基于单机激光视觉融合的自动化码头集卡安全预警系统

时宏强

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

随着激光和视觉技术的发展，基于激光及视觉技术的系统应用日益广泛。集卡事故是集装箱码头较为常见的事故之一，集卡和集装箱之间的相对距离检测是传统码头轨道式龙门起重机(以下简称轨道吊)的标配安全系统，即单机集卡安全预警系统。传统码头作业工况比较简单，单机集卡安全预警系统只需在轨道吊靠近车道侧的固定位置进行设备安装，即可满足防护需求。但对于自动化码头，由于其作业方式及堆场布局均与传统码头有很大不同，单机集卡安全预警系统已无法满足自动化码头需求，需结合自动化码头的作业特点进行升级及优化。

2 常规单机集卡安全预警系统介绍

单机集卡安全预警系统采用激光扫描测距、模式识别和自动控制技术，实现吊具、集装箱、集卡等的实时位置检测，并根据安全控制策略实现起升机构的运行控制，确保集卡上集装箱的安全起吊，避免生产事故的发生，提升集装箱装卸的安全性。

2.1 硬件系统组成

单机集卡安全预警系统主要设备包含激光组件和系统控制器，与轨道吊上原有PLC系统和功能启停选择开关及蜂鸣器共同实现集卡危险时的预警。激光组件安装于轨道吊大车的集卡车道侧下方位置，数据电缆连接到电气房内的系统控制器上，系统控制器提供接口连接PLC通讯模块。司机室内控制台上安装信号指示灯，提示轨道吊司机系统运行状态。

激光扫描仪扫描的轨迹见图1，激光扫描光束主要扫描位置是集装箱高度、托架边缘厚度、托架表面倾斜角度、机箱和托架的间隙等，通过这些数据综合判断集卡在起吊过程中的安全性。

图1 激光扫描示意图

2.2 单机系统作业流程

在卸车作业过程中，当带箱集卡到位，轨道吊小车到达车道上方，吊具放到集卡集装箱上，旋锁闭锁。吊具起升上升，当吊具松绳和着箱信号消失的瞬间，起升编码器计算出当前的高度，作为拖车+集装箱的高度，PLC通过通讯线缆将相关数据传给控制器。

当吊具起升时，控制器综合起升编码器、集装箱下表面离集卡的距离及集卡底盘的坐标，判断集箱与集卡是否分离。

3 交换区集卡安全预防需求

自动化码头与传统码头在堆场布局上有所不同，传统集装箱码头堆场布局一侧为集卡车道，一侧为集装箱区；自动化集装箱码头堆场布局中间为集装箱区，堆场一头为陆侧交换区，另一头为海侧交换区(见图2)。

图2 堆场布局示意图

基于不同的堆场布局，自动化码头和传统码头的作业方式也存在差异。自动化堆场轨道吊装卸箱作业集中在交换区，由1条作业车道变为5条作业车道；同时当在交换区进行卸箱作业时，禁止集卡车在作业过程中移动，避免安全事故[1]。因此自动化码头对集卡安全性的需求相比传统码头要求更高。具体可包括：交换区5条车道均需实现轨道吊作业中的集卡安全预警；交换区5条车道均是集卡作业，需要更加可靠的集卡安全预警系统，在保障作业效率的同时，降低误报率和虚警率。

4 交换区集卡安全预警系统

交换区集卡安全预警系统采用多种技术融合，包括基于激光扫描测距的模式识别和定位技术、基于人工智能的集卡视觉识别技术、集卡特征跟踪技术，实现对集卡箱车分离的检测以及集卡实时移动监测。

4.1 系统硬件组成

交换区集卡安全预警系统主要设备包含激光云台、摄像机、工控机、系统控制箱，系统组成见图3。其中，激光云台实时监控集卡车托架与集装箱相对位置；摄像机识别当前作业车道的集卡车并对集卡车进行实时跟踪；工控机分为激光扫描工控机和视觉检测工控机，激光扫描工控机主要控制激光扫描，视觉检测工控机主要控制相机拍摄识别；系统控制箱用于驱动激光云台。为实现对每条车道的集卡进行检测保护，激光云台需要安装在相邻两条车道的中间位置。每条车道安装2个相机，为使视野覆盖整个车道，相机对角安装，同时要求像机视野能够覆盖集卡车完整车胎。

图3 系统组成图

4.2 系统通讯及软件接口

系统使用网络通讯和DP通讯。系统内部各个组件之间采用网络通讯，系统与PLC之间采用DP通讯(见图4)。其中线缆1为DP通信线缆、线缆2为动力线缆、线缆3为3D激光数据线缆、线缆4为激光电源线缆、线缆5为相机电源线、线缆6为相机数据线缆。

