場橋和軌道吊自動軌跡控制系統

郝紅

摘 要：為了提升場橋（RTG）和軌道吊（RMG）在港口作業中的安全保護，采用激光掃描技術、多傳感器組合技術、并融合小車及起升編碼器信息，研發自動軌跡控制系統。通過實時獲取堆場集裝箱堆碼信息以及RTG/RMG小車和吊具的位置與運動狀態，來控制小車的移動與吊具的升降操作，避免吊具或者吊具吊著集裝箱與場內的碼放集裝箱發生碰撞事故。多個港口的測試結果表明，該系統提升了輪廓信息的準確性，提高系統的時效性，有效避免了碰箱。

關鍵詞：激光掃描測距技術;編碼器信息;集裝箱碼放輪廓信息;防碰箱控制運算

隨著國際物流業的快速發展，各國集裝箱港口吞吐量不斷增長，集裝箱堆場內的作業也日益繁忙。高效率的港口離不開高效率的機械設備和高新技術的應用，RTG/RMG作為集裝箱碼頭的重要作業工具，它的效率直接關系到集裝箱運輸供應鏈暢通與否。在實際操作過程中，由于堆場上集裝箱堆放錯落有致、高低不齊，RTG/RMG吊具或吊具下集裝箱在吊裝過程中稍有不慎，就會撞翻集裝箱，并可能導致重大的貨物損壞或人身傷亡事故，因此，RTG/RMG自動軌跡控制系統的設計與應用勢在必行。

RTG/RMG自動軌跡控制系統要求實時獲取堆場集裝箱堆碼信息以及RTG/RMG小車和吊具的位置與運動狀態。在RTG/RMG進入集裝箱堆區作業時，系統自動檢測RTG/RMG所在貝位的集裝箱碼放輪廓信息，通過控制小車的移動與吊具的升降操作，避免吊具或者吊具吊著集裝箱與場內的碼放集裝箱發生碰撞事故。

1 自動軌跡控制系統

1.1 系統功能

利用激光掃描測距技術，實時獲取RTG/RMG小車和吊具的位置與運動狀態。在RTG/RMG進入集裝箱堆區作業時，系統自動檢測RTG/RMG所在貝位的集裝箱碼放輪廓信息。將識別到的每一列集裝箱的位置高度，以及小車位置、吊具高度，并將最終計算結果發送給PLC。

同時系統提供提前預警和軟著箱功能，通過控制小車的移動與吊具的升降操作，避免吊具以及吊具吊著的集裝箱與場內碼放的集裝箱發生碰撞;在吊具下降過程中，控制吊具速度減速，避免吊具以及吊具吊著的集裝箱與下方集裝箱發生碰撞。

另外系統具備安全自檢功能，系統故障時發出警告信息，并停止RTG/RMG的起升、小車動作，并可通過切換恢復到原有RTG/RMG的標準吊運模式，不影響原有系統正常工作。

1.2 應用技術說明

1.2.1 激光掃描測距技術

激光測距技術具有范圍廣、實時性好、精度高等特點。激光掃描儀安裝在RTG/RMG小車上，以190度廣角范圍對小車下方進行高頻率掃描，可以獲取集裝箱堆碼的輪廓信息等。

采用雙激光測距融合技術，雙激光進行無死角掃描，冗余校驗，提升輪廓信息的準確性;在更換場地作業貝位過程中，即時更新堆碼輪廓信息，提高系統的時效性。

系統對激光掃描的集裝箱堆碼輪廓信息進行了圖像識別的優化處理，例如集裝箱顏色對激光反射率的不同，以及雨霧天氣的影響。同時，結合集裝箱自身箱體尺寸的不同，如標準箱與超高箱的高度的不同進行數字化建模處理。圖像識別的優化和數字化建模提高了激光掃描技術對集裝箱堆碼輪廓的識別能力和數據可靠性。

1.2.2 多傳感器組合技術

系統結合了激光掃描儀信息、小車編碼器及吊具起升編碼器的信息，實時反饋RTG的吊具空間位置，從而定位作業的箱位信息。激光掃描的信息和編碼器的信息融合，增加了系統的魯棒性、安全性。

