基于單機激光視覺融合的自動化碼頭集卡安全預警系統(tǒng)

時宏強

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

隨著激光和視覺技術(shù)的發(fā)展，基于激光及視覺技術(shù)的系統(tǒng)應用日益廣泛。集卡事故是集裝箱碼頭較為常見的事故之一，集卡和集裝箱之間的相對距離檢測是傳統(tǒng)碼頭軌道式龍門起重機(以下簡稱軌道吊)的標配安全系統(tǒng)，即單機集卡安全預警系統(tǒng)。傳統(tǒng)碼頭作業(yè)工況比較簡單，單機集卡安全預警系統(tǒng)只需在軌道吊靠近車道側(cè)的固定位置進行設(shè)備安裝，即可滿足防護需求。但對于自動化碼頭，由于其作業(yè)方式及堆場布局均與傳統(tǒng)碼頭有很大不同，單機集卡安全預警系統(tǒng)已無法滿足自動化碼頭需求，需結(jié)合自動化碼頭的作業(yè)特點進行升級及優(yōu)化。

2 常規(guī)單機集卡安全預警系統(tǒng)介紹

單機集卡安全預警系統(tǒng)采用激光掃描測距、模式識別和自動控制技術(shù)，實現(xiàn)吊具、集裝箱、集卡等的實時位置檢測，并根據(jù)安全控制策略實現(xiàn)起升機構(gòu)的運行控制，確保集卡上集裝箱的安全起吊，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生，提升集裝箱裝卸的安全性。

2.1 硬件系統(tǒng)組成

單機集卡安全預警系統(tǒng)主要設(shè)備包含激光組件和系統(tǒng)控制器，與軌道吊上原有PLC系統(tǒng)和功能啟停選擇開關(guān)及蜂鳴器共同實現(xiàn)集卡危險時的預警。激光組件安裝于軌道吊大車的集卡車道側(cè)下方位置，數(shù)據(jù)電纜連接到電氣房內(nèi)的系統(tǒng)控制器上，系統(tǒng)控制器提供接口連接PLC通訊模塊。司機室內(nèi)控制臺上安裝信號指示燈，提示軌道吊司機系統(tǒng)運行狀態(tài)。

激光掃描儀掃描的軌跡見圖1，激光掃描光束主要掃描位置是集裝箱高度、托架邊緣厚度、托架表面傾斜角度、機箱和托架的間隙等，通過這些數(shù)據(jù)綜合判斷集卡在起吊過程中的安全性。

圖1 激光掃描示意圖

2.2 單機系統(tǒng)作業(yè)流程

在卸車作業(yè)過程中，當帶箱集卡到位，軌道吊小車到達車道上方，吊具放到集卡集裝箱上，旋鎖閉鎖。吊具起升上升，當?shù)蹙咚衫K和著箱信號消失的瞬間，起升編碼器計算出當前的高度，作為拖車+集裝箱的高度，PLC通過通訊線纜將相關(guān)數(shù)據(jù)傳給控制器。

當?shù)蹙咂鹕龝r，控制器綜合起升編碼器、集裝箱下表面離集卡的距離及集卡底盤的坐標，判斷集箱與集卡是否分離。

3 交換區(qū)集卡安全預防需求

自動化碼頭與傳統(tǒng)碼頭在堆場布局上有所不同，傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場布局一側(cè)為集卡車道，一側(cè)為集裝箱區(qū)；自動化集裝箱碼頭堆場布局中間為集裝箱區(qū)，堆場一頭為陸側(cè)交換區(qū)，另一頭為海側(cè)交換區(qū)(見圖2)。

圖2 堆場布局示意圖

基于不同的堆場布局，自動化碼頭和傳統(tǒng)碼頭的作業(yè)方式也存在差異。自動化堆場軌道吊裝卸箱作業(yè)集中在交換區(qū)，由1條作業(yè)車道變?yōu)?條作業(yè)車道；同時當在交換區(qū)進行卸箱作業(yè)時，禁止集卡車在作業(yè)過程中移動，避免安全事故[1]。因此自動化碼頭對集卡安全性的需求相比傳統(tǒng)碼頭要求更高。具體可包括：交換區(qū)5條車道均需實現(xiàn)軌道吊作業(yè)中的集卡安全預警；交換區(qū)5條車道均是集卡作業(yè)，需要更加可靠的集卡安全預警系統(tǒng)，在保障作業(yè)效率的同時，降低誤報率和虛警率。

