自動化集裝箱碼頭起重機遠程作業(yè)系統(tǒng)的實現(xiàn)

      隨著經(jīng)濟全球化和區(qū)域經(jīng)濟一體化進程的加快，世界集裝箱海運大幅增長，集裝箱船舶也呈現(xiàn)大型化的趨勢。為了增強集裝箱碼頭的競爭力，裝卸作業(yè)效率的要求越來越高，現(xiàn)代化國際樞紐港自動化、信息化、智能化的集裝箱堆場的發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢。荷蘭鹿特丹港的ECT集裝箱碼頭、德國漢堡港的CTA碼頭和鹿特丹EUROMAX 集裝箱碼頭代表了世界集裝箱自動化作業(yè)系統(tǒng)發(fā)展的三個階段。
      已投入試運行的廈門遠海自動化集裝箱碼頭是第四代自動化碼頭。在該自動化碼頭中，自動引導小車（automated guided vehicle，AGV）與岸橋、AGV與ARMG的配合作業(yè)均可以實現(xiàn)全自動化，但是當ARMG與集卡進行裝卸作業(yè)時，考慮ARMG自動對集卡抓、放箱時的設備、人員安全以及著箱時的準確、快速要求，采用通過遠程作業(yè)系統(tǒng)在中控室實現(xiàn)ARMG自動作業(yè)與手動作業(yè)相配合的作業(yè)方式。本文在對廈門遠海自動化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)介紹的基礎上，詳細闡述了ARMG遠程作業(yè)系統(tǒng)的構(gòu)建和實現(xiàn)，并對ARMG本機系統(tǒng)進行了介紹。
      一、廈門遠海自動化集裝箱碼頭裝卸系統(tǒng)
      廈門遠海集裝箱自動化裝卸碼頭設置了3臺雙小車岸橋進行裝卸船作業(yè)，沿碼頭岸線方向布置了8個堆場。堆場海側(cè)共采用16臺全電力驅(qū)動的AGV作為水平搬運設備，負責雙小車岸橋到堆垛區(qū)的集裝箱搬運，堆場陸側(cè)采用集卡作為搬運設備。每個堆垛區(qū)配備了2臺ARMG，其中一臺ARMG配合AGV在堆垛區(qū)的作業(yè)，另一臺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)均可以實現(xiàn)全自動化，在對集卡作業(yè)時通常是利用ARMG在一定階段進行自動化作業(yè)。當ARMG自動作業(yè)階段完成后，會將作業(yè)控制交由位于遠程中控室的遠程控制臺（remote control station，RCS）進行手動操作。當ARMG 對集卡進行裝箱時，在任務開始后，中控室RCS啟動ARMG的自動運行模式，ARMG會自動運行到堆垛區(qū)合適的位置并抓取待裝的集裝箱，然后ARMG自動移動大車、小車到目標車道上方，并將吊具下降至安全高度（離地面約6m），這時切換到手動控制，由中控室操作員在現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面的指導下手動進行集卡對箱和裝箱，裝箱完畢后將吊具上升至安全高度，返回到自動模式，等待新的裝箱任務。此外，通過遠程維修操作臺（maintenance remote operationstation，MROS）操作員還可以在遠程中控室進行遠程維修操作和故障診斷，方便了設備的維護、調(diào)試、故障處理。
      遠程作業(yè)系統(tǒng)相當于把傳統(tǒng)軌道式龍門起重機（rail mounted gantry crane，RMG）的司機室搬到了遠程中控室中，并將其改造成自動化軌道式龍門起重機（ARMG），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。
      二、遠程作業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)建
      目前，基于以太網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應用于各個領域，ARMG遠程作業(yè)系統(tǒng)正是基于以太網(wǎng)及相關設備組建起來的，圖1為ARMG遠程作業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖。
      
      在中控室中配備有6臺遠程操作臺（remoteoperation station，ROS），一種是遠程控制臺RCS，用于ARMG對集卡遠程作業(yè)時的操作，共有5臺； 另一種是遠程維修操控制作臺( maintenance repair operationsystem，MROS) ，用于遠程的維修操作。任一臺遠程控制臺可以控制16 臺ARMG 中的多臺設備。
