數(shù)字化時代下遠程集裝箱起重機調(diào)試優(yōu)化研究

朱人平

（上海振華重工（集團）股份有限公司長興分公司，上海 201913）

在港口集裝箱起重機的施工過程當中，系統(tǒng)調(diào)試項目是一個特別重要的環(huán)節(jié)。然而，傳統(tǒng)的調(diào)試模式未發(fā)生變化。當集裝箱起重機的電梯發(fā)生故障時，調(diào)試工程師就只能通過登船扶梯走到約60 m 高的PLC 控制室進行調(diào)試。這個過程不僅耗時耗力，而且需要承擔很高的安全風險。調(diào)試工程師還可能遇到金屬粉塵、油漆異味、臨時安裝的工藝平臺及組裝不完善的安全防護欄桿等安全隱患。為了提高調(diào)試作業(yè)工作效率和安全性，產(chǎn)生了探索新的調(diào)試方法和技術(shù)的需求。因此，集裝箱起重機的遠程調(diào)試方法顯得尤為重要。通過網(wǎng)絡連接，將被調(diào)試的設備與調(diào)試設備相連，實現(xiàn)遠程調(diào)試，不僅可以提高調(diào)試效率，還可以保障調(diào)試工程師的安全。但是在使用遠程調(diào)試工具時，需注意網(wǎng)絡連接的穩(wěn)定性和安全性，以免造成不必要的損失。

假如同一個項目的多臺集裝箱起重機不能實現(xiàn)安裝臨時走廊的狀況，工程師便需要多次上下，既浪費時間又消耗體力。為了完成工作任務，他們只能被迫加班。電子控制室和計算機室相鄰，噪音、煙霧和其他干擾因素不可避免。在這種傳統(tǒng)調(diào)試工作模式下，由于處在惡劣的工作環(huán)境下，再加上調(diào)試工程師較長時間暴露在高頻的輻射氛圍中，一定程度會對其健康造成嚴重的傷害。這進而會導致調(diào)試工程師辭職，增加了調(diào)試人才庫的難度。尤其是各個項目的責任工程師會因各種不可控因素無法在第一時間趕到集裝箱起重機的調(diào)試現(xiàn)場，會造成調(diào)試人力極度短缺的狀況，因此，有必要探索新的調(diào)試方法和技術(shù)，提高調(diào)試過程的效率和安全性。本文通過現(xiàn)有已經(jīng)成熟的網(wǎng)絡、視頻、通信等技術(shù)，將集裝箱起重機上的PLC 數(shù)據(jù)、工控機數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)等內(nèi)容通過無線鏈路傳輸至遠端的中央控制室（簡稱“中控室”），調(diào)試工程師在中控室處理問題，分析數(shù)據(jù)，再結(jié)合傳統(tǒng)調(diào)試技術(shù)形成一種兼顧高效、新型、安全的調(diào)試方法和技術(shù)。

1 遠程調(diào)試方法及子系統(tǒng)組成

該集裝箱起重機遠程調(diào)試方法主要由視頻圖像監(jiān)控及工控機控制系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)由遠距離對講、單兵設備及緊急停止安全保護三大系統(tǒng)組成。

1.1 視頻圖像監(jiān)控及工控機控制系統(tǒng)

視頻圖像監(jiān)控及工控機控制系統(tǒng)主要由工控機、自帶拾音器的攝像機、路由器、POE 交換機、NVR 硬盤錄像機、5G 終端接入設備、PC 客戶端、管理服務器、高清解碼器、LCD 拼接大屏和核心交換機組成。具體的方案組成如圖1 所示，其主要分為3 部分，分別為集裝箱起重機端、5G 信號傳輸和中控室端。

