自動化集裝箱軌道式龍門起重機雙箱自動抓放功能設計與實現

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著世界貿易的蓬勃發展，集裝箱碼頭成為了海陸物流運輸的樞紐。由于人力成本的不斷提升以及日益嚴格的環保要求，集裝箱碼頭的運維管理朝著自動化、智能化方向不斷深入發展。自動化集裝箱碼頭因其安全可靠性高、作業效率高、場地利用率高、環境友好、人力成本低等顯著優點而成為碼頭發展優先選擇的方向[1]。

自動化集裝箱碼頭的發展，對自動化設備和系統提出了新的要求。洋山深水港四期自動化碼頭在自動化軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)上增設了可以抓放20 ft集裝箱的吊具，實現了雙20 ft集裝箱在堆場和AGV上的自動抓放，在海側裝卸船任務繁忙的情況下，可以明顯提升作業效率。由于吊具雙箱無法根據單個集裝箱進行吊具微調，要實現一次抓取2個集裝箱，需要能夠精確檢測雙箱間隙和雙箱的姿態，從而實現精準抓放箱。為實現軌道吊雙箱自動化的功能，從調度、控制、掃描定位等方面描述其實現過程和方案，重點描述了目標檢測系統掃描定位精度的優化改進。

2 項目簡介

洋山深水港四期自動化碼頭堆場長度為414 m，海側為自動引導小車AGV作業交互區域以及4個輔助AGV支架，陸側為內/外集卡作業交互區。海側軌道吊主要對岸橋進行裝船、卸船作業或者堆場內部轉堆作業，陸側軌道吊主要對外來集卡進行裝卸車作業。海陸側軌道吊在堆場內和交換區已經實現了對單個20 ft、40 ft、45 ft標準集裝箱的自動化作業。由于在船舶作業中，雙20 ft箱占比較大，到軌道吊海側進行作業時，需要把雙箱拆單進行作業，海側軌道吊的作業能力不足，限制了自動化碼頭的整體運行效率。因此海側軌道吊雙箱作業功能的實現，對提升作業效率意義重大。

3 系統簡介

海側軌道吊的雙箱作業功能，需要上層TOS(生產管理系統)、BMS(堆場管理系統)、下層ACCS(自動化控制系統)以及TDS(Target detection system，目標檢測系統)的配合實現。因此，需根據新的工況要求對這幾大系統進行優化和改進。

TOS是用于管理和控制碼頭作業各環節的計算機管理系統，其主要包含船舶計劃、船舶策劃、道口控制、堆場監控、船舶監控、機械監控統計分析、設備維護、受理等功能，是碼頭生產管理的核心。BMS是用于管理和控制自動化軌道吊的管理系統，其主要功能為接收并分析TOS發送的指令，并進一步將指令細分發送給下層自動化控制系統。TOS和BMS通過數據庫交互，根據約定的接口，由TOS安排雙箱吊計劃，BMS管理分解并執行計劃。

3.1 堆箱規則

雙箱吊的功能與其他單箱的不同之處在于，雙箱吊是抓放2個20 ft箱，工況較為復雜，在地面上，2個箱子可能會出現八字形擺放、錯位擺放、箱子間隙不等的情況[2]。要實現雙20 ft箱作業計劃，箱區堆場的堆箱規則尤為重要。

(1) 堆場內同一貝位不能同時放大小箱。堆場規則大箱放在偶數貝位，小箱放在奇數貝位。這種排放規則便于規?；芾?，方便抓放箱，不會出現小箱上面疊大箱導致位置放偏的情況。

(2) 堆場一般有105個貝位，每個貝位有10個列，每個位置放箱不超6層。海側有5個AGV交互位和5個支架位，陸側有5個陸側車道位，可由此計算箱區最大放箱量。

(3) 堆五過六。一般情況下箱子有2.9 m箱高和2.6 m箱高，而軌道吊吊具安全高度在19.7 m左右。以2.9 m箱為例，箱子不能超過6層，否則會有撞箱危險。因此堆場內常見的最大層高都不到6層(多為5層)。

(4) 同出口的和同卸貨港的箱子放在一起。

(5) 同屬性的箱子放一列。

(6) 進口箱子多放在大貝位，出口箱子多放在小貝位(大貝位靠近陸側，小貝位靠近海側)。

(7) 雙20 ft和20 ft、40 ft、45 ft集裝箱不能混堆，雙箱吊作業須要對應的雙20 ft的貝位進行鎖定。

3.2 雙箱吊調度計劃

TOS調度雙箱吊功能，需要排雙箱吊大計劃，其與普通大計劃分離。如果對應箱區有普通大計劃，那么普通大計劃的數量會受到已經做的雙箱吊數量的影響，即雙箱吊的數量仍然視為20 ft箱進入該箱區的數量。使用雙箱吊功能需要如下條件：

