集裝箱起重機集卡停車對位輔助技術(shù)發(fā)展淺析

黎廣宇

摘 要：集卡停車對位是集裝箱碼頭裝卸工藝中的重要一環(huán)，其執(zhí)行效果長期受限于裝卸現(xiàn)場司機的個人能力和經(jīng)驗水平。通過智能化的技術(shù)手段進行集卡停車對位的輔助可以較大程度改善這一現(xiàn)象。本文著重闡述了基于激光和視覺的集卡停車對位技術(shù)的發(fā)展，并對技術(shù)發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：集卡停車對位;激光定位;機器視覺;

中圖分類號：U664.4? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0039-03

集裝箱起重機是集裝箱碼頭的核心作業(yè)機械，結(jié)合集裝箱的水平運輸實現(xiàn)碼頭的主要生產(chǎn)工藝。起重機裝卸車作業(yè)與集裝箱碼頭主要業(yè)務(wù)的大半工作量均有直接聯(lián)系，集卡停車對位是其中的重要環(huán)節(jié)且操作難度較高，因此能一定程度上的影響碼頭整體運行效率。在碼頭企業(yè)普遍追求以智能化技術(shù)手段提升生產(chǎn)運行效率的背景下，集裝箱起重機集卡停車對位輔助技術(shù)的研究和應(yīng)用也逐漸受到關(guān)注。

1 技術(shù)應(yīng)用背景及痛點

在集裝箱起重機進行裝卸車作業(yè)時，集卡司機需要針對當前作業(yè)起重機的外形尺寸進行對位停車。在對位停車過程中，集卡司機一般憑借一些簡單的標記進行起重機大車方向停車位置的粗略判斷。當起重機吊具到達集卡上方附近時，集卡司機需要通過目測的方式反復(fù)確認并前后移動集卡，輔助起重機司機完成吊具對位。

在起重機裝卸車作業(yè)的前期，由于吊具距離集卡較遠，集卡司機難以準確地判斷位置，一步到位地完成與起重機的停車對位的成功率很低。因此所有裝卸過程中的誤差調(diào)整均需等到吊具與集卡逐漸地接近，再通過兩位司機的肉眼觀測、逐步的進行微調(diào)、減少誤差直至完成吊具對位。此過程中起重機司機與集卡司機需要緊密配合，依靠人員的能力和經(jīng)驗完成每一次的裝卸作業(yè)。

在缺乏有效的技術(shù)輔助的情況下，集卡司機無法利用吊具未到位前的時間完成精確對位停車，一定程度上的降低了裝卸效率。且由于裝卸車作業(yè)的操作難度較大，實際生產(chǎn)過程中的裝卸車作業(yè)難以保證吊具對位一次成功，多次的嘗試裝卸也提高了吊具、集裝箱與集卡間的摩擦、碰撞的可能性，威脅設(shè)備安全的同時也帶來了諸多安全問題。

2 集卡停車對位輔助技術(shù)

多年以來，大量研究試圖從智能化輔助定位的角度找出上述問題的解決方案。其核心思路是在集裝箱起重機裝卸車任務(wù)執(zhí)行的過程中，通過對集卡的定位并獲取車輛與起重機的相對位置，進而給與車輛恰當?shù)匾龑?dǎo)使之與起重機及早、精確的對位，實現(xiàn)降低對位操作難度以及減少吊具到位后的集卡與吊具間配合對位時間的目的。

早在智能交通系統(tǒng)發(fā)展的初期，車輛的檢測和定位就作為其中的一項核心技術(shù)而被廣泛的研究[1-2]。多年以來有大量的傳感技術(shù)被用于集裝箱碼頭車輛定位的相關(guān)研究，主要包括了磁釘定位[3]、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位、無線定位[3]、紅外線發(fā)射接收傳感器[4]、光電開關(guān)[5]、激光[6-15]、機器視覺[16-17]等技術(shù)。經(jīng)過多年針對集卡停車對位的研究，目前的研究主要集中在激光技術(shù)和機器視覺技術(shù)方向。

2.1基于激光技術(shù)的集卡停車對位

使用激光技術(shù)實現(xiàn)集卡停車對位的輔助功能是目前研究最多應(yīng)用也較為成熟廣泛的技術(shù)方案。

2005年，西安交通大學(xué)的劉剛等人針對集裝箱碼頭集卡對位困難的問題，使用二維激光掃描設(shè)備對集卡進行垂直掃描，實現(xiàn)了車輛對位的輔助功能。該研究成果在香港HIT 碼頭和深圳YICT 碼頭進行了試用。根據(jù)兩個碼頭設(shè)備及實際應(yīng)用環(huán)境的不同，單臺門式起重機使用2～6臺激光設(shè)備。系統(tǒng)采用的二維激光掃描器分辨率0.25°，設(shè)備測量精度優(yōu)于100mm。[6]

2007年，上海交通大學(xué)的呂朝峰等人使用多個三維激光設(shè)備協(xié)同工作的方式，實現(xiàn)了集卡的快速定位。該研究使用了4臺固定于起重機大車低架橫梁的激光掃描設(shè)備，單臺設(shè)備最大掃描量程80m、單點測量精度±10mm，垂直掃描范圍180°、垂直角分辨率0.25°，水平掃描范圍100°、角分辨率0.01°。在進行集卡的整體掃描的基礎(chǔ)上，研究實現(xiàn)了集卡的粗定位，并通過對集裝箱頂部邊緣數(shù)據(jù)點的擬合，計算集裝箱精確定位坐標及姿態(tài)。[8]

