抓斗門座起重機關鍵技術研究與應用

吳宇震 劉金旭 陳之坤

山東港口渤海灣港集團有限公司 濰坊 261000

0 引言

隨著海運貿易在世界范圍內的發展，特別是國家“一帶一路”倡議的提出，港口貨物的運輸規模呈逐步增長的趨勢；而在港口貨物的運輸中，各種起重設備在船舶裝卸過程中更是起著非常相當關鍵的作用。通過對我國干散貨碼頭自動化技術發展情況的調研，初步掌握了碼頭前沿裝卸作業工藝、設備及其自動化水平。調研結果顯示，目前港口碼頭在用的門座起重機主要分為吊鉤門座起重機、抓斗門座起重機和集裝箱吊具門座起重機3種類型，而三者中又以抓斗門座起重機最為主要，同時也是門座起重機中保有量最大的重要機型。

隨著國內各大港口自動化碼頭建設方興未艾，傳統碼頭的自動化升級改造也成為智慧強港、科技興港的新藍海。其中，設備自動化是其中最重要的環節[1]。門座起重機具有作業方式多樣、機動靈活、集約碼頭土地面積、安全高效等特點，在港口碼頭的應用廣泛。但是，傳統門座起重機的抓取、放料、抓斗防搖、設備防撞等作業操作主要依靠司機的經驗判斷，對設備的安全性和可靠性是很大考驗[2]，對司機經驗的依賴性很高。為提升港口作業智能化程度，優化作業人員工作環境，提高設備安全性及可靠性，眾多港口企業、科研院所等單位相繼開展了門座起重機自動化研究。

1 門座起重機關鍵技術研究現狀

目前，門座起重機的自動化尚處于起步階段，與自動化集裝箱碼頭相比，若要實現散貨碼頭的裝卸自動化、調度智能化、流程可視化，需挑戰更復雜的設備控制及更多變的應用場景。門座起重機是一種有軌回轉式臂架起重機，主要由起升機構、變幅機構、回轉機構、運行機構等組成，其運行軌跡復雜，回轉機構進行圓周運動，變幅機構和起升機構則在回轉機構圓周運動的基礎上進行不同方向的直線運動。為實現門座起重機的自動化，需在起重機上增加各類智能傳感裝置（如絕對值高度編碼器、幅度編碼器、角度傳感器、張力傳感器、激光掃描與三維建模設備等），精確檢測出實時起升高度、變幅幅度、旋轉角度、貨物質量等，通過實時掃描建模系統識別貨垛形狀、貨位高低、船舶艙口位置等對取料和卸料位置進行坐標設定，最終實現門座起重機較高程度的自動化裝卸作業。

目前，國內多個港口進行了門座起重機的自動化改造項目，其中比較典型的有東營港自動化抓斗門座起重機改造、連云港抓斗門座起重機半自動聯動控制系統、赤灣港自動化抓斗門座起重機改造、黃驊港自動化抓斗門座起重機改造、張家港自動化抓斗門座起重機改造、石臼港區自動化抓斗門座起重機改造等項目。

2 門座起重機關鍵技術研究

抓斗門座起重機關鍵技術研究與應用深度融合工業物聯網、移動互聯網、人工智能、自動控制和智能識別等先進技術，結合干散貨碼頭實際情況、發展需要和存在的問題，攻克了多項技術難題，主要包括基于全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）的高精度定位冗余控制系統、高精度智能三維掃描技術、抓斗智能防搖技術、甩斗及掏艙作業技術、多機安全防撞系統、多機協同作業技術、門座起重機智能運維技術、智能綜合安防系統、基于人機界面（Human Maching Interface，HMI）的遠程操作平臺、自動化門座起重機標準化等。

2.1 基于GNSS 高精度冗余控制定位系統

基于GNSS 高精度冗余控制定位系統主要包括門座起重機的起升定位系統、變幅定位系統、回轉定位系統和大車行走定位系統?；贕NSS 技術的高精度定位方法根據各機構的結構特點和安裝方式，采用絕對值編碼器結合3D 激光掃描、增量型編碼器與絕對值編碼器冗余控制、絕對值編碼器＋GPS 系統、增量編碼器＋絕對值編碼器＋FLAG 板等定位方式，對門座起重機的起升機構、變幅機構、回轉機構和大車行走機構進行定位。同時，利用專用實時動態載波相位差分技術（Real-Time Kinematic，RTK）基站與移動接收站的配合，對作業場地進行數字化標定，實現對門座起重機的各機構進行坐標系矢量實時定位，得到各機構的實時位置信息。同時，激光掃描儀也實時對抓斗進行定位掃描，通過抓斗相對于臂架的位置信息實時獲取臂架的位置，通過GNSS 定位系統計算出臂架的相對位置，實現門座起重機的自動化安全作業。

