感知技术在自动化集装箱码头的应用

耿卫宁

(青岛新前湾集装箱码头有限责任公司，山东 青岛 266500)

共商、共建、共享的“一带一路”倡议为21世纪人类加强经济和文化交流提供了一条崭新路径，提供了中国人民与世界各国人民构建人类命运共同体的新方案[1]。港口是海上丝绸之路的起点，依托于改革开放40多年的技术、资本积累，中国港口体量已跃居全球第一，并建成投产代表港口最高科技水平的自动化集装箱码头。目前，国家大力推进港口产业转型升级，进行智慧港口建设[2]。沿海各省纷纷成立省港口集团，整合资源、避免同质低层竞争。国内港口纷纷进行传统码头自动化升级改造和新自动化码头建设。自动化码头系统是复杂的巨系统，其终极目标和“中国智造”核心体系一致，即基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式[3]。加快自动化码头的优化升级，推进智慧港口的建设，是顺应全球“工业4.0”革命浪潮的需要，是加快“中国智造2025”建设的需要。本文通过介绍自动化码头状态感知环节现状，探索状态感知发展方向，为自动化码头的完善和升级提供参考。

1 自动化码头状态感知的重要性

自动化码头信息物理系统是支持自动化码头运行的综合技术体系，它构建了一个虚实映射的体系，在该体系中物理系统和信息系统互相作用，数据在两者之间自由流动[4]。自动化码头系统通过状态感知、实时分析、科学决策、精准执行4个环节完成生产服务，见图1。在这4个环节中，数据始终贯穿其中，在数据流动的过程中，物理系统和信息系统实时感知新的数据并不断迭代更新。数据是驱动自动化码头运行的灵魂，而所有的数据均来自于物理系统和信息系统的感知。

图1 “感知→分析→决策→执行”循环

《三体智能革命》[5]对未来智能时代的描述是“始于感知，精于计算，巧于决策，勤于执行，善于学习”。感知是实现自动化、智能化的第一步，感知的及时性、准确性、全面性直接导致后续分析、决策、执行的结果。

2 自动化码头状态感知的类型

2.1 传感器感知信息

自动化码头系统实质是复杂的机器人系统。自动化集装箱码头相对于传统人工集装箱码头，最直观的变化是自动化的设备代替了有人驾驶的设备。传统码头靠“人”感知反馈的环境、箱货、设备自身、任务执行情况等信息，在自动化码头完全靠“机”完成。自动化设备依靠大量的传感器实时、准确反馈信息。各种类型、数量众多的传感器感知信息的方式多用于自动化码头系统单元级的感知。

自动化码头系统使用的传感器包括接近传感器、压力传感器、磁传感器、加速度传感器、距离传感器、光线传感器、重力传感器、超声波传感器、雷达传感器等多种传感器。一台自动化桥吊单机约含400个传感器，主要集中在3台吊具和吊具上架部位，约200个；温度、振动、机构应力感应器32个；整机激光感应系统8套，包括船型扫描系统3套、TDS(target detection system，目标检测系统)1套、SDS(spreader detection system，吊具检测系统)1套、大梁防撞系统2套、主吊具防扭防摇系统1套。

以青岛港自动化码头水平运输设备AGV(automatic guided vehicle，自动搬运车)为例，AGV的运行状态、作业环境通过传感器感知，见表1。AGV通过感应地面埋设的磁钉确定车辆位置，AGV通过限位感应确定载运集装箱位置，AGV通过角度编码器感应车轮转角，AGV通过温度感应确定是否需要启动空调给电池降温，AGV通过压力传感器感应轮胎气压，AGV通过重力感应确定空、重载情况，AGV通过激光扫描仪确认前进路径是否有障碍物。同时，设备管理人员通过系统对设备感知状态来判断设备是否运行正常，见表2。

表1 AGV单机部分传感器

续表1

表2 AGV前端车桥速度反馈

自动化码头为海边露天作业，作业强度为全天候24 h，作业对象为质量达数十吨的集装箱。传感器的选型、安装、维护均很重要，部分传感器的选型要适应高温、低温、高湿的环境；部分传感器的安装既要符合工况需求，又要耐受高频率、高强度的冲击振动；传感器相关参数设定既要确保获取信息的准确，又要避免误报；部分传感器随着使用时间的延长和作业量的累计须进行微调。如桥吊吊具部分传感器，必须能承受每天上千次的剧烈振动；若AGV激光扫描仪设定值过高，就会导致在雨雪天气将雨滴、雪花误报为行车障碍物。

2.2 人机交互传递信息

受限于感知技术发展现状和被感知对象的复杂性，自动化码头系统尚未实现完全的自动感知。在涉及人身安全、高事故风险仍采用人工确认的感知方式。人工对系统感知状态做出确认，确认信息反馈给系统。人机信息交互的方式多出现在人与自动化码头系统级之间的信息交互。

以青岛港自动化码头为例，桥吊作业前激光器扫描船舶作业贝位轮廓，单机自动化根据扫描结果确定桥吊吊具运行路径，因船舶作业环境复杂，扫描结果不能确保100%准确，且船舶作业的高风险性，须人为设定桥吊吊具运行路线的安全高度。因外集卡拖盘钮锁状态、外集卡司机状态尚无法感知，自动化码头与外集卡的交互仍需要外集卡司机通过操作码头一体机设备给堆场自动化系统提供信息。

