一種新型貨櫃碼頭RTG遠程操控系統的製作方法

2023-06-10 06:31:06 2

本實用新型涉及一種新型貨櫃碼頭RTG遠程操控系統。

背景技術：

輪胎式貨櫃門式起重機(RTG)是貨櫃碼頭作業的重要機械，其效率、安全、作業正確性對碼頭作業有著重要影響。RTG的作業特點是對司機依賴性高，來回跑動頻繁，設備大車無效能耗高。

針對RTG利用率不高，RTG司機數量緊張等現象，隨著港口自動化的發展，越來越多的貨櫃碼頭公司關注或引進RTG遠程操控系統。RTG遠程操控系統利用了多傳感器定位技術、視覺識別技術、通訊技術、自動控制技術等，實時獲取堆場貨櫃堆碼信息以及RTG大車、小車和吊具的位置與運動狀態，進行遠程監控顯示並實現由一個操作員根據遠程控制操作多臺RTG進行作業，最終實現遠程自動化的安全生產。

目前市場上的RTG遠程操控系統，利用定位傳感器實現RTG大車、小車、吊具的定位，並通過安裝攝像頭。但是，現有的場橋堆碼輪廓掃描系統往往具有以下缺點：

1、定位傳感器單一：

RTG遠程操控系統對RTG各個機構(大車、小車、吊具)定位要求極高；而現有系統各個機構多採用單一的定位傳感器，如定位傳感器一旦出現故障，將影響整個RTG遠程操控系統的運行。

2、缺少對作業正確性的驗證：

現有RTG遠程操控系統，在RTG本地安裝高清攝像頭，利用遠程網絡將視頻信號傳送到遠程司機操控臺；RTG作業以司機通過視頻顯示目視確認為主，同時由於視頻傳輸信號以及視頻角度等問題，給作業的觀察帶來不便，如貨櫃箱號的確認，可能會引起錯誤作業的失誤。

3、自動化程度不高：

現有系統利用遠程視頻顯示，RTG作業以司機目視為主；有的系統相當於將RTG本地操控臺移到遠程操控臺，操作完全依靠司機；有的系統引進大車、小車的自動化運行，但缺少與集卡、貨櫃的自動對位精準的匹配作業位置。

技術實現要素：

本實用新型克服了現有技術中的缺點，提供了一種新型貨櫃碼頭RTG遠程操控系統，利用DGPS衛星定位技術，雷射掃描輪廓識別技術、視頻圖像識別技術、自動控制領域的最新技術，結合碼頭作業流程，旨在解決以下問題：

(1)RTG各個機構採用定位傳感器進行定位，互為校驗，保證定位的準確性，免了單一傳感器失效導致系統失效的弊端；

(2)利用視頻圖像識別技術，截圖作業環節圖像，對貨櫃箱號、作業集卡車號進行識別，並與TOS作業指令對比，解決遠程觀察引起的錯誤作業的問題；

(3)利用雷射測距技術，精準的檢測貨櫃或集卡的位置，並控制吊具進行精準對位，實現作業過程中的自動抓放箱，增強系統自動化的安全生產。

本實用新型的技術方案是：一種新型貨櫃碼頭RTG遠程操控系統，包括遠程控制中心系統、RTG本地控制系統、在貨櫃堆場設置的無線基站和在RTG主體大梁上安裝的無線移動站；其中：

所述遠程控制中心系統包括堆場管理系統BMS和遠程操作控制系統ROCS，其中：堆場管理系統BMS用於與TOS系統對接；遠程操作控制系統ROCS用於遠程控制RTG設備；

所述RTG本地控制系統利用大車、小車、起升機構的定位傳感器，在RTG上新增RTG自動控制系統ACCS，藉助無線鏈路通過工業乙太網協議連接遠程控制中心系統，並通過DP總線方式連接RTG本機PLC，用於將接收的作業指令或遠程控制命令，發送給RTG本機PLC控制系統實現RTG的遠程控制，同時將接收的RTG本機狀態信息回傳到RTG遠程控制中心系統。

與現有技術相比，本實用新型的優點是：通過對現有的RTG遠程操控系統進行改進，應用最新的DGPS定位技術、雷射掃描輪廓識別技術、圖像識別技術，提高系統的魯棒性，同時提升系統自動化程度。具體表現如下：

