單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作技術(shù)難點及解決方案

李振廣

針對集裝箱碼頭單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作的市場空白，天津港太平洋國際集裝箱碼頭根據(jù)岸橋遠(yuǎn)程自動化操作系統(tǒng)的特點，在現(xiàn)有岸橋電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過加裝激光掃描儀、視頻監(jiān)控儀、服務(wù)器、可編程邏輯控制器等控制和傳感裝置，解決船舶漂移和最優(yōu)作業(yè)路徑兩大技術(shù)難點，實現(xiàn)單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作。

1 船舶漂移問題及其解決方案

1.1 問題概述

在岸橋裝卸作業(yè)過程中，船舶水平漂移量和垂直高度隨作業(yè)箱量的變化而變化，這是影響岸橋機構(gòu)定位的最主要因素。如果岸橋小車和起升機構(gòu)無法自動運行至作業(yè)集裝箱上方，將對岸橋作業(yè)效率造成負(fù)面影響。

1.2 解決方案

在岸橋小車下部安裝3D激光掃描儀，掃描儀沿小車運行方向掃描，并在小車行駛過程中記錄船上集裝箱的輪廓。由于掃描儀所在的岸橋小車機構(gòu)存在抖動現(xiàn)象，需要進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：將碼頭作業(yè)面上的不動點設(shè)定為坐標(biāo)的0位點，并以為坐標(biāo)單位，檢測每個坐標(biāo)的最大值，將結(jié)果繪制成掃描圖并寫入可編程邏輯控制器；可編程邏輯控制器根據(jù)掃描儀提供的數(shù)據(jù)控制岸橋小車和起升機構(gòu)，在移動過程中自動定位集裝箱。

如圖1所示：將C點設(shè)為0位點，此時B點的縱坐標(biāo)為B點與C點的垂直距離，B點的橫坐標(biāo)為B點與C點的水平距離。由于掃描儀A點位于岸橋小車上，是移動點，故掃描得出的B點縱坐標(biāo)=A點與C點的垂直距離 A點與B點的垂直距離，B點橫坐標(biāo)=A點與C點的水平距離 A點與B點的水平距離。掃描儀以的掃描周期持續(xù)掃描，得到多個作業(yè)點的相對坐標(biāo)，并連接成掃描線，經(jīng)后臺計算得出船型掃描圖。

A―3D激光掃描儀；

B―作業(yè)集裝箱；

C―岸邊基準(zhǔn)點（不動點）

本項目選用施克激光掃描儀。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描儀的掃描精度太高時，其掃描結(jié)果受環(huán)境影響較大。為了在確保掃描精度的同時排除非作業(yè)因素對掃描結(jié)果的影響，經(jīng)過分析掃描儀的程序，設(shè)計增加“飄落物體識別篩選”功能。例如：在下雪天氣，掃描儀會掃描到飄落的雪花，造成岸橋起升機構(gòu)執(zhí)行大循環(huán)作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)效率下降；增加“飄落物體識別篩選”功能后，對于在多個掃描循環(huán)中出現(xiàn)的位置不斷變化的物體，掃描儀自動屏蔽其數(shù)據(jù)。通過反復(fù)試驗，掃描儀在傾斜精度達0.1€啊⒍ㄎ瘓卻锏那榭魷攏蘢既芳鹱饕導(dǎo)跋浜頭親饕滴鍰澹閬殖∽饕狄??？

2 最優(yōu)作業(yè)路徑問題及其解決方案

2.1 問題概述

最優(yōu)作業(yè)路徑最初應(yīng)用于倉庫管理，目的是以最優(yōu)路徑提取庫存?zhèn)浼?，從而提高效率并降低消耗。單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作同樣需要考慮安全、效率和能耗的問題，如何實現(xiàn)三者之間的平衡是單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作面臨的難題之一。

2.2 解決方案

2.2.1 路徑設(shè)計

確定最優(yōu)作業(yè)路徑首先需要解決路徑設(shè)計問題，實現(xiàn)拋物線式作業(yè)路徑，并考慮路徑上影響岸橋作業(yè)安全的因素。

（1）陸側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑 如圖2所示：岸橋海陸兩側(cè)下橫梁是影響陸側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑的主要因素，兩者高度均為5.8 m；此外，作業(yè)時其他車道的帶箱車輛也是在作業(yè)路徑上移動的高點，設(shè)計路徑時需要加以考慮。