4 交換區(qū)集卡安全預警系統(tǒng)

交換區(qū)集卡安全預警系統(tǒng)采用多種技術(shù)融合，包括基于激光掃描測距的模式識別和定位技術(shù)、基于人工智能的集卡視覺識別技術(shù)、集卡特征跟蹤技術(shù)，實現(xiàn)對集卡箱車分離的檢測以及集卡實時移動監(jiān)測。

4.1 系統(tǒng)硬件組成

交換區(qū)集卡安全預警系統(tǒng)主要設(shè)備包含激光云臺、攝像機、工控機、系統(tǒng)控制箱，系統(tǒng)組成見圖3。其中，激光云臺實時監(jiān)控集卡車托架與集裝箱相對位置；攝像機識別當前作業(yè)車道的集卡車并對集卡車進行實時跟蹤；工控機分為激光掃描工控機和視覺檢測工控機，激光掃描工控機主要控制激光掃描，視覺檢測工控機主要控制相機拍攝識別；系統(tǒng)控制箱用于驅(qū)動激光云臺。為實現(xiàn)對每條車道的集卡進行檢測保護，激光云臺需要安裝在相鄰兩條車道的中間位置。每條車道安裝2個相機，為使視野覆蓋整個車道，相機對角安裝，同時要求像機視野能夠覆蓋集卡車完整車胎。

圖3 系統(tǒng)組成圖

4.2 系統(tǒng)通訊及軟件接口

系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)通訊和DP通訊。系統(tǒng)內(nèi)部各個組件之間采用網(wǎng)絡(luò)通訊，系統(tǒng)與PLC之間采用DP通訊(見圖4)。其中線纜1為DP通信線纜、線纜2為動力線纜、線纜3為3D激光數(shù)據(jù)線纜、線纜4為激光電源線纜、線纜5為相機電源線、線纜6為相機數(shù)據(jù)線纜。

圖4 電纜連線圖

4.3 交換區(qū)激光應用實例

4.3.1 應用實例

在交換區(qū)中，每2個車道共用1套激光云臺系統(tǒng)，5號車道單獨使用1套，布置見圖5。自動化軌道吊在距離陸側(cè)交換區(qū)200 m范圍內(nèi)接收到或者已經(jīng)啟動了交換區(qū)作業(yè)指令，PLC啟動與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)接口中“作業(yè)車道”由0變?yōu)閷嶋H作業(yè)車道號，此時系統(tǒng)啟動。系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)車道號調(diào)用相應的激光云臺系統(tǒng)，在3D掃描完成后，系統(tǒng)根據(jù)大車位置擺動激光，使激光掃描作業(yè)中心位置，即吊具中心。

圖5 2號激光云臺對準4車道后20 ft集裝箱

在圖5工況下，系統(tǒng)根據(jù)PLC發(fā)送的作業(yè)車道號，調(diào)用2號激光云臺，控制激光擺動到4號車道進行3D掃描。3D掃描完成后，系統(tǒng)根據(jù)PLC發(fā)送的大車位置，控制激光掃描平面擺動到作業(yè)中心位置。激光擺動到位時，軌道吊完成對箱及自動著箱動作。系統(tǒng)接收到吊具閉鎖信號后，相關(guān)集卡檢測功能啟動，開始對集卡中心位置進行實時監(jiān)控，識別吊具和集卡拖架的相對位置。

系統(tǒng)持續(xù)跟蹤集裝箱與集卡車的相對位置信息，當?shù)蹙咂鹕龝r，系統(tǒng)綜合起升編碼器、集裝箱下表面離集卡的距離及集卡底盤的坐標，判斷集裝箱與集卡是否分離；若未分離，則系統(tǒng)向PLC發(fā)送報警信息，否則集卡安全預警系統(tǒng)持續(xù)運行直至吊具起升高度超過系統(tǒng)檢測區(qū)間。

