场桥和轨道吊自动轨迹控制系统

郝红

摘 要：为了提升场桥（RTG）和轨道吊（RMG）在港口作业中的安全保护，采用激光扫描技术、多传感器组合技术、并融合小车及起升编码器信息，研发自动轨迹控制系统。通过实时获取堆场集装箱堆码信息以及RTG/RMG小车和吊具的位置与运动状态，来控制小车的移动与吊具的升降操作，避免吊具或者吊具吊着集装箱与场内的码放集装箱发生碰撞事故。多个港口的测试结果表明，该系统提升了轮廓信息的准确性，提高系统的时效性，有效避免了碰箱。

关键词：激光扫描测距技术;编码器信息;集装箱码放轮廓信息;防碰箱控制运算

随着国际物流业的快速发展，各国集装箱港口吞吐量不断增长，集装箱堆场内的作业也日益繁忙。高效率的港口离不开高效率的机械设备和高新技术的应用，RTG/RMG作为集装箱码头的重要作业工具，它的效率直接关系到集装箱运输供应链畅通与否。在实际操作过程中，由于堆场上集装箱堆放错落有致、高低不齐，RTG/RMG吊具或吊具下集装箱在吊装过程中稍有不慎，就会撞翻集装箱，并可能导致重大的货物损坏或人身伤亡事故，因此，RTG/RMG自动轨迹控制系统的设计与应用势在必行。

RTG/RMG自动轨迹控制系统要求实时获取堆场集装箱堆码信息以及RTG/RMG小车和吊具的位置与运动状态。在RTG/RMG进入集装箱堆区作业时，系统自动检测RTG/RMG所在贝位的集装箱码放轮廓信息，通过控制小车的移动与吊具的升降操作，避免吊具或者吊具吊着集装箱与场内的码放集装箱发生碰撞事故。

1 自动轨迹控制系统

1.1 系统功能

利用激光扫描测距技术，实时获取RTG/RMG小车和吊具的位置与运动状态。在RTG/RMG进入集装箱堆区作业时，系统自动检测RTG/RMG所在贝位的集装箱码放轮廓信息。将识别到的每一列集装箱的位置高度，以及小车位置、吊具高度，并将最终计算结果发送给PLC。

同时系统提供提前预警和软着箱功能，通过控制小车的移动与吊具的升降操作，避免吊具以及吊具吊着的集装箱与场内码放的集装箱发生碰撞;在吊具下降过程中，控制吊具速度减速，避免吊具以及吊具吊着的集装箱与下方集装箱发生碰撞。

另外系统具备安全自检功能，系统故障时发出警告信息，并停止RTG/RMG的起升、小车动作，并可通过切换恢复到原有RTG/RMG的标准吊运模式，不影响原有系统正常工作。

1.2 应用技术说明

1.2.1 激光扫描测距技术

激光测距技术具有范围广、实时性好、精度高等特点。激光扫描仪安装在RTG/RMG小车上，以190度广角范围对小车下方进行高频率扫描，可以获取集装箱堆码的輪廓信息等。

采用双激光测距融合技术，双激光进行无死角扫描，冗余校验，提升轮廓信息的准确性;在更换场地作业贝位过程中，即时更新堆码轮廓信息，提高系统的时效性。

系统对激光扫描的集装箱堆码轮廓信息进行了图像识别的优化处理，例如集装箱颜色对激光反射率的不同，以及雨雾天气的影响。同时，结合集装箱自身箱体尺寸的不同，如标准箱与超高箱的高度的不同进行数字化建模处理。图像识别的优化和数字化建模提高了激光扫描技术对集装箱堆码轮廓的识别能力和数据可靠性。

1.2.2 多传感器组合技术

系统结合了激光扫描仪信息、小车编码器及吊具起升编码器的信息，实时反馈RTG的吊具空间位置，从而定位作业的箱位信息。激光扫描的信息和编码器的信息融合，增加了系统的鲁棒性、安全性。

2 系统总体方案

2.1 系统逻辑图

防撞系统包括GALAXY IPC-SP控制器、2台激光扫描仪、电源模块、交换机。

系统硬件核心设备是激光扫描仪和GALAXY IPC-SP控制器，其与PLC、指示灯和控制开关等设备共同实现防碰箱控制。系统逻辑图如下图所示。

2台激光扫描仪安装于小车下部，使用190度扫描角度对箱区进行扫描。

GALAXY IPC-SP的功能是实现激光扫描仪的控制和数据采集、集装箱堆码的图像识别计算和进行防碰箱控制运算等功能，并通过与PLC接口实现信息的获取和控制命令的下发。

