集装箱起重机集卡停车对位辅助技术发展浅析

2020-05-18黎广宇

中国水运 2020年2期

黎广宇

摘要：集卡停车对位是集装箱码头装卸工艺中的重要一环，其执行效果长期受限于装卸现场司机的个人能力和经验水平。通过智能化的技术手段进行集卡停车对位的辅助可以较大程度改善这一现象。本文着重阐述了基于激光和视觉的集卡停车对位技术的发展，并对技术发展趋势进行了展望。

关键词：集卡停车对位;激光定位;机器视觉;

中图分类号：U664.4 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）02-0039-03

集装箱起重机是集装箱码头的核心作业机械，结合集装箱的水平运输实现码头的主要生产工艺。起重机装卸车作业与集装箱码头主要业务的大半工作量均有直接联系，集卡停车对位是其中的重要环节且操作难度较高，因此能一定程度上的影响码头整体运行效率。在码头企业普遍追求以智能化技术手段提升生产运行效率的背景下，集装箱起重机集卡停车对位辅助技术的研究和应用也逐渐受到关注。

1 技术应用背景及痛点

在集装箱起重机进行装卸车作业时，集卡司机需要针对当前作业起重机的外形尺寸进行对位停车。在对位停车过程中，集卡司机一般凭借一些简单的标记进行起重机大车方向停车位置的粗略判断。当起重机吊具到达集卡上方附近时，集卡司机需要通过目测的方式反复确认并前后移动集卡，辅助起重机司机完成吊具对位。

在起重机装卸车作业的前期，由于吊具距离集卡较远，集卡司机难以准确地判断位置，一步到位地完成与起重机的停车对位的成功率很低。因此所有装卸过程中的误差调整均需等到吊具与集卡逐渐地接近，再通过两位司机的肉眼观测、逐步的进行微调、减少误差直至完成吊具对位。此过程中起重机司机与集卡司机需要紧密配合，依靠人员的能力和经验完成每一次的装卸作业。

在缺乏有效的技术辅助的情况下，集卡司机无法利用吊具未到位前的时间完成精确对位停车，一定程度上的降低了装卸效率。且由于装卸车作业的操作难度较大，实际生产过程中的装卸车作业难以保证吊具对位一次成功，多次的尝试装卸也提高了吊具、集装箱与集卡间的摩擦、碰撞的可能性，威胁设备安全的同时也带来了诸多安全问题。

2 集卡停车对位辅助技术

多年以来，大量研究试图从智能化辅助定位的角度找出上述问题的解决方案。其核心思路是在集裝箱起重机装卸车任务执行的过程中，通过对集卡的定位并获取车辆与起重机的相对位置，进而给与车辆恰当地引导使之与起重机及早、精确的对位，实现降低对位操作难度以及减少吊具到位后的集卡与吊具间配合对位时间的目的。

早在智能交通系统发展的初期，车辆的检测和定位就作为其中的一项核心技术而被广泛的研究[1-2]。多年以来有大量的传感技术被用于集装箱码头车辆定位的相关研究，主要包括了磁钉定位[3]、全球导航卫星系统定位、无线定位[3]、红外线发射接收传感器[4]、光电开关[5]、激光[6-15]、机器视觉[16-17]等技术。经过多年针对集卡停车对位的研究，目前的研究主要集中在激光技术和机器视觉技术方向。

2.1基于激光技术的集卡停车对位

使用激光技术实现集卡停车对位的辅助功能是目前研究最多应用也较为成熟广泛的技术方案。

2005年，西安交通大学的刘刚等人针对集装箱码头集卡对位困难的问题，使用二维激光扫描设备对集卡进行垂直扫描，实现了车辆对位的辅助功能。该研究成果在香港HIT 码头和深圳YICT 码头进行了试用。根据两个码头设备及实际应用环境的不同，单台门式起重机使用2～6台激光设备。系统采用的二维激光扫描器分辨率0.25°，设备测量精度优于100mm。[6]

2007年，上海交通大学的吕朝峰等人使用多个三维激光设备协同工作的方式，实现了集卡的快速定位。该研究使用了4台固定于起重机大车低架横梁的激光扫描设备，单台设备最大扫描量程80m、单点测量精度±10mm，垂直扫描范围180°、垂直角分辨率0.25°，水平扫描范围100°、角分辨率0.01°。在进行集卡的整体扫描的基础上，研究实现了集卡的粗定位，并通过对集装箱顶部边缘数据点的拟合，计算集装箱精确定位坐标及姿态。[8]

2009年，针对激光扫描设备识别未装载集装箱的集卡的效果不理想的问题，南京大学计算机软件新技术国家重点实验室的王继堂等人提出了激光扫描测距和视频图像处理相结合的解决方案。该研究使用两套二维激光加装伺服电机的方式获取激光测量数据。激光扫描数据处理结果使用视觉的边缘检测定位进行修正。该研究探索了激光扫描与机器视觉技术在集卡对位的融合应用，并开始考虑了系统的建设成本问题。[9]

