內(nèi)貿(mào)碼頭常規(guī)岸橋遠(yuǎn)程操控技術(shù)實(shí)踐與探索

姚保良

（廈門海滄新海達(dá)集裝箱碼頭有限公司，福建 廈門 361026）

0 引言

隨著智慧港口、智能碼頭的快速發(fā)展，對傳統(tǒng)集裝箱碼頭進(jìn)行自動(dòng)化、智能化改造已成趨勢，作為自動(dòng)化碼頭組成部分的岸橋遠(yuǎn)程自動(dòng)（半自動(dòng)）操控技術(shù)逐步得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的應(yīng)用可以減輕司機(jī)的工作強(qiáng)度、降低技能要求以及延長職業(yè)壽命，能夠有效緩解招工難的問題，同時(shí)可以逐步實(shí)現(xiàn)橋下無人化，增強(qiáng)安全性，減少用工數(shù)量，降低人工成本。隨著岸橋遠(yuǎn)程自動(dòng)（半自動(dòng)）操控技術(shù)的逐步成熟，其舒適性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢也將逐步顯現(xiàn)出來。筆者所在碼頭承接的是內(nèi)貿(mào)業(yè)務(wù)，內(nèi)貿(mào)箱作業(yè)存在船圖不準(zhǔn)、船型小、船舶結(jié)構(gòu)不規(guī)范以及箱子狀況差等固有缺陷，對岸橋遠(yuǎn)控功能的實(shí)現(xiàn)造成了較大的困擾。該文的2 臺(tái)65 t/66 m 單小車常規(guī)岸橋遠(yuǎn)控項(xiàng)目的實(shí)施對上述問題做了有益探索。

1 系統(tǒng)主要硬件組成

系統(tǒng)由機(jī)上各子系統(tǒng)、機(jī)房機(jī)柜以及遠(yuǎn)控室操作臺(tái)等組成，主要包括以下5 個(gè)部分。

1.1 機(jī)構(gòu)定位

起升、小車以及大車定位均至少采用2 套位置檢測和反饋裝置相互校驗(yàn)，提高其安全性和可靠性。起升定位采用絕對值編碼器+增量型編碼器的方式；小車定位采用絕對值編碼器+BTG 磁釘?shù)姆绞剑淮筌嚩ㄎ徊捎媒^對值編碼器+FLAG板的方式，定位精度均在允許的偏差范圍內(nèi)[1]。

1.2 吊具自動(dòng)防搖防扭

小車架下方安裝2 個(gè)防搖攝像頭，吊具上架上安裝2 只反光板，通過實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量吊具垂直方向的偏移角度及吊具水平方向的旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)一定算法后控制小車的加減速和多功能油缸的伸縮，使吊具保持在允許的垂直范圍和偏轉(zhuǎn)角度內(nèi)，達(dá)到減搖止扭的目的。

1.3 船型掃描（SPSS）

采用激光掃描測距原理和模糊識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對集裝箱及其他物體輪廓的掃描定位，為整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算作業(yè)位置、設(shè)計(jì)吊具運(yùn)行路徑提供必要的支持，同時(shí)保證作業(yè)的安全性。系統(tǒng)主要功能為掃描作業(yè)貝位集裝箱及其他相關(guān)物體的高度輪廓，計(jì)算吊具最優(yōu)安全運(yùn)行路徑；掃描作業(yè)貝位左右側(cè)導(dǎo)向架及左右相鄰貝位集裝箱，計(jì)算高度輪廓，保證作業(yè)的安全性；掃描作業(yè)貝位集裝箱，結(jié)合船模及開閉鎖位置信息計(jì)算集裝箱的分布情況，保證吊具海側(cè)定位的準(zhǔn)確性。由3 個(gè)2D 激光掃描儀和SPSS 工控機(jī)組成[2]，可以實(shí)現(xiàn)防打保齡、防20 ft 不同堆碼、鄰貝防碰撞、吊具最優(yōu)路徑運(yùn)行和智能加減速、集裝箱分布以及輪廓輸出等功能。

