浅析港口设备门座式起重机智能化技术升级
随着经济全球化的不断发展，各地区的货物贸易越发频繁，我国的港口工业也日益发展壮大。在港口码头的众多起重设备中，门座式起重机（以下简称门机）有着非常重要的地位。因其具有装卸种类多种多样、装卸效率高、操作方便等特点，大量装备于码头作业区，得到了广泛的应用。
门机可分为上下两大部分，即上部回转部分和下部支承部分。上部回转部分驱动安装在转台上的两大机构，起升机构和变幅机构，用于执行搬运货物；下部支承部分主要是行走机构，用于执行整机移动。
门机作为大型的工程机械装备，其作业范围较大，传统作业方式仅靠司机室内的操作人员进行操控，劳动强度很大，作业效率不能保证，还存在安全风险。随着码头货物吞吐量的不断加大，单人单机的操作模式已经不能满足现实需求，需要多机协同作业，提高作业效率。为了适应当今港口的发展需求，需要提高门机的自动化、智能化、信息化水平，一方面减小操作人员的劳动强度，提升操作人员的舒适度，提升作业安全水平，体现以人为本的发展思想；另一方面利用先进的工业技术，以科学的方式提升作业效率，增加企业的经济效益。
基于自动化技术、物联网技术以及5G通讯技术的快速发展，集装箱卸船机的智能化技术升级已成为可能。其中传感器的多样化，精确化为门机各结构精确
定位检测提供了支持，激光扫描成像技术等解决了3D空间下的模型重建问题，可编程控制设备的产生为整个自动化作业流程提供了支撑。所以本文从门机结构精确定位及检测技术，工作环境的3D可视化及运动路径的最优化，单机稳定运行和多机协同控制，以及人机交互的等方面做了分析，提出了完整的操作控制方案，为门机智能化升级提供了理论基础和可能。
1、门机智能化分析
门机智能化升级由于货物特点以及门机吊具所限制，在船舱内装卸货物需要分阶段进行，主要分为全自动和半自动，其中全自动化流程应用于满仓阶段，满足自动抓料与卸料，且能有效避免与船舱、船舷、相邻门机的碰撞，整个过程无需操作人员。半自动模式主要应用于清仓阶段，针对复杂工况，由操作员手动选择取料点并控制抓斗落到取料点物料上，激活半自动控制，此控制系统接管起升、变幅和回转机构的控制权，在运行中，能有效避免与船舱、船舷、相邻门机的碰撞，单次流程完毕后，抓斗会自动回到原取料点位置重新下一次进行作业。
在全自动与半自动作业过程中为保证门机运行安全，司机可随时手动介入控制，检测到司机手动介入时立即解除自动化控制。
由于门机空间跨度大，作业环境不稳定，作业对象不固定以及多机干涉的特性，为门机的智能化升级提出了挑战。在整个门机自动化升级的系统构成中，
我们主要拆解为以下关键点：
门机自身各结构的精确定位及检测技术。门机的空间体积较大，各部件尺寸较一般机械结构也有明显差异，所以怎样合理并有效的反馈各结构位姿及整体空间位姿信息是门机自动化控制的第一步，因此门机自身的精确定位及检测是门机智能化升级的首要问题。
3D可视化及最优路径生成。3D可视化分为实际物理模型的三维重建和实时动态图像的更新，其中三维重建技术是一技术难点，需要考虑物体实际空间信息和重建模型信息的匹配，还要考虑自然工作环境下检测传感的建模精度问题。三维重建主要用于门机最优运动轨迹的生成，防止门机出现碰撞以及工序繁琐，耗能耗时的问题。实时动态的更新是为了便于操作人员掌握实际工作状态，便于人为做出判断和处理。
操作系统的可靠性、协同性及人机交互。操作系统的整体可靠性主要依据单机的运行可靠性，单机运行可靠性提升的前提是自适应感知内部或外部的突发情况并做出合理的制动措施。协同不仅是单机内部各系统的协同，更多的是单机与单机之间的逻辑调用和顺序动作。另外，人机交互的可操作性，实时性是职能化操作必不可少的环节，是门机安全操作和人性化操作的保障。
2、门机精准定位及检测技术
2.1起升机构精准定位
任何起重机都依靠起升机构来升降货物，起升机构是起重机最复杂、也是最重要的机构，其性能直接影响整台起重机的作业性能。起升机构包括驱动装置、传动系统、取物吊具、制动装置和安全装置以及其它辅助装置等。
在门机起升机构系统中增加一个多圈绝对值编码器，多圈绝对值编码器的定位方式准确可靠，不容易受到干扰，不会在运行过程中丢失脉冲而导致位置定位错误；同时多圈绝对值编码器测量值不会在设备断电的过程中丢失，在下次上电后，原数值保持不变。这些特点使得绝对值编码器在圆周运行的过程中作为一个理想的位置测量工具。该编码器安装在钢丝绳卷筒尾部，通过与原安装在电机尾部的绝对值编码器计算数据形成相互校验，实现抓斗位置信息的确定。通过初始设定抓斗在卸料点的位置设定，可形成抓斗在整个全自动化过程中的位置信息。经过数据的校验，可实现测量位置信息与实际位置信息之间定位精度达到±50mm以内。
