集裝箱吊具智能技術(shù)在自動化碼頭中的應用

上海振華重工集團股份有限公司 上海 201314

1 設(shè)計背景

20世紀80年代中期，因人口增速放緩，集裝箱碼頭的自動化技術(shù)在勞動力成本較高和熟練勞動力匱乏的地區(qū)被關(guān)注。隨著國內(nèi)多個項目的落地試運營，越來越多的碼頭正在著手全新自動化碼頭的籌備建設(shè)工作，或是現(xiàn)有設(shè)備的升級改造。傳統(tǒng)集裝箱吊具（以下簡稱吊具）的操作由人通過手和眼的協(xié)調(diào)進行，無法滿足自動化作業(yè)的需求，而自動化吊具需要做到：自動對箱精準，碼箱整齊；自動箱號識別提速碼頭管理；智能在線監(jiān)測提供安全作業(yè)和高效作業(yè)保障；自動潤滑減少人工介入保養(yǎng)；吊具的預測性維護提升管理水平。為此，文中詳細介紹了吊具智能技術(shù)，可達到上述各項需求。

識別系統(tǒng)的集裝箱檢測和自動定位系統(tǒng)（LCS）依靠單點激光器堆疊時檢測底部集裝箱；箱號識別系統(tǒng)用于自動識別集裝箱箱號，供調(diào)度系統(tǒng)使用。基于稱重系統(tǒng)的算法用于檢測設(shè)備承載情況，即實現(xiàn)集裝箱的超偏載檢測和重量檢測，又可同步完成安全防護。自動潤滑系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)定自動對各關(guān)節(jié)進行定期潤滑、智能報警，減少人工干預。SMS吊具管理系統(tǒng)綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算及相關(guān)技術(shù)，結(jié)合先進的數(shù)據(jù)采集及分析方法，采用多學科交叉結(jié)合的形式，對吊具在線監(jiān)控技術(shù)進行研究，對產(chǎn)品的維護周期、維護內(nèi)容進行預測提醒，系統(tǒng)提供系列管理模板和表單供客戶使用，降低吊具維護保養(yǎng)中的人工管理工作量，使吊具日常維護保養(yǎng)監(jiān)管更科學和準確。

2 識別系統(tǒng)

在無人干涉操作的情況下，通過傳感技術(shù)和AI人工智能的應用來實現(xiàn)自動化作業(yè)要求。相較于傳統(tǒng)操作員操作，應用傳感技術(shù)和AI人工智能可靈活精準控制，識別集裝箱信息，識別集裝箱的不規(guī)則變形及破損。

2.1 集裝箱檢測和自動定位系統(tǒng)

集裝箱檢測和自動定位系統(tǒng)（LCS）是基于激光傳感器的一種應用，安裝于吊具上的單點激光器檢測下方固定范圍內(nèi)的物體，通過4個激光器來檢測判斷下方集裝箱的位置。單點激光器的模擬信號可接進吊具的CAN通訊輸入模塊或ASI通訊輸入模塊（輸入模塊具體形式取決于吊具的通訊協(xié)議），再進主機自動化控制系統(tǒng)（ACCS）進行處理。在碼箱時（第二層及以上放箱時）使用該系統(tǒng)，可精準對象作業(yè)。

單點激光器是LCS中數(shù)據(jù)采集單元，常用數(shù)量為4個和6個。軌道式起重機的大車方向誤差可控，所以在吊具內(nèi)側(cè)4個鎖頭處安裝單點激光器來收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸至ACCS系統(tǒng)進行后臺運算，給出動作指令來調(diào)整小車方向的偏差，完成自動定位。輪胎式起重機的大車方向誤差較大，所以安裝于吊具內(nèi)側(cè)4個鎖頭處的單點激光器用于收集小車方向誤差的數(shù)據(jù)，安裝于外側(cè)的2個單點激光器用于收集大車誤差的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸至ACCS進行后臺運算，給出動作指令調(diào)整大車、小車方向的偏差，完成自動定位。

由于堆場的箱子之間存在間隙，通常大車方向為40 cm,小車方向為40 cm（見圖1）。當?shù)蹙叩踹\集裝箱進入堆箱區(qū)準備堆放時，下降一定高度進入到激光器設(shè)定有效檢測區(qū)域（見圖2黃色垂直區(qū)域）,若檢測到吊具下方有物體，說明此放箱吊具未對齊下方的箱體，通過模塊將此數(shù)據(jù)傳給ACCS，再由主機給出調(diào)整吊具姿態(tài)命令，已達到兩集裝箱對齊的狀態(tài)，完成對位。

圖1 堆箱示意圖

圖2 有效檢測區(qū)域

2.2 箱號識別系統(tǒng)

