基于激光掃描測距技術的岸橋下集卡自動定位系統

許博

岸橋是專業化集裝箱碼頭的主要岸邊作業機械，其作業效率和安全生產直接影響船舶裝卸效率。為進一步提高岸橋作業效率，降低勞動強度，提高設備安全性，青島前灣集裝箱碼頭有限責任公司（以下簡稱青島前灣碼頭）研發岸橋下集卡自動定位系統，豐富并完善岸橋應用系統。在岸橋作業過程中，當吊具從集卡上吊運集裝箱或將集裝箱放置到集卡上時，傳統方法需要依靠集卡司機通過個人目測和前后反復移動集卡來完成集卡與吊具的對位。該對位方式降低集裝箱裝卸效率，增加司機的操作難度，同時會因吊具、集裝箱與集卡間的碰撞造成設備損壞，從而帶來諸多安全隱患。青島前灣碼頭研發的岸橋下集卡自動定位系統采用激光掃描測距原理、模式識別和自動控制技術，實現集卡的精確對位，并根據作業類型及時提示集卡司機調整停車位置，以便集卡預先準確地停在岸橋起吊位置，達到減輕司機勞動強度、提高集裝箱裝卸效率的目的。

1 基于激光掃描測距技術的岸橋下集卡自動定位系統功能和技術指標

1.1 功能

（1）對岸橋下各條車道上作業的空載和重載集卡進行精確對位，以便集卡預先準確地停在岸橋起吊位置。

（2）自動識別各種箱型，包括單45英尺集裝箱、單40英尺集裝箱、單20英尺集裝箱、雙20英尺集裝箱、罐式集裝箱、液貨集裝箱和平板集裝箱等。

（3）進行多車道測量，自動識別集卡車型及其行駛方向。

（4）采用發光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示屏顯示集卡定位信息，及時提示集卡司機調整停車位置，實現集卡向前、向后快速對位，并使作業區域亮度滿足全天候作業的要求。

（5）在集卡未停到位的情況下，對吊具下降采用限制策略，以保證人車安全。

（6）為防止集卡拖拽吊具，在集卡完成對位后，LED顯示屏提示集卡司機停止移動車輛；當岸橋完成裝箱或卸箱操作且吊具起升到一定高度后，LED顯示屏提示集卡司機駛離操作區域。

1.2 主要技術指標

激光檢測距離為30 m；激光測量誤差為；集卡對位誤差小于100 mm；工作溫度為 30～50癈；存儲溫度為 30～70癈；濕度為100%；防護等級為室外IP65。

2 基于激光掃描測距技術的岸橋下集卡自動定位系統構架及工作原理

2.1 構架

基于激光掃描測距技術的岸橋下集卡自動定位系統的主要設備包含旋轉云臺、激光掃描測距儀、系統控制器、LED顯示屏等（見圖1），其中，系統控制器上部署集卡對位控制軟件。這些設備與岸橋上原有的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統、司機室控制臺和功能啟停選擇開關共同實現系統功能。

岸橋司機通過操作臺按鈕實現對車道的選擇和系統的設置，設置信息主要包括岸橋下集裝箱起吊作業車道、作業類型等。系統控制器通過與PLC以PROFIBUS-DP總線接口的方式獲取當前作業的吊具操作模式、作業類型等。為方便岸橋邊作業人員調整集卡作業車道，在岸橋下設置與系統控制器相連的車道調整開關，以便對云臺進行調整。激光掃描測距儀將數據發送至系統控制器，系統控制器據此識別集卡的行駛方向、位置及其偏離岸橋基準起吊點的距離；同時，系統控制器從PLC獲取吊具操作模式、開閉鎖信號和起升高度等信息，并將集卡偏離岸橋起吊點的方向和距離、作業車道、操作模式、行駛方向等信息實時顯示在LED顯示屏上，提示司機調整集卡停車位置，對準岸橋起吊點。如果集卡向后偏離岸橋吊具起吊點的距離大于安全距離，系統禁止吊具下放，以保護人車安全；當系統收到開閉鎖信號且吊具起升至一定高度時，LED顯示屏提示集卡司機駛離，以防止集卡拖拽吊具。