2.2变幅机构精准定位
变幅机构是用于改变吊具或起吊货物水平幅度位置的机构。变幅机构可在起重量的最大、最小幅度之间运移货物，以扩大作业范围和提高工作机动性，这种变幅是在带载条件下运行的，变幅过程是起重机工作周期中的一环；传统变幅机构系统中使用的开环作业状态，没有变幅定位信息校验，因而针对变幅机构系统新增一台绝对值编码器，安装在变幅齿条摇架机构驱动齿条齿轮末端，测量变幅齿条位置信息，通过变幅齿条位置信息与臂架幅度关系确定变幅位置信息，再通过与门机力矩限制器装置中的倾角仪传感器检测变幅位置信息交互以辅助绝对编码器数值校验，可实现测量位置信息与实际位置信息之间定位精度达到±100mm以内。在门机臂架变幅阶段同时需要控制门机吊具抓斗防止在变幅反向上摆动过大问题，这需要精准控制变幅速度，减缓抓斗摆动幅度。
2.3回转机构精准定位
旋转机构是使起重机的旋转部分相对于非旋转部分进行旋转的装置，它使悬停在空中的货物在垂直于起重机中心轴线的平面内进行旋转，进而在行走机构停止时改变货物在水平面的位置。旋转机构包括旋转支承装置、旋转驱动装置。
由于门机回转的特殊性，通过中心集电滑环，实现水平360°回旋。回转机构系统通过驱动两个行星轮在固定大齿圈上旋转实现门机上半部分进行旋转。在回转机构系统中新增一个从动齿轮，安装在门机回转机构系统中一个行星轮附近，该从动齿轮与行星轮同时旋转，在从动齿轮转轴处安装多圈绝对值编码器，同时该系统中增加2个电感式接近开关，安装在门机回转机构系统中2个行星轮附近固定，2个电感式接近开关在旋转平台上对角安装，水平角度成180°,感应块只需增加一个，使每个接近开关感应到感应块的位置为+90°和-90°。当回转机构系统转动到相应角度时，对应的感应开关动作，通过该感应开关的动作给回转角度编码器进行赋值，结合两个接近开关之间关系，实现数值校验，可实现测量位置信息与实际位置信息之间定位精度达到±2°以内。在门机回转阶段同时需要控制门机吊具抓斗防止由于回转速度过快，抓斗因离心力作用，发生在离心力方向上的摆动，通过精准控制回转速度，以达到减缓抓斗在离心力上的摆动。
2.4门机行走机构精准定位
运行机构使整台起重机沿着轨道进行水平移动以调整作业位置，从而扩大起重机作业范围，提高生产率。运行机构由运行支承装置、运行驱动装置和运行安全装置三个部分组成。运行支承装置用于承受起重机整机重量及起升载荷，并将这些载荷传给运行基础；行驱动装置包括电机、减速器、传动装置、制动器等，用于驱动起重机沿轨道运行，涡轮蜗杆减去器配合开式齿轮的传动方式是门座起重机最常用的传动装置。
在行走机构中，可安装一个自由轮，在自由轮轴末端安装绝对值编码器，通过自由轮的半径可以计算出走过的距离，但基于港口环境的复杂性，在作业区域门机轨道上有粉尘杂志降落在轨道上测量距离出现一定的误差，结合实际需求门机定位在一定的区域范围，门机与料斗之间联动需要准确距离，采取RFID新技术，RFID系统的工作原理是：电子标签进入读写器的无线磁场后，接收到射频信号，将芯片中的信息被动或者主动发送某一频率从的信号；读写器通过接受来自标签的信号，对其进行解码后送到系统进行处理；系统针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号。在行走轮轨道附近预埋载码体，通过读取码头预埋载码体信息，磁钉读写传感器根据感应磁钉的内容，反向计算编码器定位值，计算行走距离，对编码器的数值进行校准，可实现测量位置信息与实际位置信息之间定位精度达到±50mm以内。
3、3D可视化及最优路径生成
3D扫描成像技术的应用和3D视场下的定位及目标追踪，是实现门机自动化控制的一个重要环节。
3.1 3D激光扫描建模系统
3D激光扫描建模系统的建立是实现智能化升级的第一步，我们需要通过合适的探测方式测量及建立出实际的物理信息模型，为远程操作及自动化运行提供数据支撑。现常用的三维成像方式有深度相机、激光扫描和摄影。其中深度相机由于是利用特定频率光线的投影，所以其难以满足自然光条件和大范围的三维重建。摄影虽然可以大范围重建，但是难以直接生成深度信息，且图像会有重叠，影响重建精度。激光扫描建模虽然在精度上低于深度相机，但是能够在大范围，自然光条件下使用，满足我们的实际生产需求。
激光扫描能够在自然条件下，通过激光测距原理，把激光先投射到被测物体表面，继而反射回扫描仪内的传感器中，扫描仪据此计算其与物体的距离，确定物体在空间中的位置，得到三维点云数据。激光扫描数据获取自动化程度高，获取全要素，精度为毫米级，满足目标定位需求。完整的扫描数据接入工控机，进行3D建模，建立门机自动化控制空间的总体模型，并且能够观察是否在模拟轨迹中出现作业动作不完整现象以及出现安全隐患。
