抓斗门座起重机关键技术研究与应用

吴宇震 刘金旭 陈之坤

山东港口渤海湾港集团有限公司 潍坊 261000

0 引言

随着海运贸易在世界范围内的发展，特别是国家“一带一路”倡议的提出，港口货物的运输规模呈逐步增长的趋势；而在港口货物的运输中，各种起重设备在船舶装卸过程中更是起着非常相当关键的作用。通过对我国干散货码头自动化技术发展情况的调研，初步掌握了码头前沿装卸作业工艺、设备及其自动化水平。调研结果显示，目前港口码头在用的门座起重机主要分为吊钩门座起重机、抓斗门座起重机和集装箱吊具门座起重机3种类型，而三者中又以抓斗门座起重机最为主要，同时也是门座起重机中保有量最大的重要机型。

随着国内各大港口自动化码头建设方兴未艾，传统码头的自动化升级改造也成为智慧强港、科技兴港的新蓝海。其中，设备自动化是其中最重要的环节[1]。门座起重机具有作业方式多样、机动灵活、集约码头土地面积、安全高效等特点，在港口码头的应用广泛。但是，传统门座起重机的抓取、放料、抓斗防摇、设备防撞等作业操作主要依靠司机的经验判断，对设备的安全性和可靠性是很大考验[2]，对司机经验的依赖性很高。为提升港口作业智能化程度，优化作业人员工作环境，提高设备安全性及可靠性，众多港口企业、科研院所等单位相继开展了门座起重机自动化研究。

1 门座起重机关键技术研究现状

目前，门座起重机的自动化尚处于起步阶段，与自动化集装箱码头相比，若要实现散货码头的装卸自动化、调度智能化、流程可视化，需挑战更复杂的设备控制及更多变的应用场景。门座起重机是一种有轨回转式臂架起重机，主要由起升机构、变幅机构、回转机构、运行机构等组成，其运行轨迹复杂，回转机构进行圆周运动，变幅机构和起升机构则在回转机构圆周运动的基础上进行不同方向的直线运动。为实现门座起重机的自动化，需在起重机上增加各类智能传感装置（如绝对值高度编码器、幅度编码器、角度传感器、张力传感器、激光扫描与三维建模设备等），精确检测出实时起升高度、变幅幅度、旋转角度、货物质量等，通过实时扫描建模系统识别货垛形状、货位高低、船舶舱口位置等对取料和卸料位置进行坐标设定，最终实现门座起重机较高程度的自动化装卸作业。

目前，国内多个港口进行了门座起重机的自动化改造项目，其中比较典型的有东营港自动化抓斗门座起重机改造、连云港抓斗门座起重机半自动联动控制系统、赤湾港自动化抓斗门座起重机改造、黄骅港自动化抓斗门座起重机改造、张家港自动化抓斗门座起重机改造、石臼港区自动化抓斗门座起重机改造等项目。

2 门座起重机关键技术研究

抓斗门座起重机关键技术研究与应用深度融合工业物联网、移动互联网、人工智能、自动控制和智能识别等先进技术，结合干散货码头实际情况、发展需要和存在的问题，攻克了多项技术难题，主要包括基于全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的高精度定位冗余控制系统、高精度智能三维扫描技术、抓斗智能防摇技术、甩斗及掏舱作业技术、多机安全防撞系统、多机协同作业技术、门座起重机智能运维技术、智能综合安防系统、基于人机界面（Human Maching Interface，HMI）的远程操作平台、自动化门座起重机标准化等。

2.1 基于GNSS 高精度冗余控制定位系统

基于GNSS 高精度冗余控制定位系统主要包括门座起重机的起升定位系统、变幅定位系统、回转定位系统和大车行走定位系统。基于GNSS 技术的高精度定位方法根据各机构的结构特点和安装方式，采用绝对值编码器结合3D 激光扫描、增量型编码器与绝对值编码器冗余控制、绝对值编码器＋GPS 系统、增量编码器＋绝对值编码器＋FLAG 板等定位方式，对门座起重机的起升机构、变幅机构、回转机构和大车行走机构进行定位。同时，利用专用实时动态载波相位差分技术（Real-Time Kinematic，RTK）基站与移动接收站的配合，对作业场地进行数字化标定，实现对门座起重机的各机构进行坐标系矢量实时定位，得到各机构的实时位置信息。同时，激光扫描仪也实时对抓斗进行定位扫描，通过抓斗相对于臂架的位置信息实时获取臂架的位置，通过GNSS 定位系统计算出臂架的相对位置，实现门座起重机的自动化安全作业。