1、引進DGPS定位、雷射測距定位，而不是單純的依賴於編碼器定位；

2、引進箱號識別系統、車號識別系統，作業過程中對作業貨櫃、作業集卡進行識別，確保作業的正確性；

3、引進吊具檢測系統和箱區檢測系統，進行吊具與貨櫃或集卡的精準識別，並自動控制進行抓放箱對位，實現自動抓放箱；

4、引進集卡對位系統、集卡防吊起系統，實現引導集卡精準對位，並實時的保護集卡防止被吊具砸車頭，或被誤吊起。

附圖說明

本實用新型將通過例子並參照附圖的方式說明，其中：

圖1為RTG結構及作業環境示意圖；

圖2是本實用新型的系統結構示意圖。

具體實施方式

RTG結構及本系統的工作環境如圖1所示，包括RTG主體大梁1、RTG基礎梁2、大車運行機構3、小車機構4、起升卷揚機構5、司機室6、鋼纜7、吊具8、電氣房9、動力房10、堆碼貨櫃11等。

一種新型貨櫃碼頭RTG遠程操控系統，如圖2所示，包括遠程控制中心系統和RTG本地控制系統，遠程控制中心系統和RTG本地控制系統之間的數據傳輸採用無線鏈路，需在貨櫃堆場建立無線基站，同時在RTG主體大梁1上安裝無線移動站。

一、遠程控制中心系統：

遠程控制中心系統包括堆場管理系統BMS和遠程操作控制系統ROCS，其中：

1、堆場管理系統BMS負責與TOS系統對接，接收、解析TOS作業指令任務，並根據TOS作業指令自動調度堆場RTG設備，監控RTG設備執行狀態，把作業信息反饋給TOS系統；

2、遠程操作控制系統ROCS是堆場設備控制的核心，實現遠程人工控制RTG設備。主要包括有操控臺、遠控中心PLC、視頻系統、對講系統、RTG作業輔助系統等組成。

二、RTG本地控制系統：

RTG本地控制系統利用大車、小車、起升機構的定位傳感器。在RTG上新增RTG自動控制系統ACCS，接收遠程控制中心系統的TOS作業指令和遠程手動控制命令，實現大車自動運行、吊具自動運行功能；同時需在RTG上新增大車防撞、大車自動糾偏、吊具檢測系統、箱區定位系統、集卡對位系統、集卡防吊起系統、箱號識別系統、車號識別系統、視頻系統、語音系統，保證RTG的自動控制和遠程控制的高效性和安全性。

1、RTG自動控制系統ACCS的主要設備是PLC控制系統，安裝在電氣房9內，藉助無線鏈路通過工業乙太網協議連接遠程控制中心系統，並通過DP總線方式連接RTG本機PLC；其主要功能是接收作業指令或遠程控制命令，發送給RTG本機PLC控制系統實現RTG的遠程控制，同時接收RTG本機狀態(包括機構位置，工作狀態、故障、安全保護等)信息，回傳到RTG遠程控制中心系統。

2、在大車運行機構3上安裝防撞雷達傳感器，用於檢測大車運動前方的跑道上有靜止或移動的障礙物時，設置減速檔和停止檔距離，從而有效地防止E-RTG與E-RTG之間、E-RTG與拖車間及E-RTG與跑道上通行的人員間發生碰撞。

3、RTG本地控制系統在RTG新增DGPS系統，DGPS基準站需要安裝在貨櫃堆場辦公樓上，在RTG電氣房9內安裝DGPS移動站設備，在RTG主體大梁1上安裝GPS天線，進行高精度定位，實施檢測大車與大車運動跑道的偏離情況，進行大車自動糾偏。DGPS系統也用於大車定位，與RTG上原有大車編碼器融合定位，提高大車定位的精度。

4、RTG本地控制系統在RTG新增箱區檢測系統，包括3D控制器、3D雷射(雷射掃描儀和高精度旋轉雲臺)、電源適配器、交換機。系統硬體核心設備是3D雷射以及3D控制器，實現對RTG作業箱區、車道區域、集卡車、貨櫃等輪廓的識別；並結合PLC、指示燈和控制開關等設備共同實現防碰撞控制、自動抓放箱等功能。3D雷射安裝在小車機構1的平臺下，同時可實現對小車精準定位，與RTG上原有小車編碼器互為校驗。

5、RTG本地控制系統在RTG上新增吊具檢測系統，通過在小車機構1的平臺安裝一個角度傳感器以及在吊具8上安裝三個標識板，主要檢測吊具同小車架之間的相對位置角度，以及吊具旋轉角度，通過控制小車和吊具傾轉動作，使吊具保持在允許的落箱定位範圍內。吊具檢測系統和吊具起升編碼器進行融合定位，檢測吊具的高度。