2.3 网络接口传输信息

自动化码头系统是一个复杂巨系统之系统级系统。其内部有海侧装卸系统、水平运输系统、堆场堆码系统、陆侧集疏运系统、信息处理系统等诸多系统协同运行，其外部与EDI(electronic data interchange，电子数据交换)信息中心、物流中心、集疏运平台、船公司、场站、海关等诸多单位连接。自动化码头系统时刻通过众多接口实现系统内部、系统外部大量的信息传递，见表3。

表3 自动化码头TMS系统与内外部信息传递

3 自动化码头状态感知待优化方面

3.1 全面性

自动化码头系统通过多种感知方式和感知器的泛在连接，实现了自动化码头系统内在任何时间、任何地点、任何设备、任何箱货的状态感知和信息传递。但对自动化码头系统外的被感知对象，仍有感知空白区域。自动化码头桥吊装卸船作业，作业过程中的集装箱船舶受潮水、涌浪、装卸进度等因素影响，船体姿态不停地发生变化，而自动化桥吊主吊具对这种状态变化的感知尚处于空白，尤其是吊具在甲板下的船舱内作业时，船舶的倾斜度对作业安全影响很大，一旦吊具姿态与船舶倾斜度不匹配，易造成卡槽事故(卡槽指吊具卡在船舱导槽内，不能起升也不能下降)，这是目前自动化码头桥吊作业最大的风险。集装箱船舶配备自动调平系统，系统能实时感知船体姿态，该信息没有与码头系统共享，造成感知空白区域。自动化码头系统应加强与外部的连接，提高状态感知的全面性。

3.2 精确性

受制于被感知对象的复杂性和感知环境的局限性，自动化码头系统部分信息的感知精确性有待提高。以自动化闸口的OCR(optical character recognition，光学字符识别)为例，集卡驶过闸口时触发OCR系统，OCR系统通过图像识别技术识别集卡、集装箱信息，尽管识别率已接近100%，见表4。但动辄以百万为统计单位的闸口进出量，很低比例的人工辅助识别也消耗大量的人力资源。

表4 自动化码头闸口OCR识别率

3.3 自动化

受制于被感知对象的不确定性和感知技术的发展水平，自动化码头系统部分信息的感知需要人工辅助。例如船型扫描安全高度的设定、集装箱装卸船时钮锁确认、外集卡与自动化轨道吊的交互等。墨菲定律[6]指出“如果有两种或两种以上的方式去做某件事情，而其中一种选择方式将导致灾难，则必定会有人做出这种选择。”在高频率的自动化作业模式下，“人”的行为是非标准、非恒定的，“人”的行为会因环境、情绪等因素变化，“人”是靠不住的[7]。自动化码头集港时，外集卡司机通过一体机与堆场自动化轨道吊进行信息交互，确保安全。一旦外集卡司机在确认托盘钮锁是否打开、集卡车盘是否被吊起时两个环节给系统错误信息，就会导致集卡拖盘被自动化轨道吊吊起。因此，标准化、自动化的工业模式应逐步将“人”从台前驱逐至幕后，将“人”的行为逐步从生产线中剔除。自动化码头为确保状态感知的准确性，应逐步使用自动化感知方式替代人机交互传递信息的感知方式。

3.4 信息上传层级待明确

自动化码头系统单元级、系统级、系统之系统级的三级划分非常明确，但每一层级信息上传层级尚不清晰，部分信息上传层级过高，增大了高层级信息分析量，不利于问题的快速解决。以人体的眨眼反射和膝跳反射等非条件反射为例，人体感受器收到刺激后，传入神经将信号传递给神经中枢，神经中枢做出决策并通过传出神经传递信号，效应器做出相应反应[8]。此过程中，神经中枢并非大脑，眨眼反射的神经中枢是脑桥，膝跳反射的神经中枢是腰脊髓。决策在更低的层级做出既确保了快捷性又降低了大脑的负担。同理，自动化码头系统很多感知信息上传层级应明确，在更低层级决策更有利于系统运行的快捷性和稳定性。

4 结论

1)自动化码头业务流程、设备运行均已实现数据驱动。数据来源于状态感知，状态感知是自动化码头系统运行的初始环节和关键环节，状态感知直接影响后续实时分析、科学决策、精准执行3个环节的进行。无论是传统码头自动化改造还是新建自动化码头，均应对状态感知进行高度重视和整体规划设计。

2)自动化码头系统从感知信息广度上实现全覆盖，从感知信息程度上实现高精度，从感知信息方式上实现全自动，从感知层级的科学划分等方面仍有很大的研究提升空间。

3)自动化码头与传统人工码头相比，状态感知渠道更为广泛，状态感知技术更为复杂。如何将多种感知技术有机融合，实现状态感知的最佳效果，是自动化码头状态感知长期研究方向。

4)如何解决多系统间复杂接口导致的系统稳定性减低，如何解决大量感知器应用导致的设备复杂性提高、稳定性降低，是自动化码头系统亟待解决的问题。