2.2 高精度智能三维扫描技术

GNSS 定位系统通过实时获取的RTK 位置计算数据以及通过编码器等传感器获取门座起重机各机构的实时位置数据，对设备进行实时矢量冗余控制。

在门座起重机臂架上安装3D 扫描仪及云台对船舱口和仓内物料、码头前沿有效作业范围进行扫描，并进行仿真处理，形成三维图像及各类信息数据库，形成的3D 扫描多仓效果显示图如图1 所示。智能三维数据采集和处理软件自动为门座起重机规划最优作业路径，并将该信息转化为PLC 控制指令，数据采集处理与三维成像系统和PLC 控制系统之间进行数据实时交互，实现抓斗平稳、精确落入最佳取料点，同时稳定地在该区域进行抓取作业。

图1 3D 扫描多仓效果显示图

2.3 抓斗智能防摇技术

传统门座起重机的抓取、放料、抓斗防摇、设备防撞等作业操作主要是依靠司机的经验加以判断，对设备的安全性和可靠性是很大考验[3]，对司机经验的依赖性很高。为提升港口作业智能化程度，优化作业人员工作环境，提高设备本质安全性及可靠性，关键在于突破抓斗防摇这一技术。

门座起重机控制抓斗防摇的方法主要可分为机械控制和电控系统控制。机械控制主要是通过安装相应的机械设备实现防摇；电控系统控制是一种基于电气控制的主动控制方式[4]，通过动力学仿真建模是目前解决抓斗防摇问题的重要手段[5]。

抓斗智能防摇系统主要由PLC 控制器、各机构定位传感器、视频监控装置、CMS 服务器和中控操作台等组成。门座起重机的抓斗和出绳口上架通过钢丝绳软性连接，在自动化作业过程中必须保证钢丝绳始终处于竖直向下的状态，否则抓斗发生摇摆时可能会碰撞到船舱。根据门座起重机整体的机械结构、抓斗规格以及钢丝绳缠绕方式等因素建立精确的匀速圆周运动及单摆数学模型，利用CMS 服务器和PLC 控制器进行实时数据交互，对抓斗运动轨迹的点云特征进行分析，实现抓斗在回转机构和变幅机构的带动下无晃动运行，从而提升抓斗移动过程中的稳定性和安全性，有效地控制了抓斗摇摆时间，提高了门座起重机的作业效率。

2.4 甩斗及掏舱作业技术

基于门座起重机抓斗智能防摇系统，本文拓展开发了甩斗作业技术和掏舱作业技术。利用抓斗智能防摇系统实时计算的特点，能够提前判断减速距离及最终停止位置的功能，可将抓斗稳定、可靠地规划在安全区域内自动化作业，并在此基础上提出甩斗作业和掏舱作业2种技术。进而，利用门座起重机智能防摇系统实时计算的特点，建立AI 人工智能掏舱云数据库，通过大数据分析系统对人工操作进行深度学习，在门座起重机自动化作业时训练出1 套熟练的如同人工操作的掏舱动作，实时智能选取最佳取料点和落料点进行装卸作业。

2.4.1 甩斗作业

甩斗作业的原理是通过计算出当前摆长下的摇摆周期及摇摆距离，在抓斗向前摆动过程中开斗卸料，并计算出抓斗回摆时钢丝绳达到竖直状态的时间点，从而抵消返程时抓斗的摇晃角度，甩斗作业过程如图2 所示。

图2 甩斗作业示意图

2.4.2 掏舱作业

掏舱作业的原理是以抓斗智能防摇系统具有精确可靠的数学模型及算法作为技术支撑，该系统可在抓斗起升行程中保证稳定的防摇效果，使抓斗在下降到甲板下方后仍能快速进入船舱两侧，且保证钢丝绳不摆动，避免和船舱壁发生剐蹭。掏舱作业过程如图3 所示。扫描云台为抓斗行径路线提供边界识别保障，在安全的前提下让抓斗深入船舱内进行定量的物料掏取。

图3 掏舱作业示意图

2.5 多机安全防撞系统

安全防撞系统主要包含软件防撞计算系统和硬件防撞装置2 部分。其中，软件防撞计算系统是通过扫描仪收集船舱的信息，由自动化数据库服务器计算出抓斗与船舱的关系、两者之间的距离从而起到防撞的作用。硬件防撞系统主要包含大车防撞和臂架防撞2 部分，大车防撞是通过安装在大车行走机构上的传感器防止大车在运行过程中与大车轨道上的障碍物发生碰撞，同时通过PLC 检测相邻2 个门座起重机之间的距离，设置安全距离实现防碰撞的功能。臂架防撞是根据机械结构自身特点，通过安装在大车变幅机构、回转机构、机器房、象鼻梁等机构上的雷达防撞传感器实时检测各机构位置信息，通过预留安全距离的方式来实现防碰撞。同时，与高精度定位系统协同，设定防碰撞区域，最终实现防撞功能，解决了门座起重机集群式自动化作业状态下的安全避让与防撞问题，实现了设备安全与作业效率双保障。

