引 言
近年來(lái)，隨著 5G 和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與港口融合的不斷深入，建設(shè)具有穩(wěn)定高效、安全可靠、節(jié)能環(huán)保、減員增效等優(yōu)勢(shì)的自動(dòng)化集裝箱碼頭正成為國(guó)內(nèi)各大樞紐港的重要布局和發(fā)展方向[1]。目前我國(guó)已建成并投入運(yùn)營(yíng)的多個(gè)自動(dòng)化集裝箱碼頭的作業(yè)效率已達(dá)到甚至超過(guò)了傳統(tǒng)集裝箱碼頭，標(biāo)志著我國(guó)集裝箱碼頭的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)進(jìn)入了一個(gè)全新的高質(zhì)量發(fā)展階段，促進(jìn)港口走向智能化。
目前已投運(yùn)的自動(dòng)化集裝箱碼頭，堆場(chǎng)主要采用軌道式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“軌道吊”），其具有機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、定位精度高、行走速度快、總體作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但需配置軌道基礎(chǔ)，另外由于軌道吊不能換場(chǎng)作業(yè)使得總體配置設(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致工程造價(jià)高。
而輪胎式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)輪胎吊）由于轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)靈活、造價(jià)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成為傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場(chǎng)占比 90 %以上的“主力”機(jī)型[2]。但由于其輪胎式的大車(chē)驅(qū)動(dòng)方式及人機(jī)交互作業(yè)的操作特點(diǎn)，使得輪胎吊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的難度遠(yuǎn)大于軌道吊。近年來(lái)隨著自動(dòng)化技術(shù)，尤其是定位系統(tǒng)技術(shù)的不斷**和突破，使得自動(dòng)化輪胎吊在定位精度、作業(yè)效率、安全可靠性等方面不斷提升，逐步應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外大型自動(dòng)化集裝箱碼頭并取得一定成效。
1 自動(dòng)化輪胎吊控制系統(tǒng)構(gòu)成
自動(dòng)化輪胎吊控制系統(tǒng)接收“堆場(chǎng)管理系統(tǒng)”的自動(dòng)運(yùn)行指令并反饋指令執(zhí)行情況，實(shí)時(shí)采集、檢測(cè)設(shè)備各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)自動(dòng)運(yùn)行指令及檢測(cè)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，生成自動(dòng)運(yùn)行流程，控制各機(jī)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制、疊箱控制、安全保護(hù)和異常處理等模塊（圖 1），其中定位系統(tǒng)、大車(chē)運(yùn)行、安全保護(hù)、通訊技術(shù)和人機(jī)交互流程管理等是其有別于自動(dòng)化軌道吊的主要技術(shù)，而定位系統(tǒng)為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2 定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
在堆場(chǎng)內(nèi)，每個(gè)堆垛集裝箱之間的間距為400~500 mm。在輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程中，為保證相鄰兩列集裝箱不會(huì)因疊箱的偏移造成碰撞，疊箱精度必須達(dá)到“首層箱開(kāi)底精度偏差不大于 35 mm；箱與箱之間疊箱精度偏差不大于 35 mm；整列疊箱精度偏差不大于 80 mm”的技術(shù)指標(biāo)。定位系統(tǒng)是輪胎吊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)疊箱的關(guān)鍵技術(shù)，其通過(guò)起升、小車(chē)、大車(chē)定位子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) X、Y、Z 三個(gè)方向的初步定位，再通過(guò)集裝箱定位子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)**定位。
2.1 起升定位子系統(tǒng)
與自動(dòng)化軌道吊類(lèi)似，輪胎吊起升的位置反饋采用絕對(duì)位置編碼器進(jìn)行位置計(jì)算的方式，定位精度要求偏差不大于 20 mm。安裝在起升卷筒末端的絕對(duì)位置編碼器在起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中記錄卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，換算成吊具位置，并在卷筒末端安裝凸輪限位，使用其中一個(gè)固定位置對(duì)絕對(duì)位置編碼器進(jìn)行同步校驗(yàn)。
