門座起重機(jī)自動(dòng)化在港口的應(yīng)用

曾欽堅(jiān)，王文龍，全曉軍

（深圳赤灣港口發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518062）

1 研究背景和現(xiàn)狀

1.1 研究背景

隨著全球貿(mào)易的不斷發(fā)展和國(guó)際物流的快速增長(zhǎng)，港口作為貨物流通的重要節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著大量貨物的裝卸和轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)。傳統(tǒng)港口裝卸作業(yè)通常依靠人工操作和傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備，存在效率低下、安全隱患大、操作錯(cuò)誤率高等問題。為了提高港口的效率、降低成本、降低事故風(fēng)險(xiǎn)，滿足日益增長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)需求，門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)在港口得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。門座起重機(jī)自動(dòng)化是指利用先進(jìn)的傳感器、控制系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)門座起重機(jī)的自動(dòng)化操作和控制。引入自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)門座起重機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)裝卸、自動(dòng)堆放等功能，提高作業(yè)效率、降低人力成本、提升港口的運(yùn)營(yíng)安全性。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多港口紛紛引進(jìn)門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)，并取得了顯著成效。然而，門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用還面臨著一些挑戰(zhàn)。①門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的引入需要投入大量的資金和人力，且需要對(duì)港口的設(shè)施和流程進(jìn)行改造和升級(jí)。②門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)需要與現(xiàn)有的港口設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成，確保整個(gè)港口運(yùn)營(yíng)的協(xié)調(diào)和順暢。此外，門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用還涉及數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)的問題，需要制定相應(yīng)的政策和措施進(jìn)行管理和保護(hù)。因此，研究港口門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、優(yōu)勢(shì)、面臨的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決方案，對(duì)于推動(dòng)港口裝卸作業(yè)的現(xiàn)代化和智能化具有重要意義。

1.2 研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

1.2.1 智能化控制系統(tǒng)

門座起重機(jī)自動(dòng)化的核心是智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。通過集成傳感器、控制器、執(zhí)行器等設(shè)備開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)自主操作和自動(dòng)化控制的門座起重機(jī)系統(tǒng)。這些智能化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)門座起重機(jī)的狀態(tài)和環(huán)境信息，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和規(guī)則進(jìn)行自主決策和操作，提高門座起重機(jī)的運(yùn)行效率和安全性。門座起重機(jī)智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 門座起重機(jī)智能化控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2.2 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(shù)在門座起重機(jī)自動(dòng)化中起到了重要的作用。通過監(jiān)控設(shè)備和圖像處理算法，門座起重機(jī)可以實(shí)時(shí)獲取和分析裝卸作業(yè)場(chǎng)景的圖像信息。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像識(shí)別等技術(shù)[1]，門座起重機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別和定位貨物，實(shí)現(xiàn)精確的裝卸操作，船舶點(diǎn)云模型如圖2 所示。

圖2 船舶點(diǎn)云模型示意圖

1.2.3 無人駕駛技術(shù)

無人駕駛技術(shù)是門座起重機(jī)自動(dòng)化的重要組成部分。門座起重機(jī)通過自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人操作和自主導(dǎo)航。通過精確的地圖和定位系統(tǒng)，以及高精度的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃算法，門座起重機(jī)能自動(dòng)避開障礙物、規(guī)避危險(xiǎn)區(qū)域，并按照預(yù)定的路徑進(jìn)行裝卸作業(yè)，無人駕駛路徑規(guī)劃如圖3 所示。

圖3 無人駕駛路徑規(guī)劃圖

1.2.4 云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析

云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)[2]在門座起重機(jī)自動(dòng)化中扮演著重要角色。將門座起重機(jī)的數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行分析和處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)門座起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。通過分析大量的數(shù)據(jù)，可以優(yōu)化門座起重機(jī)的運(yùn)行策略和參數(shù)設(shè)置，提高門座起重機(jī)的工作效率和可靠性。

