自動化集裝箱碼頭軌道式龍門起重機遠程作業(yè)系統的實現

Implementation of the Remote Operation System for Rail Mounted Gantry Crane in Automated Container Terminal

王曉帥1　張　氫2　張小龍2

(上海振華重工(集團)股份有限公司1，上?！?00125；同濟大學機械與能源工程學院2，上?！?01804)

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自動化集裝箱碼頭軌道式龍門起重機遠程作業(yè)系統的實現

Implementation of the Remote Operation System for Rail Mounted Gantry Crane in Automated Container Terminal

王曉帥1張氫2張小龍2

(上海振華重工(集團)股份有限公司1，上海200125；同濟大學機械與能源工程學院2，上海201804)

摘要：針對自動化集裝箱碼頭中自動化軌道式龍門起重機(ARMG)對集卡遠程作業(yè)的要求，基于以太網構建了ARMG遠程作業(yè)系統。介紹了集裝箱碼頭裝卸系統和ARMG遠程作業(yè)系統網絡結構，詳細闡述了ARMG遠程作業(yè)系統各個部分的實現。實際使用表明，ARMG遠程作業(yè)系統實現了操作員在中控室對多臺ARMG的遠程作業(yè)，提高了作業(yè)效率，改善了工作環(huán)境，為自動化碼頭和軌道式龍門起重機遠程作業(yè)系統的實現提供了參考。

關鍵詞：集裝箱碼頭起重機遠程操作工業(yè)以太網網絡服務DataView裝卸系統傳感器智能化信息化

Abstract：In order to meet the requirements of remote operation for automated rail mounted gantry crane (ARMG) in container terminal,the remote operation system based on Ethernet for ARMG has been constructed.On the basis of introduction of the network structure of the system,the implementation of each part of the remote operation system is described in detail.The practical operation indicates that the remote operation of multiple ARMG can be achieved by operators in central control room,the operation efficiency is enhanced,and the working environment is improved.This provides reference for implementation of remote operation system of automated rail mounted gantry crane in container terminal.

Keywords:Container terminalCraneRemote operationIndustrial EthernetNetwork serviceDataViewHanding systemSensorIntelligentInformationize

0引言

隨著經濟全球化和區(qū)域經濟一體化進程的加快，世界集裝箱海運大幅增長，集裝箱船舶也呈現大型化的趨勢。為了增強集裝箱碼頭的競爭力，裝卸作業(yè)效率的要求越來越高，現代化國際樞紐港自動化、信息化、智能化的集裝箱堆場的發(fā)展已經成為必然趨勢。荷蘭鹿特丹港的ECT 集裝箱碼頭、德國漢堡港的CTA碼頭[1-2]和鹿特丹EUROMAX 集裝箱碼頭代表了世界集裝箱自動化作業(yè)系統發(fā)展的三個階段[3]。

已投入試運行的廈門遠海自動化集裝箱碼頭是第四代自動化碼頭[4]。在該自動化碼頭中，自動引導小車(automated guided vehicle,AGV)與岸橋、AGV與ARMG的配合作業(yè)均可以實現全自動化，但是當ARMG與集卡進行裝卸作業(yè)時，考慮ARMG自動對集卡抓、放箱時的設備、人員安全以及著箱時的準確、快速要求，采用通過遠程作業(yè)系統在中控室實現ARMG自動作業(yè)與手動作業(yè)相配合的作業(yè)方式。本文在對廈門遠海自動化集裝箱碼頭裝卸系統介紹的基礎上，詳細闡述了ARMG遠程作業(yè)系統的構建和實現，并對ARMG本機系統進行了介紹。

1廈門遠海自動化集裝箱碼頭裝卸系統

廈門遠海集裝箱自動化裝卸碼頭設置了3臺雙小車岸橋進行裝卸船作業(yè)，沿碼頭岸線方向布置了8個堆場。堆場海側共采用16臺全電力驅動的AGV作為水平搬運設備，負責雙小車岸橋到堆垛區(qū)的集裝箱搬運，堆場陸側采用集卡作為搬運設備。每個堆垛區(qū)配備了2臺ARMG，其中一臺ARMG配合AGV在堆垛區(qū)的作業(yè)，另一臺ARMG用于與集卡的裝卸箱作業(yè)。