3.2可视化系统
可视化系统作为自动化控制系统的辅助监控及感知系统，也有着很重要的作用，可视化系统相当于控操作人员的眼睛，远控操作人员在手动操作时，依赖于视频监控画面进行现场情况的监视，所以视频系统应保证视频监控的可靠性、稳定性，确保远控室视频监控画面的清晰流畅。
3.3最优运行轨迹的生成
最优轨迹的生成是为了提供一条距离最优且没有障碍的运行路径。其核心在于如何确定抓斗的最优行驶路径，进而使得装载时间最短，所需能耗最低。最优路径是指在已知物料的起始位置、终止位置、环境中的障碍物分布以及舒适性指标要求，规划出一条与障碍物不相碰撞的且满足抓斗的运动学约束、环境约束和时间约束的运行轨迹。
在现有技术中，求解最优轨迹的方法一般是先获取实际工作环境，本方案实际的工作环境基于前面所提的3D建模系统，将实际工作环境作为求解区域，对物体取特定的标志点和定位点构建对应的模型解空间，将针对实际物体的路径规划转化为点位的路径规划。
根据抓斗和物料的的起始状态，终止状态、环境中的障碍物分布以及舒适性指标要求，构建求解函数，并在解空间中找到符合求解函数的解，并基于这些解构建抓斗的最优运动轨迹。
最优运行轨迹应满足连续性，完整性，但是整个工作空间进行解空间的构建消耗计算时间。本方案将实际空间进行分割，将无障碍物的空间和有障碍物的空间进行分割，这样可以去掉了目标的周围环境中存在障碍物的区域对应的无效解，减小了使用无效解进行计算的计算量，缩短了计算时间。
4、操作系统的可靠性、协同性及人机交互
4.1单机可靠运行及自适应感知
单机可靠运行的关键是自适应感知，自适应感知主要是对外部及内部突发危险情况及特殊情况的判断和处理。其中内部突发情况主要包括电气故障，机械故障，针对这一情况，门机新增一台控制柜，新增的自动化控制柜用于实现门机自动化控制，可在危险发生时处于待机状态，并与原主机控制系统进行数据交互，但是不影响主机控制系统运行，主机控制系统负责同中控室进行通讯，并且保障最基本的控制需求。
外部突发情况，主要分为防撞及危险物源（人或为经许可的车辆等）入侵，通过新增一台机下控制箱，采集大车激光防撞信号和RFID磁钉系统信号，然后通过中心滑环的以太网接口传送到机上新增自动化控制柜内PLC。另外，我们需要在视频系统中自动判断出危险物源入侵，此时会有危险等级较高的信号传送给中控室，中控室控制相应区域的主机控制系统，使得相应区域做出安全的措施。
4.2多机协同控制
多机协同控制的前提是单机的稳定运行，由于单机运行涉及到门机的驱动控制系统，门机位置的闭环反馈系统，目标物的3D建模系统。所以如何使得单机下的多系统协调运行是门机智能化升级的又一关键问题。不同于单机协调，多机协同更加关注多机系统下的逻辑调用和顺序运行，多机协同作业在单机自动化的程度上更进一步。采用总线控制方式，其中中控室控制器作为主站，门机处的自动控制器作为从站，通过中控室上位控制系统实现和作业调度管理系统的对接。通过多机协同算法、门机自动避障策略和路径规划算法，实现对门机最优作业路径的规划、多门机全自动调度以及料斗位置的规划，满足现场各种作业工况。通过对控制系统写入可靠的安全防护系统和策略，保障多门机协同作业的安全可靠。
4.3人机交互的实现
人机交互需要满足信息感知，信息处理，还需要满足信息通讯，通讯是指令传递和信息传输的关键，现有工业自动化领域多采用以太网通讯。为了满足机上机下视频信号和控制信号的通讯需求，人机交互可操作性的提升，借助可靠的网络构架，将信息和数据汇总到地面中控室，通过主站服务器对各门机的信息进行处理，将处理结果通过网络发送给各门机控制系统，执行相应的命令。中控室配置了远程操作台，实现操作者远程操控门机进行作业。
5、结语
综上所述,近年来,中国在积极实施社会主义现代化经济建设的过程中,港口门机的智能化的水平也大大提高,在这些状况下,中国现代港呈现出了大型化、自动化和智能化的特征,也给中国的进出口国际贸易活动带来了极大的方便。本文所提出的门机智能化控制方案从门机结构精确定位及检测技术，工作环境的3D可视化及运动路径的最优化，单机稳定运行和多机协同控制，以及人机交互的等方面做了分析，提出了完整的操作控制方案，为门机智能化升级提供了理论基础和可能。但是其中仍然存在一些技术难题，例如危险物源的判断及处理，实际物理模型的改变和重建模型在时间维度的统一等。我们希望在自动化技术不断发展的今后，为门机的智能化操作提供更多的技术支撑。
