佟学本   杨晓峰   苑朋涛   宋思艺

辽宁港口集团丹东港口集团有限公司   辽宁丹东 118000

摘要

一个集装箱港口的发展程度是以集装箱的年吞吐量为衡量标准，影响集装箱年吞吐量的关键性因素之一是岸桥在船上抓、放箱的效率问题。传统岸桥在船上作业时主要依靠司机凭借经验和感觉，人为控制吊具进行抓、放箱作业，由于视觉疲劳等原因，经常会出现吊具撞箱或砸箱事故，大大降低了岸桥的作业效率。船形扫描系统的开发和应用可以提高工作效率和操作安全性。

Abstract

The development of a container port is measured by the annual throughput of container. One of the key factors affecting the annual throughput of container is the efficiency of the STS. The traditional STS mainly relies on the driver’s experience and sense when operating on the ship. STS is controlled artificially to grasp and place boxes. Due to visual fatigue and other reasons, the spreader often hits or breaks contarner, the operation efficiency of the STS is greatly reduced. The development and application of ship shape scanning system can improve work efficiency and operation safety.

关键词：智能防护、船型扫描、岸桥自动化、集装箱作业无人化、吊具、消除摇摆、船上安全、作业防护。

一、背景

近些年港口行业陆续开始对装卸集装箱作业、堆场集装箱装卸作业等设备进行安全防护改造，比如：RTG防打保龄系统，车道集卡防吊起系统，集装箱防砸车头、车道防碰箱系统，集卡定位系统等，都是针对港口集装箱装卸堆场作业、岸桥陆侧装卸作业等采取的安全防护措施。为提高作业效率和操作安全性，船形扫描系统开始应用于岸桥船上集装箱装卸的作业。而且船形扫描系统也是岸桥自动化作业的前提和核心，能够丰富和完善岸桥装卸专业的应用系统。

二、项目提出的依据及国产替代进口产品及无人化战略

2020年10月10日国家工业和信息化部、应急管理部关于印发《“工业互联网+安全生产”行动计划（2021-2023年）》的通知，“工业互联网+安全生产”是通过工业互联网在安全生产中的融合应用，增强工业安全生产的感知、监测、预警、处置和评估能力，加速安全生产从静态分析向动态感知、事后应急向事先预防、单点防控向全局联防的转变，提升工业生产本质安全水平。

国产替代进口产品是当前国家的重大战略，人工智能战略实施也是十四五期间的核心工作。港口行业是最早国家布局践行无人化作业建设工作。从厦门港、青岛港、上海洋山、天津港到广州港等多个集装箱装卸无人化作业已经取得重大成果。

目前船形扫描系统在国内港口陆续开始使用，以进口产品应用较多，国产系统采用也是进口激光扫描仪，国产激光扫描仪应用在船形扫描系统的案例效果不好，非常需要突破制约系统应用的瓶颈，从而提高岸桥装卸作业效率及作业区域安全性。本文讨论的岸桥激光船形扫描智能防护系统，采用国产工业级激光器，产品性能与进口同类产品相当，具有良好的抗震性，稳定的测量精度，优异的环境适应性，质量可靠，维护简单，经过测试可以替代同级别的进口产品，并且开发了具有自主知识产权的软件系统。可以有效应用于船形扫描及吊具防摇功能的数据采集，保证采样原始数据数量和精度满足系统要求，从而保障系统功能的有效实现。

三、船形扫描系统国内应用情况

系统融合应用激光扫描仪、点云数据处理和三维重建等技术，实现吊具定位、船舱三维轮廓的构建，进而控制吊具的运行，实现碰箱防护，有效防止安全事故的发生。

目前已有船型扫描系统采用进口激光扫描仪，可以实时获取小车和吊具的位置与运动状态。获取船上集装箱的堆码轮廓和船形轮廓，并进行图形化显示。通过控制小车的移动与吊具的升降，实现防碰撞防护。控制吊具下降速度，实现平稳着箱。规划吊具运行路线，提升作业效率。

很多采用国产激光扫描仪应用在船形扫描系统的案例效果不好，安装使用1-2个月后均告失败。分析原因，系统使用的国产激光扫描仪产品质量可靠性不高、环境适应性不够，其测量精度低、抗光干扰能力弱，难以适应岸桥船上装卸作业。船形扫描系统需要同时配备的3台激光扫描仪都稳定正常工作，一旦其中一台设备出现问题，整个系统将会受到影响。 