圖1 視頻圖像監(jiān)控及工控機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 集裝箱起重機端

集裝箱起重機端整體采用數(shù)字方案，視頻圖像全部以數(shù)字形式傳輸，數(shù)據(jù)具有較高的兼容性、抗干擾性及安全性。視頻圖像監(jiān)控主要由視頻采集和視頻存儲2 個系統(tǒng)來實現(xiàn)。視頻采集由攝像機來完成，其被科學地布置在集裝箱起重機各機構(gòu)旁，使其視角能更高概率地覆蓋各個部位。從調(diào)試需求出發(fā)，特別針對集裝箱起重機上的視覺死角，視頻圖像監(jiān)控子系統(tǒng)需要選用高清晰度的攝像機，可以將攝像機所觀察到的場景顯示得更加清晰，對監(jiān)控區(qū)域進行全天候不間斷監(jiān)控，通過接入5G 網(wǎng)絡的攝像機所采集的視頻數(shù)據(jù)可供用戶方隨時隨地查看，且不受時間、地域等因素限制，通過每個攝像機分配的IP 地址，用戶方可在任何一個有網(wǎng)絡覆蓋的地方查看。自帶拾音功能的攝像機可以協(xié)助調(diào)試工程師判斷現(xiàn)場機構(gòu)的運作狀態(tài)，檢查是否有異響，再配以NVR 硬盤錄像機，實現(xiàn)了視頻在本地存儲的功能，目的在于保證視頻存儲平臺的高質(zhì)量服務。為確保集裝箱起重機整個網(wǎng)絡的安全，使用了一種無須接入公共網(wǎng)絡即可使用的遠程控制軟件。要訪問工控機，首先要完成遠程登錄IP 地址的設置，并且安裝定制的遠程工業(yè)控制軟件。為了工作方便起見，遠程工業(yè)控制軟件的訪問權(quán)限也可以考慮設置為固定密碼，當然也可以設置為隨機密碼，以獲得更大的安全性。每次訪問前，集裝箱起重機碼頭必須配合工作人員將隨機密碼通知到中控室的調(diào)試工程師。若調(diào)試工程師想要訪問集裝箱起重機的工業(yè)控制計算機，他們需要將所訪問的集裝箱起重機工業(yè)控制計算機的IP 地址和訪問密碼輸入到中央控制室的PC 端遠程控制軟件后臺，即可登錄操控集裝箱起重機上的工控機，從而實現(xiàn)對電控系統(tǒng)PLC 程序參數(shù)的修改。

1.1.2 5G 信號傳輸

由于集裝箱起重機實時監(jiān)控的高要求高標準，依據(jù)主流行業(yè)準則，4K 和8K 視頻的傳輸速率至少要12~40 Mbps 和48~160 Mbps。此時，4G 網(wǎng)絡不能滿足所需技術(shù)要求。因此，需要提高超高清視頻的傳輸效率。5G 傳輸速率是4G 網(wǎng)絡速率的10 倍以上，網(wǎng)絡速度快使用戶有了更好的體驗。因為5G 的網(wǎng)絡響應時間是1 ms，約是4G 網(wǎng)絡的1/10，幾乎可以達到準實時的水平。又因為切片技術(shù)可以把物理網(wǎng)絡切片成若干個虛擬網(wǎng)絡，能適應于各種場景。在同一5G 網(wǎng)絡中，應用網(wǎng)絡可以確保集裝箱起重機設備中畫面?zhèn)鬏斮|(zhì)量，延遲不會受到其他5G 用戶影響。而且由于5G 網(wǎng)絡良好的承載能力可以成為解決這一場景需求的非常有效的解決手段。集裝箱起重機端和中央控制室端是通過路由器和中央控制室的EG 網(wǎng)關(guān)建立IPsec VPN隧道。中央控制室的交換機通過中央控制室的EG 網(wǎng)關(guān)進入IPsec VPN 隧道，再從中央控制室端傳輸?shù)?G信號基站。集裝箱起重機端的5G 終端接入設備接收5G 基站發(fā)出的信號，再從5G 終端出隧道到用戶設備（UE）。該方法能有效提高超高清視頻的傳輸效率，滿足網(wǎng)絡流量、存儲空間和回程延遲的技術(shù)要求，最終連上集裝箱起重機端的交換機。