      遠程作業(yè)系統(tǒng)服務器( remote operation computersystem server，ROCS Server) 管理著整個遠程作業(yè)的任務分配和管理，并分配當前作業(yè)的ARMG 的CCTV 攝像頭畫面給RCS 操作員作為操作時的參考；遠程起重機管理系統(tǒng)服務器（remote crane management system，RCMS Server）提供各個ARMG的運行狀態(tài)與故障信息等數(shù)據(jù)服務；語音服務器（audio server）提供網(wǎng)絡語音支持；視頻服務器（CCTV server）收集各個ARMG上安裝的數(shù)字攝像頭畫面并提供給遠程操作臺的客戶端；視頻矩陣（video matrix）專用于吊具下4個模擬攝像頭的實時畫面的切換管理，可在ROCS Server控制下使畫面自動切換到當前作業(yè)的ARMG吊具下方的視頻。中控室還配備一臺遠程PLC（remote PLC），一方面通過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，并在控制臺上實時顯示狀態(tài)信息，ARMG上的PLC與中控室內(nèi)的Remote PLC通過PowerLink 通信。遠程PLC也可以通過以太網(wǎng)將各個操作狀態(tài)信息和ARMG的運行狀態(tài)信息上傳至ROCS Server。
      當ARMG對集卡進行裝卸作業(yè)時，操作員通過RCS上的視頻畫面可以獲知當前現(xiàn)場的運行情況，通過語音系統(tǒng)廣播語音消息，通過操作RCS上的按鈕或搖桿即可實現(xiàn)對ARMG的遠程控制，實時調(diào)整ARMG和吊具的運動，實現(xiàn)對集卡的遠程裝卸箱作業(yè)。此外，利用MROS可以對設備進行維護和檢修。
      三、遠程操作臺
      遠程操作臺ROS主要由遠程控制計算機、3個顯示屏、貝加萊I/O 模塊、手柄搖桿、各種操作按鈕、語音麥克風組成。ROS分為RCS和MROS兩種，ARMG對集卡的遠程作業(yè)操作主要通過RCS來實現(xiàn)，在此對RCS作主要介紹。
      RCS操作面板具有手柄搖桿2個，一個用于控制大車和吊具，另一個用于控制小車，操控ARMG的運動以實現(xiàn)對集卡的裝卸箱。除此之外，還有各種操作按鈕用于遠程控制ARMG上的設備完成一些作業(yè)動作，如吊具開鎖、吊具傾轉(zhuǎn)，對應的指示燈可以實時顯示控制狀態(tài)。控制臺上的語音麥克風可以與現(xiàn)場進行通話和廣播，可以使遠程操作員通過呼叫提醒集卡司機配合作業(yè)任務。
      RCS計算機上運行著DataView和CCTV客戶端軟件，DataView用于操作員在對ARMG操作時觀察ARMG的狀態(tài)信息和堆場內(nèi)的集裝箱層高和信息等。當RCS對某一臺ARMG控制時，DataView會在其中一個顯示屏上顯示當前ARMG相關的狀態(tài)信息，如當前執(zhí)行的任務提示信息、集裝箱號、集裝箱類型、集卡號、集卡類型、設備類型、設備編號、大車位置、小車位置、吊具高度、著箱狀態(tài)、開閉鎖信息等。DataView軟件界面顯示當前操作的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顯示屏上用多分屏的形式顯示當前操作的ARMG上攝像機拍攝到的實時畫面，供操作員參考。此外，還有一個顯示屏為監(jiān)視器，直接連接視頻矩陣，可以顯示當前操作的ARMG 吊具下的4個攝像頭畫面，以便操作員根據(jù)現(xiàn)場情況做出合適處理。
      四、網(wǎng)絡服務方案
      1、ROCS服務方案
      ROCS服務器用于安裝OPC Server程序和ROCS程序。ROCS服務器上運行的OPC Server負責收集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 無界面運行，作為一個Windows 服務安裝在ROCS 服務器中，ROCS 程序通過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： 一類是Remote PLC通過PowerLink總線從ARMG控制系統(tǒng)收集而來的關于ARMG的一些設備信息，如ARMG的模式、車位置、起升高度、開閉鎖等，用于ROCS生成遠程控制任務以及判斷設備位置和精確地切換視頻等；另一類是RemotePLC 通過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管理遠程任務狀態(tài)和分配遠程任務等。ROCS Client是一個Windows應用程序，可以對ROCS Service使用的一些數(shù)據(jù)源進行修改，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運行時遠程任務和ROS操作面板的狀態(tài)，可以調(diào)整遠程任務的優(yōu)先級，可以配置ROCSService所使用到的視頻分配規(guī)則、語音分配規(guī)則、RCS分配規(guī)則等設置。
      2、RCMS 服務方案
      RCMS服務器主要安裝RCMS程序以及OPC Server程序。RCMS程序主要用于收集各個ARMG的運行狀態(tài)、運行速度、故障、各機構(gòu)信息等數(shù)據(jù)，用于對ARMG的維護、故障提示及各機構(gòu)運行效率、時間的統(tǒng)計等。RCMS上的OPC Server 為RCS上的DataView 提供數(shù)據(jù)源。此外，RCMS程序還可以對岸橋的故障信息、設備維護信息進行管理，具備實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表生成和導出等多種功能。