2.2 工作原理

2.2.1 激光掃描測距原理

在集卡車道上方的岸橋橫梁中部安裝可編程控制轉動角度的云臺，該云臺在岸橋橫梁下垂直于集卡車道的平面內旋轉；在云臺上安裝1臺激光掃描測距儀，激光沿平行于集卡車道中心線的方向對集裝箱及集卡平板車頂面立體掃描測距；激光掃描測距儀跟隨云臺轉動，實現對岸橋下6條集卡車道的掃描測距（見圖2）。激光掃描測距儀測得從掃描測距點到碼頭地面的垂直高度及從測距點到岸橋起吊點中心的距離，同時設定車道測距范圍，將初始設定的數據儲存在系統控制器內的ARM9微處理器中。當激光掃描測距儀對集卡車道進行測距時，微處理器控制云臺旋轉角度，云臺帶動激光掃描測距儀旋轉掃描車道上的物體，并通過微處理器的計算，得到被測物體的高度及其與測距點的距離。通過微處理器的計算和分析，系統識別出所測集卡和集裝箱的形狀，判斷集卡的位置及其偏離岸橋基準起吊點的距離，同時將集卡偏離岸橋起吊點的數據顯示在LED顯示屏上，以便集卡司機調整集卡停車位置。

2.2.2 LED顯示屏對位顯示原理

LED顯示屏通過安裝支架固定在岸橋海側和陸側基礎梁前后，距地面高度約3 m，屏幕中心高度與集卡司機視線高度一致。LED顯示屏采用紅色、黃色、綠色3種顏色顯示，分為5個顯示區域（見圖3）：操作模式用紅色和綠色顯示，綠色為單20英尺集裝箱作業模式，紅色為雙20英尺集裝箱、40英尺集裝箱和45英尺集裝箱作業模式；集卡行駛方向用紅色顯示；集卡對位方向“向前”和“向后”用綠色箭頭顯示，對位后用紅色表示停止，駛離時用綠色顯示；當前掃描作業車道號用黃色顯示；集卡對位偏離距離用紅色顯示，單位為厘米。

2.2.2.1 集卡對位方向

集卡對位方向采用紅色和綠色顯示：當系統控制器識別出操作區域內有集卡進入時，對應的對位方向顯示為綠色箭頭；當集卡調整到位后，顯示為紅色橫杠，此時禁止集卡移動；當岸橋完成裝箱或卸箱操作后，顯示為綠色橫杠，提示集卡可以駛離操作區域。

2.2.2.2 集卡對位偏離距離

集卡對位偏離距離顯示為紅色，顯示范圍為“000”至“299”，單位為厘米，該區域表示集卡當前位置與正確的停車位置之間的距離。當集卡停車到位時顯示“000”；當岸橋完成卸箱或裝箱操作時，顯示為“---”，此時允許集卡駛離操作區域；當操作區域內沒有集卡進入時，也顯示為“---”。

2.2.3 激光掃描測距定位過程

激光立體掃描可以對岸橋下6條車道進行集裝箱測距定位。首先，選擇掃描的車道，步進電機轉動使得激光掃描測距儀鎖定在當前車道；然后，判斷集卡的行駛方向及車頭位置。當掃描測距系統測得單40英尺集裝箱或單20英尺集裝箱時，微處理器控制系統根據集裝箱中心位置判斷定位；當掃描測距系統測得40英尺集裝箱或前后裝載2個20英尺集裝箱時，為區分這2種集卡裝載狀態，系統根據集卡行駛狀態及測得的數據進行分析，判斷集卡裝載狀況，確定集卡停車位置。當集卡裝載前后2個20英尺集裝箱分別起吊時，按照集裝箱裝卸工藝，集卡先進入前載20英尺集裝箱測距范圍，前載20英尺集裝箱定位起吊后，系統判斷后載20英尺集裝箱中心位置并自動定位。當雙箱吊具同時起吊集卡裝載的前后2個20英尺集裝箱時，測距定位過程與40英尺集裝箱大致相同。岸橋下空載集卡測距定位判斷方法與重載集卡相同?？蛰d集卡平板車有大梁和橫梁，激光測到的數據不在同一平面上，可以通過圖形掃描和程序算法判斷平板車上的基準點進行測距定位。

