCS）自主控制下，RTG大車運行至制定位置后，由RTG小車完成集裝箱的卸箱或起吊作業(yè)。所涉及的智能感知和自主控制技術如表2所示。

表2 RTG小車作業(yè)中智能感知技術

1.2 RTG安全檢測與保護技術

安全保護裝置是保護RTG安全運行的裝置。在RTG操作運行中出現(xiàn)異常、發(fā)生一系列故障甚至危險情況下，可及時發(fā)出警報和指示信號，使其得到迅速處理或自動停機，以防止發(fā)生事故，損壞設備，影響生產(chǎn)和危及職工生命安全。主要安全檢測及保護技術如下。

（1）大車自動糾偏

利用安裝在RTG兩側的激光測距儀和安裝在滑軌側的擋板測量出兩者之間的距離，當測出的距離與預先設定的標準距離有誤差時，自動糾偏軟件計算出高精度準確的行駛偏差和航向數(shù)據(jù)，通過專用接口與PLC進行數(shù)據(jù)交換，實時掌握輪胎吊的工作狀態(tài)，根據(jù)糾偏控制模型控制輪胎吊前后大車的驅動電機，糾正輪胎吊的行駛方向和速度，實現(xiàn)自動糾偏功能。

（2）大車防撞安全保護

大車防撞系統(tǒng)采用上海安維爾公司的RTG障礙預警系統(tǒng)。操作人員在中控室內(nèi)，通過視頻及其它傳感器，對在集裝箱堆場的RTG遠程操控。利用智能視頻分析技術在RTG運動路線上障礙物的自動檢測預警。在RTG的4條支撐腿上安裝攝像機，對運動前方可能出現(xiàn)的人、車等較大障礙物進行報警，同時和RTG的PLC聯(lián)動，實現(xiàn)自動減速、停車。

（3）視頻監(jiān)控保護

視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過安裝在RTG的攝像頭，獲取現(xiàn)場作業(yè)畫面，在中控室的顯示終端上顯示車道集卡、吊具的作業(yè)情況及設備周圍環(huán)境，幫助遠程控制人員及時了解現(xiàn)場情況。

（4）堆場防護

為了防止集卡拖車任意闖入遠程操作的RTG工作區(qū)域，而導致RTG與拖車發(fā)生碰撞，需要將該處堆場防護起來，采用立柱加圍欄的物理隔離方式進行防護。

1）采用高1 600 mm防護樁拉鋼絲隔離。

2）防護樁采用直徑50 mm鍍鋅鋼管（查詢設計規(guī)范）。

3）每個防護樁間隔6 000 mm.

4）鋼絲繩分為四層防護，每層間隔400 mm.

5）鋼絲繩頭尾有張緊裝置。

6）鋼絲繩上掛有警示標志：“封閉場地禁止進入”。

7）不能影響拖車進出。

需要防護的堆場平面區(qū)域大小180 m×50 m，圍著這個區(qū)域，每隔6 m要埋一根立柱，地面下首先挖開聯(lián)鎖塊，打孔超過800 mm，形成一個倒錐形的孔，埋下鋼管，并澆灌一定深度的混凝土，再填實并拼好聯(lián)鎖塊。

立柱采用直徑50 mm的鍍鋅鋼管，鋼管上涂有黃黑色警示期，鋼管頂端封閉，防止雨水進入。鋼管上均勻分為4層，每層兩段焊接圓環(huán)，用于掛拉鋼絲繩，鋼絲繩在兩端安裝有張緊裝置。中間兩層鋼絲繩上掛有警示牌，注明“封閉場地禁止進入”。以拖車進出通道的邊緣樹立的立柱為堆場防護隔離設施的邊緣，拖車進出通道上不拉鋼絲繩，確保拖車的正常運行。