(1) 在TOS中把軌道吊雙箱吊功能打開，打開后所有雙箱都會帶上雙箱標記。

(2) 安排堆存大計劃后，安排自動生成雙20 ft大計劃，將雙20 ft貝位鎖定。

(3) 僅選擇可作業雙箱的箱區，且僅選擇對應箱區的不為40 ft貝位的空排。

(4) 大計劃參數設置，可設置陸側選位極限貝位。

在生成大計劃時，可讀取大計劃參數設置內容，控制大計劃范圍的最陸側區域。根據設定的數值，作為雙箱吊的陸側可作業極限位置。

在系統生成軌道吊雙箱吊大計劃時，會判定箱區軌道吊的屬性，僅生成可作業的箱區。對應箱區存在空排位的情況下，以空排位作為生成大計劃的條件。根據具體的船名航次信息，生成的對應的普通箱大計劃與雙20 ft大計劃范圍，兩者相互獨立、互不影響。系統會鎖定雙20 ft大計劃范圍位置，無法自動調整。另外，雙20 ft計劃范圍無可選位置時，自動拆分為單20 ft作業，且在中計劃參數設置中新增參數。不同屬性箱自動拆分為單箱吊作業，可由人工對參數進行調整。不同屬性主要包含重箱不同箱狀態、空箱不同持箱人等。當前軌道吊雙箱吊，并未加入箱區整理自動歸并功能，在使用時，仍然需要提前人工整理出相應的空排位。此外，若計劃中設置所有類型雙箱吊均不拆單，箱區會出現部分混堆的情況，需要人工整理。

BMS處理TOS發送來的指令時，會預先讀取數據庫相關字段，查看該軌道吊是否允許雙箱作業。只有在當前軌道吊支持雙箱作業的條件下，才會繼續拆分指令，發送給自動化控制系統。

4 自動化控制系統

4.1 系統介紹

洋山深水港四期自動化軌道吊的ACCS分別采用CAN和RS422串口和TDS以及SDS(Suspension Detection System，吊具檢測系統)進行數據交互，同時該系統通過IP網絡與BMS管理系統進行通信和交互。

4.2 控制流程

BMS接收到TOS雙箱任務后，發送指令到ACCS，ACCS根據指令類型和指令對象將對應指令分解成單個分指令。如BMS發送抓AGV區雙箱，ACCS將指令分解成起升上升到安全高度后大車小車移動、起升下降到著箱位置、閉鎖和起升上升4個分指令。

(1) 大小車移動。起升上升至安全高度；大小車移動至目標位置，同時吊具中鎖下并且伸到默認中鎖間距；系統檢測到起升到達安全高度、大小車移動到目標位置，吊具中鎖伸到指令位置后判定任務完成，進行下一步指令。

(2) 起升下降至著箱位置。在大車距離目標位置小于500 mm啟動TDS檢測；TDS檢測完成給出中鎖間隙后，ACCS調節中鎖到目標間距，調整到位后起升全速下降；根據TDS的目標值和SDS的實時吊具姿態檢測值，起升下降的同時調節吊具微動。如果到達目標高度上方0.5 m前吊具調節完成，則起升直接下降至著箱；如果還未調節完成則停止下降，調節吊具，吊具調整到位后起升下降至著箱。著箱后，系統根據當前大車、小車位置和起升高度等，判斷起升小車大車已經到位，任務完成，執行下一指令。

(3) 吊具閉鎖。ACCS發出吊具閉鎖分指令給基礎PLC，當吊具完成閉鎖后，系統判定該任務完成，執行下一條指令。

(4) 起升上升。閉鎖完成后，ACCS下發起升上升分指令的同時發送吊具回零命令，起升上升至上停止后所有指令執行結束，等待BMS下一個指令。

4.3 效率優化

起升上升到安全高度以后，為了增加作業效率，ACCS在動大車、小車的同時根據任務信息在起升到達安全高度以后將中鎖伸出，并且將中鎖間距伸到對應的默認距離(堆場區400 mm，AGV區和岸橋裝AGV距離保持一致為1 550 mm)，以避免大小車到位后再伸縮中鎖。

