在全球經(jīng)濟(jì)一體化加速推進(jìn)的背景下，各地區(qū)間的商品交換愈發(fā)密集，我國(guó)港口產(chǎn)業(yè)隨之迅速興起。特別是在眾多港口裝卸設(shè)備中，門(mén)座式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱門(mén)機(jī)）因適應(yīng)多樣化的裝卸需求、高效率操作及用戶友好特性，在碼頭操作區(qū)大量部署，成為了一種關(guān)鍵設(shè)備。門(mén)機(jī)設(shè)計(jì)上由倆主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成：頂部的旋轉(zhuǎn)部件和底部的支撐結(jié)構(gòu)。頂部旋轉(zhuǎn)部分包含兩個(gè)主要機(jī)構(gòu)——提升和變幅機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)貨物的直接搬運(yùn)；而底部的支承結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)移動(dòng)作用，調(diào)整物體的位置。在門(mén)機(jī)這種重型工程設(shè)備中，由于作業(yè)區(qū)域廣泛，傳統(tǒng)操作主要依賴于駕駛室內(nèi)的操作員手動(dòng)控制，極大地增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，作業(yè)效率也難以得到保障，也會(huì)帶來(lái)潛在的安全隱患。隨著港口處理能力的持續(xù)增長(zhǎng)，單一操作模式不足以滿足現(xiàn)代港口作業(yè)的需求，現(xiàn)實(shí)中亟需采用多個(gè)設(shè)備聯(lián)合作業(yè)的方式優(yōu)化效率。為了跟上港口現(xiàn)代化的步伐，門(mén)機(jī)自動(dòng)化與智能化升級(jí)愈發(fā)迫切，它的應(yīng)用極大地減輕了操作員負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。得益于自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)的飛速進(jìn)展，現(xiàn)今集裝箱卸貨機(jī)的智能化改造已成為現(xiàn)實(shí)。傳感器技術(shù)、激光掃描成像及可編程控制設(shè)備方面的技術(shù)突破，也為門(mén)機(jī)的準(zhǔn)確定位、三維空間建模和自動(dòng)化流程管理提供了更充分的技術(shù)支撐。鑒于此，本文著重探討了從精確定位檢測(cè)、三維視覺(jué)重構(gòu)、路徑優(yōu)化到機(jī)器協(xié)同操作以及用戶交互等多個(gè)層面，提出了一套綜合的門(mén)機(jī)操作方案，以期為門(mén)機(jī)的智能化進(jìn)程奠定基礎(chǔ)。

1、門(mén)機(jī)的智能升級(jí)轉(zhuǎn)型分析

針對(duì)裝卸作業(yè)的不同階段和門(mén)機(jī)的特殊性能，門(mén)機(jī)的智能升級(jí)可分為全自動(dòng)和半自動(dòng)操作兩種形式。貨艙滿載時(shí)，全自動(dòng)模式啟動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)化抓取和釋放，設(shè)備與周?chē)h(huán)境之間會(huì)保持安全距離。相對(duì)來(lái)說(shuō)，清倉(cāng)階段采用半自動(dòng)模式，操作員手動(dòng)指定作業(yè)位置，系統(tǒng)負(fù)責(zé)接管其余流程，操作較為安全，人為誤差減少。

門(mén)機(jī)操作涉及復(fù)雜的環(huán)境，需要滿足多變的作業(yè)需求，因此傳統(tǒng)手動(dòng)操控已顯不足。智能化升級(jí)的挑戰(zhàn)主要包括設(shè)備的精確定位、三維環(huán)境建模、以及多機(jī)器協(xié)同等問(wèn)題，技術(shù)升級(jí)時(shí)，需以下面幾個(gè)要點(diǎn)為依托實(shí)施：

• 精確監(jiān)測(cè)、檢測(cè)位置：門(mén)機(jī)具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，實(shí)施精確的位置監(jiān)測(cè)是優(yōu)化控制的先決條件
• 三維空間建模與路徑規(guī)劃：采用高級(jí)建模技術(shù)，為門(mén)機(jī)提供清晰的作業(yè)路徑規(guī)劃，避免設(shè)備之間的沖突。
• 系統(tǒng)可靠性與協(xié)同作業(yè)：關(guān)注系統(tǒng)穩(wěn)定性與設(shè)備間的有效協(xié)同，提升作業(yè)連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)較高的安全性。
• 優(yōu)化人機(jī)交互：提高操作界面的友好性，改善實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，操作員能及時(shí)、準(zhǔn)確地控制設(shè)備。