集裝箱的箱號ID用于倉儲管理、轉(zhuǎn)運管理、出入關(guān)管理等環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)模式依賴人工識別，然后輸入計算機，人工操作的弊端是容易出現(xiàn)錯誤以及效率較低。箱號亟需自動識別，并直接進入碼頭管理系統(tǒng)，以適應自動化作業(yè)要求。自動化集裝箱碼頭吊具在四角安裝攝像頭或攝像機，抓取集裝箱頂部噴涂于鋼架上的箱號，通過OCR技術(shù)識別集裝箱號，為碼頭的集裝箱管理、集裝箱堆場管理、集裝箱倉儲搬運管理、海關(guān)集裝箱管理等提供便捷，可避免人為因素導致的記錄錯誤降低出錯率。

同時，還可利用攝像頭捕獲的集裝箱外觀信息，通過模板匹配模型識別、判定集裝箱的完好性。這種模板匹配模型將捕捉的信息數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)原本輸入的大量破損集裝箱信息數(shù)據(jù)進行比對，最終判別集裝箱是否完好。對于破損嚴重的、鎖孔變形的、被認為不適合吊具安全起吊的，此時需要人工介入并干預，對集裝箱進行評估，判斷是否符合被安全起吊的條件。

3 集裝箱稱重和超載保護系統(tǒng)

集裝箱運輸質(zhì)量誤報或超重將導致海運危險運輸甚至發(fā)生海運事故，所以國際海事組織海上安全委員會IMO批準《國際海上人命安全公約》（以下簡稱SOLAS）修正案（集裝箱質(zhì)量驗證新規(guī)）于2016年7月1日起強制生效。如果不符合SOLAS規(guī)定，在裝船前未能提供正確的集裝箱驗證總質(zhì)量（VGM）,集裝箱將無法裝船。

傳統(tǒng)碼頭通過閘口地磅用去皮稱重的方法進行集裝箱稱重。集裝箱和集卡一起稱重，進閘口時為總重，出閘口時為集卡質(zhì)量，稱重精度低，且由工作人員計算并記錄效率較低，影響碼頭集卡的進出速度。吊具配置的稱重系統(tǒng)既可解決集卡進出速度問題，又可提高集裝箱稱重精度，還能應用于主機的超載、偏載安全保護。如圖3所示，稱重系統(tǒng)由傳感器、前端處理器、控制器、顯示屏、打印機、PLC、PC端等組成。

圖3 稱重系統(tǒng)

自動化吊具上配置稱重系統(tǒng)能解決稱重精度低、效率低的問題。通過轉(zhuǎn)銷四角處傳感器檢測鎖頭的承載，模擬量信號經(jīng)過放大器通過I/O模塊進控制器,經(jīng)過控制器內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)模型進行計算，再將數(shù)據(jù)傳至終端顯示器及打印機、PC終端、起重機PLC等。 由于直接從鎖頭處檢測承載，故稱重精度比地磅要高。數(shù)據(jù)直接可進PC終端，完全不需要手動計算和記錄。同時，記錄的載荷及載荷偏心距傳入起重機PLC，一旦監(jiān)測到超載、偏載情況即停止起升動作，發(fā)出超載、偏載報警，確保安全作業(yè)，以及集裝箱的安全海運。如果將稱重數(shù)據(jù)接入SMS吊具管理系統(tǒng)，還可預測轉(zhuǎn)銷的壽命。

4 自動潤滑系統(tǒng)

集裝箱吊具多在海邊鹽霧較大環(huán)境中工作，在其工作過程中，沖擊大，結(jié)構(gòu)之間相對運動頻繁，機構(gòu)工作級別高。傳統(tǒng)集裝箱吊具的潤滑方式為手動注入或涂抹潤滑脂，在各機構(gòu)的潤滑點油嘴處、有相對摩擦的減磨塊與鋼結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的表面處。傳統(tǒng)潤滑方式主要有潤滑不及時、不均勻、遺漏風險大、人工成本高等缺陷。集裝箱吊具的自動化相對于傳統(tǒng)吊具自動化作業(yè)程度高，動作的頻繁程度會大大增加，在碼頭配置人員減少的情況下，自動潤滑系統(tǒng)技術(shù)就可以有效解決這些問題。

自動集中潤滑系統(tǒng)常用的單線式潤滑系統(tǒng)，遞進式潤滑系統(tǒng)，雙線式潤滑系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計將所有潤滑點集中在若干個分配器上。分配器通過主油路與潤滑泵相連，采用程序控制潤滑泵的方式，對各潤滑點實行定時、定量加注潤滑油脂。潤滑效果好，不會導致潤滑不及時，不均勻和遺漏。手動潤滑和自動潤滑的效果對比如圖4所示。

圖4 手動自動潤滑的效果

5 吊具管理系統(tǒng)

吊具管理系統(tǒng)（SMS）具備信息獲取、信息傳遞、信息處理、信息再生、信息利用等功能，與智能化工具相結(jié)合，對吊具進行精細化、智能化實時管理，監(jiān)管吊具運行狀況，管理吊具智能維護、故障診斷、預測性維護保養(yǎng)。

