一種自動(dòng)化集裝箱碼頭軌道式龍門起重機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)
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作者；徐一凡
為了增強(qiáng)集裝箱碼頭的競(jìng)爭(zhēng)力，裝卸作業(yè)效率的要求越來(lái)越高，現(xiàn)代化國(guó)際樞紐港自動(dòng)化、信息化、智能化的集裝箱堆場(chǎng)的發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。荷蘭鹿特丹港的ECT集裝箱碼頭、德國(guó)漢堡港的CTA碼頭和鹿特丹EUROMAX集裝箱碼頭代表了世界集裝箱自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)發(fā)展的三個(gè)階段。
已投入試運(yùn)行的廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化集裝箱碼頭是第四代自動(dòng)化碼頭。在該自動(dòng)化碼頭中，自動(dòng)引導(dǎo)小車( automated guided vehicle，AGV)與岸橋、AGV與ARMG的配合作業(yè)均可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，但是當(dāng)ARMG與集卡進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，考慮ARMG自動(dòng)對(duì)集卡抓、放箱時(shí)的設(shè)備、人員安全以及著箱時(shí)的準(zhǔn)確、快速要求，采用通過(guò)遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)在中控室實(shí)現(xiàn)ARMG自動(dòng)作業(yè)與手動(dòng)作業(yè)相配合的作業(yè)方式。本文在對(duì)廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)介紹的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了ARMG遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)，并對(duì)ARMG本機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。
1廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)
廈門遠(yuǎn)海集裝箱自動(dòng)化裝卸碼頭設(shè)置了3臺(tái)雙小車岸橋進(jìn)行裝卸船作業(yè)，沿碼頭岸線方向布置了8個(gè)堆場(chǎng)。堆場(chǎng)海側(cè)共采用16臺(tái)全電力驅(qū)動(dòng)的AGV作為水平搬運(yùn)設(shè)備，負(fù)責(zé)雙小車岸橋到堆垛區(qū)的集裝箱搬運(yùn)，堆場(chǎng)陸側(cè)采用集卡作為搬運(yùn)設(shè)備。每個(gè)堆垛區(qū)配備了2臺(tái)ARMG，其中一臺(tái)ARMG配合AGV在堆垛區(qū)的作業(yè)，另一臺(tái)ARMG用于與集卡的裝卸箱作業(yè)。
AGV與岸橋、AGV與ARMG的配合作業(yè)均可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，在對(duì)集卡作業(yè)時(shí)通常是利用ARMG在一定階段進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。當(dāng)ARMG自動(dòng)作業(yè)階段完成后，會(huì)將作業(yè)控制交由位于遠(yuǎn)程中控室的遠(yuǎn)程控制臺(tái)（remote control station，RCS）進(jìn)行手動(dòng)操作。當(dāng)ARMG對(duì)集卡進(jìn)行裝箱時(shí)，在任務(wù)開始后，中控室RCS啟動(dòng)ARMG的自動(dòng)運(yùn)行模式，ARMC會(huì)自動(dòng)運(yùn)行到堆垛區(qū)合適的位置并抓取待裝的集裝箱，然后ARMC自動(dòng)移動(dòng)大車、小車到目標(biāo)車道上方，并將吊具下降至安全高度（離地面約6m），這時(shí)切換到手動(dòng)控制，由中控室操作員在現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控畫面的指導(dǎo)下手動(dòng)進(jìn)行集卡對(duì)箱和裝箱，裝箱完畢后將吊具上升至安全高度，返回到自動(dòng)模式，等待新的裝箱任務(wù)。此外，通過(guò)遠(yuǎn)程維修操作臺(tái)(maintenance remote operationstation，MROS)操作員還可以在遠(yuǎn)程中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程維修操作和故障診斷，方便了設(shè)備的維護(hù)、調(diào)試、故障處理。
遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)相當(dāng)于把傳統(tǒng)軌道式龍門起重機(jī)( rail mounted gantry crane，RMG)的司機(jī)室搬到了遠(yuǎn)程中控室中，并將其改造成自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)( ARMC)，操作員不需要在RMG上就可以作業(yè)，為操作員創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境。
2遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建