1.4 集卡定位系統(tǒng)（CPS）

采用3D 激光掃描技術(shù)除了可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的大車方向集卡自動(dòng)引導(dǎo)對位外，還能測量小車方向集卡相對車道中心線的偏移距離和偏轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)陸側(cè)一鍵著箱的功能。工作流程如下：集卡進(jìn)入橋下，CPS 對大車方向進(jìn)行2D 掃描，自動(dòng)引導(dǎo)集卡大車進(jìn)行方向?qū)ξ唬瑢ξ煌瓿珊驝PS 迅速轉(zhuǎn)為3D 掃描模式，測出集卡在小車方向的偏離距離和偏轉(zhuǎn)角度，并將測量數(shù)據(jù)輸入PLC，PLC 根據(jù)測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制小車的位置和多功能油缸的伸縮，調(diào)整吊具姿態(tài)以適應(yīng)集卡停車時(shí)的位置狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)陸側(cè)一鍵著箱的功能[3]。CPS 完成引導(dǎo)集卡大車進(jìn)行方向?qū)ξ缓螅€將對位完成信息發(fā)送給OCR，觸發(fā)OCR 給出車號、箱號等識(shí)別結(jié)果。

1.5 箱號識(shí)別系統(tǒng)（OCR）

首次在岸橋遠(yuǎn)控上采用人工智能視覺識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用人工智能底層算法識(shí)別前端高清攝像頭傳回的實(shí)時(shí)視頻流對應(yīng)的箱號、箱型、集卡號以及箱門朝向等信息。與傳統(tǒng)OCR相比，其突出優(yōu)點(diǎn)是能夠在地面車道上直接對車號和箱號等信息進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別正確率高（大于98%）、速度快（毫秒級），能夠很好地滿足裝卸船作業(yè)流程的需求。除識(shí)別車號和箱號外，該識(shí)別系統(tǒng)還有集裝箱ISO 碼識(shí)別、前后箱門識(shí)別、單小箱壓車位置識(shí)別、鉛封有無識(shí)別、危險(xiǎn)品標(biāo)志識(shí)別以及五面驗(yàn)殘圖片保存等功能，可同時(shí)滿足智能理貨功能的需求。系統(tǒng)由14 個(gè)高清攝像頭、人工智能算法服務(wù)器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、聲音采集系統(tǒng)、語音對講系統(tǒng)及遠(yuǎn)程操作臺(tái)等組成[4]。

2 系統(tǒng)軟件組成

2.1 整體組成

由于TOS 還無法實(shí)現(xiàn)與ECS 的直接雙向通信，因此系統(tǒng)引入了集團(tuán)智能裝卸平臺(tái)的部分功能。ECS 從智能裝卸平臺(tái)自動(dòng)讀取TOS 分配的作業(yè)任務(wù)，接收船舶信息、作業(yè)指令信息，自動(dòng)完成TOS 系統(tǒng)分派的裝卸船任務(wù)，進(jìn)行半自動(dòng)化作業(yè)，并將完成的作業(yè)任務(wù)信息實(shí)時(shí)反饋給智能裝卸平臺(tái)。OCR 將識(shí)別出的箱號、車號等結(jié)果傳至智能裝卸平臺(tái)進(jìn)行處理，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.2 ECS 組成和功能

ECS（Equipment control system）可以根據(jù)TOS 分配的作業(yè)任務(wù)自動(dòng)生成相應(yīng)的作業(yè)指令，控制設(shè)備完成裝卸作業(yè)，并將完成情況反饋給智能裝卸平臺(tái)。ECS 主要由操作員輔助系統(tǒng)OAS、岸橋調(diào)度系統(tǒng)QDS、操作臺(tái)調(diào)度系統(tǒng)ODDS 和岸橋自動(dòng)化控制系統(tǒng)QACS 等組成，其實(shí)現(xiàn)的主要功能見表1。

表1 ECS 系統(tǒng)功能

2.3 ECS 作業(yè)流程設(shè)計(jì)

內(nèi)貿(mào)集裝箱作業(yè)與外貿(mào)作業(yè)相比有以下2 個(gè)不同之處：1）船圖不準(zhǔn)（或沒有船圖），船箱位與箱號不是一一對應(yīng)的關(guān)系，無法由TOS 直接發(fā)送作業(yè)任務(wù)。2）船況、箱況相對較差、船小不規(guī)范以及箱子經(jīng)常超載變形等，這也是內(nèi)貿(mào)集裝箱碼頭進(jìn)行岸橋遠(yuǎn)程半自動(dòng)化作業(yè)面臨的主要困難，需要開發(fā)有針對性的作業(yè)流程和作業(yè)模式[5]。