图4 电缆连线图

4.3 交换区激光应用实例

4.3.1 应用实例

在交换区中，每2个车道共用1套激光云台系统，5号车道单独使用1套，布置见图5。自动化轨道吊在距离陆侧交换区200 m范围内接收到或者已经启动了交换区作业指令，PLC启动与系统的数据交换，数据接口中“作业车道”由0变为实际作业车道号，此时系统启动。系统根据作业车道号调用相应的激光云台系统，在3D扫描完成后，系统根据大车位置摆动激光，使激光扫描作业中心位置，即吊具中心。

图5 2号激光云台对准4车道后20 ft集装箱

在图5工况下，系统根据PLC发送的作业车道号，调用2号激光云台，控制激光摆动到4号车道进行3D扫描。3D扫描完成后，系统根据PLC发送的大车位置，控制激光扫描平面摆动到作业中心位置。激光摆动到位时，轨道吊完成对箱及自动着箱动作。系统接收到吊具闭锁信号后，相关集卡检测功能启动，开始对集卡中心位置进行实时监控，识别吊具和集卡拖架的相对位置。

系统持续跟踪集装箱与集卡车的相对位置信息，当吊具起升时，系统综合起升编码器、集装箱下表面离集卡的距离及集卡底盘的坐标，判断集装箱与集卡是否分离；若未分离，则系统向PLC发送报警信息，否则集卡安全预警系统持续运行直至吊具起升高度超过系统检测区间。

4.3.2 集卡安全预警系统控制

系统安全保护触发后，吊具只能以10%的额定速度慢速下降，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，允许集卡司机将锁头打开，继续工作。

系统在远程监控系统或远程操作台人机交互界面提供状态指示。当集卡安全预警功能处于停用状态、使用状态或者系统发生故障时，进行相关状态显示。

系统在远程控制台上设置功能旁路选择开关。当功能旁路选择开关处于“关”位置时，集卡安全预警功能停用，吊具起升不具有集卡安全保护功能。同时设置单次旁路开关，当集卡安全预警系统触发报警时，吊具停止上升，指示灯亮起，司机可按下旁路开关，进行单次控制旁路；当集卡安全预警系统未触发或停用时，指示灯熄灭。

4.4 视觉检测功能的应用及拓展

此系统能利用码头车道原有的前后高清摄像头，基于深度学习神经网络技术，采用目标检测算法，预测目标的边框、识别目标的类别，从而实现目标检测。

4.4.1 视觉检测在车道垂直方向上的应用

在集卡车的箱车分离阶段，视觉检测系统采用基于精准尺度预测方法的实时视觉跟踪算法，对检测到的集卡车轮进行实时运动跟踪，以轨道吊起升下降时的集卡轮胎位置为基准位置，并在系统中标注基准框(见图6)。在整个作业运行阶段对前后车轮上下位置进行像素级别的比对，系统判断偏移值是否超过设定的阈值，如果没有，说明集卡及集装箱正常分离；如果超过阈值，说明集卡和集装箱被同时提升，此时发送预警信息给PLC，紧急停止。

图6 后摄像头视角及轮胎标准框

4.4.2 视觉检测在车道水平方向上的应用

自动化码头堆场要求集卡车在交换区停到相应车道，在作业时需保持静止，以便轨道吊抓放箱的扫描。基于此需求，视觉检测拓展了集卡移动检测的功能。和垂直方向上的检测相同，以起升下降过程中的轮胎位置为基准，在作业运行阶段对前后轮的左右位置进行像素级别的比对，系统判断偏移值是否超过设定的阈值，如果没有，说明集卡未移动；如果超过阈值，说明集卡移动，此时发送预警信息给PLC，紧急停止。

4.4.3 视觉检测在人员保护方面的应用

自动化码头堆场在交换区的作业运行中，集卡司机是禁止进入车道内的。视觉检测同样可拓展出人员入侵功能，可继续以前后轮为基准框，无论集卡司机从哪个方向进入作业车道内，势必会遮挡基准框，此时系统同样判别偏差值超过设定阈值，发送预警信息给PLC，轨道吊紧急停止。

4.4.4 视觉检测系统在箱门检测方面的应用

车道前后都有摄像头，无论单40 ft箱和双20 ft箱门前后都可覆盖，后续可基于大量的视觉深度学习，进行箱门方向的特征判别，通过PLC反馈给码头运营管理系统，已便于后续调箱门作业的流程一体化，优化作业效率。

5 结语

该系统可实现对自动化堆场交换区车道的安全保护，拓展集卡移动检测及人员入侵的报警功能，有效提升自动化轨道吊的安全性和可靠性，并且后续还可拓展箱门检测功能。