吊具摇摆是影响装卸效率的重要因素之一，根据统计，传统的装卸设备在每个集装箱起卸时，平均约有超过百分之三十的时间浪费在以固定其摇晃不定的落点，因此必须想法减少直至消除摇摆。

岸桥作的防摇经历过人工手动方式、机械分离小车方式、多功能液压方式、带吊具角度检测传感器的电子方式等多种防范措施，大多因外围设备太多，结构复杂，可靠性差，维修保养工作量大且价格昂贵逐步被替代更新。

随着国际航运迅猛发展，货物吞吐量剧增，各港口对岸边桥式起重机提出了更大型、更高效的要求。由于悬吊的钢丝绳的长度增大，钢丝绳在垂直和水平两个方向的速度提高，司机视距的不断加大，跟钩操作越来越困难，如何稳定吊具、平稳操作是人们共同关注的问题。

考虑小车移动等因素对吊具摇摆的影响，本文提出了适合岸桥实际装卸作业需求的解决方案。岸桥激光船形扫描智能防护系统采用国产工业级激光扫描仪进行数据采集，通过功能算法模块，融合各传感器数据，创新性、系统性构建应用层面与主机控制系统的对接，对岸桥船上集装箱装卸作业进行有效安全防护，缩短小车巡回时间，提高作业效率。

四、本系统主要功能

采用激光扫描仪实时扫描船上集装箱轮廓信息，通过对集装箱和船型3D轮廓点云数据处理，提取出船型及集装箱轮廓坐标信息，生成三维模型。系统采用在小车移动方向使用双激光扫描仪进行集装箱轮廓扫描，双激光扫描仪的应用将使小车无论在海侧或是在陆侧都能稳定的检测到小车速度、小车与集装箱的相对位置关系、吊具高度和吊具摇摆幅度，双激光扫描仪的应用为岸桥控制系统带来更高的系统安全冗余度；另一台激光扫描仪采用垂直方向安装，通过与小车位置数据融合生成集装箱和船型的3D数据；随大车更换作业贝位过程，实时更新集装箱轮廓信息，提高系统时效性、精准性。提供贝、排、层三个方向防碰撞功能， 通过控制小车的移动与吊具的升降操作，避免吊具及集装箱与船上码放的集装箱发生碰撞。

 图1 贝、排、层定义

系统提供吊具防摇保护功能，通过调用控制器内部建立的小车和吊具运行时的运动学模型，通过仿真算法技术+实时小车、吊具及集装箱空间位置和速度，跟踪吊具及集装箱运行轨迹，通过控制小车、吊具运动速度，防止吊具摇摆发生撞箱，为引导吊具及集装箱精准落箱提供数据支撑。系统提供软着箱功能，在吊具下降过程中，引导吊具减速，避免吊具所吊集装箱与下方集装箱发生碰撞。同时系统具备自检功能，出现故障及时报警，与岸桥控制系统可分离，不影响原系统正常作业。

图2 激光扫描仪安装位置示意图

五、系统组成

岸桥激光船型扫描智能防护系统由以下5个模块组成：

船型扫描数据采集模块：该模块由2台（扫描测量激光雷达）激光束平行安装在移动小车两侧的激光扫描仪和1台垂直方向安装在移动小车的激光扫描仪，实现对船型和集装箱的外观扫描采集数据；采集的数据通过网络交换机、工业铠甲光纤进行数据传输，数据传输到PCSC（Port crane safety controller港口起重机安全控制器）控制器，控制器对采集数据信息进行算法处理。该模块利用岸桥小车的行走进行船型3D数据扫描采集（见图3），也称为平移式3D数据采集方式。

图3 激光扫描仪采集数据示意图

船型与集装箱实时定位软件模块：模块由安装在司机室PCSC控制器上的数据解析软件实现，软件包括定制的深度学习算法来实现船型与集装箱的智能识别和特征点的提取、坐标数据转换等模块，实现船船型与集装箱的识别定位功能。模块具有测量数据冗余校验功能。