（2）海側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑 海側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑根據(jù)激光掃描儀的掃描情況而變化（見圖3）。

2.2.2 路徑選擇

在設(shè)計最優(yōu)作業(yè)路徑時，系統(tǒng)程序根據(jù)掃描路徑上的起始點、最高點、最低點、目標(biāo)點之間的距離計算拋物線路徑，路徑之間使用平滑的過渡曲線，從而形成連續(xù)的拋物曲線，且曲線弧度可以通過設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。在分析對比各種曲線的能耗后，選擇最節(jié)能曲線，最終形成最優(yōu)作業(yè)路徑。通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)形成不同作業(yè)路徑（見圖4），經(jīng)實際驗證，在確保安全的前提下，綜合考慮效率和節(jié)能方面的要求，路徑2為最優(yōu)作業(yè)路徑。

3 結(jié)束語

在解決船舶漂移和最優(yōu)路徑兩大技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，天津港太平洋國際集裝箱碼頭于2014年初實施針對不同船型的單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作實船測試，自動化卸船作業(yè)效率達到28自然箱/h，與人工平均作業(yè)效率相當(dāng)，在降低特種作業(yè)強度的同時，提高了司機作業(yè)的舒適度。

（編輯：張敏 收稿日期：2014-08-28）

針對集裝箱碼頭單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作的市場空白，天津港太平洋國際集裝箱碼頭根據(jù)岸橋遠(yuǎn)程自動化操作系統(tǒng)的特點，在現(xiàn)有岸橋電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過加裝激光掃描儀、視頻監(jiān)控儀、服務(wù)器、可編程邏輯控制器等控制和傳感裝置，解決船舶漂移和最優(yōu)作業(yè)路徑兩大技術(shù)難點，實現(xiàn)單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作。

1 船舶漂移問題及其解決方案

1.1 問題概述

在岸橋裝卸作業(yè)過程中，船舶水平漂移量和垂直高度隨作業(yè)箱量的變化而變化，這是影響岸橋機構(gòu)定位的最主要因素。如果岸橋小車和起升機構(gòu)無法自動運行至作業(yè)集裝箱上方，將對岸橋作業(yè)效率造成負(fù)面影響。

1.2 解決方案

在岸橋小車下部安裝3D激光掃描儀，掃描儀沿小車運行方向掃描，并在小車行駛過程中記錄船上集裝箱的輪廓。由于掃描儀所在的岸橋小車機構(gòu)存在抖動現(xiàn)象，需要進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：將碼頭作業(yè)面上的不動點設(shè)定為坐標(biāo)的0位點，并以為坐標(biāo)單位，檢測每個坐標(biāo)的最大值，將結(jié)果繪制成掃描圖并寫入可編程邏輯控制器；可編程邏輯控制器根據(jù)掃描儀提供的數(shù)據(jù)控制岸橋小車和起升機構(gòu)，在移動過程中自動定位集裝箱。

如圖1所示：將C點設(shè)為0位點，此時B點的縱坐標(biāo)為B點與C點的垂直距離，B點的橫坐標(biāo)為B點與C點的水平距離。由于掃描儀A點位于岸橋小車上，是移動點，故掃描得出的B點縱坐標(biāo)=A點與C點的垂直距離 A點與B點的垂直距離，B點橫坐標(biāo)=A點與C點的水平距離 A點與B點的水平距離。掃描儀以的掃描周期持續(xù)掃描，得到多個作業(yè)點的相對坐標(biāo)，并連接成掃描線，經(jīng)后臺計算得出船型掃描圖。

A―3D激光掃描儀；

B―作業(yè)集裝箱；

C―岸邊基準(zhǔn)點（不動點）

本項目選用施克激光掃描儀。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描儀的掃描精度太高時，其掃描結(jié)果受環(huán)境影響較大。為了在確保掃描精度的同時排除非作業(yè)因素對掃描結(jié)果的影響，經(jīng)過分析掃描儀的程序，設(shè)計增加“飄落物體識別篩選”功能。例如：在下雪天氣，掃描儀會掃描到飄落的雪花，造成岸橋起升機構(gòu)執(zhí)行大循環(huán)作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)效率下降；增加“飄落物體識別篩選”功能后，對于在多個掃描循環(huán)中出現(xiàn)的位置不斷變化的物體，掃描儀自動屏蔽其數(shù)據(jù)。通過反復(fù)試驗，掃描儀在傾斜精度達0.1€?、定委垍s锏那榭魷攏蘢既芳鹱饕導(dǎo)跋浜頭親饕滴鍰澹閬殖∽饕狄??？