2 系統總體方案

2.1 系統邏輯圖

防撞系統包括GALAXY IPC-SP控制器、2臺激光掃描儀、電源模塊、交換機。

系統硬件核心設備是激光掃描儀和GALAXY IPC-SP控制器，其與PLC、指示燈和控制開關等設備共同實現防碰箱控制。系統邏輯圖如下圖所示。

2臺激光掃描儀安裝于小車下部，使用190度掃描角度對箱區進行掃描。

GALAXY IPC-SP的功能是實現激光掃描儀的控制和數據采集、集裝箱堆碼的圖像識別計算和進行防碰箱控制運算等功能，并通過與PLC接口實現信息的獲取和控制命令的下發。

PLC將小車編碼器、起升編碼器、開閉鎖狀態等信息發送GALAXY IPC-SP控制器，并接收控制器的指令實現控制的執行。

系統提供1個旁路開關，控制啟停防碰箱功能。相關狀態也可以通過指示燈、CMS屏顯示。

2.2 設備安裝

激光掃描儀安裝于RTG小車平臺的下方，數據電纜連接到小車駕駛室內的GALAXY IPC-SP控制器上。SPS UNIT機箱安裝在司機室內的電氣柜旁，由電氣柜內220VAC電源供電，GALAXY IPC-SP控制器提供兩個接口分別連接PLC通訊模塊、激光掃描儀設備。

3 系統工作原理

系統硬件核心設備是激光掃描儀和GALAXY IPC-SP控制器，其中激光掃描儀選擇190度掃描儀設備，GALAXY IPC-SP的主要功能是優化掃描儀在集裝箱堆碼的圖像識別率和進行防碰箱控制運算等功能。

3.1 吊具和小車的定位

通過激光掃描可獲得小車和吊具的實時精確位置;同時系統可利用小車編碼器、吊具起升編碼器信息對已獲得的吊具位置進行校驗。

3.2 集裝箱堆碼掃描

激光掃描儀對其正下方進行190度掃描，可以獲取集裝箱堆碼的輪廓圖，掃描數據經過GALAXY IPC-SP處理后，結合歷史激光數據，形成可靠的集裝箱堆碼輪廓信息。

3.3 定義安全區域

GALAXY IPC-SP控制器根據集裝箱的堆碼輪廓圖，設置保護區域。離集裝箱最近的是禁行區，其次是安全限制區，在此外安全區。

3.4 防碰箱控制

在司機作業操作小車與吊具向場內集裝箱運動的過程中，系統自動檢測吊具當前位置。當吊具在安全限制范圍內運動，PLC對司機操作進行限速或停止，保證吊具和負載與場內集裝箱保持安全，司機可以手動回零，之后即可慢速控制吊具前進。而吊具在安全限制范圍以外運動，則允許全速行走，司機可以實現安全的拋物線操作，保證司機作業效率不受影響。

在吊具靠近集卡時，系統將控制吊具慢速，以避免吊具或吊具帶箱與集卡發生碰撞，保護集卡和集卡司機的安全。

控制策略如下：

RTG作業過程中，吊具高度或吊具吊著的集裝箱箱底高度高于碼放集裝箱高度1米（可配置），小車可以高速通過。

RTG作業過程中，吊具高度或吊具吊著的集裝箱箱底高度低于碼放集裝箱高度1米（可配置），且吊具水平方向距離集裝箱小于5米（可配置）時，系統自動發送限速命令，通過PLC控制小車的移動與吊具的升降操作。

RTG作業過程中，吊具高度或吊具吊著的集裝箱箱底高度低于碼放集裝箱高度1米（可配置），且吊具水平方向距離集裝箱小于0.5米（可配置），系統識別存在碰撞危險時，自動發送小車停止命令，通過PLC控制小車停止。

3.5 調試軟件

調試簡易：實時顯示集裝箱識別輪廓，實時顯示吊具運動，實時顯示數據接口信息。

維護便利：故障實時診斷，數據記錄及下載，便于事后分析和遠程診斷。

4 結語

該系統兼容多種品牌PLC，包括安川、西門子、富士、ABB等，已在土耳其ASYAPORT碼頭、寧波北侖國際集裝箱碼頭和廣州集裝箱碼頭等國內外碼頭的場橋和軌道吊上成功使用。現場檢測激光分辨率和測量誤差為±30mm，集裝箱輪廓檢測精度為5cm，小車、起升停車控制距離精度為10cm，吊具識別定位精度（起升和小車方向）為±5cm，系統初始化時間<=3min，有效地提高了RTG/RMG作業的安全性和高效性。

參考文獻：

[1]劉俊，李霖.一種基于激光測距儀的掃描匹配方法[J].測繪工程，2018，05：64-71.

[2]鄭子驁.關于高速公路大型客車防撞測距仿真[J].計算機仿真，2018（6）;167-171.