2集裝箱堆場遠程控制技術

RTG遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)采集與處理、控制、監(jiān)督及管理等功能，其作業(yè)過程為：直接從堆場管理系統(tǒng)（CTOS）中得到優(yōu)化后的指令，并解析待作業(yè)集裝箱堆場位置坐標，通過判斷決策，選擇最優(yōu)適合作業(yè)的RTG上，并將指令發(fā)送到RTG的PLC上，驅動RTG自動運行起升、小車運行、大車運行等機構，使其準確停止在目標位置操作范圍內(nèi)，到達信息反饋后，處于安全考慮，通過CTOS系統(tǒng)將設備控制權交給位于遠端的中控室內(nèi)的操作司機，由司機通過現(xiàn)場的實時視頻，操作控制RTG實現(xiàn)吊具下落、上鎖、起升等動作，之后，將由CTOS完成目標箱為后續(xù)工作。RTG遠程控制系統(tǒng)物理模型及架構層次構成如圖1所示。

圖1 RTG遠程控制系統(tǒng)架構圖

（1）自動控制子系統(tǒng)

自控控制子系統(tǒng)需要專用的任務服務器，將CTOS吊柜任務進行優(yōu)化排序，形成于設備可以理解的位置坐標和動作指令，并指定到相應的RTG執(zhí)行該指令，需要RTG準備自動動作到目標位，做好動作前的各項工作，準確實現(xiàn)這一功能的前提是遠程控制中定位子系統(tǒng)，只有準確將RTG小車運行機構、小車起升機構以及大車運行機構等三大運行機構自動控制到位，才可以確保設備自動運行時準確的到達目標位置，保證了三大機構自動運行的精度和穩(wěn)定性。

（2）中控子系統(tǒng)

中控子系統(tǒng)為整個系統(tǒng)控制中心，實現(xiàn)港口箱位管理系統(tǒng)CTOS與中控子系統(tǒng)的融合，中控子系統(tǒng)能實時讀取CTOS系統(tǒng)指令，并進行優(yōu)化處理，實現(xiàn)中控PLC與港口設備的穩(wěn)定通訊。其主要由遠程操作臺及中控PLC控制系統(tǒng)組成。

（3）視頻子系統(tǒng)

視頻子系統(tǒng)是機械視覺系統(tǒng)在碼頭堆場的具體重要應用，機械視覺是通過攝像機的視頻畫面，傳輸并保存在視頻服務器上，實現(xiàn)計算機分析，得出畫面中的信息，并作數(shù)字化處理，從而完成類似各種傳感器的工作。視頻切換后，其信號和遠控臺操作手柄進行綁定，所見即所操作。可TOS系統(tǒng)中記錄的箱區(qū)堆箱狀態(tài)進行比較，實現(xiàn)箱區(qū)堆放糾錯功能，也可以實現(xiàn)RTG設備吊箱運行的軌跡優(yōu)化，減少能源損耗。其主要由四部分組成：前端設備、信號傳輸設備、中心視頻切換控制、中心視頻信號的顯示與記錄。視頻系統(tǒng)主要由：遠控操作臺、顯示器和服務器以及視頻軟件系統(tǒng)等組成。視頻信號需要高清畫面，像素值需達到百萬以上，對于視頻信號的要求清晰、畫面感無延時。

（4）通訊子系統(tǒng)

實現(xiàn)RTG與遠程中控室的通訊，要保證通訊信號傳輸?shù)膸挕⒎€(wěn)定、實時性，其中遠程通訊PLC是必不可少的。遠程通訊PLC主要與中控室進行通訊，將中控室過來的控制指令傳遞給RTG上的原控制PLC，并將遠程設備上的信息傳遞給中控室。遠程通訊PLC需要有較強的通訊功能，并且性價比高，RTG作為移動設備與中控室的通訊方式現(xiàn)階段有如下四種方式：通過帶光纖的電纜卷筒、專用光纖卷筒、漏波電纜、無線AP通訊。為保證信號傳輸?shù)膸挕⒎€(wěn)定、實時性，采用光纖電纜通訊技術或漏波電纜無線通訊方式（RTG）。無線AP通訊因為難以滿足多路視頻帶寬傳輸?shù)囊螅员具h程控制系統(tǒng)不考慮采用無線AP通訊方式。遠程操作需求，圖像質(zhì)量最好達到720 P要求，每路視頻信號占用網(wǎng)絡帶寬2.5 M左右。可通過視頻切換顯示減少占用帶寬。控制系統(tǒng)設計時充分考慮安全性，當出現(xiàn)網(wǎng)絡故障或延遲超過時限要求時，按照“無信號，不動作”原則，保證及時停機與安全，通訊子系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 通訊子系統(tǒng)示意圖