為增加系統(tǒng)的可靠性，還需結(jié)合增量型編碼器，通過(guò)記錄電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，計(jì)算運(yùn)行距離的方式換算吊具位置，該結(jié)果與采用絕對(duì)位置編碼器方式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，若其偏差超過(guò)一定范圍，則需停機(jī)檢查起升定位系統(tǒng)。
起升系統(tǒng)**定位控制是在**的位置反饋基礎(chǔ)上，采用逐步逼近目標(biāo)位置（smart slowdown）的控制方式實(shí)現(xiàn)的。
2.2 小車(chē)定位子系統(tǒng)
輪胎吊的小車(chē)定位精度要求為偏差不大于20 mm，小車(chē)位置反饋采用線(xiàn)性編碼器進(jìn)行位置計(jì)算的方式。編碼器的位置讀取裝置安裝在小車(chē)架上，磁尺（圖 2）安裝在小車(chē)軌道梁上，在小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中記錄小車(chē)位置，并在小車(chē)行程的某一固定位置（建議在減速區(qū)）安裝限位，對(duì)編碼器讀數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，確保計(jì)算精度。
為增加系統(tǒng)的可靠性，還需在小車(chē)車(chē)輪側(cè)安裝絕對(duì)位置編碼器，采用計(jì)算運(yùn)行距離的方式換算小車(chē)位置，該結(jié)果與采用線(xiàn)性編碼器方式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，若其偏差超過(guò)一定范圍，則需停機(jī)檢查小車(chē)定位系統(tǒng)。
小車(chē)系統(tǒng)**定位是在**的位置反饋基礎(chǔ)上，采用逐步逼近目標(biāo)位置（smart slowdown）的控制方式實(shí)現(xiàn)的。
2.3 大車(chē)定位子系統(tǒng)
大車(chē)定位及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏是輪胎吊定位的難點(diǎn)之一，大車(chē)定位精度要求為偏差不大于 20 mm。實(shí)現(xiàn)大車(chē)位置反饋方式有多種，較為成熟的解決方案有：
1）視覺(jué)圖像自動(dòng)定位裝置，由安裝于同側(cè)前后兩條門(mén)腿上的智能視覺(jué)傳感器（智能相機(jī)）與安裝在同一側(cè)支架上（如滑觸線(xiàn)支架）的反光條碼（圖3）組成，通過(guò)視覺(jué)圖像識(shí)別技術(shù)檢測(cè)相機(jī)與反光條碼的距離計(jì)算大車(chē)偏移信息并識(shí)別出反光條碼的數(shù)據(jù)計(jì)算大車(chē)位置，為大車(chē)定位及糾偏控制提供依據(jù)[3]。
2）基于磁釘自動(dòng)定位裝置。由安裝于同側(cè)前后門(mén)腿之間的定位天線(xiàn)，以及沿大車(chē)運(yùn)行軌跡、預(yù)埋于天線(xiàn)中心線(xiàn)正下方地面內(nèi)的磁釘（圖 4）組成，利用電磁感應(yīng)的原理測(cè)量磁釘位置及與天線(xiàn)中心線(xiàn)的偏差，為大車(chē)定位及糾偏控制提供依據(jù)。
單側(cè)位置反饋系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足遠(yuǎn)程操控及半自動(dòng)運(yùn)行的需要，但輪胎吊結(jié)構(gòu)的柔性度高，容易發(fā)生整機(jī)扭轉(zhuǎn)的情況，此時(shí)雙側(cè)的位置反饋系統(tǒng)是高定位精度的必要條件，根據(jù)堆場(chǎng)特性及不同的用戶(hù)需求，這兩種位置反饋方式有不同的組合模式：
a）采用一側(cè)以視覺(jué)定位為主，另一側(cè)在貝位中心安裝磁釘為輔的定位模式，可大大提高輪胎吊大車(chē)定位精度，這種模式適用于一側(cè)有滑觸線(xiàn)支架的應(yīng)用場(chǎng)景，可在保證精度的情況下降低成本，滑觸線(xiàn)系統(tǒng)上還可以安裝激光傳感器，采用視覺(jué)糾偏與激光測(cè)距糾偏相結(jié)合的方式，增加糾偏系統(tǒng)的魯棒性；
b）采用兩側(cè)均為預(yù)埋磁釘?shù)姆绞剑瑑蓚?cè)的磁釘系統(tǒng)為雙軸輸出（即輸出 X、Y 軸距離），安裝間距約為 1.3 m。相對(duì)于視覺(jué)定位設(shè)施，磁釘定位設(shè)施的成本略高。
大車(chē)**定位的控制是在精準(zhǔn)位置反饋的基礎(chǔ)上采用自動(dòng)化糾偏技術(shù)及逐步逼近目標(biāo)位置的控制方式實(shí)現(xiàn)的。在自動(dòng)化輪胎吊起動(dòng)及停止過(guò)程中，設(shè)備也必須處于糾偏控制狀態(tài)中。
對(duì)于輪胎吊過(guò)街時(shí)的定位及糾偏，通常采用預(yù)埋磁釘進(jìn)行位置檢測(cè)的方案。在過(guò)街通道安裝磁釘，使輪胎吊在過(guò)街時(shí)便能得到大車(chē)左右兩側(cè)的偏移量，實(shí)現(xiàn)大車(chē)自動(dòng)糾偏。基于安全的考慮，建議司機(jī)在遠(yuǎn)程操作中心監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)操作大車(chē)手柄，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程大車(chē)過(guò)街。
2.4 集裝箱定位子系統(tǒng)