目前，基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，ARMG遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)正是基于以太網(wǎng)及相關(guān)設(shè)備組建起來(lái)的，圖1為ARMG遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。
在中控室中配備有6臺(tái)遠(yuǎn)程操作臺(tái)( remoteoperation station，ROS)，一種是遠(yuǎn)程控制臺(tái)RCS，用于ARMG對(duì)集卡遠(yuǎn)程作業(yè)時(shí)的操作，共有5臺(tái)；另一種是遠(yuǎn)程維修操控制作臺(tái)( maintenance repair operationsystem，MROS)，用于遠(yuǎn)程的維修操作。任一臺(tái)遠(yuǎn)程控制臺(tái)可以控制16臺(tái)ARMG中的多臺(tái)設(shè)備。
遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)服務(wù)器(remote operation computersystem server，ROCS Server)管理著整個(gè)遠(yuǎn)程作業(yè)的任務(wù)分配和管理，并分配當(dāng)前作業(yè)的ARMG的CCTV攝像頭畫面給RCS操作員作為操作時(shí)的參考；遠(yuǎn)程起重機(jī)管理系統(tǒng)服務(wù)器( remote crane management system，RCMS Server)提供各個(gè)ARMG的運(yùn)行狀態(tài)與故障信息等數(shù)據(jù)服務(wù)；語(yǔ)音服務(wù)器(audio server)提供網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音支持；視頻服務(wù)器( CCTV server)收集各個(gè)ARMG上安裝的數(shù)字?jǐn)z像頭畫面并提供給遠(yuǎn)程操作臺(tái)的客戶端；視頻矩陣( video matrix)專用于吊具下4個(gè)模擬攝像頭的實(shí)時(shí)畫面的切換管理，可在ROCS Server控制下使畫面自動(dòng)切換到當(dāng)前作業(yè)的ARMG吊具下方的視頻。中控室還配備一臺(tái)遠(yuǎn)程PLC( remote PLC)．一方面通過(guò)I/O模塊獲取ROS操作面板上的按鈕和搖桿信息并發(fā)送到ARMG上的PLC；另一方面獲取ARMG上的PLC的狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋，并在控制臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)信息，ARMG上的PLC與中控室內(nèi)的Remote PLC通過(guò)PowerLink通信。遠(yuǎn)程PLC也可以通過(guò)以太網(wǎng)將各個(gè)操作狀態(tài)信息和ARMG的運(yùn)行狀態(tài)信息上傳至ROCSServero
當(dāng)ARMG對(duì)集卡進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，操作員通過(guò)RCS上的視頻畫面可以獲知當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)廣播語(yǔ)音消息，通過(guò)操作RCS上的按鈕或搖桿即可實(shí)現(xiàn)對(duì)ARMG的遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)調(diào)整ARMC和吊具的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)集卡的遠(yuǎn)程裝卸箱作業(yè)。此外，利用MROS可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和檢修。
3遠(yuǎn)程操作臺(tái)
遠(yuǎn)程操作臺(tái)ROS主要由遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、3個(gè)顯示屏、貝加萊I/O模塊、手柄搖桿、各種操作按鈕、語(yǔ)音麥克風(fēng)組成。ROS分為RCS和MROS兩種，ARMG對(duì)集卡的遠(yuǎn)程作業(yè)操作主要通過(guò)RCS來(lái)實(shí)現(xiàn)，在此對(duì)RCS作主要介紹。
RCS操作面板具有手柄搖桿2個(gè)，一個(gè)用于控制大車和吊具，另一個(gè)用于控制小車，操控ARMG的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)集卡的裝卸箱。除此之外，還有各種操作按鈕用于遠(yuǎn)程控制ARMG上的設(shè)備完成一些作業(yè)動(dòng)作，如吊具開鎖、吊具傾轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的指示燈可以實(shí)時(shí)顯示控制狀態(tài)�？刂婆_(tái)上的語(yǔ)音麥克風(fēng)可以與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行通話和廣播，可以使遠(yuǎn)程操作員通過(guò)呼叫提醒集卡司機(jī)配合作業(yè)任務(wù)。
RCS計(jì)算機(jī)上運(yùn)行著DataView和CCTV客戶端軟件，DataView用于操作員在對(duì)ARMG操作時(shí)觀察ARMG的狀態(tài)信息和堆場(chǎng)內(nèi)的集裝箱層高和信息等。當(dāng)RCS對(duì)某一臺(tái)ARMG控制時(shí)，DataView會(huì)在其中一個(gè)顯示屏上顯示當(dāng)前ARMG相關(guān)的狀態(tài)信息，如當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)提示信息、集裝箱號(hào)、集裝箱類型、集卡號(hào)、集卡類型、設(shè)備類型、設(shè)備編號(hào)、大車位置、小車位置、吊具高度、著箱狀態(tài)、開閉鎖信息等。圖2為DataView的軟件界面圖，該界面顯示了當(dāng)前操作的ARMG的大車、小車、吊具等位置信息。CCTV客戶端軟件可以在另一個(gè)顯示屏上用多分屏的形式顯示當(dāng)前操作的ARMG上攝像機(jī)拍攝到的實(shí)時(shí)畫面，供操作員參考。此外，還有一個(gè)顯示屏為監(jiān)視器，直接連接視頻矩陣，可以顯示當(dāng)前操作的ARMG吊具下的4個(gè)攝像頭畫面，以便操作員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做出合適處理。
