內貿碼頭常規岸橋遠程操控技術實踐與探索

姚保良

（廈門海滄新海達集裝箱碼頭有限公司，福建 廈門 361026）

0 引言

隨著智慧港口、智能碼頭的快速發展，對傳統集裝箱碼頭進行自動化、智能化改造已成趨勢，作為自動化碼頭組成部分的岸橋遠程自動（半自動）操控技術逐步得到廣泛應用。該技術的應用可以減輕司機的工作強度、降低技能要求以及延長職業壽命，能夠有效緩解招工難的問題，同時可以逐步實現橋下無人化，增強安全性，減少用工數量，降低人工成本。隨著岸橋遠程自動（半自動）操控技術的逐步成熟，其舒適性、安全性以及經濟性的優勢也將逐步顯現出來。筆者所在碼頭承接的是內貿業務，內貿箱作業存在船圖不準、船型小、船舶結構不規范以及箱子狀況差等固有缺陷，對岸橋遠控功能的實現造成了較大的困擾。該文的2 臺65 t/66 m 單小車常規岸橋遠控項目的實施對上述問題做了有益探索。

1 系統主要硬件組成

系統由機上各子系統、機房機柜以及遠控室操作臺等組成，主要包括以下5 個部分。

1.1 機構定位

起升、小車以及大車定位均至少采用2 套位置檢測和反饋裝置相互校驗，提高其安全性和可靠性。起升定位采用絕對值編碼器+增量型編碼器的方式；小車定位采用絕對值編碼器+BTG 磁釘的方式；大車定位采用絕對值編碼器+FLAG板的方式，定位精度均在允許的偏差范圍內[1]。

1.2 吊具自動防搖防扭

小車架下方安裝2 個防搖攝像頭，吊具上架上安裝2 只反光板，通過實時準確測量吊具垂直方向的偏移角度及吊具水平方向的旋轉角度，經一定算法后控制小車的加減速和多功能油缸的伸縮，使吊具保持在允許的垂直范圍和偏轉角度內，達到減搖止扭的目的。

1.3 船型掃描（SPSS）

采用激光掃描測距原理和模糊識別技術，實現對集裝箱及其他物體輪廓的掃描定位，為整個自動化系統計算作業位置、設計吊具運行路徑提供必要的支持，同時保證作業的安全性。系統主要功能為掃描作業貝位集裝箱及其他相關物體的高度輪廓，計算吊具最優安全運行路徑；掃描作業貝位左右側導向架及左右相鄰貝位集裝箱，計算高度輪廓，保證作業的安全性；掃描作業貝位集裝箱，結合船模及開閉鎖位置信息計算集裝箱的分布情況，保證吊具海側定位的準確性。由3 個2D 激光掃描儀和SPSS 工控機組成[2]，可以實現防打保齡、防20 ft 不同堆碼、鄰貝防碰撞、吊具最優路徑運行和智能加減速、集裝箱分布以及輪廓輸出等功能。

1.4 集卡定位系統（CPS）

采用3D 激光掃描技術除了可以實現常規的大車方向集卡自動引導對位外，還能測量小車方向集卡相對車道中心線的偏移距離和偏轉角度，以實現陸側一鍵著箱的功能。工作流程如下：集卡進入橋下，CPS 對大車方向進行2D 掃描，自動引導集卡大車進行方向對位，對位完成后CPS 迅速轉為3D 掃描模式，測出集卡在小車方向的偏離距離和偏轉角度，并將測量數據輸入PLC，PLC 根據測量數據實時控制小車的位置和多功能油缸的伸縮，調整吊具姿態以適應集卡停車時的位置狀態，實現陸側一鍵著箱的功能[3]。CPS 完成引導集卡大車進行方向對位后，還將對位完成信息發送給OCR，觸發OCR 給出車號、箱號等識別結果。

1.5 箱號識別系統（OCR）

首次在岸橋遠控上采用人工智能視覺識別系統，該系統是采用人工智能底層算法識別前端高清攝像頭傳回的實時視頻流對應的箱號、箱型、集卡號以及箱門朝向等信息。與傳統OCR相比，其突出優點是能夠在地面車道上直接對車號和箱號等信息進行識別，識別正確率高（大于98%）、速度快（毫秒級），能夠很好地滿足裝卸船作業流程的需求。除識別車號和箱號外，該識別系統還有集裝箱ISO 碼識別、前后箱門識別、單小箱壓車位置識別、鉛封有無識別、危險品標志識別以及五面驗殘圖片保存等功能，可同時滿足智能理貨功能的需求。系統由14 個高清攝像頭、人工智能算法服務器、視頻監控系統、聲音采集系統、語音對講系統及遠程操作臺等組成[4]。

2 系統軟件組成

2.1 整體組成

由于TOS 還無法實現與ECS 的直接雙向通信，因此系統引入了集團智能裝卸平臺的部分功能。ECS 從智能裝卸平臺自動讀取TOS 分配的作業任務，接收船舶信息、作業指令信息，自動完成TOS 系統分派的裝卸船任務，進行半自動化作業，并將完成的作業任務信息實時反饋給智能裝卸平臺。OCR 將識別出的箱號、車號等結果傳至智能裝卸平臺進行處理，網絡拓撲如圖1 所示。