AGV與岸橋、AGV與ARMG的配合作業(yè)均可以實現全自動化，在對集卡作業(yè)時通常是利用ARMG在一定階段進行自動化作業(yè)。當ARMG自動作業(yè)階段完成后，會將作業(yè)控制交由位于遠程中控室的遠程控制臺(remote control station，RCS)進行手動操作。當ARMG對集卡進行裝箱時，在任務開始后，中控室RCS啟動ARMG的自動運行模式，ARMG會自動運行到堆垛區(qū)合適的位置并抓取待裝的集裝箱，然后ARMG自動移動大車、小車到目標車道上方，并將吊具下降至安全高度(離地面約6 m)，這時切換到手動控制，由中控室操作員在現場視頻監(jiān)控畫面的指導下手動進行集卡對箱和裝箱，裝箱完畢后將吊具上升至安全高度，返回到自動模式，等待新的裝箱任務。此外，通過遠程維修操作臺(maintenance remote operation station，MROS)操作員還可以在遠程中控室進行遠程維修操作和故障診斷，方便了設備的維護、調試、故障處理。

遠程作業(yè)系統相當于把傳統軌道式龍門起重機(rail mounted gantry crane，RMG)的司機室搬到了遠程中控室中，并將其改造成自動化軌道式龍門起重機(ARMG)，操作員不需要在RMG上就可以作業(yè)，為操作員創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境。

2遠程作業(yè)系統網絡構建

目前，基于以太網的遠程監(jiān)控系統廣泛應用于各個領域[9-11]，ARMG遠程作業(yè)系統正是基于以太網及相關設備組建起來的，圖1為ARMG遠程作業(yè)系統網絡架構示意圖。

圖1　自動化軌道式龍門起重機遠程作業(yè)系統網絡架構

Fig.1The network architecture of ARMG remote operation system

在中控室中配備有6臺遠程操作臺(remote operation station，ROS)，一種是遠程控制臺RCS，用于ARMG對集卡遠程作業(yè)時的操作，共有5臺；另一種是遠程維修操控制作臺(maintenance repair operation system，MROS)，用于遠程的維修操作。任一臺遠程控制臺可以控制16臺ARMG中的多臺設備。

遠程作業(yè)系統服務器(remote operation computer system server，ROCS Server)管理著整個遠程作業(yè)的任務分配和管理，并分配當前作業(yè)的ARMG的CCTV攝像頭畫面給RCS操作員作為操作時的參考；遠程起重機管理系統服務器(remote crane management system，RCMS Server)提供各個ARMG的運行狀態(tài)與故障信息等數據服務；語音服務器(audio server)提供網絡語音支持；視頻服務器(CCTV server)收集各個ARMG上安裝的數字攝像頭畫面并提供給遠程操作臺的客戶端；視頻矩陣(video matrix)專用于吊具下4個模擬攝像頭的實時畫面的切換管理，可在ROCS Server控制下使畫面自動切換到當前作業(yè)的ARMG吊具下方的視頻。中控室還配備一臺遠程PLC(remote PLC)，一方面通過I/O模塊獲取ROS操作面板上的按鈕和搖桿信息并發(fā)送到ARMG上的PLC；另一方面獲取ARMG上的PLC的狀態(tài)數據反饋，并在控制臺上實時顯示狀態(tài)信息，ARMG上的PLC與中控室內的Remote PLC通過PowerLink通信。遠程PLC也可以通過以太網將各個操作狀態(tài)信息和ARMG的運行狀態(tài)信息上傳至ROCS Server。

當ARMG對集卡進行裝卸作業(yè)時，操作員通過RCS上的視頻畫面可以獲知當前現場的運行情況，通過語音系統廣播語音消息，通過操作RCS上的按鈕或搖桿即可實現對ARMG的遠程控制，實時調整ARMG和吊具的運動，實現對集卡的遠程裝卸箱作業(yè)。此外，利用MROS可以對設備進行維護和檢修。

3遠程操作臺

遠程操作臺ROS主要由遠程控制計算機、3個顯示屏、貝加萊I/O模塊、手柄搖桿、各種操作按鈕、語音麥克風組成。ROS分為RCS和MROS兩種，ARMG對集卡的遠程作業(yè)操作主要通過RCS來實現，在此對RCS作主要介紹。