2.2 高精度智能三維掃描技術

GNSS 定位系統通過實時獲取的RTK 位置計算數據以及通過編碼器等傳感器獲取門座起重機各機構的實時位置數據，對設備進行實時矢量冗余控制。

在門座起重機臂架上安裝3D 掃描儀及云臺對船艙口和倉內物料、碼頭前沿有效作業范圍進行掃描，并進行仿真處理，形成三維圖像及各類信息數據庫，形成的3D 掃描多倉效果顯示圖如圖1 所示。智能三維數據采集和處理軟件自動為門座起重機規劃最優作業路徑，并將該信息轉化為PLC 控制指令，數據采集處理與三維成像系統和PLC 控制系統之間進行數據實時交互，實現抓斗平穩、精確落入最佳取料點，同時穩定地在該區域進行抓取作業。

圖1 3D 掃描多倉效果顯示圖

2.3 抓斗智能防搖技術

傳統門座起重機的抓取、放料、抓斗防搖、設備防撞等作業操作主要是依靠司機的經驗加以判斷，對設備的安全性和可靠性是很大考驗[3]，對司機經驗的依賴性很高。為提升港口作業智能化程度，優化作業人員工作環境，提高設備本質安全性及可靠性，關鍵在于突破抓斗防搖這一技術。

門座起重機控制抓斗防搖的方法主要可分為機械控制和電控系統控制。機械控制主要是通過安裝相應的機械設備實現防搖；電控系統控制是一種基于電氣控制的主動控制方式[4]，通過動力學仿真建模是目前解決抓斗防搖問題的重要手段[5]。

抓斗智能防搖系統主要由PLC 控制器、各機構定位傳感器、視頻監控裝置、CMS 服務器和中控操作臺等組成。門座起重機的抓斗和出繩口上架通過鋼絲繩軟性連接，在自動化作業過程中必須保證鋼絲繩始終處于豎直向下的狀態，否則抓斗發生搖擺時可能會碰撞到船艙。根據門座起重機整體的機械結構、抓斗規格以及鋼絲繩纏繞方式等因素建立精確的勻速圓周運動及單擺數學模型，利用CMS 服務器和PLC 控制器進行實時數據交互，對抓斗運動軌跡的點云特征進行分析，實現抓斗在回轉機構和變幅機構的帶動下無晃動運行，從而提升抓斗移動過程中的穩定性和安全性，有效地控制了抓斗搖擺時間，提高了門座起重機的作業效率。

2.4 甩斗及掏艙作業技術

基于門座起重機抓斗智能防搖系統，本文拓展開發了甩斗作業技術和掏艙作業技術。利用抓斗智能防搖系統實時計算的特點，能夠提前判斷減速距離及最終停止位置的功能，可將抓斗穩定、可靠地規劃在安全區域內自動化作業，并在此基礎上提出甩斗作業和掏艙作業2種技術。進而，利用門座起重機智能防搖系統實時計算的特點，建立AI 人工智能掏艙云數據庫，通過大數據分析系統對人工操作進行深度學習，在門座起重機自動化作業時訓練出1 套熟練的如同人工操作的掏艙動作，實時智能選取最佳取料點和落料點進行裝卸作業。

2.4.1 甩斗作業

甩斗作業的原理是通過計算出當前擺長下的搖擺周期及搖擺距離，在抓斗向前擺動過程中開斗卸料，并計算出抓斗回擺時鋼絲繩達到豎直狀態的時間點，從而抵消返程時抓斗的搖晃角度，甩斗作業過程如圖2 所示。

圖2 甩斗作業示意圖

2.4.2 掏艙作業

掏艙作業的原理是以抓斗智能防搖系統具有精確可靠的數學模型及算法作為技術支撐，該系統可在抓斗起升行程中保證穩定的防搖效果，使抓斗在下降到甲板下方后仍能快速進入船艙兩側，且保證鋼絲繩不擺動，避免和船艙壁發生剮蹭。掏艙作業過程如圖3 所示。掃描云臺為抓斗行徑路線提供邊界識別保障，在安全的前提下讓抓斗深入船艙內進行定量的物料掏取。

圖3 掏艙作業示意圖

2.5 多機安全防撞系統

安全防撞系統主要包含軟件防撞計算系統和硬件防撞裝置2 部分。其中，軟件防撞計算系統是通過掃描儀收集船艙的信息，由自動化數據庫服務器計算出抓斗與船艙的關系、兩者之間的距離從而起到防撞的作用。硬件防撞系統主要包含大車防撞和臂架防撞2 部分，大車防撞是通過安裝在大車行走機構上的傳感器防止大車在運行過程中與大車軌道上的障礙物發生碰撞，同時通過PLC 檢測相鄰2 個門座起重機之間的距離，設置安全距離實現防碰撞的功能。臂架防撞是根據機械結構自身特點，通過安裝在大車變幅機構、回轉機構、機器房、象鼻梁等機構上的雷達防撞傳感器實時檢測各機構位置信息，通過預留安全距離的方式來實現防碰撞。同時，與高精度定位系統協同，設定防碰撞區域，最終實現防撞功能，解決了門座起重機集群式自動化作業狀態下的安全避讓與防撞問題，實現了設備安全與作業效率雙保障。