防碰撞软件模块：模块安装在PCSC控制器内，利用定位模块生成3D数据模型，搭建贝、排、层的防区，在上位机配置软件界面，设置2个防区等级，对应实现预警、停机功能。

吊具防摇保护软件模块：模块安装在PCSC控制器内，防摇功能模块软件采用运动模型仿真算法技术，实时反馈小车、吊具及集装箱空间位置，跟踪吊具及集装箱运行轨迹，通过控制小车、吊具运动速度，防止吊具摇摆发生撞箱，为引导吊具及集装箱精准落箱提供数据支撑。增强了系统安全防护等级，提高了作业效率。

软着箱软件模块：模块安装在PCSC控制器内，在吊具下降过程中，引导吊具减速，避免吊具所吊集装箱与下方集装箱发生碰撞。

扫描测量激光雷达为国产激光传感器，完全国内自主知识产权。系统所采用的硬件设备均为通用型备件，保证后续可以自主根据需要进行硬件设备的替代使用。扫描测量激光雷达为通用型备件，后续可以自主根据需要进行硬件设备的替代使用。系统所采用的硬件所配置的端口为标准串行通讯或以太网通讯接口，支持用户的后续扩展。扫描测量激光雷达设计采用端口皆为标准以太网通讯接口，支持后续扩展。

图4 激光扫描仪配置软件防区设置界面图

激光扫描仪上位机配置软件，添加了一些算法功能，弥补了同类进口激光扫描仪产品的缺憾，提高了探测能力和精准度，极大满足用户在不同应用场景的适配性需求，调试简单、操作方便，具有很高的工程应用价值，为可靠、稳定实现安全防护功能提供了产品支撑：

单点测量数据分析功能，可以直观查看测量数据随时间的波动曲线图，输出最大概率数据、数据波动范围、数据分布状态。防区算法专利技术，设置外部可调整参数，便于用户针对不同应用场景进行调试，提高设备对应用场景适配性，降低误触发发生概率。将多次回波技术与防区设置参数有效结合，可有效抵御雨雪、粉尘、多烟雾环境干扰，保证设备正常使用。同时备有激光扫描仪专用窗口除尘装置，如果需要可以定制。配置软件支持一个PC端可以同时访问多台设备，方便现场安装调试。

图5 配置软件界面防区入侵示意图

六、结束

港口装卸机械安全作业问题，一直是国家安监部门关心的重点，港口机械是重型机械，作业盲点、司机疲劳操作等，存在很大安全隐患，应特别加以监管；岸桥船上安全作业防护难度大，采用先进的智能防护系统势在必行，可以有效监控作业区域，实施事先主动防护，改变事后处理的被动局面；能够有效提高生产效率和减少设备的维护费用，提高安全生产技术水平。

项目的创新符合GB11602-2007《集装箱港口作业安全规范》等相关国家标准，全部配件和材料实现国产化；将提升岸桥作业效率，提高安全防护能力，加强了在恶劣环境下安全可靠工作的能力；提高生产效率和减少维修费用，具有很大的经济效益。

我国沿海码头泊位众多，岸桥集装箱装卸安全作业至关重要，本项目的成功开发应用产生的社会效益奖十分巨大。项目的完成将促进港口码头提升港口安全防护智能化生产的技术水平，对实现绿色港口有非常大的现实意义。将有力的提高港口的现代化水平和经济效益，将有力地促进“工业互联网+安全生产”行动计划的落实，为国家布局港口无人化作业提供一个良好的解决方案。

该系统的应用将大大降低事故发生率，保障生产不中断，使港口企业不会因为停产耽误货期而蒙受经济损失。该系统有较高的安全性和可靠性，保障了操作者的安全，实现安全生产，减轻劳动强度，体现以人为本的人文关怀理念。

该系统是应时代之潮流，及时而必要，对港口的安全生产和人工智能技术应用，特别是提高国产智能核心传感器的系统应用，降低设备采购和使用成本，便于日常作业维护等具有很大的意义。

参考文献

[1]段忠东.岸边集装箱起重机的现状与未来市场的发展趋势[J].起重运输机械,2010(05):1-3.

[2]舒嵘 徐之海.激光雷达成像原理与运动误差补偿方法[J].科学出版社,2014(06):1-2.

[3]谢宏全.激光雷达测绘技术与应用[J].武汉大学出版社,2018(12):2-2.