門座式起重機(以下簡稱門機)作為廣州港新港碼頭前沿主要的大型裝卸設備，其作業(yè)方式僅靠司機室內(nèi)的操作人員進行操控，勞動強度高、作業(yè)環(huán)境差、作業(yè)效率不能保證，而且存在安全風險。由于碼頭貨物吞吐量的不斷增加，用工成本的不斷增加，加之現(xiàn)有司機老齡化，傳統(tǒng)的操作模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實需求，有必要研究和應用高精度定位、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)自動控制、圖像識別、空間建模、信息通信等先進技術(shù)，實現(xiàn)門機散貨作業(yè)的遠控自動化操作，提高門機的自動化、智能化、信息化水平，降低司機操作難度及勞動強度，改善工作環(huán)境，提升作業(yè)安全性，降低人工成本，助推公司智慧港口建設。

1、遠控自動化技術(shù)概述

遠控自動化技術(shù)是一種利用先進的信息技術(shù)，通過傳感器和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對遠程設備或系統(tǒng)的監(jiān)控、控制和自動化操作。遠控自動化技術(shù)的實現(xiàn)，主要依賴傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、控制系統(tǒng)和智能算法。

首先，傳感器技術(shù)是遠控自動化技術(shù)的基礎，通過各種傳感器(如攝像頭、激光雷達、溫度傳感器等)收集現(xiàn)場信息，實時反饋給系統(tǒng)。這些傳感器能夠捕捉門機操作中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如位置、速度、載重量等，為后續(xù)決策提供必要的數(shù)據(jù)。

其次，通信技術(shù)是實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制的關(guān)鍵組成部分。光無線通信技術(shù)(5G、物聯(lián)網(wǎng)通信等)的應用，使得操作中心可以實時與門機建立連接，實現(xiàn)遠程操控，保證操作的及時性和可靠性。

再次，控制系統(tǒng)是遠控自動化技術(shù)的核心，它依靠傳感器數(shù)據(jù)和通信技術(shù)的支持，精確控制門機。控制系統(tǒng)可以根據(jù)預設的算法調(diào)整門機的運動、位置和動作，以滿足不同的操作需求。這些系統(tǒng)通常具備高度的自主性和智能性，能夠適應各種復雜的操作場景。

最后，智能算法可以分析傳感器的數(shù)據(jù)，預測門機的運動和貨物處理需求，并做出相應的決策。例如，通過機器學習和人工智能技術(shù)，智能算法可以優(yōu)化門機的路徑規(guī)劃，提高操作效率，減少能源消耗，從而降低運營成本。

2、新港碼頭門機操作現(xiàn)狀

門機在廣州港新港碼頭等散雜貨碼頭扮演著不可或缺的角色，是港口物流體系的重要組成部分，在港口運營中起著關(guān)鍵作用，其操作效率和準確性對港口運營的順暢性和經(jīng)濟性有著重要影響,但也面臨著一系列挑戰(zhàn)。一方面，門機操作需要具備高度安全性，誤操作可能導致貨物出現(xiàn)嚴重損失。另一方面，門機操作主要依賴于人工操作，操作人員的操作水平和經(jīng)驗存在差異，可能導致操作結(jié)果的質(zhì)量不同。此外，門機操作通常需要司機在高空駕駛室內(nèi)長時間工作，加上設備運行時的噪聲、振動以及作業(yè)環(huán)境差，導致操作人員勞動強度高、容易疲勞，進而影響操作的效率和安全性。因此，有必要探索更先進的操作方式，如遠控自動化操控方式，以克服現(xiàn)有操作方式的局限性，提高門機操作的質(zhì)量和效率。

3、遠控自動化技術(shù)在新港碼頭門機操作中的應用及實施

3.1自動定位和導航技術(shù)

自動定位和導航技術(shù)是遠控自動化技術(shù)的另一個關(guān)鍵組成部分，對門機的操作至關(guān)重要。使用先進的定位設備，如全球定位系統(tǒng)(Global?Positioning?System,GPS)、激光雷達、編碼器等，門機可以精確確定自身的位置和方向。導航系統(tǒng)根據(jù)預設的路徑規(guī)劃實現(xiàn)自動化運動控制，提高操作的準確性和效率。自動定位和導航技術(shù)使門機能夠更加精確地定位作業(yè)位置和貨物，有助于提高裝卸的效率和準確性。