1.2.5 安全性和可靠性研究

門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用需要保證其安全性和可靠性。通過設(shè)計(jì)安全控制系統(tǒng)、開發(fā)故障診斷和預(yù)測(cè)算法，以及建立安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，保障門座起重機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的安全運(yùn)行，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷示意圖如圖4 所示。

圖4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷示意圖

綜上，門座起重機(jī)自動(dòng)化的研究和進(jìn)展主要集中在智能化控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺技術(shù)、無人駕駛技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析以及安全性和可靠性研究等方面。這些研究成果的應(yīng)用將推動(dòng)門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，并為港口裝卸作業(yè)提供更高效、安全和可靠的解決方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件模塊

①傳感器模塊包括各種傳感器，如激光雷達(dá)、攝像頭、壓力傳感器等，用于獲取門座機(jī)周圍環(huán)境和裝卸作業(yè)的相關(guān)信息。②控制器模塊負(fù)責(zé)接收傳感器模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和規(guī)則進(jìn)行決策和控制門座機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

2.1.2 軟件模塊

①智能控制模塊。負(fù)責(zé)門座機(jī)的自主決策和控制。通過集成機(jī)器學(xué)習(xí)、路徑規(guī)劃、動(dòng)態(tài)調(diào)度等算法，實(shí)現(xiàn)門座機(jī)的智能化操作。②機(jī)器視覺模塊。通過圖像處理和圖像識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的識(shí)別、定位、跟蹤。同時(shí)，通過圖像分析和模式識(shí)別[3]，為智能控制模塊提供更準(zhǔn)確的信息。③導(dǎo)航和定位模塊。通過引入地圖和定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)門座機(jī)的自主導(dǎo)航和定位。該模塊可以利用激光雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航等技術(shù)，為門座機(jī)提供精確的位置信息。④數(shù)據(jù)分析模塊。將門座機(jī)的數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行分析和處理。通過大數(shù)據(jù)分析算法，提取有價(jià)值的信息，優(yōu)化門座機(jī)的運(yùn)行策略和參數(shù)設(shè)置。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

門座機(jī)系統(tǒng)需要與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)門座機(jī)與港口管理系統(tǒng)、料斗自動(dòng)裝車系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同操作。

2.1.4 安全控制模塊

門座機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)需要保證安全性。安全控制模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)門座機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境信息，實(shí)時(shí)識(shí)別潛在的危險(xiǎn)和障礙物，并采取相應(yīng)的措施，確保門座機(jī)的安全運(yùn)行。門座起重機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)需要綜合考慮硬件和軟件的相互配合，實(shí)現(xiàn)門座起重機(jī)的自主決策、自主導(dǎo)航、自主操作。這些模塊的設(shè)計(jì)和集成將為門座起重機(jī)自動(dòng)化提供基礎(chǔ)，并為港口裝卸作業(yè)提供更高效、安全、可靠的解決方案。

2.2 控制算法和決策邏輯設(shè)計(jì)

2.2.1 導(dǎo)航算法設(shè)計(jì)

①路徑規(guī)劃。根據(jù)門座起重機(jī)的起始位置和目標(biāo)位置，設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃算法，確定最佳路徑。可以使用經(jīng)典的路徑規(guī)劃算法，如A*算法[4]、Dijkstra 算法、RRT 算法[5]。②避障算法。在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)避障算法，避免與障礙物發(fā)生碰撞。可以使用激光雷達(dá)或攝像頭獲取障礙物的位置信息，然后根據(jù)避障策略進(jìn)行規(guī)避。

2.2.2 定位和防搖控制算法設(shè)計(jì)

①定位算法。根據(jù)傳感器獲取的位置信息，設(shè)計(jì)定位算法確定門座起重機(jī)的準(zhǔn)確位置。可以使用北斗系統(tǒng)、激光雷達(dá)、視覺傳感器進(jìn)行定位。②防搖控制算法。實(shí)時(shí)獲取門座起重機(jī)運(yùn)行過程中起升、變幅、回轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)的位置和速度信息，結(jié)合作業(yè)環(huán)境、作業(yè)工況等因素，對(duì)門機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)，結(jié)合路徑規(guī)劃的各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，自動(dòng)生成相應(yīng)的控制指令，通過各執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)防搖控制。抓斗防搖理論基礎(chǔ)基于地球上單擺搖擺周期公式為，控制流程如圖5 所示。