4.3.2 集卡安全預警系統(tǒng)控制

系統(tǒng)安全保護觸發(fā)后，吊具只能以10%的額定速度慢速下降，不能起升。吊具下放到松繩和著箱后，起升上升的防吊集卡控制解除，允許集卡司機將鎖頭打開，繼續(xù)工作。

系統(tǒng)在遠程監(jiān)控系統(tǒng)或遠程操作臺人機交互界面提供狀態(tài)指示。當集卡安全預警功能處于停用狀態(tài)、使用狀態(tài)或者系統(tǒng)發(fā)生故障時，進行相關(guān)狀態(tài)顯示。

系統(tǒng)在遠程控制臺上設(shè)置功能旁路選擇開關(guān)。當功能旁路選擇開關(guān)處于“關(guān)”位置時，集卡安全預警功能停用，吊具起升不具有集卡安全保護功能。同時設(shè)置單次旁路開關(guān)，當集卡安全預警系統(tǒng)觸發(fā)報警時，吊具停止上升，指示燈亮起，司機可按下旁路開關(guān)，進行單次控制旁路；當集卡安全預警系統(tǒng)未觸發(fā)或停用時，指示燈熄滅。

4.4 視覺檢測功能的應用及拓展

此系統(tǒng)能利用碼頭車道原有的前后高清攝像頭，基于深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用目標檢測算法，預測目標的邊框、識別目標的類別，從而實現(xiàn)目標檢測。

4.4.1 視覺檢測在車道垂直方向上的應用

在集卡車的箱車分離階段，視覺檢測系統(tǒng)采用基于精準尺度預測方法的實時視覺跟蹤算法，對檢測到的集卡車輪進行實時運動跟蹤，以軌道吊起升下降時的集卡輪胎位置為基準位置，并在系統(tǒng)中標注基準框(見圖6)。在整個作業(yè)運行階段對前后車輪上下位置進行像素級別的比對，系統(tǒng)判斷偏移值是否超過設(shè)定的閾值，如果沒有，說明集卡及集裝箱正常分離；如果超過閾值，說明集卡和集裝箱被同時提升，此時發(fā)送預警信息給PLC，緊急停止。

圖6 后攝像頭視角及輪胎標準框

4.4.2 視覺檢測在車道水平方向上的應用

自動化碼頭堆場要求集卡車在交換區(qū)停到相應車道，在作業(yè)時需保持靜止，以便軌道吊抓放箱的掃描?；诖诵枨?，視覺檢測拓展了集卡移動檢測的功能。和垂直方向上的檢測相同，以起升下降過程中的輪胎位置為基準，在作業(yè)運行階段對前后輪的左右位置進行像素級別的比對，系統(tǒng)判斷偏移值是否超過設(shè)定的閾值，如果沒有，說明集卡未移動；如果超過閾值，說明集卡移動，此時發(fā)送預警信息給PLC，緊急停止。

4.4.3 視覺檢測在人員保護方面的應用

自動化碼頭堆場在交換區(qū)的作業(yè)運行中，集卡司機是禁止進入車道內(nèi)的。視覺檢測同樣可拓展出人員入侵功能，可繼續(xù)以前后輪為基準框，無論集卡司機從哪個方向進入作業(yè)車道內(nèi)，勢必會遮擋基準框，此時系統(tǒng)同樣判別偏差值超過設(shè)定閾值，發(fā)送預警信息給PLC，軌道吊緊急停止。

4.4.4 視覺檢測系統(tǒng)在箱門檢測方面的應用

車道前后都有攝像頭，無論單40 ft箱和雙20 ft箱門前后都可覆蓋，后續(xù)可基于大量的視覺深度學習，進行箱門方向的特征判別，通過PLC反饋給碼頭運營管理系統(tǒng)，已便于后續(xù)調(diào)箱門作業(yè)的流程一體化，優(yōu)化作業(yè)效率。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)可實現(xiàn)對自動化堆場交換區(qū)車道的安全保護，拓展集卡移動檢測及人員入侵的報警功能，有效提升自動化軌道吊的安全性和可靠性，并且后續(xù)還可拓展箱門檢測功能。