SMS使傳統(tǒng)管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰ヂ?lián)網(wǎng)為核心的現(xiàn)代化管理方式，主要特點有設(shè)計過程數(shù)字化、維保自動化和智能化、管理多變量優(yōu)化和多目標優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)化并行設(shè)計和協(xié)同設(shè)計等。吊具管理系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)在吊具管理、經(jīng)營過程中，通過信息基礎(chǔ)設(shè)施，在集成平臺上實現(xiàn)信息采集（傳感器及儀器儀表、閥門）、信息傳輸（通信）、信息處理（計算機）以及信息的綜合應用等，主要研究內(nèi)容為利用信息化相關(guān)知識實現(xiàn)對吊具故障維保的高效化管理，改變以往傳統(tǒng)人工維保的現(xiàn)狀；將吊具信息數(shù)字化，便于全方位進行監(jiān)管；通過診斷模型來對吊具進行故障診斷，利用失效模型和壽命計算模型進行壽命預測及維保計劃推測。

5.1 智能維護

吊具在集裝箱起重機中占據(jù)重要地位，吊具故障時刻影響著起重機的正常使用。隨著自動化集裝箱吊具使用規(guī)模的擴大，為確保吊具的穩(wěn)定使用，減少常見故障問題，吊具必須進行科學、高效的實時管理與維護，智能維保模式是解決問題的根本。吊具故障維修效率低的原因，主要有以下方面：

1）缺乏對信息化生產(chǎn)管理的重視，吊具故障信息采集、作業(yè)量、維護情況等均由人工統(tǒng)計來完成，存在時間和地域的限制，且管理效率不高，導致吊具在使用中出現(xiàn)的問題難以及時解決并減少。

2）吊具的各項參數(shù)復雜多樣，復雜的數(shù)據(jù)統(tǒng)計難以保存與更新，增加了吊具維護管理難度，直接影響了吊具維保效率。

借助大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術(shù)實現(xiàn)吊具信息化管理，通過信息化技術(shù)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息、知識，搭建吊具故障分析模型，對碼頭現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)多維度、多層次的挖掘分析，并對監(jiān)管的吊具部件提供預報警機制，充分發(fā)揮碼頭RCMS數(shù)據(jù)的二次開發(fā)利用，為客戶和企業(yè)科學管理設(shè)備、決策分析提供有利依據(jù)，大大提高吊具維保效率，充分發(fā)揮信息化與工業(yè)化的深度融合，實現(xiàn)吊具智能維護。

5.2 故障診斷

自動化集裝箱吊具功能比傳統(tǒng)吊具多，吊具的復雜程度高，吊具的故障診斷變得更重要。為了及時知曉吊具的狀態(tài)，減少維護時間，降低維保人員的技術(shù)檢測門檻，吊具故障診斷功能可以改善上述問題，提高吊具的作業(yè)效率，方便用戶使用。

根據(jù)吊具采集到的各種信息，組態(tài)界面可配置，數(shù)據(jù)指標可配置，采集規(guī)則可配置，轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則可配置，大部分采用拖拽式配置能力，部分需要腳本語言做配置。通過預設(shè)的機制，例如時間檢測、動作檢測、壽命檢測、邏輯分析等做到智能診斷，疊加工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的軟硬件設(shè)備，可自動發(fā)送診斷信息，可通過語音、網(wǎng)頁、郵件、短信、APP等網(wǎng)絡(luò)自動推送診斷內(nèi)容，可查看吊具自診斷的錯誤日志，故障診斷模型給出故障代碼及判斷具體位置的傳感器，執(zhí)行器等設(shè)備是否發(fā)生故障。

5.3 預測性維護保養(yǎng)

預設(shè)關(guān)鍵部件的維護周期，及時提醒進行維護保養(yǎng)；預設(shè)部件使用壽命，及時提醒進行更換。利用SMS吊具管理系統(tǒng)中監(jiān)測的數(shù)據(jù)，輸入失效模型和壽命計算模型，能做到提前預測壽命，提前預測失效，及時推送維護與更換計劃，避免過度使用造成損壞甚至安全事故。

6 結(jié)束語

隨著全球自動化碼頭的加速建設(shè)以及全球貿(mào)易不斷緊密聯(lián)系，集裝箱吞吐量逐年在增加。對于自動化作業(yè)配套的吊具，需要解決保證快速高效作業(yè)即快速精準定位、確保安全作業(yè)、通過維保手段確保作業(yè)設(shè)備的低故障率、高穩(wěn)定性等問題。本文對自動化碼頭集裝箱吊具應對這些問題所應用的集裝箱檢測和自動定位、稱重系統(tǒng)解決集裝箱VGM、起重機超載保護、自動潤滑系統(tǒng)、SMS吊具管理系統(tǒng)、智能維護系統(tǒng)等均予以詳述，這些技術(shù)在吊具上得到實際的應用，有效地解決了問題，提高了整個碼頭的作業(yè)效率，提高了吊具的作業(yè)效率。