2 最優(yōu)作業(yè)路徑問題及其解決方案

2.1 問題概述

最優(yōu)作業(yè)路徑最初應(yīng)用于倉庫管理，目的是以最優(yōu)路徑提取庫存?zhèn)浼?，從而提高效率并降低消耗。單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作同樣需要考慮安全、效率和能耗的問題，如何實現(xiàn)三者之間的平衡是單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作面臨的難題之一。

2.2 解決方案

2.2.1 路徑設(shè)計

確定最優(yōu)作業(yè)路徑首先需要解決路徑設(shè)計問題，實現(xiàn)拋物線式作業(yè)路徑，并考慮路徑上影響岸橋作業(yè)安全的因素。

（1）陸側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑 如圖2所示：岸橋海陸兩側(cè)下橫梁是影響陸側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑的主要因素，兩者高度均為5.8 m；此外，作業(yè)時其他車道的帶箱車輛也是在作業(yè)路徑上移動的高點，設(shè)計路徑時需要加以考慮。

（2）海側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑 海側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑根據(jù)激光掃描儀的掃描情況而變化（見圖3）。

2.2.2 路徑選擇

在設(shè)計最優(yōu)作業(yè)路徑時，系統(tǒng)程序根據(jù)掃描路徑上的起始點、最高點、最低點、目標(biāo)點之間的距離計算拋物線路徑，路徑之間使用平滑的過渡曲線，從而形成連續(xù)的拋物曲線，且曲線弧度可以通過設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。在分析對比各種曲線的能耗后，選擇最節(jié)能曲線，最終形成最優(yōu)作業(yè)路徑。通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)形成不同作業(yè)路徑（見圖4），經(jīng)實際驗證，在確保安全的前提下，綜合考慮效率和節(jié)能方面的要求，路徑2為最優(yōu)作業(yè)路徑。

3 結(jié)束語

在解決船舶漂移和最優(yōu)路徑兩大技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，天津港太平洋國際集裝箱碼頭于2014年初實施針對不同船型的單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作實船測試，自動化卸船作業(yè)效率達到28自然箱/h，與人工平均作業(yè)效率相當(dāng)，在降低特種作業(yè)強度的同時，提高了司機作業(yè)的舒適度。

（編輯：張敏 收稿日期：2014-08-28）

針對集裝箱碼頭單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作的市場空白，天津港太平洋國際集裝箱碼頭根據(jù)岸橋遠(yuǎn)程自動化操作系統(tǒng)的特點，在現(xiàn)有岸橋電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過加裝激光掃描儀、視頻監(jiān)控儀、服務(wù)器、可編程邏輯控制器等控制和傳感裝置，解決船舶漂移和最優(yōu)作業(yè)路徑兩大技術(shù)難點，實現(xiàn)單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作。

1 船舶漂移問題及其解決方案

1.1 問題概述

在岸橋裝卸作業(yè)過程中，船舶水平漂移量和垂直高度隨作業(yè)箱量的變化而變化，這是影響岸橋機構(gòu)定位的最主要因素。如果岸橋小車和起升機構(gòu)無法自動運行至作業(yè)集裝箱上方，將對岸橋作業(yè)效率造成負(fù)面影響。

1.2 解決方案

在岸橋小車下部安裝3D激光掃描儀，掃描儀沿小車運行方向掃描，并在小車行駛過程中記錄船上集裝箱的輪廓。由于掃描儀所在的岸橋小車機構(gòu)存在抖動現(xiàn)象，需要進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：將碼頭作業(yè)面上的不動點設(shè)定為坐標(biāo)的0位點，并以為坐標(biāo)單位，檢測每個坐標(biāo)的最大值，將結(jié)果繪制成掃描圖并寫入可編程邏輯控制器；可編程邏輯控制器根據(jù)掃描儀提供的數(shù)據(jù)控制岸橋小車和起升機構(gòu)，在移動過程中自動定位集裝箱。

