集卡防吊起技术方案探讨

陈鹏元，李书强，余珍胜

（青岛海西重机有限责任公司，山东 青岛 266530）

引 言

随着世界集装箱码头的不断发展，以及集装箱运输量的不断增长，起重机的操作地点逐渐由司机室转变为环境更为舒适的中控室，而这种转变的一项重要任务，是实现效率更高，工作更安全的目标。

集装箱起重机在集卡上卸箱的过程中，由于集卡的锁销未完全打开或集卡司机忘记解锁，会出现吊具将集装箱连同集卡车一并吊起或者部分吊起，通常称为吊集卡事故，而在中控室的起重机司机很难准确迅速地发现安全隐患，一旦起重机将集装箱及卡车一起吊起，就会发生及其严重的安全事故，轻则集装箱锁销损坏或集卡车损坏，重则发生起重机毁损情况，甚者发生集卡车倾覆，造成集卡车司机的伤亡。

为了确保港口生产作业安全，预防此类事故的发生，提高作业效率，各码头及港机设备制造厂商均为起重机设置了集卡防吊起保护系统，当前此系统主要有两种技术方案。

1 激光扫描仪方案

本系统采用激光扫描测距原理、模式识别和自动控制技术，能够实时检测吊具、集装箱、集卡车三者之间的位置关系，并根据之前预定的安全控制方案对起重机的起升机构的进行控制，实现防吊集卡的功能，以此避免安全事故的发生，提升集装箱装卸工作的安全性与可靠性。

1.1 设备安装

该方案的设备主要包括：Sick的二维扫描仪和控制器。2D激光扫描仪安装于起重机大车的侧下方位置，通过光纤通讯连接到电气房内的防吊集卡控制器上，防吊集卡控制器提供接口连接PLC通讯模块。司机室内的控制台（包括中控室的操作台）上安装信号指示灯，提示起重机司机。激光扫描仪主要扫描位置是集装箱高度、托盘边缘厚度、托盘表面倾斜角度、机箱和托盘的间隙等，通过这些数据综合判断卡车是否被吊起。

图1 激光扫描仪

1.2 工作原理

在卸车作业过程中，当带箱集卡到位，起重机小车机构开到作业集卡的车道上方，吊具放到集卡集装箱上，闭锁；起升上升。PLC通过通讯线缆（本项目使用Profibus-DP通讯）将来自编码器等元器件反馈的起升高度信息传给集卡防吊控制器。该系统在对集卡车辆和集装箱的识别中，实现对两者的准确识别和勾勒，分析两者的相对运动情况，判断吊具是否连同集卡车一起吊起。

当吊具起升高度、集装箱下表面离集卡的距离提升相同的高度，而且集卡底盘的坐标不变时，说明集装箱正常提升；当吊具上表面坐标、集卡底盘坐标提升相同的高度，而集装箱下表面离集卡的距离保持不变时，说明集装箱连同集卡同时被吊起。

由于激光扫描仪在实际使用中，会受反射的阳光、雨雪天气、大雾天气等因素的影响，因而发生误报警的情况，为防止此情况的出现，本项目在大梁上方设置了一个3D激光扫描仪，其主要功能为集卡定位引导和防砸车头，但其也可通过扫描作用，对集卡车的整体状态提供检测和判断功能，间接为集卡防吊起系统提供保障。

1.3 控制方案

当系统判断出现集卡被吊起的情况后，控制吊具停止，此时司机只能操作起升机构以10%的限定速度慢速下降，不能起升。吊具下放到松绳和着箱后，起升上升的防吊集卡控制解除。危险解除后，集卡司机可以重新将锁头打开，继续工作。

系统在司机控制台（包括远程操控台）上设置启停选择功能开关。当该选择功能开关拨到“关”的位置时，集卡防吊起功能关闭，吊具起升机构不具有防吊集卡的保护功能。

系统在CMS上或司机操作台（包括远程操控台）提供状态指示灯。当防吊集卡功能处于停用状态时，CMS指示灯变为灰色/操作台指示灯熄灭；当防吊集卡功能处于使用状态时，CMS指示灯变为绿色；当系统发生故障时，指示灯闪烁。