門機各機構(gòu)的定位方式要求準確可靠，不易受到干擾，避免出現(xiàn)定位錯誤和位置信息丟失的情況，同時要配有相應的校驗設施。根據(jù)這些要求，可以通過在各機構(gòu)安裝絕對值編碼器、限位開關(guān)、動態(tài)傾角傳感器等，實現(xiàn)各機構(gòu)位置的定位檢測及校驗。

導航系統(tǒng)的核心是作業(yè)路徑的規(guī)劃算法，而作業(yè)路徑規(guī)劃算法主要基于門機設備的狀態(tài)信息，采用激光掃描建模、視覺識別等手段，獲取取料及放料位置、空間障礙點位置、船舶信息等數(shù)據(jù)，在安全的前提下綜合計算、規(guī)劃出當前作業(yè)運行的最優(yōu)路徑。

3.2激光掃描識別建模技術(shù)

要想實現(xiàn)門機自動化作業(yè)流程，就需要對貨船及物料進行識別建模，獲取抓斗安全出艙高度(艙口高度)、艙口坐標、物料高度等信息?？梢酝ㄟ^安裝激光掃描儀掃描場景，然后處理獲取的點云數(shù)據(jù)，通過算法提取所需信息并進行建模，具體實施方法如下。

激光掃描儀為360°-2D掃描模式，添加一個軸的運動，合成3D結(jié)果，完成場景3D建模。因此，掃描儀模塊的硬件架構(gòu)為激光掃描儀+伺服電機云臺。通過伺服控制器精確控制云臺的旋轉(zhuǎn)角度，利用歐式變換矩陣計算方法，將掃描儀獲得的每一幀掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全局坐標系下。

坐標變換原理

根據(jù)剛體變換原理，對于任意一個點V,假定其在2個坐標系下的坐標分別表示為V_a、V_b,兩坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣為R_ab，平移向量為t_ab，則坐標變換公式為

V_a=R_ab×V?+t_ab (1)

如果采用齊次坐標形式，則設兩坐標系之間的變換矩陣T_ab為

根據(jù)式(1)、式(2),可以得到最終的坐標變換公式為

V_a=T_ab×V_b (3)

掃描儀坐標變換鏈分析

將從激光掃描儀獲取到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為全局坐標系下的點云，可根據(jù)D-H變換原理進行坐標系變換，得到轉(zhuǎn)軸到掃描儀的變換矩陣T_al,基座到轉(zhuǎn)軸的變換矩陣T_ba,云臺基座坐標系和門機回轉(zhuǎn)中心坐標系之間的變換矩陣T,以及基座到轉(zhuǎn)軸的變換矩陣T_wh。

掃描儀在每一幀數(shù)據(jù)中獲取的位置信息P,經(jīng)過坐標變換處理后，可以在門機坐標系中重新表示為對應的位置P_w,變換公式為

P_w=T_wh×T_b×T_ba×T_al×P_l (4)

根據(jù)剛體坐標變換原理，對于任何一個特征，變換矩陣R均成立。變換矩陣R為

R=T×P_r (5)

式中：T為旋轉(zhuǎn)矩陣；P_r為“相對坐標系”中的點。在得到旋轉(zhuǎn)矩陣T的基礎上，只需在兩坐標系下找到1個相對應的點，即可得到平移向量p_wⁿ,應用式為

P_wⁿ=T×P_i+t (6)

式中：P_i為掃描儀坐標系中的原始點，是掃描儀捕捉到的數(shù)據(jù)點在其本身坐標系中的位置；t為從掃描儀坐標系到門機坐標系的平移向量，用于描述兩坐標系之間的空間位置差異。

根據(jù)以上原理，利用激光掃描儀標定板進行掃描，通過平面提取的方式，獲得不同平面在激光掃描儀下的法向量，根據(jù)其一一對應關(guān)系，即可求解變換矩陣。同時，結(jié)合相關(guān)標定及算法計算對點云進行分析，提取出艙口結(jié)果，該結(jié)果是后續(xù)PLC控制機構(gòu)執(zhí)行的基礎。

3.3抓斗防搖定位技術(shù)