2.6 多机协同作业技术

相邻2 台自动化门座起重机协同作业包含相反方向、相同方向和面对面作业等3 种不同的作业方式。其中，以面对面协同作业流程最复杂。通过建立同时在左侧船舱作业或同时在右侧船舱作业数学计算模型，动态检测相邻门座起重机臂架和抓斗的实时位置，通过划分取料区域、共用区域和卸料区域等不同作业区域进行区域申请通行与区域锁定的动态切换模式，实现作业最优路径规划，进而实现多台门座起重机的自动化协同作业，避免相互碰撞，提升作业效率。

2.7 自动化综合安防系统

搭建门座起重机自动化综合安防系统，通过部署在门座起重机上的高清摄像头监控其在自动化作业过程中的运动姿态及作业环境；通过无线网络实时传输至远程控制中心，利用图像智能感知、异声检测等技术实现烟雾报警检测、人员入侵检测、舱口尺寸检测及抓斗防碰撞、清仓作业区域安全联锁、关键部位故障预警以及报警查询等功能。

在烟雾发生、人员入侵期间，系统会持续报警，并生成报警特征数据、报警照片，供后续查找、分析、取证。当门座起重机进行清仓作业时，抓斗运行区域的安全防碰撞主要以舱内的作业区域最复杂，安防系统实时将舱内清仓作业的流动机械的位置与抓斗位置进行安全联锁，确保抓斗在作业区域内不会与流动机械发生碰撞，保证人员与设备的安全。

2.8 基于HMI 系统的远程操作平台

配备带有HMI 系统的远程操作台，操作面板上设有与司机室联动台相同功能的操作手柄和操作按钮，操作人员及管理人员可通过远程操作台操作任意一台门座起重机，也可连接到现场任意一台门座起重机的PLC 控制器并进行监控，查看门座起重机各机构的实时运行状态和历史报警记录，确保了港口的本质安全要求。

2.9 门座起重机智能运维技术

门座起重机智能运维技术包括无线智能温振传感器和钢丝绳全息状态检测系统。通过在门座起重机上加装温振一体采样传感器、漏磁传感器实现设备电动机、钢丝绳等重点部位健康信息的快速获取，通过科学的状态监测算法、基于大数据的精确诊断分析、智能监测与预警、统筹调度等手段大大提高设备维修效率，作到有针对性地预测性维修，加快事故处理速度的能力，降低事故率，从而有效地将每一台设备的维修和管理与设备的运维统一融合起来，为设备的安全、稳定运行提供有力的保障。

2.10 自动化门座起重机标准化

结合表1 所示国内外干散货码头装卸及运输装备相关技术、规范、标准等文件的调研分析，现有国内外关于干散货码头装卸及运输装备安全技术、规范、标准等文件，以及我国在干散货码头、通用码头自动化发展现状及趋势，开展自动化抓斗门座起重机标准的编制。

表1 港口门座起重机现行主要标准

以上标准涉及自动化抓斗门座起重机的技术要求、试验方法、检验规则、标志、随机文件、包装、运输和贮存，适用于港口干散货等装卸作业用的自动化抓斗门座起重机，其主要技术内容包括抓斗门座起重机的基本要求、运行机构自动定位、货物及舱口轮廓扫描成像及识别、抓斗自动防摇、作业任务管理系统、设备状态监控、数据通讯网络等自动化门座起重机必需的硬件和软件设施要求。

标准的制定将能有效指导和规范自动化抓斗门座起重机的设计、制造和使用，促进自动化抓斗门座起重机的推广应用，对我国港口干散货码头、通用码头自动化、智能化进程具有重大的推进作用，对我国智慧港口的建设具有重要意义。

3 结语

目前，自动化门座起重机处于初步应用阶段，本文研究的基于GNSS 高精度冗余控制定位系统、高精度智能三维扫描技术、抓斗智能防摇技术、甩斗及掏舱作业技术、多机安全防撞系统、多机协同作业技术、自动化综合安防系统、基于HMI 系统的远程操作平台、门座起重机智能运维技术、自动化门座起重机标准化等关键技术，为自动化门座起重机技术的大规模推广应用提供了有效的指导，为推动门座起重机全自动化作业提供了技术支撑和实践参考依据，进一步促进了我国港口干散货码头、通用码头自动化进程。