系统在司机控制台上（包括远程操控台）提供防吊起的控制旁路开关，选用的是带指示灯的复位开关。当集卡防吊起系统触发时，系统控制吊具停止上升，只能做下降动作，此时指示灯亮起，司机可按下旁路开关，进行单次的控制；当防吊起未触发或停止使用时，指示灯处于常灭状态。

2 视觉方案

本系统是基于机器视觉和AI人工智能技术，实现集装箱与集卡车托盘关于锁扣解锁状态的全天候、全天时的实时识别检测，之前预定的安全控制方案，在集装箱和集卡车托盘未分离的异常情况下，实现对起重机起升机构的控制，以此防止集卡被吊起，避免事故的发生，保障作业安全，提高作业效率。

图2 视觉系统摄像头

2.1 系统特点

1）采用摄像机采集的图像信息，借助于摄像头视觉技术判断集卡托盘与集装箱的位置关系。

2）集卡防吊的保护距离为集卡车被吊起30 cm。

3）可排除内集卡对系统的干扰，避免误运作，加强系统可用性

4）提供可视化实时数据显示，方便查看，升级，维护。

2.2 系统架构.

机器视觉集卡防吊起系统主要由前端相机、工控机（视频处理机）和通讯模块组成，如图3所示。前端相机安装在起重机大车腿部的适当位置，系统的工控机安装在电气房内，前端相机通过网线与POE交换机相连，该POE交换机通过光纤与光纤交换机相连，工控机通过网线与光纤交换机相连，同时该工控机与电气房内的Profibus-DP/TCP转换模块相连，Profibus-DP/TCP转换模块再与起重机上的PLC相连。

图3 视觉集卡防吊起系统架构

2.3 准确性评估

为了对系统的准确性进行评价，往往需要对大量的正负样本进行实验和统计，对于视觉防吊起系统而言，正样本是正常作业视频，负样本是集装箱和集卡同时被吊起的异常作业视频。然而如果作业出现了异常，对于码头而言就是发生了安全事故，因此，在日常的使用过程中，可允许少量样本的误报（即集装箱未与集卡车同时被吊起，但系统显示集卡车被连同吊起），但需杜绝漏报情况（及集装箱与集卡车同时被吊起，但系统显示集卡车未被吊起）的发生。对于此问题，在调试过程中，需要根据实际情况调整系统的运动隔值，找到一个平衡点，同时，为了保障系统的准确性，系统将图像进行灰度处理后，会以每秒30次的频率对图像进行判断和处理，通过车轮检测和异常判定算法判断当前帧和起始帧相比车轮有没有离地，从而实现集装箱卡车防吊起的作用。

本项目通过青岛前湾港自动化堆场的测试和实际运行情况对准确性进行评估，其中合计作业30 000余次，该视觉防吊起系统成功预警10次吊起集卡的事故，放箱时的挂联事故报警3次，虚报8次。具体性能如下：

1）漏报率：0%；

2）误报率：＜0.3 ‰；

3）集卡车集装箱托盘被吊起高度由于300 mm；

4）系统响应时间：＜0.2 s；

5）具有自检功能，系统故障时发出报警信息；

6）支持多种类型的集卡托盘，且不受托盘高度影响。

3 结 语

结合当前各码头及港机制造厂的集装箱起重机械，分析了利用2D激光扫描仪和利用摄像头视觉两种方案实现集卡防吊起的原理和使用方案。激光扫描仪的方案成本较高，但安装方便，调试简单；摄像头视觉的方案成本较低，便于维护，但港机的使用率不高，作为一项新颖的技术，日后会逐渐完善，提升准确度，并可以应用到集卡防吊起之外的其他系统中。