港口设备门座式起重机智能化技术升级研究

在全球经济一体化加速推进的背景下，各地区间的商品交换愈发密集，我国港口产业随之迅速兴起。特别是在众多港口装卸设备中，门座式起重机（简称门机）因适应多样化的装卸需求、高效率操作及用户友好特性，在码头操作区大量部署，成为了一种关键设备。门机设计上由俩主要结构构成：顶部的旋转部件和底部的支撑结构。顶部旋转部分包含两个主要机构——提升和变幅机构，负责货物的直接搬运；而底部的支承结构主要承担移动作用，调整物体的位置。在门机这种重型工程设备中，由于作业区域广泛，传统操作主要依赖于驾驶室内的操作员手动控制，极大地增加了劳动强度，作业效率也难以得到保障，也会带来潜在的安全隐患。随着港口处理能力的持续增长，单一操作模式不足以满足现代港口作业的需求，现实中亟需采用多个设备联合作业的方式优化效率。为了跟上港口现代化的步伐，门机自动化与智能化升级愈发迫切，它的应用极大地减轻了操作员负担，增强了企业竞争力。得益于自动化、物联网和5G通信技术的飞速进展，现今集装箱卸货机的智能化改造已成为现实。传感器技术、激光扫描成像及可编程控制设备方面的技术突破，也为门机的准确定位、三维空间建模和自动化流程管理提供了更充分的技术支撑。鉴于此，本文着重探讨了从精确定位检测、三维视觉重构、路径优化到机器协同操作以及用户交互等多个层面，提出了一套综合的门机操作方案，以期为门机的智能化进程奠定基础。

1、门机的智能升级转型分析

针对装卸作业的不同阶段和门机的特殊性能，门机的智能升级可分为全自动和半自动操作两种形式。货舱满载时，全自动模式启动，进行自动化抓取和释放，设备与周围环境之间会保持安全距离。相对来说，清仓阶段采用半自动模式，操作员手动指定作业位置，系统负责接管其余流程，操作较为安全，人为误差减少。

门机操作涉及复杂的环境，需要满足多变的作业需求，因此传统手动操控已显不足。智能化升级的挑战主要包括设备的精确定位、三维环境建模、以及多机器协同等问题，技术升级时，需以下面几个要点为依托实施：

• 精确监测、检测位置：门机具有体积大、结构复杂的特点，实施精确的位置监测是优化控制的先决条件
• 三维空间建模与路径规划：采用高级建模技术，为门机提供清晰的作业路径规划，避免设备之间的冲突。
• 系统可靠性与协同作业：关注系统稳定性与设备间的有效协同，提升作业连续性，实现较高的安全性。
• 优化人机交互：提高操作界面的友好性，改善实时响应能力，操作员能及时、准确地控制设备。

2、门机精准定位及检测技术

2.1起升机构精准定位

提升组件主要负责物品的垂直运输，包括动力源、传递机制、吊挂设备、制动系统、保护装置及其他辅助工具，该组件的性能决定了门机的整体工作效率。为优化门机提升系统，可引入一种高级的多圈绝对值编码器，具有高度的定位准确性和稳定性，能够抵抗外界干扰，避免因运行中的误差积累导致定位不准确。该编码器能在断电后保持测量值，避免因停电重置位置数据，性能优越，成为了循环运动过程中理想的位置检测工具。将这种编码器安置在门机的钢丝绳卷筒末端，与之前置于电机末端的编码器进行数据配对，可双重校验位置信息，使吊钩定位更准确。设定起始点，在自动化操作过程中精确追踪吊钩位置。数据相互验证可将位置信息的精度控制在±50mm范围内，显著提高作业效率。

表1机构精准定位参数

2.2精确控制变幅机制

变幅机制主要用于调整吊具或吊载物品在水平方向上的延伸距离，可在最大和最小的起重范围内移动物品，扩展作业区域，使得设备灵活性增强。该调节过程主要发生在负荷状态下，是起重机作业循环的组成部分。传统的变幅系统缺少变幅位置的反馈验证过程，因此在该系统中增设了一种绝对值编码器，该编码器被安置于变幅机构的齿轮末端，用于测定变幅齿条的具体位置。分析变幅齿条的位置数据与臂架的伸缩程度，可得到具体的变幅位置。与存在于起重机的力矩限制装置中的倾斜传感器进行数据交换，辅以绝对编码器的数值核对，可将测量位置与实际位置之间的定位精度控制在±100mm范围内。变幅过程中还需控制起重机吊具，避免调幅时产生过大的反向摆动，因此需要精确调节变幅速度，减少摆动幅度。

表2精确幅度控制参数

2.3精确控制旋转机制

旋转机制包括旋转支持和驱动装置，该机制可使起重机转动部件相对于静止部件进行旋转，允许悬挂货物在与起重机中心轴线垂直的平面内旋转，即使在移动机构停止时也可更改货物水平面位置。由于旋转操作方面的特殊需求，集电滑环的应用可以实现360度水平旋转，旋转系统依靠驱动两个行星齿轮在固定大齿圈上旋转，使起重机的上半部分发生转动。在系统中添加一个从动齿轮，安装在附近行星齿轮旁，保持与行星齿轮的同步转动。在从动齿轮轴上安装一个多圈绝对值编码器，于系统中增设两个电感式接近开关，固定在两个行星齿轮附近，两个开关在旋转平台上的安装位置形成180度水平角。在适当位置安装单一感应块，使每个接近开关能够检测到的位置分别是+90°和-90°,旋转系统旋转至特定角度时，相应的接近开关会被触发，这些开关会基于反馈给旋转角度编码器赋值，利用两个开关之间的相互关系核验数值，使测量位置与实际位置之间的定位精度达到±2°内。旋转阶段中，也需基于精确控制旋转速度防止因转速过快而导致吊具抓斗因离心力产生的摆动，减少因离心力导致的抓斗摆动。