PLC将小车编码器、起升编码器、开闭锁状态等信息发送GALAXY IPC-SP控制器，并接收控制器的指令实现控制的执行。

系统提供1个旁路开关，控制启停防碰箱功能。相关状态也可以通过指示灯、CMS屏显示。

2.2 设备安装

激光扫描仪安装于RTG小车平台的下方，数据电缆连接到小车驾驶室内的GALAXY IPC-SP控制器上。SPS UNIT机箱安装在司机室内的电气柜旁，由电气柜内220VAC电源供电，GALAXY IPC-SP控制器提供两个接口分别连接PLC通讯模块、激光扫描仪设备。

3 系统工作原理

系统硬件核心设备是激光扫描仪和GALAXY IPC-SP控制器，其中激光扫描仪选择190度扫描仪设备，GALAXY IPC-SP的主要功能是优化扫描仪在集装箱堆码的图像识别率和进行防碰箱控制运算等功能。

3.1 吊具和小车的定位

通过激光扫描可获得小车和吊具的实时精确位置;同时系统可利用小车编码器、吊具起升编码器信息对已获得的吊具位置进行校验。

3.2 集装箱堆码扫描

激光扫描仪对其正下方进行190度扫描，可以获取集装箱堆码的轮廓图，扫描数据经过GALAXY IPC-SP处理后，结合历史激光数据，形成可靠的集装箱堆码轮廓信息。

3.3 定义安全区域

GALAXY IPC-SP控制器根据集装箱的堆码轮廓图，设置保护区域。离集装箱最近的是禁行区，其次是安全限制区，在此外安全区。

3.4 防碰箱控制

在司机作业操作小车与吊具向场内集装箱运动的过程中，系统自动检测吊具当前位置。当吊具在安全限制范围内运动，PLC对司机操作进行限速或停止，保证吊具和负载与场内集装箱保持安全，司机可以手动回零，之后即可慢速控制吊具前进。而吊具在安全限制范围以外运动，则允许全速行走，司机可以实现安全的抛物线操作，保证司机作业效率不受影响。

在吊具靠近集卡时，系统将控制吊具慢速，以避免吊具或吊具带箱与集卡发生碰撞，保护集卡和集卡司机的安全。

控制策略如下：

RTG作业过程中，吊具高度或吊具吊着的集装箱箱底高度高于码放集装箱高度1米（可配置），小车可以高速通过。

RTG作业过程中，吊具高度或吊具吊着的集装箱箱底高度低于码放集装箱高度1米（可配置），且吊具水平方向距离集装箱小于5米（可配置）时，系统自动发送限速命令，通过PLC控制小车的移动与吊具的升降操作。

RTG作业过程中，吊具高度或吊具吊着的集装箱箱底高度低于码放集装箱高度1米（可配置），且吊具水平方向距离集装箱小于0.5米（可配置），系统识别存在碰撞危险时，自动发送小车停止命令，通过PLC控制小车停止。

3.5 调试软件

调试简易：实时显示集装箱识别轮廓，实时显示吊具运动，实时显示数据接口信息。

维护便利：故障实时诊断，数据记录及下载，便于事后分析和远程诊断。

4 结语

该系统兼容多种品牌PLC，包括安川、西门子、富士、ABB等，已在土耳其ASYAPORT码头、宁波北仑国际集装箱码头和广州集装箱码头等国内外码头的场桥和轨道吊上成功使用。现场检测激光分辨率和测量误差为±30mm，集装箱轮廓检测精度为5cm，小车、起升停车控制距离精度为10cm，吊具识别定位精度（起升和小车方向）为±5cm，系统初始化时间<=3min，有效地提高了RTG/RMG作业的安全性和高效性。

参考文献：

[1]刘俊，李霖.一种基于激光测距仪的扫描匹配方法[J].测绘工程，2018，05：64-71.

[2]郑子骜.关于高速公路大型客车防撞测距仿真[J].计算机仿真，2018（6）;167-171.