如圖1所示：將C點設(shè)為0位點，此時B點的縱坐標(biāo)為B點與C點的垂直距離，B點的橫坐標(biāo)為B點與C點的水平距離。由于掃描儀A點位于岸橋小車上，是移動點，故掃描得出的B點縱坐標(biāo)=A點與C點的垂直距離 A點與B點的垂直距離，B點橫坐標(biāo)=A點與C點的水平距離 A點與B點的水平距離。掃描儀以的掃描周期持續(xù)掃描，得到多個作業(yè)點的相對坐標(biāo)，并連接成掃描線，經(jīng)后臺計算得出船型掃描圖。

A―3D激光掃描儀；

B―作業(yè)集裝箱；

C―岸邊基準(zhǔn)點（不動點）

本項目選用施克激光掃描儀。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描儀的掃描精度太高時，其掃描結(jié)果受環(huán)境影響較大。為了在確保掃描精度的同時排除非作業(yè)因素對掃描結(jié)果的影響，經(jīng)過分析掃描儀的程序，設(shè)計增加“飄落物體識別篩選”功能。例如：在下雪天氣，掃描儀會掃描到飄落的雪花，造成岸橋起升機構(gòu)執(zhí)行大循環(huán)作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)效率下降；增加“飄落物體識別篩選”功能后，對于在多個掃描循環(huán)中出現(xiàn)的位置不斷變化的物體，掃描儀自動屏蔽其數(shù)據(jù)。通過反復(fù)試驗，掃描儀在傾斜精度達0.1€?、定委垍s锏那榭魷攏蘢既芳鹱饕導(dǎo)跋浜頭親饕滴鍰澹閬殖∽饕狄??？

2 最優(yōu)作業(yè)路徑問題及其解決方案

2.1 問題概述

最優(yōu)作業(yè)路徑最初應(yīng)用于倉庫管理，目的是以最優(yōu)路徑提取庫存?zhèn)浼?，從而提高效率并降低消耗。單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作同樣需要考慮安全、效率和能耗的問題，如何實現(xiàn)三者之間的平衡是單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作面臨的難題之一。

2.2 解決方案

2.2.1 路徑設(shè)計

確定最優(yōu)作業(yè)路徑首先需要解決路徑設(shè)計問題，實現(xiàn)拋物線式作業(yè)路徑，并考慮路徑上影響岸橋作業(yè)安全的因素。

（1）陸側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑 如圖2所示：岸橋海陸兩側(cè)下橫梁是影響陸側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑的主要因素，兩者高度均為5.8 m；此外，作業(yè)時其他車道的帶箱車輛也是在作業(yè)路徑上移動的高點，設(shè)計路徑時需要加以考慮。

（2）海側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑 海側(cè)最優(yōu)作業(yè)路徑根據(jù)激光掃描儀的掃描情況而變化（見圖3）。

2.2.2 路徑選擇

在設(shè)計最優(yōu)作業(yè)路徑時，系統(tǒng)程序根據(jù)掃描路徑上的起始點、最高點、最低點、目標(biāo)點之間的距離計算拋物線路徑，路徑之間使用平滑的過渡曲線，從而形成連續(xù)的拋物曲線，且曲線弧度可以通過設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。在分析對比各種曲線的能耗后，選擇最節(jié)能曲線，最終形成最優(yōu)作業(yè)路徑。通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)形成不同作業(yè)路徑（見圖4），經(jīng)實際驗證，在確保安全的前提下，綜合考慮效率和節(jié)能方面的要求，路徑2為最優(yōu)作業(yè)路徑。

3 結(jié)束語

在解決船舶漂移和最優(yōu)路徑兩大技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，天津港太平洋國際集裝箱碼頭于2014年初實施針對不同船型的單起升岸橋遠(yuǎn)程自動化操作實船測試，自動化卸船作業(yè)效率達到28自然箱/h，與人工平均作業(yè)效率相當(dāng)，在降低特種作業(yè)強度的同時，提高了司機作業(yè)的舒適度。

（編輯：張敏 收稿日期：2014-08-28）