1.1.3 中控室端

中央控制室采用視頻管理子系統(tǒng)，主要由5G 終端進行設備接入、路由器、管理服務器、高清解碼器和核心交換機組成。5G 終端將中央控制室設備和集裝箱起重機的設備接入5G 網(wǎng)絡，由管理服務器管理設備。高清解碼器對碼頭區(qū)發(fā)回的編碼數(shù)字視頻進行解碼操作。安裝有監(jiān)控平臺服務軟件的PC 客戶端可以集中管理視頻圖像，延遲低，響應速度快?？梢钥刂坪筒榭凑麄€系統(tǒng)的所有前端錄像數(shù)據(jù)，并配有高清解碼器，實現(xiàn)在液晶拼接屏上多屏顯示功能。這使得相關(guān)技術(shù)人員可以直觀地了解岸橋的實時情況，及時進行指揮調(diào)度。

1.2 遠距離對講系統(tǒng)及單兵設備

1.2.1 遠距離對講系統(tǒng)

傳統(tǒng)的集裝箱起重機調(diào)試工作模式轉(zhuǎn)為遠程調(diào)試后，原有的對講機聯(lián)絡方式已無法實現(xiàn)超遠距離的溝通需求，一種信號好、速度快、長距離溝通的通信方式變得極為重要。遠距離通信對講的示意圖如圖2 所示。

圖2 遠距離通信對講的示意圖

圖2 描述了不需要網(wǎng)絡的長距離通信內(nèi)部通信系統(tǒng)。通過使用信號基站，對講機可以像公共網(wǎng)絡一樣快速運行，提供穩(wěn)定、清晰和靈活的對講機功能，并實現(xiàn)長距離公共網(wǎng)絡通信。該系統(tǒng)通過提供全媒體和可視化功能，超越了只能進行語音通信的原始對講機的局限性。無論是文本對話、語音對講、照片上傳，甚至視頻對話，都可以實時將現(xiàn)場情況提交給調(diào)度平臺。當生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)調(diào)試需求時，可以通過調(diào)度平臺以及服務器組將中央控制室的對講設備和集裝箱起重機組合在一起。專業(yè)的配合人員隨后可以帶著對講設備到中控室的調(diào)試工程師那里進行遠距離低延時的通信。

1.2.2 單兵設備

當集裝箱起重機發(fā)生故障，需要遠程調(diào)試時，工程師就需要對故障現(xiàn)象進行觀察或檢查電氣元件的狀態(tài)。而這需要能夠傳輸實時信息（如視頻圖像）的設備。單兵設備（智能眼鏡）的使用示意圖如圖3 所示。

圖3 單兵設備（智能眼鏡）的使用示意圖

圖3 展現(xiàn)了集裝箱起重機端的合作人員如何通過佩戴智能眼鏡來共同協(xié)助進行調(diào)試工作?，F(xiàn)場視頻通過智能眼鏡以第一人稱視角實時廣播到中央控制室，與此同時，工作人員還可以通過視頻、聲音、文字和圖像等溝通手段來與調(diào)試工程師進行交流。現(xiàn)場互動也會實時直接存儲在AI 智能眼鏡平臺上，然后通過后臺處理將結(jié)果反饋給佩戴智能眼鏡的工作人員。集裝箱起重機遇到技術(shù)問題，需要專家進行遠程技術(shù)支持時，調(diào)試工程師可以使用遠程控制軟件訪問集裝箱起重機的工控機進行遠程調(diào)試。該方法能有效提高調(diào)試過程的效率和安全性，減輕調(diào)試工程師的工作量。如果無法提供實時的故障狀態(tài)會導致專家的判斷出現(xiàn)錯誤，影響解決處理故障的效率。引入單兵設備后，在現(xiàn)場的施工人員，可將故障狀態(tài)通過單兵設備實時傳給遠端，遠端的專家可以直接給予指導，第一時間排除故障，合理利用專家資源，節(jié)約企業(yè)成本。在生產(chǎn)過程中，監(jiān)管人員和用戶還可以通過單兵設備的音視頻無死角實現(xiàn)遠程監(jiān)管和巡檢。這將大幅度縮短報驗時間，也會有利于現(xiàn)場人員迅速開展下一道工序工作，從而提供基本的技術(shù)支持，降低了上下機的疲勞強度和安全風險。該方法能有效提高調(diào)試效率和安全性，減輕調(diào)試工程師的工作量，提高調(diào)試質(zhì)量。

1.3 緊急停止安全保護系統(tǒng)