4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方案
4.1 ROCS服務(wù)方案
ROCS服務(wù)器用于安裝OPC Server程序和ROCS程序。ROCS服務(wù)器上運(yùn)行的OPC Server負(fù)責(zé)收集ARMG的PLC的數(shù)據(jù)和發(fā)送指令給ARMG。ROCS程序分為兩部分：ROCS Service和ROCS Client。ROCSService無(wú)界面運(yùn)行，作為一個(gè)Windows服務(wù)安裝在ROCS服務(wù)器中，ROCS程序通過(guò)OPC Server獲取Remote PLC所提供的數(shù)據(jù)。Remote PLC獲取兩類數(shù)據(jù)信息并發(fā)送給OPC Server:-類是Remote PLC通過(guò)PowerLink總線從ARMG控制系統(tǒng)收集而來(lái)的關(guān)于ARMG的一些設(shè)備信息，如ARMG的模式、車位置、起升高度、開閉鎖等，用于ROCS生成遠(yuǎn)程控制任務(wù)以及判斷設(shè)備位置和精確地切換視頻等；另一類是RemotePLC通過(guò)I/O模塊獲取的ROS操作面板的各種按鈕、搖桿的操作狀態(tài)信息，用于ROCS管理遠(yuǎn)程任務(wù)狀態(tài)和分配遠(yuǎn)程任務(wù)等。ROCS Client是一個(gè)Windows應(yīng)用程序，可以對(duì)ROCS Service使用的一些數(shù)據(jù)源進(jìn)行修改，如OPC Server配置參數(shù)、視頻矩陣串口配置參數(shù)、以太網(wǎng)端口配置參數(shù)等。ROCS Client還可以觀察ROCS Service運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)程任務(wù)和ROS操作面板的狀態(tài)，可以調(diào)整遠(yuǎn)程任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，可以配置ROCSService所使用到的視頻分配規(guī)則、語(yǔ)音分配規(guī)則、RCS分配規(guī)則等設(shè)置。
4.2 RCMS服務(wù)方案
RCMS服務(wù)器主要安裝RCMS程序以及OPCServer程序。RCMS程序主要用于收集各個(gè)ARMG的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行速度、故障、各機(jī)構(gòu)信息等數(shù)據(jù)，用于對(duì)ARMG的維護(hù)、故障提示及各機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率、時(shí)間的統(tǒng)計(jì)等。RCMS上的OPC Server為RCS上的DataView提供數(shù)據(jù)源。此外，RCMS程序還可以對(duì)岸橋的故障信息、設(shè)備維護(hù)信息進(jìn)行管理，具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表生成和導(dǎo)出等多種功能。
4.3 CCTV服務(wù)方案
CCTV服務(wù)有兩種，一種是基于網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器CCTV Server和數(shù)字?jǐn)z像頭的全數(shù)字化遠(yuǎn)程視頻集中監(jiān)控系統(tǒng)，另一種是基于視頻矩陣和模擬攝像頭的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
CCTV SeIver前端監(jiān)控設(shè)備將采集好的圖像進(jìn)行編碼上傳至網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)光纖傳輸?shù)街锌厥�，在中控室建立網(wǎng)絡(luò)視頻管理平臺(tái)，通過(guò)客戶端軟件在RCS上顯示出來(lái)。網(wǎng)絡(luò)視頻管理平臺(tái)基于C/S架構(gòu)，集中配置管理，統(tǒng)一分配用戶權(quán)限，引入用戶組概念，支持多用戶區(qū)域管理，具備視頻回放功能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)。
每個(gè)ARMG吊具的4個(gè)角上各安裝有1個(gè)吊具攝像頭，用于觀察鎖頭、鎖箱和對(duì)箱情況。RCS上的監(jiān)視器可以在ROCS Sever的控制下自動(dòng)切換到當(dāng)前作業(yè)的ARMG的吊具攝像頭視頻畫面。
監(jiān)視器顯示為4分格，分別對(duì)應(yīng)AR：MG吊具4個(gè)角上的攝像頭。當(dāng)RCS無(wú)任務(wù)不需要操作ARMG時(shí)，監(jiān)視器則為待機(jī)黑屏狀態(tài)。
4.4語(yǔ)音服務(wù)方案
語(yǔ)音系統(tǒng)由麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、語(yǔ)音服務(wù)器組成，并通過(guò)以太網(wǎng)連接。每個(gè)ROS控制臺(tái)安裝了一個(gè)麥克風(fēng)。揚(yáng)聲器安裝于每個(gè)堆垛的集卡交換區(qū)的車道上，一個(gè)車道安裝一個(gè)揚(yáng)聲器，整個(gè)碼頭24個(gè)車道一共安裝24套揚(yáng)聲器。語(yǔ)音服務(wù)器位于中控室的機(jī)柜內(nèi)，內(nèi)置數(shù)字語(yǔ)音系統(tǒng)，用于控制麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器的多對(duì)多的切換、管理和控制。