6、RTG本地控制系統在RTG上新增集卡對位系統，在電氣房9上方安裝一臺雷射掃描儀，雷射沿平行於集卡車道中心線對貨櫃及集卡進行掃描測距。雷射掃描儀將數據發送CPS控制器，CPS控制器識別集卡的行駛方向、位置及離場橋基準起吊點的偏差距離，同時CPS控制器從PLC獲取吊具操作模式、開閉鎖信號和起升高度，系統實時將集卡偏離場橋起吊點方向信息、距離信息顯示在安裝在電氣房側的RTG基礎梁2的LED顯示屏上，提示司機調整集卡停車位置，對準狀態。

7、RTG本地控制系統在RTG上新增集卡防吊起系統，包括二維雷射掃描儀、防吊集卡控制器。雷射掃描儀安裝在電氣房側的RTG基礎梁2中間位置，數據電纜連接到安裝在電氣房9內的防吊集卡控制器上。雷射掃描儀實時掃描貨櫃高度、託架邊緣厚度、託架表面傾斜角度、機箱和託架的間隙等，通過這些數據綜合判斷卡車是否被吊起。如發生防吊起是故障，系統將控制吊具8停止，禁止上升。

8、RTG本地控制系統在RTG上新增視頻監控系統，用於監控RTG作業過程中的每個區域；同時將視頻圖像信息回傳給遠程控制中心系統，便於遠程操作者直接觀看RTG的工作狀態。視頻監控區域主要有大車行走區域、起升(吊具視角)區域、集卡車道作業區域、吊具鎖頭區域。在大車機構3處安裝四個攝像頭，監視大車運動方向是否存在障礙物，保證大車運動的安全；在小車機構4下方安裝三個攝像頭，用於直接監視吊具運動狀態、吊具帶箱狀態、吊具對箱狀態；在集卡車道側的RTG基礎梁2安裝三個攝像頭，用於監視是否存在集卡、集卡狀態、貨櫃類型(20尺/40尺)及箱號、貨櫃抓放狀態，在集卡車道上方的RTG主體大梁1上安裝一個攝像頭，用於監控集卡到位情況和集卡車號；在吊具8上安裝四個攝像頭，用於監視吊具對箱狀態。

9、RTG本地控制系統在RTG上新增箱號識別系統，主要設備包括攝像頭和工控機。箱號識別攝像頭借用視頻監控系統中用於監控集卡車道作業的攝像頭，安裝在RTG基礎梁2上，攝像頭的安裝位置根據單20尺、雙20尺、40尺\45尺作業位置進行固定，分別進行單20尺貨櫃、雙20尺貨櫃、40尺(或45尺)貨櫃的箱號識別。工控機安裝在電氣房9內，主要功能是實現攝像頭的控制和數據採集、識別，並通過與PLC接口獲取當前PLC信息(如小車位置、吊具位置)。工控機採集箱號識別攝像頭的視頻圖像，經過圖像定位、字符識別，獲得貨櫃箱號；同時藉助系統鏈路，將箱號識別的識別結果和識別圖像發送到遠程控制中心系統，進行記錄、顯示。

10、RTG本地控制系統在RTG上新增車號識別系統，主要設備包括攝像頭和工控機。車號識別攝像頭借用視頻監控系統中用於監控集卡車道作業的攝像頭，安裝在RTG主體大梁1上，採集集卡車頭上的車號。工控機安裝在電氣房9內(與箱號識別系統共用一個工控機)，主要功能是實現攝像頭的控制和數據採集、識別，並通過與PLC接口獲取當前PLC信息(如小車位置、吊具位置、集卡對位系統轉發的集卡對位情況)。工控機採集車號識別攝像頭的視頻圖像，經過圖像定位、字符識別，獲得集卡箱號；同時藉助視頻系統，將車號識別的識別結果和識別圖像發送到遠程控制中心系統，進行記錄、顯示。

11、RTG本地控制系統在RTG上新增語音對講系統，包括對講機和揚聲器，安裝在集卡車道側的RTG基礎梁上，方便現場人員與遠程操作員進行實時通話。語音對講系統採用IP對講終端，通過網線接入遠程控制網絡，與遠程IP對講機建立連接。