3 基于激光掃描測距技術的岸橋下集卡自動定位系統安全防護功能

3.1 防止吊具誤砸集卡和司機

在岸橋作業過程中，岸橋司機需要經常切換吊具操作模式。當吊具操作模式從單20英尺集裝箱作業切換到40英尺集裝箱作業時，若集卡司機未注意到吊具模式已切換，仍將集卡停在前載20英尺集裝箱作業位置，同時岸橋司機由于視線被遮擋而未注意到下方集卡未停到位，繼續下放吊具，則會造成安全事故。此外，若集卡司機未停車到位或停車到位后未拉起手剎，則集卡可能在風力影響下移動，從而造成安全事故。

為防止在集卡未停到位的情況下吊具下放誤砸集卡和司機，系統通過激光掃描測距儀實時檢測集卡偏離距離，并從PLC獲取開閉鎖信號及吊具起升高度，以便當集卡偏離距離大于安全距離時，對吊具下降采用限制策略，從而保證人車安全。系統對每次防護進行記錄，以便事后查找和分析問題。

3.2 防止集卡拖拽吊具

在岸橋作業過程中，吊具空載或重載起升至一定高度后，才允許集卡從岸橋下駛離。集卡司機一般通過目測判斷吊具是否已升至安全高度，其弊端為：集卡司機經常僅憑經驗駕駛集卡，加之通過集卡后視鏡觀察存在一定誤差，容易使司機誤判，導致集卡司機在吊具未完全脫離集裝箱或集裝箱未完全脫離集卡的情況下開動集卡，引起岸橋吊具鎖頭被拉壞、起升鋼絲繩損壞等事故。

為防止集卡拖拽吊具，在集卡完成對位后，系統通過LED顯示屏提示集卡停止移動；同時，系統實時從PLC獲取開閉鎖和吊具起升高度信息，當岸橋完成裝箱操作（即系統檢測到開鎖信號）且吊具起升高度達到5.5 m時，LED顯示屏提示集卡司機駛離操作區域。卸箱操作安全防護與裝箱操作類似，當吊具由空載變為重載且吊具起升高度達到時，LED顯示屏提示集卡司機駛離操作區域。

4 基于激光掃描測距技術的岸橋下集卡自動定位系統應用效果

4.1 消除不安全因素

基于激光掃描測距技術的岸橋下集卡自動定位系統實現集卡的準確對位，使岸橋司機通過LED顯示屏掌握集卡停車位置，從而能夠一次性起吊集裝箱，減少吊具與集裝箱及集裝箱與集卡之間的撞擊，確保作業安全。

4.2 減輕集卡和岸橋司機勞動強度

在傳統岸橋作業模式下，集卡司機需要目測吊具起吊點，反復調整和移動集卡；在集卡自動定位系統作業模式下，集卡司機只須查看對位數據便能實現集卡與岸橋的一次性準確對位，大大減輕勞動強度。

4.3 提高集裝箱裝卸效率

根據統計分析，在同岸橋、同司機的情況下，從吊具下降至車道上方岸橋橫梁抓取40英尺集裝箱，到吊具起吊集裝箱過岸橋橫梁，采用集卡自動定位系統的岸橋完成該過程的平均時間是，而未采用集卡自動定位系統的岸橋完成該過程的平均時間是，前者比后者節約時間。按岸橋裝卸效率/h計算，基于激光掃描測距技術的集卡自動定位系統使集裝箱裝卸效率提高9.84%。

4.4 提升經濟效益

（1）提高效率，增加收入。集卡自動定位系統的應用使碼頭集裝箱裝卸效率提升9.84%，按碼頭年作業箱量800萬TEU計算，可增加作業箱量 78.72萬TEU；按收入（扣除成本） 200元/TEU計算，每年可增收萬元。

（2）節約能耗，減少成本支出。在傳統岸橋作業模式下，吊具與集裝箱平均對位 2 次。集卡自動定位系統的應用減少岸橋吊具重復對位次數，按吊具單次起升或下降耗電及電費0.8元/kW計算，可節省電費0.28元/TEU；按碼頭年作業箱量800萬TEU計算，可節約電費224萬元/年。

5 結束語

基于激光掃描測距技術的岸橋下集卡自動定位系統的應用不僅有利于提高集裝箱碼頭人機交互作業安全性，而且能降低岸橋和集卡司機的勞動強度，提高碼頭裝卸效率，增加碼頭收入，減少能源消耗，降低生產成本，為集裝箱碼頭帶來一定經濟效益和社會效益。目前，該集卡自動定位系統已成功應用于青島前灣三期集裝箱碼頭的5臺岸橋上，并取得良好的應用效果。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-06-21）