2、門(mén)機(jī)精準(zhǔn)定位及檢測(cè)技術(shù)

2.1起升機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位

提升組件主要負(fù)責(zé)物品的垂直運(yùn)輸，包括動(dòng)力源、傳遞機(jī)制、吊掛設(shè)備、制動(dòng)系統(tǒng)、保護(hù)裝置及其他輔助工具，該組件的性能決定了門(mén)機(jī)的整體工作效率。為優(yōu)化門(mén)機(jī)提升系統(tǒng)，可引入一種高級(jí)的多圈絕對(duì)值編碼器，具有高度的定位準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，能夠抵抗外界干擾，避免因運(yùn)行中的誤差積累導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。該編碼器能在斷電后保持測(cè)量值，避免因停電重置位置數(shù)據(jù)，性能優(yōu)越，成為了循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中理想的位置檢測(cè)工具。將這種編碼器安置在門(mén)機(jī)的鋼絲繩卷筒末端，與之前置于電機(jī)末端的編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)配對(duì)，可雙重校驗(yàn)位置信息，使吊鉤定位更準(zhǔn)確。設(shè)定起始點(diǎn)，在自動(dòng)化操作過(guò)程中精確追蹤吊鉤位置。數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證可將位置信息的精度控制在±50mm范圍內(nèi)，顯著提高作業(yè)效率。

表1機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位參數(shù)

2.2精確控制變幅機(jī)制

變幅機(jī)制主要用于調(diào)整吊具或吊載物品在水平方向上的延伸距離，可在最大和最小的起重范圍內(nèi)移動(dòng)物品，擴(kuò)展作業(yè)區(qū)域，使得設(shè)備靈活性增強(qiáng)。該調(diào)節(jié)過(guò)程主要發(fā)生在負(fù)荷狀態(tài)下，是起重機(jī)作業(yè)循環(huán)的組成部分。傳統(tǒng)的變幅系統(tǒng)缺少變幅位置的反饋驗(yàn)證過(guò)程，因此在該系統(tǒng)中增設(shè)了一種絕對(duì)值編碼器，該編碼器被安置于變幅機(jī)構(gòu)的齒輪末端，用于測(cè)定變幅齒條的具體位置。分析變幅齒條的位置數(shù)據(jù)與臂架的伸縮程度，可得到具體的變幅位置。與存在于起重機(jī)的力矩限制裝置中的傾斜傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，輔以絕對(duì)編碼器的數(shù)值核對(duì)，可將測(cè)量位置與實(shí)際位置之間的定位精度控制在±100mm范圍內(nèi)。變幅過(guò)程中還需控制起重機(jī)吊具，避免調(diào)幅時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的反向擺動(dòng)，因此需要精確調(diào)節(jié)變幅速度，減少擺動(dòng)幅度。

表2精確幅度控制參數(shù)

2.3精確控制旋轉(zhuǎn)機(jī)制

旋轉(zhuǎn)機(jī)制包括旋轉(zhuǎn)支持和驅(qū)動(dòng)裝置，該機(jī)制可使起重機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件相對(duì)于靜止部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，允許懸掛貨物在與起重機(jī)中心軸線垂直的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，即使在移動(dòng)機(jī)構(gòu)停止時(shí)也可更改貨物水平面位置。由于旋轉(zhuǎn)操作方面的特殊需求，集電滑環(huán)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)360度水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)依靠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)行星齒輪在固定大齒圈上旋轉(zhuǎn)，使起重機(jī)的上半部分發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在系統(tǒng)中添加一個(gè)從動(dòng)齒輪，安裝在附近行星齒輪旁，保持與行星齒輪的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。在從動(dòng)齒輪軸上安裝一個(gè)多圈絕對(duì)值編碼器，于系統(tǒng)中增設(shè)兩個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)，固定在兩個(gè)行星齒輪附近，兩個(gè)開(kāi)關(guān)在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的安裝位置形成180度水平角。在適當(dāng)位置安裝單一感應(yīng)塊，使每個(gè)接近開(kāi)關(guān)能夠檢測(cè)到的位置分別是+90°和-90°,旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)至特定角度時(shí)，相應(yīng)的接近開(kāi)關(guān)會(huì)被觸發(fā)，這些開(kāi)關(guān)會(huì)基于反饋給旋轉(zhuǎn)角度編碼器賦值，利用兩個(gè)開(kāi)關(guān)之間的相互關(guān)系核驗(yàn)數(shù)值，使測(cè)量位置與實(shí)際位置之間的定位精度達(dá)到±2°內(nèi)。旋轉(zhuǎn)階段中，也需基于精確控制旋轉(zhuǎn)速度防止因轉(zhuǎn)速過(guò)快而導(dǎo)致吊具抓斗因離心力產(chǎn)生的擺動(dòng)，減少因離心力導(dǎo)致的抓斗擺動(dòng)。