在通常情況下，門機抓斗移動時，由于慣性、風力等因素會出現(xiàn)搖擺，如果不加以控制，抓斗就無法準確停止在某一設定位置。為了實現(xiàn)門機全自動作業(yè)，必須解決抓斗搖擺問題。

解決抓斗搖擺，可以從硬件和軟件兩方面著手。一方面，在門機的各個執(zhí)行機構(gòu)上安裝位置檢測裝置，實時獲得運行中各機構(gòu)的位置、速度等信息。另一方面，軟件根據(jù)硬件輸入的有效信息，結(jié)合環(huán)境等因素，計算和預測系統(tǒng)狀態(tài)。結(jié)合目標點的位置信息，生成相應的指令，控制各執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)動運行，實現(xiàn)抓斗防搖和定位。

抓斗防搖理論基礎是地球上單擺搖擺周期公式。單擺搖擺周期公式為

式中：T為單擺往復擺動1個來回所需的時間；L為單擺的長度；g為重力加速度。

抓斗防搖控制流程，如圖1所示。由圖1可知，角度計算的外部變量只有等效繩長，因此測得精準的繩長是必要的前提條件。通過加速度和力矩來估算角度，而后通過改變加速度去修復角度。旋轉(zhuǎn)防搖主要對整個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行數(shù)學建模，先通過計算得到實時的旋轉(zhuǎn)方向上的搖擺角度和變幅方向上的搖擺角度，再通過改變旋轉(zhuǎn)速度和變幅速度，使擺角衰減。此外，在起升、變幅和回轉(zhuǎn)機構(gòu)上安裝編碼器，識別或設定卸料點的位置，配合以上防搖算法，使抓斗能穩(wěn)定停在目標位置上，實現(xiàn)自動定位功能。

圖1控制流程

3.4遠程控制和監(jiān)控技術(shù)

通過高度靈活的通信技術(shù)，操作人員可以在遠控中心，遠程控制門機并實時監(jiān)視門機的狀態(tài)、位置和性能，這為實時干預和決策提供了有力支持。從技術(shù)角度來看，遠程控制和監(jiān)控涉及復雜的數(shù)據(jù)傳輸和處理過程。通信系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r傳輸大量數(shù)據(jù)，包括門機的位置、速度、負載情況等。在遠控中心，需要建立高效的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，用于處理來自門機的大規(guī)模數(shù)據(jù)流。為了實現(xiàn)遠程控制，需要設計安全可靠的通信協(xié)議和機制，以確保操作指令的準確傳達和門機的安全操作，具體設計方案如下。

總體網(wǎng)絡規(guī)劃方案

網(wǎng)絡規(guī)劃方案對確保通信的高效、安全來說至關(guān)重要?？傮w網(wǎng)絡規(guī)劃方案采用了分層的架構(gòu)，以一個強大的核心網(wǎng)絡設備為中心，通過高帶寬連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c效率，如圖2所示。

圖2網(wǎng)絡總體結(jié)構(gòu)示意圖

周邊的分布式接入點靈活擴展了網(wǎng)絡的覆蓋范圍，允許端用戶設備和邊緣計算資源無縫接入。同時，考慮系統(tǒng)的健壯性和可靠性，方案中嵌入多級冗余機制，包括雙路由器設計和備用服務器，以保證網(wǎng)絡在任何單點故障情況下均能持續(xù)運行。這樣層次化的網(wǎng)絡布局不僅增強了數(shù)據(jù)處理能力，也強化了安全防護，為實現(xiàn)智能化的業(yè)務操作奠定了堅實的基礎。通過此方案，能夠確保數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡服務的可靠性，

為用戶提供無縫連接的體驗。

控制系統(tǒng)(網(wǎng)絡)總體設計

遠程操作臺內(nèi)設置獨立的遠控PLC系統(tǒng)，可以與門機通信，實現(xiàn)遠程控制。操作臺遠控PLC與機上自動化PLC通信，采用西門子特有S7通信協(xié)議。機上自動化系統(tǒng)PLC與定位系統(tǒng)、激光掃描建模系統(tǒng)、安全防護、視頻/語音系統(tǒng)和主機電控PLC等系統(tǒng)，采用工業(yè)總線或以太網(wǎng)通信連接。整體控制網(wǎng)絡架構(gòu)如圖3所示。