2009年，針對激光掃描設(shè)備識別未裝載集裝箱的集卡的效果不理想的問題，南京大學(xué)計算機軟件新技術(shù)國家重點實驗室的王繼堂等人提出了激光掃描測距和視頻圖像處理相結(jié)合的解決方案。該研究使用兩套二維激光加裝伺服電機的方式獲取激光測量數(shù)據(jù)。激光掃描數(shù)據(jù)處理結(jié)果使用視覺的邊緣檢測定位進行修正。該研究探索了激光掃描與機器視覺技術(shù)在集卡對位的融合應(yīng)用，并開始考慮了系統(tǒng)的建設(shè)成本問題。[9]

由于成本的優(yōu)勢，單點激光也在集卡停車對位領(lǐng)域有著研究和應(yīng)用。2010年，廣州南沙海港集裝箱碼頭使用7組單點激光設(shè)備實現(xiàn)了集卡定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對車道上裝載了單個20英尺、40英尺或45英尺集裝箱的集卡進行區(qū)分和定位。[10]

2016年青島前灣集裝箱碼頭使用激光掃描測距技術(shù)實現(xiàn)了集卡自動定位系統(tǒng);該系統(tǒng)使用兩臺激光掃描設(shè)備，其激光檢測距離為30m、激光測量誤差為50 mm[13]。2019年廈門海潤集裝箱碼頭采用了類似的技術(shù)方案，其集卡停車對位系統(tǒng)誤差小于80mm，取得了良好的效果[15]。

在上述十余年基于激光的集卡停車對位技術(shù)的研究中可以看出，隨著對技術(shù)和應(yīng)用的研究的日趨深入，所用激光測量設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和數(shù)量在總體上呈下降趨勢?？梢姰敿ㄍ＼噷ξ粦?yīng)用得以實現(xiàn)后，碼頭方對于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)成本的關(guān)注程度開始提升。

2.2基于視覺技術(shù)的集卡停車對位

機器視覺是多年以來非常熱門的研究領(lǐng)域，具有一系列的基礎(chǔ)理論和分析方法，但基于視覺技術(shù)的集卡停車對位的研究和應(yīng)用相對較少。

2009年，同寧方等人使用垂直地面安裝的攝像機捕捉集卡作業(yè)的圖像信息，并采用類似光流前景提取的方法，對岸邊集裝箱起重機下的集卡進行了識別和定位。該技術(shù)在上海洋山3期的集裝箱碼頭取得了應(yīng)用，起到了提升岸邊吊裝卸效率的作用。[16]

2010年，南京大學(xué)孔婷等人進行了基于雙目立體視覺的集卡定位方法的研究。該研究基于岸邊起重機的工作環(huán)境，采用雙工業(yè)攝像機獲取目標的圖像，對集卡目標定位算法和技術(shù)實現(xiàn)方式進行了較為全面的研究。[17]

機器視覺及其相關(guān)技術(shù)是集卡檢測和定位的重要研究方向。由于其技術(shù)實現(xiàn)難度較高，對應(yīng)用環(huán)境的要求往往較為苛刻，因此基于該種技術(shù)的集卡停車對位還處在探索階段。將現(xiàn)有的通用算法和工具進行合理的搭配及優(yōu)化，并在集裝箱碼頭起重機作業(yè)的現(xiàn)有應(yīng)用環(huán)境條件下配合更多的輔助手段，從而簡化算法、提高機器視覺分析能力，將是基于視覺技術(shù)的集卡停車對位的一個可行的實現(xiàn)途徑。

3 發(fā)展趨勢

從集裝箱碼頭生產(chǎn)作業(yè)對集卡停車對位的應(yīng)用需求以及相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展來看，未來集卡停車對位技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)高精度和實時性并重、更低的實現(xiàn)成本、系統(tǒng)的模塊化等趨勢。

3.1高精度和實時性并重

經(jīng)過多年針對集卡停車對位的研究和應(yīng)用實踐，基于不同傳感器的對位技術(shù)趨于成熟和完善，其中基于激光掃描傳感器的集卡停車對位技術(shù)已可以基本滿足實際應(yīng)用的需求。但是在有限的條件下，追求更高的集卡停車對位精度還是更好的定位實時性依舊是兩難的選擇。未來的集卡停車對位系統(tǒng)需要同時提高定位精度和實時性，從而提高對集卡停車對位的輔助能力。

3.2更低的實現(xiàn)成本

為追求集卡停車對位的應(yīng)用效果，目前的解決方案中使用了大量的以激光掃描為代表的高精度傳感器。該類設(shè)備價格較高、國產(chǎn)率低、建設(shè)投資較大，一定程度上的影響了集卡停車對位系統(tǒng)應(yīng)用的普及。因此需要研究成本更低的實現(xiàn)方案。

3.3系統(tǒng)的模塊化

如今集裝箱碼頭的集卡停車對位往往作為一個系統(tǒng)獨立運行。但是隨著碼頭信息化水平普遍的提高，集卡停車對位系統(tǒng)將獲得更多的輸入信息并作為一個內(nèi)嵌功能融入集裝箱碼頭智能化體系中。

4 展望

集裝箱起重機集卡停車對位輔助技術(shù)改變了集裝箱裝卸完全依靠司機人眼識別和對位的工作方式。該技術(shù)的應(yīng)用在降低了人員勞動強度的同時提高了裝卸效率，進而總體上提升了碼頭盈利能力。隨著技術(shù)成熟度提高和實現(xiàn)成本逐漸降低，集卡停車對位系統(tǒng)將逐漸成為沿海甚至內(nèi)河集裝箱碼頭的標配系統(tǒng)。

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