采用一邊動大車一邊掃描的動態掃描方式，在大車到位后掃描數據已經傳輸至ACCS，減少了到位再掃描的等待時間，提高了作業效率。

4.4 聯鎖保護

(1) 伸縮超時保護。在ACCS給出命令到單機后，單機長時間不動作或者長時間未能到目標狀態，系統判斷為故障，請求司機介入。

(2) 檢測系統保護。針對八字箱、錯位箱、兩箱高低不一樣等異常工況，通知ACCS無法進行自動作業，ACCS收到異常信息后申請遠程司機介入。

(3) 安全高度保護。ACCS在起升達到安全高度以上才會進行吊具中鎖上下和伸縮，避免在安全高度以下伸縮碰到旁邊貝位箱子；堆場內增加抓放5層以上雙箱指令校驗保護等。

5 掃描定位系統

采用機器視覺和激光器傳感器技術，對吊具姿態、集裝箱姿態、雙箱間隙進行精確檢測。軌道吊結合吊具位置檢測系統，就可以實現軌道吊與目標車輛的自動對位、AGV交互區自動抓放雙箱，以及堆場自動抓放雙箱，大幅度提升自動化效率。

5.1 集裝箱位置檢測

TDS主要用于檢測集裝箱的位置，在洋山深水港四期自動化軌道吊中也用來檢測AGV小車位置。TDS的激光掃描定位單元安裝在門架小車上靠近陸側，激光掃描定位單元通過以太網和CAN通信與電氣房中的主控制器進行數據傳輸，并由主控制器進行數據處理，同時主控制器還通過CAN通信與貝加萊PLC進行通信(見圖1)。

圖1 自動抓箱過程圖

5.2 硬件設計

二維激光儀和馬達轉動機構實現了三維激光點云數據的采集，實現了長距離、非接觸、高精度三維空間位置傳感器的設計。由伺服馬達帶動激光傘面繞軸旋轉，形成三維激光點云，在計算機中再現目標物體的三維空間形狀。整套系統包括控制器、轉動機構以及傘面激光器(見圖2)。

圖2 三維轉動機構

5.3 軟件設計

馬達通過CAN組網，使得1臺控制器可以控制多臺轉動機構，同時還可以與上位機進行命令交互。顯示畫面采用OpenGL技術，可以實時顯示采集的三維空間點云畫面。系統環境采用Windows，開發軟件采用Vs2010，OpenGL+MFC。

5.4 雙箱識別算法實現

(1)點云數據采集和解析。起重機到達指定的位置后，通過激光器雷達定位系統掃描目標車輛的輪廓信息。轉動機構三維數據空間轉化模型見圖3，OX為轉動軸，G為激光器光心，OG的距離為定值d=93 mm。在采樣時刻，系統獲取激光器掃描角α，馬達轉動角度β，掃描距離GB=l。

圖3 坐標模型圖

采樣點B處的三維坐標值是：

(1)

(2) 坐標變換。數據采集并解析后，由于三維激光雷達本身安裝位置等，需要將坐標進行旋轉和平移，將坐標原點移動到小車中心。

(3) 點云數據濾波。用三維激光雷達獲取的點云數據，不可避免含有噪聲，如被測物體的噪聲、三維激光器的噪聲、測量環境(雨、霧)的噪聲等。對于隨機噪聲，由于掃描到的數據是規則點云數據，可利用中值濾波來實現。由測量環境造成的噪聲點(如由于吊具、起重機本身對激光器視線的遮擋，或大雨大霧天氣影響)一般屬于離散點，與主體點云數據相獨立，可采取距離分片濾波法，根據起重機此時實際的運行情況，如起升高度、吊具尺寸等，濾除離散點云數據。通過這兩種濾波方法，可大大提高數據可靠性及穩定性，減少環境對識別精度的影響。

(4) AGV交互區自動抓取雙箱。針對AGV交互區，借助TDS系統對集裝箱輪廓進行掃描。同時，結合AGV工況邊動大車邊掃描集裝箱輪廓，實現快速準確檢測雙箱的位置和間隙，從而成功抓放雙20 ft箱。

(5) 堆場雙箱功能自動抓放。堆場存在2臺機混抓混放的情況，因此堆場雙20 ft集裝箱可能出現八字箱、錯位箱、兩箱高低不一致等形態。為使吊具順利抓到目標集裝箱，需要檢測系統提供更精確的集裝箱位置以及姿態，在抓放箱前判斷雙箱是否能正常抓取，將相關信息上傳至控制系統，并根據當前檢測結果進行決策是自動抓放還是走異常流程。

6 結語

洋山深水港四期自動化碼頭已實現了5個箱區的海側軌道吊自動化雙箱作業。經過實際生產作業，目前雙箱功能運行良好，取得了預期效果，大大提高了海側軌道吊的工作效率。