圖3整體控制網(wǎng)絡架構(gòu)圖

遠控系統(tǒng)與門機通信

為了滿足主機跟中控室視頻信號和控制信號的通信需求，配置1根動力/光纖二合一的上機電纜，配置6芯或以上光纖。上機光纜在地面接線箱進行光纖熔接，實現(xiàn)門機與中控室遠控系統(tǒng)的通信。

機上通信

機上網(wǎng)絡分為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡及非控制系統(tǒng)網(wǎng)絡兩部分?？刂凭W(wǎng)絡以原有PLC系統(tǒng)為主站，連接新增的遠控PLC及各傳感器。非控制網(wǎng)絡為視頻/音頻系統(tǒng)的網(wǎng)絡。門機上的各個攝像機、音頻終端以超六類以太網(wǎng)線接入就近網(wǎng)絡轉(zhuǎn)接箱，網(wǎng)絡轉(zhuǎn)接箱通過超六類以太網(wǎng)線或光纖連接到電氣房總交換機?？偨粨Q機是機上網(wǎng)絡的區(qū)域中心，該交換機連接機上所有網(wǎng)絡設備，通過電纜卷盤光纖與中控室系統(tǒng)核心交換機通信。

4、設計與實施論證

4.1測試目標

測試的主要目標是評估遠控自動化技術(shù)在新港碼頭門機操作中的應用效果和優(yōu)勢。通過引入自動定位與導航、抓斗防搖、遠程監(jiān)控及控制等技術(shù)，檢驗是否可以顯著提升門機操作的準確性和安全性，減輕勞動強度。

4.2測試方法和數(shù)據(jù)收集

為了評估遠控自動化技術(shù)在新港碼頭門機操作中的實際效果，進行了全面測試，在測試中采集了大量詳細的數(shù)據(jù)。先后統(tǒng)計門機的各機構(gòu)定位、抓斗防搖、自動化作業(yè)等數(shù)據(jù)，并采集、記錄現(xiàn)場相關(guān)標記和傳感器數(shù)據(jù)。

自動定位檢測

定位誤差標準如下：

第一，起升機構(gòu)的定位誤差不應超過±50 mm;

第二，變幅機構(gòu)的定位誤差不應超過±100 mm;

第三，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的定位誤差不應超過±2°(35000 mrad)。

現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

表1起升機構(gòu)測試數(shù)據(jù)表單位：mm

序號	起升給定值起升到位后反饋值	定位偏差
1	8000 7980	20
2	10000 9975	25
3	12000 11980	20
4	14000 14010	10
5	16000 16015	15
?表2變幅機構(gòu)測試數(shù)據(jù)表	單位：mm
序號	幅度給定值變幅到位后反饋值	定位偏差
1	20000 19950	50
2	22000 21970	30
3	24000 23990	10
4	26000 26020	20
5	28000 28035	35

表3回轉(zhuǎn)機構(gòu)測試數(shù)據(jù)表 單位 : mrad

序號	旋轉(zhuǎn)給定值	旋轉(zhuǎn)到位后反饋值	定位偏差
1	2000	1980	20
2	3000	2995	5
3	4000	4013	13
4	5000	5020	20
5	6000	6030	30

激光掃描建模及作業(yè)路徑規(guī)劃

通過構(gòu)建一個詳盡的三維模型，精確再現(xiàn)實際作業(yè)環(huán)境，通過高級算法規(guī)劃作業(yè)路徑，確保機械臂的運動軌跡既高效又安全，避免與環(huán)境中的障礙物發(fā)生沖突。利用人工智能技術(shù)，使模型能夠自動識別最優(yōu)作業(yè)策略，并在復雜的作業(yè)場景中做出及時調(diào)整。該系統(tǒng)不僅提高了作業(yè)效率，降低了人力成本，還通過減少操作錯誤提升了作業(yè)安全性，展現(xiàn)了現(xiàn)代自動化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應用的巨大潛力。測試情況如圖4所示。

圖4路徑規(guī)劃

抓斗防搖功能測試

抓斗防搖功能需要達到放料時，料斗的左右擺動幅度不造成灑料。抓斗防搖功能測試情況如表4所示。

表4抓斗防搖功能測試數(shù)據(jù)