2.6 多機協同作業技術

相鄰2 臺自動化門座起重機協同作業包含相反方向、相同方向和面對面作業等3 種不同的作業方式。其中，以面對面協同作業流程最復雜。通過建立同時在左側船艙作業或同時在右側船艙作業數學計算模型，動態檢測相鄰門座起重機臂架和抓斗的實時位置，通過劃分取料區域、共用區域和卸料區域等不同作業區域進行區域申請通行與區域鎖定的動態切換模式，實現作業最優路徑規劃，進而實現多臺門座起重機的自動化協同作業，避免相互碰撞，提升作業效率。

2.7 自動化綜合安防系統

搭建門座起重機自動化綜合安防系統，通過部署在門座起重機上的高清攝像頭監控其在自動化作業過程中的運動姿態及作業環境；通過無線網絡實時傳輸至遠程控制中心，利用圖像智能感知、異聲檢測等技術實現煙霧報警檢測、人員入侵檢測、艙口尺寸檢測及抓斗防碰撞、清倉作業區域安全聯鎖、關鍵部位故障預警以及報警查詢等功能。

在煙霧發生、人員入侵期間，系統會持續報警，并生成報警特征數據、報警照片，供后續查找、分析、取證。當門座起重機進行清倉作業時，抓斗運行區域的安全防碰撞主要以艙內的作業區域最復雜，安防系統實時將艙內清倉作業的流動機械的位置與抓斗位置進行安全聯鎖，確保抓斗在作業區域內不會與流動機械發生碰撞，保證人員與設備的安全。

2.8 基于HMI 系統的遠程操作平臺

配備帶有HMI 系統的遠程操作臺，操作面板上設有與司機室聯動臺相同功能的操作手柄和操作按鈕，操作人員及管理人員可通過遠程操作臺操作任意一臺門座起重機，也可連接到現場任意一臺門座起重機的PLC 控制器并進行監控，查看門座起重機各機構的實時運行狀態和歷史報警記錄，確保了港口的本質安全要求。

2.9 門座起重機智能運維技術

門座起重機智能運維技術包括無線智能溫振傳感器和鋼絲繩全息狀態檢測系統。通過在門座起重機上加裝溫振一體采樣傳感器、漏磁傳感器實現設備電動機、鋼絲繩等重點部位健康信息的快速獲取，通過科學的狀態監測算法、基于大數據的精確診斷分析、智能監測與預警、統籌調度等手段大大提高設備維修效率，作到有針對性地預測性維修，加快事故處理速度的能力，降低事故率，從而有效地將每一臺設備的維修和管理與設備的運維統一融合起來，為設備的安全、穩定運行提供有力的保障。

2.10 自動化門座起重機標準化

結合表1 所示國內外干散貨碼頭裝卸及運輸裝備相關技術、規范、標準等文件的調研分析，現有國內外關于干散貨碼頭裝卸及運輸裝備安全技術、規范、標準等文件，以及我國在干散貨碼頭、通用碼頭自動化發展現狀及趨勢，開展自動化抓斗門座起重機標準的編制。

表1 港口門座起重機現行主要標準

以上標準涉及自動化抓斗門座起重機的技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志、隨機文件、包裝、運輸和貯存，適用于港口干散貨等裝卸作業用的自動化抓斗門座起重機，其主要技術內容包括抓斗門座起重機的基本要求、運行機構自動定位、貨物及艙口輪廓掃描成像及識別、抓斗自動防搖、作業任務管理系統、設備狀態監控、數據通訊網絡等自動化門座起重機必需的硬件和軟件設施要求。

標準的制定將能有效指導和規范自動化抓斗門座起重機的設計、制造和使用，促進自動化抓斗門座起重機的推廣應用，對我國港口干散貨碼頭、通用碼頭自動化、智能化進程具有重大的推進作用，對我國智慧港口的建設具有重要意義。

3 結語

目前，自動化門座起重機處于初步應用階段，本文研究的基于GNSS 高精度冗余控制定位系統、高精度智能三維掃描技術、抓斗智能防搖技術、甩斗及掏艙作業技術、多機安全防撞系統、多機協同作業技術、自動化綜合安防系統、基于HMI 系統的遠程操作平臺、門座起重機智能運維技術、自動化門座起重機標準化等關鍵技術，為自動化門座起重機技術的大規模推廣應用提供了有效的指導，為推動門座起重機全自動化作業提供了技術支撐和實踐參考依據，進一步促進了我國港口干散貨碼頭、通用碼頭自動化進程。