2.4门式起重机的精确定位能力

门式起重机的运行机构允许整个机器沿轨道水平移动，以便调节作业点，这不仅扩展了起重机的作业区域，还提升了工作效率。该机构由三个主要部分构成：承载机构、驱动机构和安全机构。承载机构主要负责支撑整体设备及其负载，确保所有重量均匀分布至基座上；驱动机构则包括电动机、减速机、传动链和制动器等，主要用来推动门式起重机在轨道上的移动，其中涡轮蜗轮减速机与开放式齿轮传动是常见的配合模式。在这个系统中，我们还可以加装一个闲置轮来提高精确度，其尾端装有绝对值编码器，通过计算闲置轮的转动半径来测定移动距离。但是，考虑到港口环境的多变性，轨道上可能积聚灰尘或杂质，这可能导致距离测量出现误差。为了在特定区域精准定位门机，并确保与料斗的有效协同，采纳RFID技术成为一种新方案。这套系统的核心是电子标签，当它进入读写设备的磁场时，由于接收到射频信号，会发送出存储在芯片中的数据；然后读写设备接收并解码这些信号，将其传送给系统进行进一步处理，最终系统会根据预设程序发出相应的命令。为了提高定位的准确性，我们可以在行走轮轨道附近安装预埋码体，并利用这些信息对门机进行准确定位。利用码头上的预埋载体和磁钉读写传感器，可以反向解算编码器的定位值并计算行走的距离。这样的方法可以校正编码器读数，确保测量的位置信息与实际位置之间的误差在±50mm以内，极大地提高了定位的精度和可靠性。

3、三维可视化技术与最优路径生成

3.1三维激光扫描构建系统

构建一个三维激光扫描模型系统是智能化提升的起始点，当前，采用适宜的探测手段测定、构建现实物理信息模型，为远程操控和自动化操作提供了必要的数据基础。目前，普遍采用的三维成像技术有深度相机、激光扫描以及摄影法。深度相机主要依靠特殊光线频率投影实现，但在自然光照和大范围三维构建方面表现不好。摄影法能覆盖更广的区域，但难以直接获得深度信息，容易产生图像重叠，对构建精度产生影响。与之相比，激光扫描在精确度上虽不及深度相机，但在广阔范围内及自然光条件下工作，满足生产实际需要。依托激光距离测量原理，激光扫描系统可将激光投向目标物体表面并接收反射信号，据此测算出与物体的距离，明确物体的空间定位，获取三维点云数据。激光扫描的数据自动化程度高、精准度高，达到毫米级，完全满足目标定位需求。完整扫描数据的工控机处理，进行三维建模，构建起门机自动化控制的整体空间模型，监测模拟轨迹中是否存在不完整操作和潜在的安全风险。

3.2可视化系统

可视化系统在自动化控制系统中等同于操控人员的“视觉”功能，发挥着监控与感知的辅助作用，远程操控人员依赖视频监控画面对现场情况进行观察，在这一系统运行中，需重点控制视频监控的可靠性，保障远控室视频监控画面具有较好的清晰度和流畅性。

3.3生成最优运行轨迹

制定最优运行轨迹可为门机提供一条无障碍且最短距离的运行路径，其中的核心问题是如何确定起重机的最优行进路线，如何缩短装载时间并降低能源消耗。所谓最优路径，是指在考虑起点、终点、环境障碍及运动学、环境及时间限制的前提下，规划出一条避开障碍物、满足动作约束的轨迹。现行技术中，最优轨迹一般依托于实际工作环境求解，该方案根据前述三维建模系统所建立的实际工作场景，设定求解区域，依据物体特定的标志和定位点建立模型解空间，将实际物体路径规划转化为点位路径规划。依据起始状态、终止状态、环境障碍分布及其他指标要求，构建解决方案函数，在解空间中找到满足条件的解答，据此构建最优运动轨迹。最优运行轨迹应保证连续性和完整性，但在整个工作空间构建解空间会消耗大量计算时间。该方案对实际空间进行划分，分离了有无障碍物的区域，排除环境中无关障碍物所占空间，减少无效解的计算量，因此可有效缩短计算时间。

4、结语

根据上文分析可以看出，在中国积极推进社会主义现代化建设的背景下，港口门机的智能化水平有了显著的提升，使得中国港口逐步发展成为了大型化、自动化和智能化的现代化港口，极大地促进了中国的国际贸易进出口业务。本研究围绕门机的精确定位、检测技术、工作环境的三维可视化、运动路径优化、单机运行稳定性及多机协同控制，以及人机交互等多个方面提出了智能化门机控制方案，为门机智能化升级提供了充分的理论支撑，提升了未来实践的可能性。尽管研究过程中还危险源的识别与处理、实际物理模型的调整及时间维度的模型统一等技术难题，但随着自动化技术的不断进步，我们期待门机智能化操作可以迎来更新的技术发展环境。