基于激光及視覺檢測的自動化碼頭陸側交換區流程優化

董 琪

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著科技的飛速發展以及人力資源成本的日益提高，傳統碼頭逐步被自動化碼頭所取代。自動化集裝箱碼頭的堆場內由于情況相對簡單，可以完全實現自動化堆放箱。但在自動化碼頭常規采用的陸側交互區內，需要和集卡進行頻繁交互作業，還需遠程人工介入，自動化程度有待完善[1]。

2 陸側交互區設備布置

在某碼頭選取堆場內使用無懸臂軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)的陸側交互區來進行說明。

該堆場垂直于碼頭岸線排布，堆場靠岸線處為海側交互區，堆場另一頭為陸側交互區，2個交互區和堆場通過圍欄進行了物理隔離。陸側交互區的設置，保障進港的外部集卡無需進入自動化堆場內即可完成進提箱的相關作業。

無懸臂軌道吊堆場的陸側交互區共設置5條集卡車道，面向堆場從右往左依次排開，按1至5標示，任一車道都可進行作業。車道與車道之間設置了物理圍欄，高度約1 m。在每條車道的安全島上各設置1臺陸側交換一體機，交換一體機上配備掃碼機讀取集卡相關信息，通訊按鈕及喇叭用于進行集卡司機和遠程軌道吊司機的溝通，緊停按鈕用于防止危險情況的發生，主要是砸車頭和集卡吊起等異常情況。

每條車道的一體機內和車道內對角處各安裝一個攝像頭，攝像頭圖像可反饋至軌道吊遠程操作臺，即在抓放箱的情況下遠程軌道吊司機可肉眼觀察車道內情況，避免危險情況的發生。

3 陸側交換區進提箱流程

堆場內除了裝船及卸船的集裝箱通過AGV在海側交互外，所有的外集卡進港后都是在陸側交換區進行進箱及提箱作業。進箱，即集卡帶箱進碼頭，軌道吊在陸側交換區把相應的箱子放進堆場；提箱，即集卡空車進碼頭，軌道吊在陸側交換區把集裝箱從堆場提出，放在集卡上。

3.1 陸側交換區進箱流程

集卡司機在碼頭外部預檢區域完成預檢后，生成二維碼條碼單，單上標注了提箱的箱區，集卡按條碼單上的指示駛到相應的陸側交換區，倒車進入任意一條指示燈為陸側的空車道。集卡按照地面黃色停車指示線停在車道內的相應位置，集卡司機熄火并下車進入安全島，進入崗亭內進行操作。首先在掃碼機下掃描二維碼，通訊至自動化軌道吊，軌道吊依據信息駛入陸側交換區，進入前一體機播報要求集卡司機按住超聲波按鈕，保障司機位置在安全島上。

自動化軌道吊通過大車及小車的自動定位到達集卡上方，3D掃描系統掃描完帶箱集卡位置后起升下降。首先下降至大約8 m的安全高度，系統推送至遠程操作臺，暫時停止自動化動作，待軌道吊司機通過車道內攝像頭確認安全情況，并按下確認按鈕后繼續進入自動化流程。著箱并閉鎖后，起升上升約0.5 m后再次推送至遠程操作臺，由軌道吊司機確認是否有不安全情況，如安全，按下操作臺上確認按鈕繼續起升，待帶箱起升高度到達12 m的安全高度時，陸側交換一體機播報司機可離開安全島，整個進箱作業完成。

3.2 陸側交換區提箱流程

集卡進入陸側交互區直至集卡司機下車刷卡的流程和進箱時一致，待集卡司機掃碼完成后，相應信息通訊至自動化軌道吊，軌道吊在堆場內自動抓取對應的集裝箱并帶箱往陸側交換區行駛，通過大車及小車的自動定位到達集卡上方。3D掃描系統掃描完集卡位置后起升下降，首先下降至大約8 m的安全高度，系統推送至遠程操作臺，暫時停止自動化動作，待軌道吊司機通過機器上攝像頭確認沒有砸車頭情況，確認安全并按下按鈕后繼續進入自動化流程，著箱并開鎖把集裝箱放置在集卡上，空吊具上升0.5 m后，再次推送至遠程操作臺由軌道吊司機確認放箱是否準確，如無誤，按下確認按鈕，起升繼續上升至8 m安全高度并播報集卡司機可離開安全島。

4 陸側交換區安全系統優化

4.1 系統硬件組成

為減少遠程操作的介入，在本地需增加相應的操作。通過多種測試并結合碼頭現狀，在交換區一體機上加裝了一個黃色帶燈按鈕，在進箱過程中由集卡司機通過此按鈕來判斷集卡的安全情況，確認安全后可安全釋放。