      3、CCTV服務方案
      CCTV服務有兩種，一種是基于網(wǎng)絡視頻服務器CCTV Server和數(shù)字攝像頭的全數(shù)字化遠程視頻集中監(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 Server前端監(jiān)控設備將采集好的圖像進行編碼上傳至網(wǎng)絡，通過光纖傳輸?shù)街锌厥�，在中控室建立網(wǎng)絡視頻管理平臺，通過客戶端軟件在RCS上顯示出來。網(wǎng)絡視頻管理平臺基于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，可進行數(shù)據(jù)存儲、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)。
      每個ARMG吊具的4個角上各安裝有1個吊具攝像頭，用于觀察鎖頭、鎖箱和對箱情況。RCS上的監(jiān)視器可以在ROCS Sever的控制下自動切換到當前作業(yè)的ARMG的吊具攝像頭視頻畫面。
      監(jiān)視器顯示為4分格，分別對應ARMG吊具4個角上的攝像頭。當RCS無任務不需要操作ARMG時，監(jiān)視器則為待機黑屏狀態(tài)。
      4、語音服務方案
      語音系統(tǒng)由麥克風、揚聲器、語音服務器組成，并通過以太網(wǎng)連接。每個ROS控制臺安裝了一個麥克風。揚聲器安裝于每個堆垛的集卡交換區(qū)的車道上，一個車道安裝一個揚聲器，整個碼頭24個車道一共安裝24套揚聲器。語音服務器位于中控室的機柜內(nèi)，內(nèi)置數(shù)字語音系統(tǒng)，用于控制麥克風與揚聲器的多對多的切換、管理和控制。
      五、ARMG 本機系統(tǒng)
      ARMG的實時位置會通過ARMG的本機PLC檢測并通過通信網(wǎng)絡反饋到中控室的ROS控制臺，以便于操作員實時了解ARMG的運行位置。ARMG上裝有數(shù)字攝像頭，用于對作業(yè)現(xiàn)場總體情況的監(jiān)控。吊具上的模擬攝像頭用于作業(yè)時堆箱的監(jiān)視，便于中控室操作員準確高效完成對箱操作。
      軌道吊大車定位是通過霍爾磁鐵和絕對位置編碼器來實現(xiàn)的，兩者互相校驗決定大車位置的有效性。小車定位通過磁尺實現(xiàn)，并輔以安裝3個絕對位置校驗點，用于對磁尺的校驗，實現(xiàn)對小車的精確定位。此外，每個堆垛區(qū)的兩臺ARMG會使用防碰撞技術(shù)，當兩臺ARMG的位置小于安全距離時，各ARMG的PLC會控制大車減速、停車并給出報警信息。起升卷筒旁安裝有絕對位置編碼器，對吊具起升高度進行定位。小車的底部安裝有傳感器，用來檢測吊具與小車底部的絕對距離和吊具的水平度、旋轉(zhuǎn)度以及運行過程中吊具的搖擺程度。
      當ARMG的小車進入集卡交換區(qū)時，空載時吊具底部或作業(yè)時集裝箱的底部必須在安全高度以上運行。當小車運行到目標位時，只有遠程中控室監(jiān)控人員確認安全后，方可進行裝卸集裝箱的動作，確保集卡及集卡司機的安全。當小車運行到目標位時，遠程中控室操作員通過裝卸位側(cè)面的信息指示牌或者語音系統(tǒng)提示集卡司機離開集卡駕駛室進入安全島。當集卡司機按下安全島內(nèi)的工作按鈕時，遠程中控室監(jiān)控人員確知集卡司機已經(jīng)進入安全島，再進行裝卸集裝箱的動作，從而確保集卡司機的安全。
      六、結(jié)束語
      軌道式龍門起重機遠程作業(yè)系統(tǒng)是集計算機控制技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、信息技術(shù)等各種智能技術(shù)為一體的復雜系統(tǒng)，也是自動化集裝箱碼頭總體系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)之一。ARMG遠程作業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)了在中控室的任意一個RCS操作臺上完成多臺ARMG的遠程作業(yè)操作，提高了設備利用率。操作員在遠程作業(yè)中控室的工作環(huán)境更加舒適，只需要對ARMG的控制進行少量手動操作，就會進一步降低工作強度。
      遠程作業(yè)系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)建立的，除了已實現(xiàn)的在中控室進行遠程作業(yè)的功能，還可以很容易地對系統(tǒng)升級，將設備運行狀態(tài)接入到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程狀態(tài)監(jiān)測，為碼頭應對未來的升級提供便捷的接口和平臺。廈門遠海自動化集裝箱碼頭軌道式龍門起重機遠程作業(yè)系統(tǒng)的成功應用可以為我國后續(xù)的自動化碼頭中的集裝箱遠程作業(yè)系統(tǒng)的設計提供重要參考。
      作者：（1）王曉帥 上海振華重工( 集團) 股份有限公司 （2）張氫、張小龍 同濟大學機械與能源工程學院