5 ARMG本機(jī)系統(tǒng)
ARMG的實(shí)時(shí)位置會(huì)通過(guò)ARMG的本機(jī)PLC檢測(cè)并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)反饋到中控室的ROS控制臺(tái)，以便于操作員實(shí)時(shí)了解ARMG的運(yùn)行位置。ARMG上裝有數(shù)字?jǐn)z像頭，用于對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總體情況的監(jiān)控。吊具上的模擬攝像頭用于作業(yè)時(shí)堆箱的監(jiān)視，便于中控室操作員準(zhǔn)確高效完成對(duì)箱操作。
軌道吊大車定位是通過(guò)霍爾磁鐵和絕對(duì)位置編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩者互相校驗(yàn)決定大車位置的有效性。小車定位通過(guò)磁尺實(shí)現(xiàn)，并輔以安裝3個(gè)絕對(duì)位置校驗(yàn)點(diǎn)，用于對(duì)磁尺的校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的精確定位。此外，每個(gè)堆垛區(qū)的兩臺(tái)ARMG會(huì)使用防碰撞技術(shù)，當(dāng)兩臺(tái)ARMG的位置小于安全距離時(shí)，各ARMG的PLC會(huì)控制大車減速、停車并給出報(bào)警信息。起升卷筒旁安裝有絕對(duì)位置編碼器，對(duì)吊具起升高度進(jìn)行定位。小車的底部安裝有傳感器，用來(lái)檢測(cè)吊具與小車底部的絕對(duì)距離和吊具的水平度、旋轉(zhuǎn)度以及運(yùn)行過(guò)程中吊具的搖擺程度。
當(dāng)ARMG的小車進(jìn)入集卡交換區(qū)時(shí)，空載時(shí)吊具底部或作業(yè)時(shí)集裝箱的底部必須在安全高度以上運(yùn)行。當(dāng)小車運(yùn)行到目標(biāo)位時(shí)，只有遠(yuǎn)程中控室監(jiān)控人員確認(rèn)安全后，方可進(jìn)行裝卸集裝箱的動(dòng)作，確保集卡及集卡司機(jī)的安全。當(dāng)小車運(yùn)行到目標(biāo)位時(shí)，遠(yuǎn)程中控室操作員通過(guò)裝卸位側(cè)面的信息指示牌或者語(yǔ)音系統(tǒng)提示集卡司機(jī)離開集卡駕駛室進(jìn)入安全島。當(dāng)集卡司機(jī)按下安全島內(nèi)的工作按鈕時(shí)，遠(yuǎn)程中控室監(jiān)控人員確知集卡司機(jī)已經(jīng)進(jìn)入安全島，再進(jìn)行裝卸集裝箱的動(dòng)作，從而確保集卡司機(jī)的安全。
6結(jié)束語(yǔ)
軌道式龍門起重機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)等各種智能技術(shù)為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，也是自動(dòng)化集裝箱碼頭總體系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)之一。ARMG遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在中控室的任意一個(gè)RCS操作臺(tái)上完成多臺(tái)ARMG的遠(yuǎn)程作業(yè)操作，提高了設(shè)備利用率。操作員在遠(yuǎn)程作業(yè)中控室的工作環(huán)境更加舒適，只需要對(duì)ARMG的控制進(jìn)行少量手動(dòng)操作，就會(huì)進(jìn)一步降低工作強(qiáng)度。
遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)建立的，除了已實(shí)現(xiàn)的在中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)的功能，還可以很容易地對(duì)系統(tǒng)升級(jí)，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)接入到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為碼頭應(yīng)對(duì)未來(lái)的升級(jí)提供便捷的接口和平臺(tái)。廈門遠(yuǎn)海自動(dòng)化集裝箱碼頭軌道式龍門起重機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用可以為我國(guó)后續(xù)的自動(dòng)化碼頭中的集裝箱遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要參考。7摘要：針對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭中自動(dòng)化軌道式龍門起重機(jī)( ARMC)對(duì)集卡遠(yuǎn)程作業(yè)的要求，基于以太網(wǎng)構(gòu)建了ARMC遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)。介紹了集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)和ARMG遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了ARMG遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)。實(shí)際使用表明，ARMC遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了操作員在中控室對(duì)多臺(tái)ARMG的遠(yuǎn)程作業(yè)，提高了作業(yè)效率，改善了工作環(huán)境，為自動(dòng)化碼頭和軌道式龍門起重機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了參考。