ECS 設(shè)計(jì)4 種作業(yè)流程、3 種作業(yè)模式。4 種作業(yè)流程包括裝船流程、卸船流程、邊裝邊卸流程以及回卸流程。4種作業(yè)流程相互獨(dú)立，由司機(jī)在開始作業(yè)之前選擇切換：1）裝船流程。ECS 默認(rèn)只進(jìn)行裝船任務(wù)，依據(jù)OCR 車道上箱號識(shí)別結(jié)果遵循混裝匹配規(guī)則和司機(jī)選擇的裝船順序確定裝船位置，生成裝船指令，進(jìn)行裝船作業(yè)。2）卸船流程。ECS默認(rèn)只進(jìn)行卸船作業(yè)，依據(jù)司機(jī)選擇的卸船順序確定卸船任務(wù)，完成卸船作業(yè)。3）邊裝邊卸流程。系統(tǒng)默認(rèn)做一個(gè)裝船任務(wù)，再做一個(gè)卸船任務(wù)，依次周期循環(huán)。4）回卸流程。中控人員根據(jù)操作界面手動(dòng)創(chuàng)建卸船任務(wù)，完成回卸作業(yè)。3 種作業(yè)模式包括正常模式、箱位不匹配模式（小船模式）和通用模式[6]。

3 作業(yè)流程

3.1 作業(yè)前準(zhǔn)備

作業(yè)開始前，ECS 自動(dòng)從智能裝卸平臺(tái)讀取TOS 分配的作業(yè)信息，包括作業(yè)船（船名、航次、朝向和QCID）、作業(yè)車道、船模（船名、船上箱位布局圖，箱位物理地址）、集卡車號列表、整艘船裝卸箱列表（船名、航次、箱號、箱型、尺寸、船上位置、裝/ 卸/留船、尺碼類型、卸貨港、空重箱狀態(tài)、重量差和特殊箱標(biāo)記）以及裝卸船指令（整艘船M條裝船指令、N條卸船指令）。司機(jī)收到作業(yè)指令后上機(jī)，憑借指紋登錄操作臺(tái)，選擇作業(yè)設(shè)備號，將大車移動(dòng)至作業(yè)貝位，ECS 自動(dòng)讀取該貝裝卸船任務(wù)并在操作臺(tái)TOS 客戶端上顯示，選擇作業(yè)流程、作業(yè)模式以及作業(yè)順序并完成預(yù)掃描。

3.2 裝船主要流程

帶箱集卡到達(dá)橋下，CPS 引導(dǎo)對位，引導(dǎo)結(jié)束將引導(dǎo)到位信號發(fā)送給OCR 和PLC，同時(shí)轉(zhuǎn)為3D 掃描。OCR 收到引導(dǎo)到位信號后將車號、箱號等識(shí)別結(jié)果及拍攝的箱體五面圖片發(fā)送給智能裝卸平臺(tái)，智能裝卸平臺(tái)將收到的車號箱號與TOS 給出的車號列表、裝船箱號列表進(jìn)行比對，不在列表中的給出人工介入提示，并把比對結(jié)果發(fā)給ECS。ECS 收到箱號后，根據(jù)裝船匹配規(guī)則（箱號、箱型、目的港以及重量差等）和司機(jī)選擇的作業(yè)順序確定該貝該層的該箱裝船位置，并將生成的裝船指令發(fā)送給PLC，PLC 自動(dòng)控制吊具到相應(yīng)車道上方的安全高度并給出提示，司機(jī)按“一鍵著箱”按鍵，吊具著箱、閉鎖，拉起至安全高度后，吊具自動(dòng)按最優(yōu)路徑運(yùn)行至船上目標(biāo)位上方安全高度并做出提示，司機(jī)人工介入放箱，裝船任務(wù)完成。反饋箱號、箱型以及裝船位置等信息給智能裝卸平臺(tái)（每貝第一個(gè)作業(yè)任務(wù)需進(jìn)行校驗(yàn)，以便生成準(zhǔn)確船圖）。對于識(shí)別，就車號、箱號，就停止裝船并給出提示，經(jīng)核對后司機(jī)通過語音對講系統(tǒng)通知帶箱集卡離開該橋[7]。