本實用新型的工作原理為：

1、接收TOS作業指令：

(1)堆場管理系統BMS經對比RTG的工作位置和工作狀態，按照「空閒且就近」的原則，將指令下發到RTG本地控制系統；

(2)RTG本地控制系統中的RTG自動控制系統ACCS接收TOS作業指令，本機RTG狀態將由待機模式切換到自動模式；

(3)RTG自動控制系統ACCS根據TOS作業指令進行分解，形成若干RTG動作指令；

(4)如本機RTG不處於待機模式下，系統將等待RTG恢復到待機模式下，在進行自動模式控制；

(5)每條動作指令完成後，RTG自動控制系統ACCS收集該RTG的工作狀態，進入下一條RTG動作指令；

(6)ACCS系統完成TOS作業指令，將TOS作業指令完成狀態反饋到堆場管理系統BMS。

2、大車自動行走：

(1)RTG自動控制系統ACCS對比吊具位置，如吊具不在大車運行安全高度，則控制吊具運動上升達到大車運行安全高度，避免大車行走過程中的吊具與貨櫃的碰撞；

(2)通過RTG大車定位，獲得當前大車位置，對比TOS作業指令中目標場貝位置，系統控制大車自動運動，向目標位置行駛；

(3)如大車當前位置和目標位置不在同場，在大車行駛並靠近場邊界時，進行減速停車，並向遠程操控臺發送過場信號，由遠程操作員進行人工操作過場；

(4)如大車運動過程中，系統檢測到前進方向有障礙物，大車防撞系統控制大車減速、停止，並向遠程控制臺報警；

(5)系統實時檢測並對比大車位置，當靠近目標位置時，進行逐級減速控制，使大車平穩的停止在目標位置；

(6)大車到位後，箱區定位系統的3D雷射掃描當前貝位貨櫃、鄰貝貨櫃堆碼位置，同時判斷吊具作業位置與當前貝位的位置關係，進行大車位置微調，以避免小車行進時與鄰貝貨櫃發生碰撞事故；

3、貨櫃輪廓掃描：

通過箱區定位系統的3D雷射掃描當前貝內、鄰貝貨櫃的堆碼輪廓；根據小車位置定位和起升高度定位，獲得吊具的空間位置；

4、吊具自動行走：

(1)自動控制小車、起升按照小門字運動或最優路徑運動，控制吊具到達作業指令提箱位置的貨櫃安全高度上方，停止運動；

(2)如作業指令提箱位置是集卡車道，首先由集卡對位系統引導集卡精準的停止在吊具作業位置；如集卡未到或未完成集卡對位，起升將禁止向車道上方下降，並在遠程控制臺報警提示，遠程操控員可通過語音對講系統進行喊話，提供集卡司機進行對位；

5、箱號識別、車號識別：

(1)如作業指令提箱位置是集卡車道，進行貨櫃箱號識別、集卡車號識別；如貨櫃箱號、集卡車號與TOS作業指令不一致，系統停止作業，並報警提示遠程操作員；

(2)遠程操作員通過視頻監控系統查看貨櫃箱號、集卡車號，人工與TOS作業指令對比；

(3)如人工確認箱號、車號與TOS作業指令相符，遠程操作員通過按鈕確認，取消報警，並恢復到遠程自動控制；如不相符，系統中斷作業，吊具恢復到安全高度。

6、自動對箱：

(1)吊具停止到目標位置上方時，吊具檢測系統檢測吊具的偏差與迴旋，同時箱區定位系統對吊具位置和下方待作業貨櫃位置進行精細掃描，對比出兩者之間的大車方向偏差、小車方向偏差，吊具迴旋角度；從而控制吊具進行吊具平移、迴旋等動作，從而達到吊具位置的精細調整；

(2)調整後，系統發送遠程輔助作業請求信號(遠程輔助作業請求指示燈閃爍)遠程操作員通過按下遠程輔助作業請求按鈕進行人工操作介入(遠程輔助作業請求指示燈亮起)。

(3)如操作員查看自動對箱位置無誤，通過抓放箱自動輔助按鈕進行自動操作(抓放箱自動輔助指示燈亮起)，系統自動進行吊具下放，並著箱後閉鎖提箱(抓放箱自動輔助指示燈滅掉)；

(4)如操作員認為自動對箱位置存在較大誤差，通過抓放箱人工按鈕進行人工操作(抓放箱人工操作指示燈亮起)，通過遠程操作控制系統ROCS控制吊具下降並閉鎖提箱，起升高度升高至0.5米處(抓放箱人工操作指示燈滅掉)，通過按下遠程控制連接釋放按鈕取消遠程輔助作業介入(遠程輔助作業請求指示燈滅掉)，系統恢復到自動控制運動；

(5)如是集卡車道上提箱，RTG自動控制系統ACCS實時檢測集卡防吊起系統的保護信號，如集卡防吊起系統檢測到集卡吊起事故，將控制起升上升停止，並報警到遠程操控臺，由遠程操作員進行確認，並人工幹預。

7、後續根據位置對比，控制吊具運動到TOS作業指令放箱目標位置，控制過程同步驟2至6；

8、作業完成後，吊具自動起升到安全高度；系統回傳RTG空閒狀態。