急停按鈕安裝在起重機操作臺上，按鈕常閉觸點串聯(lián)形成一個常閉的硬件回路電路。到最后回路會連接安全繼電器，實現(xiàn)急停保護系統(tǒng)中的保護功能。當再次需要觸發(fā)急停保護時，只需要按下任意急停按鈕開關(guān)，常閉回路斷開使安全繼電器觸發(fā)，集裝箱起重機便無法控制和操作。然而，該系統(tǒng)的局限性是須在集裝箱起重機上操作才可以觸發(fā)。為了提高安全性，需要探索實現(xiàn)遠程緊急停車保護的新技術(shù)和新方法。為了保證集裝箱起重機遠程調(diào)試的安全和穩(wěn)定性，既要進行緊急停止保護系統(tǒng)的遠程控制，還要實現(xiàn)集裝箱起重機急停系統(tǒng)的正常工作，可將工業(yè)繼電器的輔助觸點接入原硬件回路中。遠程緊急停止安全保護系統(tǒng)裝置示意圖和觸發(fā)安全繼電器的緊急停止保護系統(tǒng)硬件回路圖示，分別如圖4、圖5 所示。

圖4 遠程緊急停止安全保護系統(tǒng)裝置示意圖

圖5 觸發(fā)安全繼電器的緊急停止保護系統(tǒng)硬件回路圖示

根據(jù)圖4，智能插頭的輸入端通電，智能插頭通過網(wǎng)絡接入設備接入網(wǎng)絡（該網(wǎng)絡是為圖1 中的5G 終端接入設備提供的）。此時，智能插頭配置后，輸出端不通電，專業(yè)的工業(yè)繼電器也不會通電，a 和c 端點的常閉接口觸點狀態(tài)始終閉合狀態(tài)不變。最后整體硬件回路接到安全繼電器上。當急停保護系統(tǒng)需要遠程激活時，輸出端的電源由智能插頭軟件遠程打開，然后由智能插頭向工業(yè)繼電器供電。當工業(yè)繼電器得電，端子a點和c 點間常閉接口觸點就會斷開。圖5 中遠程緊急停止的常閉觸點會出現(xiàn)斷開現(xiàn)象，并且與安全繼電器串聯(lián)的硬件電路也會發(fā)生斷開現(xiàn)象。因此，不能實現(xiàn)安全繼電器的正常觸發(fā)條件，直接會導致集裝箱起重機出現(xiàn)無法控制關(guān)閉和操作機構(gòu)不能正常工作的問題。而該方法就能有效提高集裝箱起重機的安全性，減少調(diào)試工程師的工作量。這種設計主要針對緊急停止保護系統(tǒng)的安全性，若繼續(xù)使用控制智能插座斷開輸出電源的方式，那么在工業(yè)繼電器不得電時常開觸點接入硬件回路的方式中，一旦出現(xiàn)智能插座在接入網(wǎng)絡時出現(xiàn)斷網(wǎng)現(xiàn)象或智能插座輸入端異常斷電或意外斷電的情況，緊急停止保護系統(tǒng)就會出現(xiàn)高頻次被觸發(fā)的緊急狀況，進而影響緊停保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 結(jié)束語

集裝箱起重機遠程調(diào)試的處理方法，對解決集裝箱起重機制造階段調(diào)試工程師數(shù)量不足的問題具有重要意義。升級調(diào)試資源的最優(yōu)組合配置，可以提高調(diào)試工作的效率，不僅能夠降低調(diào)試成本，而且還可以改善工作環(huán)境，進而大大降低調(diào)試過程中所產(chǎn)生的安全風險。一種解決方案是在中央控制室遠程操作工業(yè)計算機。但是，這種方法易受到網(wǎng)絡的限制。如果對于網(wǎng)絡安全和網(wǎng)絡完全有切實的保障，調(diào)試工程師就不再需要去集裝箱起重機生產(chǎn)基地現(xiàn)場作業(yè)。他們就可以通過外部網(wǎng)絡系統(tǒng)直接在家里實現(xiàn)集裝箱起重機在調(diào)試時所需的技術(shù)支持和保障。該方法可以有效提高調(diào)試過程的效率和安全性，減輕調(diào)試工程師的工作量，提高調(diào)試質(zhì)量。