3.3 卸船主要流程

空集卡進(jìn)入橋下，CPS 引導(dǎo)對位，引導(dǎo)結(jié)束將信號發(fā)送給OCR 和PLC，同時(shí)轉(zhuǎn)為3D 掃描。OCR 收到引導(dǎo)結(jié)束信號后將車號識(shí)別結(jié)果發(fā)送給智能裝卸平臺(tái)，智能裝卸平臺(tái)將收到的車號與TOS 給出的車號列表進(jìn)行比對，不在列表中，就給出人工介入提示，并把比對結(jié)果發(fā)送給ECS。ECS 根據(jù)司機(jī)選擇的作業(yè)順序確定卸船位置，并將生成的卸船指令發(fā)給PLC，PLC 自動(dòng)控制吊具到達(dá)卸箱位置上方的安全高度并給出提示（每貝第一箱需進(jìn)行校驗(yàn)，以便生成準(zhǔn)確船圖），司機(jī)介入手動(dòng)著箱、閉鎖拉起至安全高度后，吊具自動(dòng)按最優(yōu)路徑回到作業(yè)車道集卡上方的安全高度，司機(jī)介入一鍵著箱開鎖，OCR 收到開鎖信號立即將已識(shí)別出的箱號、箱型、鉛封以及危標(biāo)等識(shí)別結(jié)果發(fā)送給智能裝卸平臺(tái)，智能裝卸平臺(tái)將識(shí)別結(jié)果與卸船箱號列表進(jìn)行比對（不在列表中給出溢卸提示，按溢卸流程處置），并將比對結(jié)果發(fā)送給ECS。卸船任務(wù)完成，ECS 將卸箱的箱號、箱型以及船上位置等信息反饋給智能裝卸平臺(tái)。吊具起升到一定高度后，OCR 將拍攝的箱體五面圖片發(fā)送給智能裝卸平臺(tái)[8]。

3.4 邊裝邊卸流程

系統(tǒng)默認(rèn)單車道作業(yè)，完成一個(gè)裝船任務(wù)后，集卡不走，接著完成一個(gè)卸船任務(wù)或先完成一個(gè)卸船任務(wù)，接著再完成一個(gè)裝船任務(wù)。以車道到達(dá)的集卡狀態(tài)來觸發(fā)裝卸流程，即當(dāng)CPS 識(shí)別出帶箱集卡到達(dá)時(shí)，先進(jìn)行裝船作業(yè)，集卡等待，接著進(jìn)行卸船作業(yè)；當(dāng)CPS 識(shí)別出空集卡到達(dá)時(shí)，先進(jìn)行卸船作業(yè)，集卡離開，帶箱集卡到達(dá)后再進(jìn)行裝船作業(yè)，依次循環(huán)。

3.5 回卸流程

回卸流程是為解決船舶已作業(yè)完工由于潮水或其他原因需要重新卸下已裝船箱子的工況而開發(fā)的作業(yè)流程。中控通過操作界面手動(dòng)創(chuàng)建卸船任務(wù)發(fā)送給ECS 進(jìn)行卸船作業(yè)?；匦禣CR 識(shí)別，當(dāng)作業(yè)完工時(shí)，ECS 會(huì)刪除整艘船的裝卸指令，但ECS 會(huì)保存歷史作業(yè)船舶信息和箱號信息。將回卸OCR 識(shí)別出的箱號與歷史信息進(jìn)行比對，確?；匦断涮枩?zhǔn)確。

4 作業(yè)模式

正常模式是針對有船圖且船況箱況較好的大多數(shù)情況下使用的模式。該模式由司機(jī)設(shè)置相應(yīng)作業(yè)流程，ECS生成裝卸任務(wù)指令發(fā)送給PLC，PLC 控制完成裝卸任務(wù)。箱位不匹配模式是針對裝船作業(yè)不適應(yīng)混裝匹配規(guī)則情況而開發(fā)的作業(yè)模式。裝船作業(yè)中，ECS 獲得OCR 識(shí)別的待裝箱箱號，根據(jù)箱子屬性按裝船匹配規(guī)則（目的港、重量差、箱號箱型以及特殊箱等條件）進(jìn)行可裝位置匹配，當(dāng)無法匹配到可裝位置進(jìn)行自動(dòng)裝船作業(yè)時(shí)做出提示，經(jīng)人工判斷后可以將該模式轉(zhuǎn)為按司機(jī)指定的位置進(jìn)行裝船。箱位不匹配模式是忽略裝船匹配規(guī)則的一種模式。通用模式是針對個(gè)別船況箱況極差、無法完成ECS 生成的作業(yè)任務(wù)而開發(fā)的作業(yè)模式，例如裝船作業(yè)時(shí)，由于箱子膨脹嚴(yán)重，無法將箱子放到ECS 給出的位置時(shí)可轉(zhuǎn)為該模式，按司機(jī)指定的新位置放箱。該模式是純PLC 控制，邏輯較為簡單。