2.4門(mén)式起重機(jī)的精確定位能力

門(mén)式起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)允許整個(gè)機(jī)器沿軌道水平移動(dòng)，以便調(diào)節(jié)作業(yè)點(diǎn)，這不僅擴(kuò)展了起重機(jī)的作業(yè)區(qū)域，還提升了工作效率。該機(jī)構(gòu)由三個(gè)主要部分構(gòu)成：承載機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和安全機(jī)構(gòu)。承載機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)支撐整體設(shè)備及其負(fù)載，確保所有重量均勻分布至基座上；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則包括電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)鏈和制動(dòng)器等，主要用來(lái)推動(dòng)門(mén)式起重機(jī)在軌道上的移動(dòng)，其中渦輪蝸輪減速機(jī)與開(kāi)放式齒輪傳動(dòng)是常見(jiàn)的配合模式。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們還可以加裝一個(gè)閑置輪來(lái)提高精確度，其尾端裝有絕對(duì)值編碼器，通過(guò)計(jì)算閑置輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑來(lái)測(cè)定移動(dòng)距離。但是，考慮到港口環(huán)境的多變性，軌道上可能積聚灰塵或雜質(zhì)，這可能導(dǎo)致距離測(cè)量出現(xiàn)誤差。為了在特定區(qū)域精準(zhǔn)定位門(mén)機(jī)，并確保與料斗的有效協(xié)同，采納RFID技術(shù)成為一種新方案。這套系統(tǒng)的核心是電子標(biāo)簽，當(dāng)它進(jìn)入讀寫(xiě)設(shè)備的磁場(chǎng)時(shí)，由于接收到射頻信號(hào)，會(huì)發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的數(shù)據(jù)；然后讀寫(xiě)設(shè)備接收并解碼這些信號(hào)，將其傳送給系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理，最終系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)程序發(fā)出相應(yīng)的命令。為了提高定位的準(zhǔn)確性，我們可以在行走輪軌道附近安裝預(yù)埋碼體，并利用這些信息對(duì)門(mén)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。利用碼頭上的預(yù)埋載體和磁釘讀寫(xiě)傳感器，可以反向解算編碼器的定位值并計(jì)算行走的距離。這樣的方法可以校正編碼器讀數(shù)，確保測(cè)量的位置信息與實(shí)際位置之間的誤差在±50mm以內(nèi)，極大地提高了定位的精度和可靠性。

3、三維可視化技術(shù)與最優(yōu)路徑生成

3.1三維激光掃描構(gòu)建系統(tǒng)

構(gòu)建一個(gè)三維激光掃描模型系統(tǒng)是智能化提升的起始點(diǎn)，當(dāng)前，采用適宜的探測(cè)手段測(cè)定、構(gòu)建現(xiàn)實(shí)物理信息模型，為遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)化操作提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，普遍采用的三維成像技術(shù)有深度相機(jī)、激光掃描以及攝影法。深度相機(jī)主要依靠特殊光線頻率投影實(shí)現(xiàn)，但在自然光照和大范圍三維構(gòu)建方面表現(xiàn)不好。攝影法能覆蓋更廣的區(qū)域，但難以直接獲得深度信息，容易產(chǎn)生圖像重疊，對(duì)構(gòu)建精度產(chǎn)生影響。與之相比，激光掃描在精確度上雖不及深度相機(jī)，但在廣闊范圍內(nèi)及自然光條件下工作，滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。依托激光距離測(cè)量原理，激光掃描系統(tǒng)可將激光投向目標(biāo)物體表面并接收反射信號(hào)，據(jù)此測(cè)算出與物體的距離，明確物體的空間定位，獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光掃描的數(shù)據(jù)自動(dòng)化程度高、精準(zhǔn)度高，達(dá)到毫米級(jí)，完全滿足目標(biāo)定位需求。完整掃描數(shù)據(jù)的工控機(jī)處理，進(jìn)行三維建模，構(gòu)建起門(mén)機(jī)自動(dòng)化控制的整體空間模型，監(jiān)測(cè)模擬軌跡中是否存在不完整操作和潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2可視化系統(tǒng)

