双箱吊具轮胎式场桥自动化改造_梅建奎.pdf

0引言随着全国智慧港口、绿色港口建设步伐的加快，传统集装箱码头自动化改造工作进入快车道，单箱吊具轮胎式场桥和轨道吊自动化改造技术实现新突破，并在全国港口推广应用。单箱吊具轮胎式场桥自动化作业可实现“一对多”或“多对多”等操作模式，从而减少劳动力成本，改善操作工艺，降低待机空耗，并有效提高设备的利用率。由于采用远程控制技术，不仅降低司机的工作强度和患职业病的概率，还大幅减少安全事故发生的频次。在我国北方港口，传统双箱轮胎式场桥的占比超过 60%，是生产作业的主力设备。双箱吊具轮胎式场桥自动化作业技术是自动化改造的难点之一。为推动天津港绿色智慧枢纽港口建设，弥补该领域空白，天津港联盟国际集装箱码头有限公司（以下简称“联盟国际公司”）在单箱吊具轮胎式场桥自动化改造成功的基础上，率先开展双箱吊具轮胎式场桥自动化改造工作。1改造目标1.1双箱远程自动化作业双箱远程自动化作业需要具备多项技术条件支持，例如满足双箱指令分发、双箱吊具中锁机械动作精度控制、双箱集卡引导、双箱箱号识别、双箱箱门定位、双箱箱缝检测、双箱高低贝位箱偏差角度检测、双箱抓放箱对位检测、地面一层箱对位检测、远程双箱对位视觉等。1.2双箱与单箱自动化作业互相兼容双箱吊具与单箱吊具在机械结构和动作点位上存在差异，双箱吊具作业增加了“中锁上下”“中锁伸缩”“中锁记忆位”等动作点位。司机在作业过程中根据实际作业环境和作业指令实现双箱与单箱作业兼容，并在作业模式上形成互锁，确保作业的准确性和安全性。1.3双箱作业指令逻辑与单箱作业指令逻辑兼容双箱作业指令实际上是指生成 1 次进行 2 条20 英尺集装箱作业指令，而场桥在作业过程中需要在 1 个 40 英尺箱位作业来实现“高低贝位”2个 20 英尺箱位同时作业的目的。双箱作业指令需满足 1 个 40 英尺单箱作业的情况下完成双箱作业，故单箱指令、双箱指令与作业模式必须匹配。1.4双箱平均作业效率双箱作业区别于单箱作业的地方还在于双箱作业对堆场内集装箱的叠箱质量和集卡上的双箱偏差角度要求较高。为满足实际生产需求，双箱作双箱吊具轮胎式场桥自动化改造摘要：为推动天津港绿色智慧枢纽港口建设，完善双箱吊具轮胎式场桥自动化作业技术，天津港联盟国际集装箱码头有限公司在单箱轮胎式场桥自动化改造成功的基础上，对双箱吊具轮胎式场桥自动化改造进行技术攻关，通过在双箱吊具上增加安装视觉相机、激光传感器等元器件，利用探测的数据进行分析、控制设备运行，顺利完成自动化作业，为传统集装箱码头双箱吊具轮胎式场桥自动化改造提供一定的技术基础。关键词：港口；双箱吊具轮胎式场桥；自动化改造梅建奎，王勇，王晓磊（天津港联盟国际集装箱码头有限公司，天津300461）港口科技 智慧港口13业平均效率必须不低于 18 自然箱/h。2改造内容2.1双箱指令TOS 需具备智能“搭对”规则，即将满足双箱作业的 2 条 20 英尺单箱指令转成 1 条双箱指令，并同单箱作业指令数据交互模式保持一致，同时具备指令获取、释放、确认、异常消息获取等功能。“搭对”规则主要包括 2 个 20 英尺集装箱、同场地、同列、同层、同车、相邻贝位、箱重、箱型、箱属、货属性等关键信息。操作系统根据“搭对”规则实现单箱转双箱作业。因双箱实际作业产生的是 2 条 20 英尺集装箱单箱指令，而实际作业过程中吊具为 40 英尺吊具且作业贝位为 2 个 20 英尺集装箱贝位的中间贝位，故系统在获取到双箱指令后需对指令进行再细化。双箱指令整合、拆分、确认流程见图 1。2.2双箱流程和异常处理逻辑在作业过程中，系统由单箱搭对完成双箱航运作业和陆运作业。双箱作业受堆场叠箱质量和拖车双箱偏差或错位、场图异常等因素影响，系统必须具备相应的异常处理逻辑功能。双箱作业及异常处理流程见图 2。