5 影響作業(yè)效率的因素及優(yōu)化

內(nèi)貿(mào)箱遠(yuǎn)控作業(yè)除船況、箱況較差等客觀因素外，流程上還存在以下4 個(gè)方面的因素會(huì)影響作業(yè)效率。

5.1 頻繁換貝預(yù)掃描

基于安全考慮，每次換貝后都要進(jìn)行船型預(yù)掃描（大貝換小貝除外）。對于小型船舶來說，每貝作業(yè)量少或存在部分雙箱錯(cuò)位的現(xiàn)象，作業(yè)過程都需要頻繁換貝預(yù)掃描，預(yù)掃描時(shí)小車速度受限，影響作業(yè)效率。優(yōu)化措施是對小型船舶利用臨貝掃描數(shù)據(jù)，通過人工設(shè)定安全高度來確保安全，做第一個(gè)任務(wù)時(shí)進(jìn)行掃描和校驗(yàn)，可省去換貝預(yù)掃描所耗費(fèi)的時(shí)間。

5.2 頻繁校驗(yàn)和自學(xué)習(xí)

對于特殊船型或不規(guī)范船舶（例如船艙內(nèi)有較大隔槽等）來說，作業(yè)過程需要頻繁進(jìn)行位置校驗(yàn)或自學(xué)習(xí)才能實(shí)現(xiàn)對箱位的準(zhǔn)確定位，影響作業(yè)效率。優(yōu)化措施是以智能裝卸平臺(tái)為依托，通過智能船圖自學(xué)習(xí)功能或人工錄入方式收集船舶數(shù)據(jù)，建立船舶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，形成各船舶的精確船模，以實(shí)現(xiàn)對海側(cè)的準(zhǔn)確定位，從而提高作業(yè)效率。

5.3 艙蓋板作業(yè)

不同船型，其艙蓋板數(shù)量、形狀也不同，目前裝卸艙蓋板作業(yè)在海側(cè)尚無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。作業(yè)時(shí)仍需要司機(jī)寸動(dòng)小車微調(diào)對位，從而影響作業(yè)效率。后續(xù)通過建立船舶數(shù)據(jù)庫對艙蓋板的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，以提高效率。

5.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度

出于安全考慮，一些特定工況對各機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行了較大的限制，例如船型預(yù)掃描小車速度限制為30%；船艙內(nèi)速度限制為10%；艙蓋板作業(yè)起升、小車速度限制為30%等。與人工作業(yè)相比這也是影響效率的一個(gè)主要方面。后續(xù)在確保安全的前提下，可以適當(dāng)?shù)靥岣邫C(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度，以提高作業(yè)效率。

6 結(jié)語

2 臺(tái)遠(yuǎn)控岸橋投入使用以來，通過系統(tǒng)不斷優(yōu)化，其作業(yè)效率和安全性逐步提高并擴(kuò)展了新功能。以2 臺(tái)遠(yuǎn)控岸橋?yàn)榛A(chǔ)，其他岸橋加裝智能識(shí)別系統(tǒng)后，利用集團(tuán)智能裝卸平臺(tái)，已實(shí)現(xiàn)智能理貨的功能。后續(xù)通過TOS 雙向通信實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程信息的自動(dòng)確認(rèn)以及充分利用CPS、OCR 及扭鎖站功能無人化的目標(biāo)碼頭前沿作業(yè)橋下無人化的目標(biāo)。擴(kuò)展上述功能可以減少用工數(shù)量，實(shí)現(xiàn)人員后撤，有效提高經(jīng)濟(jì)性和安全性，也為后續(xù)進(jìn)行集裝箱碼頭自動(dòng)化改造奠定了基礎(chǔ)。