上述三個(gè)定位子系統(tǒng)是輪胎吊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及半自動(dòng)的基本條件，而集裝箱定位子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)輪胎吊自動(dòng)化作業(yè)的核心技術(shù)，目前主要采用激光及圖像處理相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)定位。集裝箱定位子系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：
1）吊具檢測(cè)系統(tǒng)（圖 5），該系統(tǒng)由安裝在吊具上架上的結(jié)構(gòu)光源以及安裝于小車(chē)架底部的相機(jī)組成，利用圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前吊具的姿態(tài)，確定吊具相對(duì)于小車(chē)架中心位置的左右偏移量及旋轉(zhuǎn)角度。
2）目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)（圖 6），該系統(tǒng)由安裝在小車(chē)架底部的兩套 3D 激光掃描儀組成，利用激光識(shí)別測(cè)距技術(shù)獲取集裝箱的姿態(tài)信息，確定集裝箱相對(duì)于小車(chē)架中心位置的左右偏移量及旋轉(zhuǎn)角度。
3）著箱確認(rèn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由安裝于吊具周?chē)?6個(gè)高精度單點(diǎn)激光器組成，用于快速確認(rèn)箱與箱之間的疊箱精度是否滿(mǎn)足要求。
當(dāng)輪胎吊三大機(jī)構(gòu)運(yùn)行到位后，吊具已經(jīng)在目標(biāo)集裝箱的上方，此時(shí) TDS 系統(tǒng)檢測(cè)集裝箱姿態(tài)，SDS 系統(tǒng)輸出吊具的姿態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)的融合和處理，當(dāng) SDS、TDS 系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中時(shí)，參照集裝箱的偏移量，在起升下降的過(guò)程中，同步控制吊具系統(tǒng)的位移及旋轉(zhuǎn)，在吊具姿態(tài)與目標(biāo)集裝箱姿態(tài)吻合后控制起升下降，疊箱完成后，LCS 系統(tǒng)迅速檢測(cè)確認(rèn)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的堆場(chǎng)內(nèi)全自動(dòng)疊箱。
此外，由于八輪、堆六過(guò)一的輪胎吊穩(wěn)定性較差，X、Y、Z 方向的初步定位精度遠(yuǎn)不及軌道吊，因此在不檢測(cè)地面狀況的情況下，試圖僅僅通過(guò)“盲放”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)底（即：首層箱自動(dòng)疊放）是困難的。目前情況下，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證可行的方式是在地面設(shè)定一定的標(biāo)志物或標(biāo)記，通過(guò) TDS檢測(cè)這些標(biāo)志，結(jié)合 SDS 系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)地面首層集裝箱的精準(zhǔn)放置，以實(shí)現(xiàn)輪胎吊在堆場(chǎng)內(nèi)的全自動(dòng)開(kāi)底。
2.5 定位精度與效率平衡
自動(dòng)化輪胎吊應(yīng)確保安全運(yùn)行且效率滿(mǎn)足裝卸船時(shí)的峰值要求。當(dāng)疊箱精度過(guò)低時(shí)，堆場(chǎng)存在箱子碰撞甚至傾覆的風(fēng)險(xiǎn)；定位精度過(guò)高，將導(dǎo)致重放概率和定位控制時(shí)間增加，從而嚴(yán)重影響裝卸效率；采用著箱前人工確認(rèn)的方式同樣會(huì)因過(guò)多的人工介入嚴(yán)重影響效率，更無(wú)法通過(guò)自動(dòng)化減少人工投入。目前堆場(chǎng)的運(yùn)行效率一般要求達(dá)到 15~18moves/h，且此效率需與集卡調(diào)度和操作員的熟練程度等緊密相關(guān)。
3 工程項(xiàng)目應(yīng)用
目前自動(dòng)化輪胎吊已逐步在國(guó)內(nèi)外幾個(gè)大型自動(dòng)化集裝箱碼頭包括寧波舟山港梅東公司、和黃泰國(guó)藍(lán)采幫港等得到成功應(yīng)用，裝卸作業(yè)過(guò)程中定位系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、定位精度達(dá)到預(yù)期目的，從而保證了整機(jī)穩(wěn)定的作業(yè)效率，見(jiàn)表 1。
4 結(jié) 語(yǔ)
輪胎吊作為集裝箱碼頭堆場(chǎng)裝卸作業(yè)的主力機(jī)型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的意義重大，除了新建碼頭外，傳統(tǒng)輪胎吊的自動(dòng)化改造需求也很大。輪胎吊自動(dòng)定位系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)為輪胎吊應(yīng)用于自動(dòng)化集裝箱碼頭的堆場(chǎng)作業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。另外隨著未來(lái)新型信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和人工智能、深度算法等技術(shù)的日趨成熟，輪胎吊將不斷實(shí)現(xiàn)裝卸作業(yè)的高度自主化、智能化。