RCS操作面板具有手柄搖桿2個，一個用于控制大車和吊具，另一個用于控制小車，操控ARMG的運動以實現對集卡的裝卸箱。除此之外，還有各種操作按鈕用于遠程控制ARMG上的設備完成一些作業(yè)動作，如吊具開鎖、吊具傾轉，對應的指示燈可以實時顯示控制狀態(tài)?？刂婆_上的語音麥克風可以與現場進行通話和廣播，可以使遠程操作員通過呼叫提醒集卡司機配合作業(yè)任務。

RCS計算機上運行著DataView和CCTV客戶端軟件，DataView用于操作員在對ARMG操作時觀察ARMG的狀態(tài)信息和堆場內的集裝箱層高和信息等。當RCS對某一臺ARMG控制時，DataView會在其中一個顯示屏上顯示當前ARMG相關的狀態(tài)信息，如當前執(zhí)行的任務提示信息、集裝箱號、集裝箱類型、集卡號、集卡類型、設備類型、設備編號、大車位置、小車位置、吊具高度、著箱狀態(tài)、開閉鎖信息等。圖2為DataView的軟件界面圖，該界面顯示了當前操作的ARMG的大車、小車、吊具等位置信息。CCTV客戶端軟件可以在另一個顯示屏上用多分屏的形式顯示當前操作的ARMG上攝像機拍攝到的實時畫面，供操作員參考。此外，還有一個顯示屏為監(jiān)視器，直接連接視頻矩陣，可以顯示當前操作的ARMG吊具下的4個攝像頭畫面，以便操作員根據現場情況做出合適處理。

圖2　DataView軟件界面圖

4網絡服務方案

4.1ROCS服務方案

ROCS服務器用于安裝OPC Server程序和ROCS程序。ROCS服務器上運行的OPC Server負責收集ARMG的PLC的數據和發(fā)送指令給ARMG。ROCS程序分為兩部分：ROCS Service和ROCS Client。ROCS Service 無界面運行，作為一個Windows服務安裝在ROCS服務器中，ROCS程序通過OPC Server獲取Remote PLC所提供的數據。Remote PLC獲取兩類數據信息并發(fā)送給OPC Server：一類是Remote PLC通過PowerLink總線從ARMG控制系統收集而來的關于ARMG的一些設備信息，如ARMG的模式、車位置、起升高度、開閉鎖等，用于ROCS生成遠程控制任務以及判斷設備位置和精確地切換視頻等；另一類是Remote PLC通過I/O模塊獲取的ROS操作面板的各種按鈕、搖桿的操作狀態(tài)信息，用于ROCS管理遠程任務狀態(tài)和分配遠程任務等。ROCS Client是一個Windows應用程序，可以對ROCS Service使用的一些數據源進行修改，如OPC Server配置參數、視頻矩陣串口配置參數、以太網端口配置參數等。ROCS Client還可以觀察ROCS Service運行時遠程任務和ROS操作面板的狀態(tài)，可以調整遠程任務的優(yōu)先級，可以配置ROCS Service所使用到的視頻分配規(guī)則、語音分配規(guī)則、RCS分配規(guī)則等設置。

4.2RCMS服務方案

RCMS服務器主要安裝RCMS程序以及OPC Server程序。RCMS程序主要用于收集各個ARMG的運行狀態(tài)、運行速度、故障、各機構信息等數據，用于對ARMG的維護、故障提示及各機構運行效率、時間的統計等。RCMS上的OPC Server為RCS上的DataView提供數據源。此外，RCMS程序還可以對岸橋的故障信息、設備維護信息進行管理，具備實時數據監(jiān)控、歷史數據查詢、報表生成和導出等多種功能。

4.3CCTV服務方案

CCTV服務有兩種，一種是基于網絡視頻服務器CCTV Server和數字攝像頭的全數字化遠程視頻集中監(jiān)控系統，另一種是基于視頻矩陣和模擬攝像頭的模擬視頻監(jiān)控系統。

CCTV Server前端監(jiān)控設備將采集好的圖像進行編碼上傳至網絡，通過光纖傳輸到中控室，在中控室建立網絡視頻管理平臺，通過客戶端軟件在RCS上顯示出來。網絡視頻管理平臺基于C/S架構，集中配置管理，統一分配用戶權限，引入用戶組概念，支持多用戶區(qū)域管理，具備視頻回放功能，可進行數據存儲、流媒體轉發(fā)。