图 1双箱指令整合、拆分、确认流程图 2双箱作业及异常处理流程开始获取作业指令低贝 20 英尺指令高贝 20 英尺指令整合数据高低贝 40 英尺指令作业完成拆分指令低贝 20 英尺指令高贝 20 英尺指令打包确认指令结束TOS接口航运双箱构建陆运双箱异常处理场图信息指令信息搭对规则20 英尺、同场地、同列、同层、同车、相邻贝、箱重、箱型、箱属着箱失败前后箱异常指令与场图不符偏载、超重确认后场位不符确认指令异常接口通信异常转人工双箱转单箱陆运双箱航运双箱港口科技 智慧港口142.3双箱吊具改造需要在单箱自动化作业的基础上进行改造，主要是在中锁位置新增 6 个视觉相机和 4 个传感器，以实现检测和对位功能。双箱吊具改造清单见表 1。双箱吊具自动化改造新装部件点位图见图 3。2.4双箱引导双箱的高贝位箱与低贝位箱之间的箱缝隙长度不是固定的，这主要是由单箱作业误差或箱子在运输中的颠簸等原因造成的。基于上述原因，双箱引导的标准位置即基准线也不能完全固定，序号12345678910编号7号视觉相机8号视觉相机9号视觉相机10号视觉相机11号视觉相机12号视觉相机14号传感器15号传感器16号传感器17号传感器类型相机相机相机相机相机相机传感器传感器传感器传感器用途检测锁孔、对锁视角检测锁孔、对锁视角检测锁孔、对锁视角检测锁孔、对锁视角人工抓箱对锁视角人工抓箱对锁视角高低贝箱缝扫描吊具目标箱偏差检测吊具目标箱偏差检测吊具中锁磁尺伸缩精度表 1双箱吊具改造清单图 3双箱吊具自动化改造新装部件点位图需要根据扫描或检测到的双箱之间的距离进行推算，得出新的基准线，最终实现双箱引导。双箱引导基准线及箱间距示意图见图 4。2.5双箱中锁伸缩精度控制为实现双箱吊具中锁自动伸缩匹配目标箱，系统需要对双箱中锁伸缩精度进行控制。为此，在吊具中锁两端采用点激光测量中锁之间的距离，其测量精度为毫米级。系统将吊具在合并极限状态下中锁之间的距离标记为 A1，中锁伸展开后的距离标记为 A2，中锁实际展开的距离标记为A2-A1。通过控制中锁精度和测量到的箱间距，确保吊具边缘与目标箱边缘位置基本重合，实现抓放箱目标。单点传感器测距示意图见图 5。2.6双箱箱间距检测双箱之间的距离检测对双箱自动化作业起着图 4双箱引导基准线及箱间距示意图（小车方向）10 号视觉相机15 号传感器12 号视觉相机9 号视觉相机17 号磁尺传感器14 号传感器（大车方向）11 号视觉相机16 号传感器7 号视觉相机8 号视觉相机箱缝隙后箱基准线前箱基准线港口科技 智慧港口15关键作用，系统采用 2D 扫描仪和视觉相机 2 套冗余检测方案来实现，二者互相校验以实现中锁 X方向基础对位。（1）方案 1。在吊具底部中心位置安装 2D 扫描仪，用于扫描吊具底部 2 个箱子的箱间距，判断吊具中锁需要伸缩的长度。2D 扫描仪工作原理见图 6。（2）方案 2。在吊具中锁部位安装 4 个视觉相机（即图 3 中的 710 号视觉相机），系统通过吊具中锁视觉相机检测吊具下方目标箱锁孔，测算 2个相邻箱箱孔之间的距离，获取箱间距进行吊具中锁伸缩。视觉相机工作原理见图 7。2.7双箱箱门检测2D 扫描仪检测时需要考虑 2 个箱子之间的箱门朝向问题。有箱门和没有箱门的一边，两者箱子的外边角轮廓不一致。有箱门的一边边角缺损4 cm，在中锁逻辑控制中须做重点分析。吊具左右两端安装的 5 号视觉相机和 6 号视觉相机，在作业过程中用于检测箱门特征并确定箱门朝向。箱门朝向检测示意图见图 8，单箱吊具自动化工作布置图见图 9。图 5单点传感器测距示意图图 62D 扫描仪工作原理图 7视觉相机工作原理图 8箱门朝向检测示意图图 9单箱吊具自动化工作布置图44 mm单点传感器2D 扫描仪扫描到的箱缝隙视觉相机箱孔间距箱孔箱门朝向内侧箱门朝向外侧箱缝隙（小车方向）8 号传感器7 号传感器4 号视觉相机9 号传感器5 号视觉相机1 号传感器1 号视觉相机2 号传感器2 号视觉相机3 号传感器4 号传感器（大车方向）10 号传感器6 号视觉相机5 号传感器6 号传感器3 号视觉相机港口科技 智慧港口162.8双箱层高扫描单箱层高扫描仅需扫描到当前作业贝位层高信息，而双箱层高扫描需要同时扫描到小车前方和后方 2 个相邻贝位箱层高信息，当其中任意一个贝位出现作业层高与指令不符时立即停止作业。