但僅靠集卡司機操作也存在安全隱患，為此，在陸側交換區增加了防集卡吊起系統及集卡移動檢測系統。防集卡吊起系統由2D激光掃描儀和可330°回轉的云臺組成，當進行集卡車進箱作業時，激光云臺垂直于地面對集卡車中心位置進行實時監控，識別吊具和集卡車拖架的相對位置，檢測集卡車是否因懸鎖未解鎖造成吊起事故，并在發生吊起事故時，向控制系統發送報警信息。集卡移動檢測系統，基于原車道的2個攝像頭，識別當前作業車道的集卡車，并對集卡車進行實時跟蹤，當發現集卡車在作業未完成時出現移動，向控制系統發送報警信息；同時，根據2個攝像機的信息，系統實施檢測作業車道是否有人員或障礙物入侵，并在發現入侵時，向控制系統發送報警信息。

所有以上硬件還需考慮和單機的通訊交互，基于此，在陸側交換區增加了BLOCK PLC用于關聯相關通訊，整個陸側交換區系統所增加的硬件見圖1。

1.激光掃描儀 2.旋轉云臺 3.控制機箱 4.相機 5.視覺控制機箱圖1 交換區硬件布置

4.2 系統通訊及軟件接口

新增加的系統考慮穩定性和安全性，在陸側設置了一個BLOCK PLC，PLC采取和自動化軌道吊相同系列的模塊，保證了整體系統的一致性和通用性。通過原本已在陸側的交換機經光纜接入港口的網絡并通過YARD PLC和軌道吊單機進行通訊，具體配置見圖2。

圖2 陸側交換區通訊配置示意圖

BLOCK PLC和工控機之間通過PROFIBUS DP轉換模塊使用DP通訊，通過配置相關GSD文件，在軌道吊主程序內配置分站及相關接口協議。接口協議一部分為PLC傳給陸側交換區系統，主要是一些軌道吊的狀態數據，包括起升、大車、小車位置、著箱及開閉鎖狀態、車道信息等；另一部分為陸側交換區系統反饋給PLC的數據，包含各激光狀態、各攝像頭狀態、系統是否觸發及各種故障狀態。

工控機上配置的2個網口對應陸側的2套系統功能。1號網口直聯至陸側交換區內的POE交換機上，通過配置和攝像頭相同網段的地址來讀取視頻流，實現移動檢測的功能。2號網口連接工控機旁的交換機，5車道的3組激光單元的網線也匯聚此交換機，實現集卡防吊起的功能。

工控機內一共運行2套程序，一套為主控程序，系統內所有數據都通過此主控程序和PLC進行交互；一套為視覺檢測程序，通過分析讀取到的視頻流數據來判斷集卡是否有移動。

激光控制箱內的2D控制器運行集卡防吊起程序，通過分析接收到的激光掃描儀數據來判斷是否有吊起的情況；3D控制器運行云臺程序，通過接收到的軌道吊數據調整云臺的回轉角度。

4.3 陸側交換區流程優化

新增系統以陸側交換區進箱流程為例，在集卡進入陸側交互區直至集卡司機下車刷卡的流程和原進箱流程一致。在軌道吊駛入陸側前，BLOCK PLC接收作業車道信息，主控程序開始啟動，整個系統進入待命狀態，如無異常，自動化軌道吊駛入陸側交換區。此時主控程序通過軌道吊的大車編碼器數據計算云臺需擺動的位置，云臺跟隨軌道吊的大車位置擺動，直至停在集卡正上方，激光云臺就位。起升機構從18 m高度開始下降，此時高度的變化觸發視覺檢測程序的啟動，通過實時讀取車道攝像頭的視頻流，運用視覺算法來判斷集卡車是否產生水平方向位移，如無異常，起升機構持續下降。8 m安全高度的判斷通過軌道吊的3D掃描結合集卡移動來實現自動判斷，減少人工介入。通過8 m安全高度后起升機構繼續下降，著箱并閉鎖，此時集卡防吊起程序運行，激光識別箱體類型及平板位置，為后續防集卡吊起判別提供依據，激光識別界面見圖3。

圖3 激光識別集裝箱

起升機構帶箱繼續上升，此過程中激光持續檢測，上升0.5 m后交換區一體機上新增黃色按鈕閃爍，同時播報讓集卡司機確認箱板是否安全分離。如無異常，集卡司機可按下按鈕自行確認，無需等待遠程司機介入，減少等待時間。起升機構繼續上升，上升到8 m時集卡防吊起系統退出運行，云臺復位；上升到10 m時，視覺檢測程序退出運行，不再檢測集卡移動；上升至12 m時主控程序停止。至此，整個陸側交換區流程結束，集卡司機離開，軌道吊進入堆場，完成進箱作業流程。以上流程中任何時候發生異常，遠程軌道吊司機可隨時介入。

5 結語

陸側交換區在增加了BLOCK PLC、集卡防吊起系統、視覺檢測系統及司機確認按鈕后，把原來需要軌道吊司機遠程確認的工作，變為由激光和視覺的檢測結合集卡司機本地確認，在減少遠程人工介入的情況下并未降低作業安全性，且降低了集卡司機的等待時間，釋放了遠程操作臺的工作能力，提升了碼頭的整體作業效率。