圖1 系統整體網絡拓撲

2.2 ECS 組成和功能

ECS（Equipment control system）可以根據TOS 分配的作業任務自動生成相應的作業指令，控制設備完成裝卸作業，并將完成情況反饋給智能裝卸平臺。ECS 主要由操作員輔助系統OAS、岸橋調度系統QDS、操作臺調度系統ODDS 和岸橋自動化控制系統QACS 等組成，其實現的主要功能見表1。

表1 ECS 系統功能

2.3 ECS 作業流程設計

內貿集裝箱作業與外貿作業相比有以下2 個不同之處：1）船圖不準（或沒有船圖），船箱位與箱號不是一一對應的關系，無法由TOS 直接發送作業任務。2）船況、箱況相對較差、船小不規范以及箱子經常超載變形等，這也是內貿集裝箱碼頭進行岸橋遠程半自動化作業面臨的主要困難，需要開發有針對性的作業流程和作業模式[5]。

ECS 設計4 種作業流程、3 種作業模式。4 種作業流程包括裝船流程、卸船流程、邊裝邊卸流程以及回卸流程。4種作業流程相互獨立，由司機在開始作業之前選擇切換：1）裝船流程。ECS 默認只進行裝船任務，依據OCR 車道上箱號識別結果遵循混裝匹配規則和司機選擇的裝船順序確定裝船位置，生成裝船指令，進行裝船作業。2）卸船流程。ECS默認只進行卸船作業，依據司機選擇的卸船順序確定卸船任務，完成卸船作業。3）邊裝邊卸流程。系統默認做一個裝船任務，再做一個卸船任務，依次周期循環。4）回卸流程。中控人員根據操作界面手動創建卸船任務，完成回卸作業。3 種作業模式包括正常模式、箱位不匹配模式（小船模式）和通用模式[6]。

3 作業流程

3.1 作業前準備

作業開始前，ECS 自動從智能裝卸平臺讀取TOS 分配的作業信息，包括作業船（船名、航次、朝向和QCID）、作業車道、船模（船名、船上箱位布局圖，箱位物理地址）、集卡車號列表、整艘船裝卸箱列表（船名、航次、箱號、箱型、尺寸、船上位置、裝/ 卸/留船、尺碼類型、卸貨港、空重箱狀態、重量差和特殊箱標記）以及裝卸船指令（整艘船M條裝船指令、N條卸船指令）。司機收到作業指令后上機，憑借指紋登錄操作臺，選擇作業設備號，將大車移動至作業貝位，ECS 自動讀取該貝裝卸船任務并在操作臺TOS 客戶端上顯示，選擇作業流程、作業模式以及作業順序并完成預掃描。

3.2 裝船主要流程

帶箱集卡到達橋下，CPS 引導對位，引導結束將引導到位信號發送給OCR 和PLC，同時轉為3D 掃描。OCR 收到引導到位信號后將車號、箱號等識別結果及拍攝的箱體五面圖片發送給智能裝卸平臺，智能裝卸平臺將收到的車號箱號與TOS 給出的車號列表、裝船箱號列表進行比對，不在列表中的給出人工介入提示，并把比對結果發給ECS。ECS 收到箱號后，根據裝船匹配規則（箱號、箱型、目的港以及重量差等）和司機選擇的作業順序確定該貝該層的該箱裝船位置，并將生成的裝船指令發送給PLC，PLC 自動控制吊具到相應車道上方的安全高度并給出提示，司機按“一鍵著箱”按鍵，吊具著箱、閉鎖，拉起至安全高度后，吊具自動按最優路徑運行至船上目標位上方安全高度并做出提示，司機人工介入放箱，裝船任務完成。反饋箱號、箱型以及裝船位置等信息給智能裝卸平臺（每貝第一個作業任務需進行校驗，以便生成準確船圖）。對于識別，就車號、箱號，就停止裝船并給出提示，經核對后司機通過語音對講系統通知帶箱集卡離開該橋[7]。

3.3 卸船主要流程

空集卡進入橋下，CPS 引導對位，引導結束將信號發送給OCR 和PLC，同時轉為3D 掃描。OCR 收到引導結束信號后將車號識別結果發送給智能裝卸平臺，智能裝卸平臺將收到的車號與TOS 給出的車號列表進行比對，不在列表中，就給出人工介入提示，并把比對結果發送給ECS。ECS 根據司機選擇的作業順序確定卸船位置，并將生成的卸船指令發給PLC，PLC 自動控制吊具到達卸箱位置上方的安全高度并給出提示（每貝第一箱需進行校驗，以便生成準確船圖），司機介入手動著箱、閉鎖拉起至安全高度后，吊具自動按最優路徑回到作業車道集卡上方的安全高度，司機介入一鍵著箱開鎖，OCR 收到開鎖信號立即將已識別出的箱號、箱型、鉛封以及危標等識別結果發送給智能裝卸平臺，智能裝卸平臺將識別結果與卸船箱號列表進行比對（不在列表中給出溢卸提示，按溢卸流程處置），并將比對結果發送給ECS。卸船任務完成，ECS 將卸箱的箱號、箱型以及船上位置等信息反饋給智能裝卸平臺。吊具起升到一定高度后，OCR 將拍攝的箱體五面圖片發送給智能裝卸平臺[8]。