在场桥小车顶端吊具前后方向安装 4 个扫描仪（或 2 个多线扫描仪）。双箱层高扫描侧视图见图 10，双箱层高扫描俯视图见图 11。2.9双箱箱号识别双箱作业时需要同时检测匹配前后箱的箱号信息。系统利用吊具左右两端安装的 5 号视觉相机、6 号视觉相机对集装箱顶部箱号和门部箱号进行视觉检测识别，并将识别到的结果与指令信息进行逐一匹配，若检测结果异常则转人工进行核对。集装箱顶部箱号识别截图见图 12，集装箱门部箱号识别截图见图 13。2.10双箱自动抓箱双箱自动抓箱在解决了双箱引导、双箱箱间距检测、双箱层高匹配、双箱偏差角度定位、双箱箱号检测等关键技术后，其外轮廓边角定位复用单箱对位模式。双箱作业具备特有的“记忆位”功能，可提前设定记忆位，节省检测对位以及机械动作耗时，设定记忆位步骤为：车道抓放箱正常状态下双箱吊具中锁伸缩状态设定为记忆 1；箱区抓放箱正常状态下双箱吊具中锁伸缩状态设定为记忆 2。系统通过吊具上安装的视觉相机和扫描仪，检测目标箱箱孔和目标箱边缘轮廓线，实现吊具与目标箱定位，通过小车微动和吊具倾转实现对位。吊具在自动下降抓箱过程中，采用边下降边检测方式，当发现对位异常时吊具停止下降，再次调整后继续下降，在吊具没有微动装置的情况下通过电子防摇、钢丝绳防扭等方式最大程度减少吊具晃动，实现自动抓箱。2.11双箱自动叠箱双箱自动放箱与抓箱一致，同样需要先解决双箱层高扫描、双箱箱间距检测、双箱箱门检测等关键技术，在车道、箱区作业时根据已经设定好的图 11双箱层高扫描俯视图图 10双箱层高扫描侧视图图 13集装箱门部箱号识别截图图 12集装箱顶部箱号识别截图扫描仪扫描仪050607（下转第 31 页）港口科技 智慧港口17“记忆位”提前将吊具中锁伸缩到默认位置，以节省检测对位和机械动作耗时。小车带箱移动到目标箱上方，通过吊具上安装的 2D 扫描仪扫描吊具作业箱、目标箱位与相邻箱之间位置对应关系，实现着箱对位。同时，视觉检测系统利用安装在吊具上的着箱摄像头采集到的图像实时分析吊具上的集装箱相对于下面集装箱的位置，通过调整小车位置、吊具旋转角度来校准上下箱子之间的相对偏差。当扫描仪和视觉检测系统扫描到吊具和集装箱的相对位置同时在允许的叠箱范围内后，吊具开始自动下降进行软着箱。在着箱后利用扫描仪和视觉检测系统检查叠箱后上下的相对偏差：若检测到的偏差在允许范围内则在 3 s 内吊具自动完成开锁及后续流程；若检测到的偏差不在允许的范围内则吊具自动起升 300 mm 后重试，当重试 3 次都不合格则系统自动转成手动叠箱。2.12双箱一层箱放箱系统根据双箱箱区自动放箱记忆位，首先将吊具中锁伸缩到正常放箱位状态，控制吊具下降到放箱列离地面 400 mm 时，视觉检测系统利用安装在吊具上的摄像头采集到的图像实时分析吊具所带的箱子与地面上箱角线的相对位置，并利用吊具上的微动机构调整集装箱与箱角线的距离，当调整到允许范围内时，开始进行放箱软着地。在着箱后视觉检测系统再次检测集装箱相对于箱角线的相对位置：若检查到的偏差在允许范围内则在 3 s 内吊具自动完成开锁及后续流程；若检查到的偏差不在允许范围内则吊具自动起升 300 mm 后重试，当重试 3 次都不合格则系统自动转手动放箱；当检测到的调整范围超过吊具微动的调整范围或调整超时时，系统会自动转成手动放箱；当视觉检测系统扫描不到箱角线时系统支持按照小车标定位置及相邻集装箱之间的距离进行自动放箱。3应用成果经改造后，双箱吊具轮胎式场桥全自动化作业翻倒效率高于 20 自然箱/h，对内集卡全自动化作业效率高于 18 自然箱/h，在优化算法和改进技术后效率还将进一步提升。4结语联盟国际公司双箱吊具轮胎式场桥自动化改造成功，将为国内外港口提供可复制、可推广的经验，为我国智慧港口建设贡献自己的力量。（上接第 12 页）2结语集装箱船舶的大型化使港