每個ARMG吊具的4個角上各安裝有1個吊具攝像頭，用于觀察鎖頭、鎖箱和對箱情況。RCS上的監(jiān)視器可以在ROCS Sever的控制下自動切換到當前作業(yè)的ARMG的吊具攝像頭視頻畫面。

監(jiān)視器顯示為4分格，分別對應ARMG吊具4個角上的攝像頭。當RCS無任務不需要操作ARMG時，監(jiān)視器則為待機黑屏狀態(tài)。

4.4語音服務方案

語音系統由麥克風、揚聲器、語音服務器組成，并通過以太網連接。每個ROS控制臺安裝了一個麥克風。揚聲器安裝于每個堆垛的集卡交換區(qū)的車道上，一個車道安裝一個揚聲器，整個碼頭24個車道一共安裝24套揚聲器。語音服務器位于中控室的機柜內，內置數字語音系統，用于控制麥克風與揚聲器的多對多的切換、管理和控制。

5ARMG本機系統

ARMG的實時位置會通過ARMG的本機PLC檢測并通過通信網絡反饋到中控室的ROS控制臺，以便于操作員實時了解ARMG的運行位置。ARMG上裝有數字攝像頭，用于對作業(yè)現場總體情況的監(jiān)控。吊具上的模擬攝像頭用于作業(yè)時堆箱的監(jiān)視，便于中控室操作員準確高效完成對箱操作。

軌道吊大車定位是通過霍爾磁鐵和絕對位置編碼器來實現的，兩者互相校驗決定大車位置的有效性。小車定位通過磁尺實現，并輔以安裝3個絕對位置校驗點，用于對磁尺的校驗，實現對小車的精確定位。此外，每個堆垛區(qū)的兩臺ARMG會使用防碰撞技術，當兩臺ARMG的位置小于安全距離時，各ARMG的PLC會控制大車減速、停車并給出報警信息。起升卷筒旁安裝有絕對位置編碼器，對吊具起升高度進行定位。小車的底部安裝有傳感器，用來檢測吊具與小車底部的絕對距離和吊具的水平度、旋轉度以及運行過程中吊具的搖擺程度。

當ARMG的小車進入集卡交換區(qū)時，空載時吊具底部或作業(yè)時集裝箱的底部必須在安全高度以上運行。當小車運行到目標位時，只有遠程中控室監(jiān)控人員確認安全后，方可進行裝卸集裝箱的動作，確保集卡及集卡司機的安全。當小車運行到目標位時，遠程中控室操作員通過裝卸位側面的信息指示牌或者語音系統提示集卡司機離開集卡駕駛室進入安全島。當集卡司機按下安全島內的工作按鈕時，遠程中控室監(jiān)控人員確知集卡司機已經進入安全島，再進行裝卸集裝箱的動作，從而確保集卡司機的安全。

6結束語

軌道式龍門起重機遠程作業(yè)系統是集計算機控制技術、傳感器檢測技術、網絡技術、信息技術等各種智能技術為一體的復雜系統，也是自動化集裝箱碼頭總體系統的重要分系統之一[4-5]。ARMG遠程作業(yè)系統實現了在中控室的任意一個RCS操作臺上完成多臺ARMG的遠程作業(yè)操作，提高了設備利用率。操作員在遠程作業(yè)中控室的工作環(huán)境更加舒適，只需要對ARMG的控制進行少量手動操作，就會進一步降低工作強度。

遠程作業(yè)系統是基于以太網建立的，除了已實現的在中控室進行遠程作業(yè)的功能，還可以很容易地對系統升級，將設備運行狀態(tài)接入到互聯網，實現遠程狀態(tài)監(jiān)測，為碼頭應對未來的升級提供便捷的接口和平臺。廈門遠海自動化集裝箱碼頭軌道式龍門起重機遠程作業(yè)系統的成功應用可以為我國后續(xù)的自動化碼頭中的集裝箱遠程作業(yè)系統的設計提供重要參考。

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中圖分類號：TP273;TH86

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602008

工信部2013智能制造裝備發(fā)展專項基金資助項目(編號：發(fā)改辦高技[2013]2519號)。

修改稿收到日期：2015-06-04。

第一作者王曉帥(1988-)，女，2009年畢業(yè)于上海海事大學信息與計算機科學專業(yè)，獲學士學位；主要從事港口機械自動化系統的實現研究。