3.4 邊裝邊卸流程

系統默認單車道作業，完成一個裝船任務后，集卡不走，接著完成一個卸船任務或先完成一個卸船任務，接著再完成一個裝船任務。以車道到達的集卡狀態來觸發裝卸流程，即當CPS 識別出帶箱集卡到達時，先進行裝船作業，集卡等待，接著進行卸船作業；當CPS 識別出空集卡到達時，先進行卸船作業，集卡離開，帶箱集卡到達后再進行裝船作業，依次循環。

3.5 回卸流程

回卸流程是為解決船舶已作業完工由于潮水或其他原因需要重新卸下已裝船箱子的工況而開發的作業流程。中控通過操作界面手動創建卸船任務發送給ECS 進行卸船作業。回卸OCR 識別，當作業完工時，ECS 會刪除整艘船的裝卸指令，但ECS 會保存歷史作業船舶信息和箱號信息。將回卸OCR 識別出的箱號與歷史信息進行比對，確保回卸箱號準確。

4 作業模式

正常模式是針對有船圖且船況箱況較好的大多數情況下使用的模式。該模式由司機設置相應作業流程，ECS生成裝卸任務指令發送給PLC，PLC 控制完成裝卸任務。箱位不匹配模式是針對裝船作業不適應混裝匹配規則情況而開發的作業模式。裝船作業中，ECS 獲得OCR 識別的待裝箱箱號，根據箱子屬性按裝船匹配規則（目的港、重量差、箱號箱型以及特殊箱等條件）進行可裝位置匹配，當無法匹配到可裝位置進行自動裝船作業時做出提示，經人工判斷后可以將該模式轉為按司機指定的位置進行裝船。箱位不匹配模式是忽略裝船匹配規則的一種模式。通用模式是針對個別船況箱況極差、無法完成ECS 生成的作業任務而開發的作業模式，例如裝船作業時，由于箱子膨脹嚴重，無法將箱子放到ECS 給出的位置時可轉為該模式，按司機指定的新位置放箱。該模式是純PLC 控制，邏輯較為簡單。

5 影響作業效率的因素及優化

內貿箱遠控作業除船況、箱況較差等客觀因素外，流程上還存在以下4 個方面的因素會影響作業效率。

5.1 頻繁換貝預掃描

基于安全考慮，每次換貝后都要進行船型預掃描（大貝換小貝除外）。對于小型船舶來說，每貝作業量少或存在部分雙箱錯位的現象，作業過程都需要頻繁換貝預掃描，預掃描時小車速度受限，影響作業效率。優化措施是對小型船舶利用臨貝掃描數據，通過人工設定安全高度來確保安全，做第一個任務時進行掃描和校驗，可省去換貝預掃描所耗費的時間。

5.2 頻繁校驗和自學習

對于特殊船型或不規范船舶（例如船艙內有較大隔槽等）來說，作業過程需要頻繁進行位置校驗或自學習才能實現對箱位的準確定位，影響作業效率。優化措施是以智能裝卸平臺為依托，通過智能船圖自學習功能或人工錄入方式收集船舶數據，建立船舶結構數據庫，形成各船舶的精確船模，以實現對海側的準確定位，從而提高作業效率。

5.3 艙蓋板作業

不同船型，其艙蓋板數量、形狀也不同，目前裝卸艙蓋板作業在海側尚無法實現準確定位。作業時仍需要司機寸動小車微調對位，從而影響作業效率。后續通過建立船舶數據庫對艙蓋板的位置進行準確定位，以提高效率。

5.4 機構運行速度

出于安全考慮，一些特定工況對各機構的速度進行了較大的限制，例如船型預掃描小車速度限制為30%；船艙內速度限制為10%；艙蓋板作業起升、小車速度限制為30%等。與人工作業相比這也是影響效率的一個主要方面。后續在確保安全的前提下，可以適當地提高機構的運行速度，以提高作業效率。

6 結語

2 臺遠控岸橋投入使用以來，通過系統不斷優化，其作業效率和安全性逐步提高并擴展了新功能。以2 臺遠控岸橋為基礎，其他岸橋加裝智能識別系統后，利用集團智能裝卸平臺，已實現智能理貨的功能。后續通過TOS 雙向通信實現作業過程信息的自動確認以及充分利用CPS、OCR 及扭鎖站功能無人化的目標碼頭前沿作業橋下無人化的目標。擴展上述功能可以減少用工數量，實現人員后撤，有效提高經濟性和安全性，也為后續進行集裝箱碼頭自動化改造奠定了基礎。