（5）安全防護子系統(tǒng)

大車自動糾偏、防撞功能，機械視覺作為防撞保護裝置使用，使用雙目接卸視覺系統(tǒng)，可以得到立體的圖像，可以分析立體圖像的信息得到視頻中物體的大小、距離等信息，可以換算成位置信息，從而實現(xiàn)防撞保護。

RTG遠程控制系統(tǒng)是借助于先進的網(wǎng)絡、視頻、傳感器和控制技術，是隨著計算機技術、通信技術、新型傳感器技術和自動控制技術的飛速發(fā)展和日益成熟而發(fā)展，其綜合計算、網(wǎng)絡和物理世界等復雜系統(tǒng)，通過計算技術、通信技術和控制技術的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)信息世界和物理世界的緊密融合，是一種深度嵌入式實時系統(tǒng)，同時也是通過網(wǎng)絡將信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)連接在一起而構成的一種大型、異構、分布式的實時系統(tǒng)。在RTG遠程控制系統(tǒng)中所有計算模塊、通信模塊、網(wǎng)絡節(jié)點、RTG、中控臺等物理組件，是一個感知并控制并實現(xiàn)遠程控制和通信的過程，實現(xiàn)了對堆場RTG安全、可靠、高效、實時、準確的感知和控制。

3結束語

針對現(xiàn)有集裝箱堆場控制模式存在的問題，以堆場作業(yè)系統(tǒng)為控制對象，對RTG自主控制、RTG作業(yè)狀態(tài)智能感知等關鍵技術進行研究，提出了一種“智能+遠程控制”的新的堆場系統(tǒng)控制模式，并研究了一系列的定位、糾偏、防撞、光纖通訊、智能調(diào)度、智能控制、遠程控制等先進技術及子系統(tǒng)，提出一種新的“智能化+遠程控制”的港口堆場系統(tǒng)作業(yè)新模式，為我國港口集裝箱堆場的遠程控制和智能化提供了理論研究基礎及技術支持。

[1]梁日杰.2016世界經(jīng)濟展望與挑戰(zhàn)[J].科技展望，2016（18）：237.

[2]孫光圻.第四代港口對中國港口建設的啟示[J].中國港灣建設，2010（05）：71-73.

[3]蔡欣.港口生產(chǎn)調(diào)度組織過程優(yōu)化探析[J].中國水運（下半月），2015（12）：69-70.

Summary and Discussion of IntelligentRemote Control Technology for RTG Container Yard

QIAO Jun-jie
（Nanjing Longtan Port Container Terminal Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210000）

The developmentofautomatic container yard in China isstill in the initialstage，and it isan importantway to adapt to the trend of the automation of the existing equipment control network.Domestic yard remote scheduling is mainly concentrated in the track type longmen crane，and the RTG intelligent remote control research is less，the RTG of the system is less involved in the correction system.Aiming at the existing problem of container yard by yard operation control system as the control object，advanced technology and research orientation，a series of correction，anti-collision，optical fiber communication，intelligent scheduling，intelligent control，remote control and operation subsystem，new port system and put forward a new kind of"intelligent+remote control"，the study offers theoretical foundation and technical support for remote controland intelligent storage container ports in china.

RTG；container yard；intelligent；remote control

U693.5

A

1672-545X（2016）12-0123-04

2016-09-20

喬俊杰（1985-），男，山西朔州懷仁人，助理工程師，學士學位，研究方向：機械設計制造及其自動化，港口機械。