2.2.3 決策邏輯設(shè)計(jì)

①裝卸任務(wù)調(diào)度。根據(jù)裝卸任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和門座起重機(jī)的可用性，設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)度算法確定裝卸的順序和時(shí)間。可以使用任務(wù)調(diào)度算法，如最短作業(yè)優(yōu)先或最早截止時(shí)間優(yōu)先。②動(dòng)作決策。根據(jù)門座起重機(jī)的位置和物料的位置，設(shè)計(jì)動(dòng)作決策算法確定門座起重機(jī)的動(dòng)作，如抓取、放置或移動(dòng)，可以使用狀態(tài)機(jī)或規(guī)則引擎進(jìn)行動(dòng)作決策。

2.2.4 安全性設(shè)計(jì)

①碰撞檢測(cè)和避免。設(shè)計(jì)碰撞檢測(cè)算法和避障策略，確保門座起重機(jī)與障礙物或其他門座起重機(jī)之間的安全距離。②負(fù)載監(jiān)測(cè)和控制。設(shè)計(jì)負(fù)載監(jiān)測(cè)算法和控制策略，確保門座起重機(jī)的負(fù)載在安全范圍內(nèi)。

通過合理設(shè)計(jì)控制算法和決策邏輯，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)門座機(jī)的自主決策、自主導(dǎo)航、自主操作，提高門座機(jī)的效率和安全性，為港口裝卸作業(yè)提供更高效、安全和可靠的解決方案。

3 門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用前景

3.1 提高運(yùn)營(yíng)效率

門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)門座起重機(jī)的智能化操作和自動(dòng)化控制，提高裝卸作業(yè)的效率和準(zhǔn)確性。自動(dòng)化技術(shù)可以減少人為因素的影響，提高裝卸作業(yè)的速度和精度，縮短貨物的停留時(shí)間，提高港口的吞吐能力。

3.2 提高安全性

門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)可以減少人為錯(cuò)誤和事故的發(fā)生。自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以對(duì)門座起重機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，確保門座起重機(jī)的操作符合安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。此外，自動(dòng)化技術(shù)還可以通過傳感器和攝像頭等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)港口裝卸作業(yè)的環(huán)境和狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患。

3.3 降低成本

門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)可以降低人力成本和維護(hù)成本。自動(dòng)化門座起重機(jī)極大地減少了人工操作，可以有效降低人力成本和培訓(xùn)成本。此外，自動(dòng)化門座起重機(jī)還可以減少設(shè)備的維護(hù)和修理成本，提高設(shè)備的使用壽命和可靠性。

3.4 實(shí)現(xiàn)智能化管理

門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)可以與港口物流信息系統(tǒng)、船舶配載系統(tǒng)、貨物追蹤系統(tǒng)等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化和互聯(lián)互通。通過不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)港口門座起重機(jī)與其他系統(tǒng)的無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)智能化的港口管理和調(diào)度，進(jìn)一步提高港口的整體運(yùn)營(yíng)效率和協(xié)同能力。

3.5 環(huán)保節(jié)能

門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)注重環(huán)保和節(jié)能。采用節(jié)能設(shè)備和智能能源管理系統(tǒng)等技術(shù)，可以減少能源消耗和環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)港口裝卸作業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)在港口行業(yè)中的應(yīng)用具有重要的意義。門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)提高了港口的工作效率和安全性，提升了港口的競(jìng)爭(zhēng)力。盡管面臨一些挑戰(zhàn)，但門座起重機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用前景依然廣闊。隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，自動(dòng)化技術(shù)在港口行業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來越普遍，為港口行業(yè)的發(fā)展帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。