由于成本的优势，单点激光也在集卡停车对位领域有着研究和应用。2010年，广州南沙海港集装箱码头使用7组单点激光设备实现了集卡定位系统。该系统可以对车道上装载了单个20英尺、40英尺或45英尺集装箱的集卡进行区分和定位。[10]

2016年青岛前湾集装箱码头使用激光扫描测距技术实现了集卡自动定位系统;该系统使用两台激光扫描设备，其激光检测距离为30m、激光测量误差为50 mm[13]。2019年厦门海润集装箱码头采用了类似的技术方案，其集卡停车对位系统误差小于80mm，取得了良好的效果[15]。

在上述十余年基于激光的集卡停车对位技术的研究中可以看出，随着对技术和应用的研究的日趋深入，所用激光测量设备的技术参数和数量在总体上呈下降趋势。可见当集卡停车对位应用得以实现后，码头方对于系统功能的实现成本的关注程度开始提升。

2.2基于视觉技术的集卡停车对位

机器视觉是多年以来非常热门的研究领域，具有一系列的基础理论和分析方法，但基于视觉技术的集卡停车对位的研究和应用相对较少。

2009年，同宁方等人使用垂直地面安装的摄像机捕捉集卡作业的图像信息，并采用类似光流前景提取的方法，对岸边集装箱起重机下的集卡进行了识别和定位。该技术在上海洋山3期的集装箱码头取得了应用，起到了提升岸边吊装卸效率的作用。[16]

2010年，南京大学孔婷等人进行了基于双目立体视觉的集卡定位方法的研究。该研究基于岸边起重机的工作环境，采用双工业摄像机获取目标的图像，对集卡目标定位算法和技术实现方式进行了较为全面的研究。[17]

机器视觉及其相关技术是集卡检测和定位的重要研究方向。由于其技术实现难度较高，对应用环境的要求往往较为苛刻，因此基于该种技术的集卡停车对位还处在探索阶段。将现有的通用算法和工具进行合理的搭配及优化，并在集装箱码头起重机作业的现有应用环境条件下配合更多的辅助手段，从而简化算法、提高机器视觉分析能力，将是基于视觉技术的集卡停车对位的一个可行的实现途径。

3 发展趋势

从集装箱码头生产作业对集卡停车对位的应用需求以及相关技术的研究和发展来看，未来集卡停车对位技术的发展将呈现高精度和实时性并重、更低的实现成本、系统的模块化等趋势。

3.1高精度和实时性并重

经过多年针对集卡停车对位的研究和应用实践，基于不同传感器的对位技术趋于成熟和完善，其中基于激光扫描传感器的集卡停车对位技术已可以基本滿足实际应用的需求。但是在有限的条件下，追求更高的集卡停车对位精度还是更好的定位实时性依旧是两难的选择。未来的集卡停车对位系统需要同时提高定位精度和实时性，从而提高对集卡停车对位的辅助能力。

3.2更低的实现成本

为追求集卡停车对位的应用效果，目前的解决方案中使用了大量的以激光扫描为代表的高精度传感器。该类设备价格较高、国产率低、建设投资较大，一定程度上的影响了集卡停车对位系统应用的普及。因此需要研究成本更低的实现方案。

3.3系统的模块化

如今集装箱码头的集卡停车对位往往作为一个系统独立运行。但是随着码头信息化水平普遍的提高，集卡停车对位系统将获得更多的输入信息并作为一个内嵌功能融入集装箱码头智能化体系中。

4 展望

集装箱起重机集卡停车对位辅助技术改变了集装箱装卸完全依靠司机人眼识别和对位的工作方式。该技术的应用在降低了人员劳动强度的同时提高了装卸效率，进而总体上提升了码头盈利能力。随着技术成熟度提高和实现成本逐渐降低，集卡停车对位系统将逐渐成为沿海甚至内河集装箱码头的标配系统。

参考文献：

[1]陆化普，史其信. 智能运输系统研究发展动向与启示[J]. 科技导报，1996，（10）：54-57.

[2]王宇锋. 国内外智能交通系统现状简介[J]. 硅谷，2008，（23）：181.

[3]毕艳飞，单磊，黄旭东，刘春明. 自动化集装箱码头水平运输定位技术[J]. 集装箱化，2018，v.29;No.322（05）：18-22.

[4]王继勇. 岸边集装箱起重机拖车对位系统在天津港研制成功[J]. 港口装卸，2001，（01）：6.

[5]徐宝兴，张晓鹏. 集卡停车定位检测系统设计与应用[J]. 港口科技，2017，No.136（06）：29-33.