可視化系統(tǒng)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中等同于操控人員的“視覺(jué)”功能，發(fā)揮著監(jiān)控與感知的輔助作用，遠(yuǎn)程操控人員依賴視頻監(jiān)控畫(huà)面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行觀察，在這一系統(tǒng)運(yùn)行中，需重點(diǎn)控制視頻監(jiān)控的可靠性，保障遠(yuǎn)控室視頻監(jiān)控畫(huà)面具有較好的清晰度和流暢性。

3.3生成最優(yōu)運(yùn)行軌跡

制定最優(yōu)運(yùn)行軌跡可為門(mén)機(jī)提供一條無(wú)障礙且最短距離的運(yùn)行路徑，其中的核心問(wèn)題是如何確定起重機(jī)的最優(yōu)行進(jìn)路線，如何縮短裝載時(shí)間并降低能源消耗。所謂最優(yōu)路徑，是指在考慮起點(diǎn)、終點(diǎn)、環(huán)境障礙及運(yùn)動(dòng)學(xué)、環(huán)境及時(shí)間限制的前提下，規(guī)劃出一條避開(kāi)障礙物、滿足動(dòng)作約束的軌跡?，F(xiàn)行技術(shù)中，最優(yōu)軌跡一般依托于實(shí)際工作環(huán)境求解，該方案根據(jù)前述三維建模系統(tǒng)所建立的實(shí)際工作場(chǎng)景，設(shè)定求解區(qū)域，依據(jù)物體特定的標(biāo)志和定位點(diǎn)建立模型解空間，將實(shí)際物體路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)化為點(diǎn)位路徑規(guī)劃。依據(jù)起始狀態(tài)、終止?fàn)顟B(tài)、環(huán)境障礙分布及其他指標(biāo)要求，構(gòu)建解決方案函數(shù)，在解空間中找到滿足條件的解答，據(jù)此構(gòu)建最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡。最優(yōu)運(yùn)行軌跡應(yīng)保證連續(xù)性和完整性，但在整個(gè)工作空間構(gòu)建解空間會(huì)消耗大量計(jì)算時(shí)間。該方案對(duì)實(shí)際空間進(jìn)行劃分，分離了有無(wú)障礙物的區(qū)域，排除環(huán)境中無(wú)關(guān)障礙物所占空間，減少無(wú)效解的計(jì)算量，因此可有效縮短計(jì)算時(shí)間。

4、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上文分析可以看出，在中國(guó)積極推進(jìn)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的背景下，港口門(mén)機(jī)的智能化水平有了顯著的提升，使得中國(guó)港口逐步發(fā)展成為了大型化、自動(dòng)化和智能化的現(xiàn)代化港口，極大地促進(jìn)了中國(guó)的國(guó)際貿(mào)易進(jìn)出口業(yè)務(wù)。本研究圍繞門(mén)機(jī)的精確定位、檢測(cè)技術(shù)、工作環(huán)境的三維可視化、運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化、單機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性及多機(jī)協(xié)同控制，以及人機(jī)交互等多個(gè)方面提出了智能化門(mén)機(jī)控制方案，為門(mén)機(jī)智能化升級(jí)提供了充分的理論支撐，提升了未來(lái)實(shí)踐的可能性。盡管研究過(guò)程中還危險(xiǎn)源的識(shí)別與處理、實(shí)際物理模型的調(diào)整及時(shí)間維度的模型統(tǒng)一等技術(shù)難題，但隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們期待門(mén)機(jī)智能化操作可以迎來(lái)更新的技術(shù)發(fā)展環(huán)境。