放料料斗	作業(yè)質(zhì)量/kg	自動作業(yè)時間/s	放料灑料情況
大漏斗	13200	121	無
	12500	113	無
	12200	111	無
	13100	113	無
	13500	124	無

遠程監(jiān)控和控制功能測試

監(jiān)控視頻系統(tǒng)應達到監(jiān)控視頻延時不超過280 ms,通信系統(tǒng)丟包率不大于1‰。監(jiān)控視頻系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5監(jiān)控視頻系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

視頻位置	網(wǎng)絡延遲/ms	丟包率/‰
象鼻梁頭部自穩(wěn)定攝像頭	5	0
司機室外雙目廣角攝像頭	8	0
人字架攝像頭-四連桿	8	0
機器房攝像頭	10	0
電氣房攝像頭	4	0
登機口觀察球機	8	0

遠程控制及自動化功能應達到控制延時不超過30 ms,通信系統(tǒng)丟包率不大于1‰,自動化平均作業(yè)效率不低于350 t·h?1。遠程控制及自動化測試數(shù)據(jù)如表6所示。自動化作業(yè)測試的作業(yè)船舶數(shù)為24條，自動化作業(yè)時間為11539.95 min,具體測試數(shù)據(jù)如表7所示。

表6遠程控制及自動化測試測試數(shù)據(jù)

設備名稱	最大網(wǎng)絡延遲/ms	丟包率/‰
操作臺PLC	3	0
遠控服務器	6	0
機上自動化PLC	14	0
掃描工控機	18	0
防撞工控機	7	0
象鼻梁激光掃描儀	3	0
司機室外3611掃描儀	5	0
原機PLC	5	0

表7自動化作業(yè)測試數(shù)據(jù)

測試項	測試數(shù)據(jù)
完成斗數(shù)	5662
作業(yè)量/t	68197.94
每斗作業(yè)時間/s	122.29
作業(yè)效率/(t·h1)	354.58

4.3測試結(jié)果分析

自動定位和抓斗防搖技術(shù)的應用，使新港碼頭門機能夠在復雜的作業(yè)環(huán)境中更加精確地移動，降低了與其他設備或障礙物碰撞的風險和灑料風險，提高了操作的準確性。貨船及物料識別建模和作業(yè)路徑規(guī)劃導航技術(shù)的引入，使門機可以智能識別舶艙口位置、船舷高度、物料、裝卸位置等，自動選擇安全、準確、高效的作業(yè)路徑運行，對操作效率的提高和誤操作的減少都產(chǎn)生了積極影響。

遠程控制和監(jiān)控技術(shù)在實現(xiàn)新港門機散貨作業(yè)遠控自動化作業(yè)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。操作人員可以遠程監(jiān)視門機的狀態(tài)和性能，隨時進行遠程調(diào)整，從而降低誤操作的風險。在自動模式下，實現(xiàn)門機散貨作業(yè)的自動化，全過程無操作人員的參與和干涉，設備也能安全、高效運轉(zhuǎn)。而且設備處于受控狀態(tài)，物料在轉(zhuǎn)移過程中，抓斗平穩(wěn)無搖擺，能夠避免與船艙、船艙蓋板、船舷碰撞。在門機自動化散貨作業(yè)過程中，司機可隨時手動介入控制，全自動程序在司機手動介入時自動解除。

4.4創(chuàng)新點的有效性論證

測試結(jié)果表明，遠控自動化技術(shù)的應用使新港碼頭門機散貨作業(yè)操作有較大的改善和提升，不僅提高了操作的效率和準確性，還降低了運營成本和安全風險。同時，自動定位和導航、貨船及物料自動識別和處理等功能在測試中得到了驗證，為散貨碼頭作業(yè)及運營帶來了較大的改進。因此，可以推斷遠控自動化技術(shù)在新港碼頭門機操作中具有有效性，為散雜貨港口自動化提供了有力的支持和參考。

5、結(jié)語

遠控自動化技術(shù)在新港碼頭門機散貨作業(yè)的應用不僅提高了操作效率，還降低了操作風險，對港口運營具有重要意義。新港碼頭門機操作的改進提升，為港口行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻。未來，該技術(shù)將在港口和物流領(lǐng)域廣泛應用，進一步提高運營效率，降低成本，為港口物流行業(yè)的發(fā)展帶來更多機遇。