貨櫃碼頭生產過程控制、可視化系統的製作方法

2023-12-09 17:59:06

專利名稱：貨櫃碼頭生產過程控制、可視化系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於GPS (全球衛星定位系統)定位技術與自控技術和計算機技術相 結合跨領域的實時過程控制系統。特別涉及一種貨櫃碼頭作業過程控制、可視 化系統。具體包括GIS (Global Information Syst棚〉地理信息系統GPS (Global Positioning System)全球衛星定位系統PLC (Programming Language Contral)可程式語言控制電路系統2.4GHz DSSS無線區域網系統Teklogix TEK8570無線終端及Tekterm終端仿真軟體DGPS堆場貨櫃、裝卸機械實時定位控制多功能過程控制器COSMOS碼頭操作管理軟體ERP系統計算機技術 背景技術港口碼頭的裝卸工作存在著裝卸司機操作的任意性、生產信息的滯後性和特 殊自然環境對生產的制約等問題。21世紀初，天津港貨櫃碼頭有限公司在本 公司3C (Computer、 Communication、 Control)生產體系的基礎上，吸收國際 一流數位化貨櫃碼頭生產體系的成功經驗，彌補其在生產過控制、可視化操作 (管理)方面的不足，結合國內港口貨櫃生產需求，將全球衛星定位(GPS)、 地理信息(GIS)技術引入港口貨櫃行業。應用計算機、通訊、控制、GIS、 GPS、 導航、多媒體、DLP大屏幕等髙科技，實施綜合開發，對港口貨櫃碼頭生產的 關鍵要素船舶、堆場、貨櫃、裝卸機械、閘口進行數據自動採集、精確定位、 動態跟蹤、實現生產過程精細化控制、司機三維可視化操作、調度三維可視化管 理。有效地解決了司機操作的任意性、生產信息的滯後性、堆場安全和特殊自然 環境對生產的制約等問題，成功地開發了 "貨櫃碼頭生產過程控制、可視化管 理系統"並創建了具有中國特色的貨櫃碼頭3C2S (Co即uter、 Communication、
Control、 GPS、 GIS)生產體系。填補國內空白，綜合技術指標優於國際同類系統，推動我國貨櫃碼頭智能化管理水平邁上一個新臺階。 發明內容本發明1目的是提供一種基於貨櫃碼頭生產作業過程控制、可視化管理系 統，為了上述系統提供可靠、穩定的硬體聯控機構，實現堆場信息自動跟蹤、自 動採集、自動反饋，優化工藝、縮短工藝銜接時間、增加機車重載率，減少司機 軟體作業操作、提髙作業效率、降低運營成本，通過轉鎖機構實現貨櫃生產過 程控制(見圖14)。本發明2.為"貨櫃碼頭生產作業過程控制、可視化管理系統"提供堆場 裝卸機械司機實時三維可視化操作界面，實現司機三維實時可視化操作、調度實 時三維可視化人機管理環境(見圖13)。本發明的目的是這樣實現的本發明是《貨櫃碼頭生產過程控制、可視化管理系統》中的一個子系統(移 動站系統見圖l)實現的。移動站系統是由B-1.GPS衛星接收天線；8-2』 5接收機；8-3.8570車載 機和移動站處理系統；8-4.多功能控制器(控制電路)；B-5.RTG機車及控制電 路等組成(見圖2)。 一.移動站系統控制流程的特徵是B-l將接收的GPS衛星信號傳給B-2， B-3將通過無線計算機網絡接收到A 發來的差分信號傳給B-2，經B-2處理後將GPS精確定位信息再傳回B-3, B-3 再根據無線計算機網接收到E發來的生產作業指令、B-2的GPS精確定位信息和 GIS信息來判斷B-3當前的位置是否符合生產作業指令的要求並通過圖形畫面方 式顯示給B-3上的司機;當符合生產指令的要求時向B-4發出允許轉鎖機構動作 的信號，B-4將該信號轉換為控制轉鎖機構動作的信號傳給B-5，由B-5來控制 輪胎吊(RTG)的轉鎖機構動作，將貨櫃吊放到生產作業指令所要求的位置後 方可進行轉鎖動作，完成一次作業；否則當司機的操作不符合生產作業指令的要 求時，B-3向B-4發出禁止轉鎖機構動作信號，通過B-4來控制B-5禁止RTG轉 鎖機構動作，以使RTG司機不能進行吊放貨櫃，直到RTG司機操作符合生產指令的要求時，才能完成吊放貨櫃的操作作業。從而保證了每個貨櫃的吊放位 置，都符合E發來生產作業指令的要求，保證了碼頭堆場中每個貨櫃的堆碼位
置與E中資料庫中的數據完全一致。二.其程序軟體為1. 8570移動站處理系統(RTG-AP)是在Windows 98/2000作業系統、2.4GHz Wireless LAN系統下運行，通過TEKTERM通訊仿真軟體(簡稱TEKTERM)、 COSMOS碼頭操作管理軟體(簡稱ERP-AP)獲取生產作業指令，與(差分 數接收軟體將從中心站系統收到差分數傳給GPS接收機後)GPS接收機傳 回的精確定位數據、GIS信息進行比較處理後，向B-4多功能控制器發出 控制轉鎖信息，由B-4控制B-5 (RTG)的轉鎖機構，進行吊放貨櫃的操 作。(見圖2、圖3);2. 差分數接收軟體(D-sf)程序流程圖(見圖5)(1) . Windows98/2000系統啟動後引導D-sf運行。(2) . D-sf進行初始化工作。(3) .判斷本程序是否結束運行，如是則結束運行；否則進入下一步。(4) .判斷是否有差分數發來，如有進入下一步；否則返回到(3)。(5) .接收差分數據。(6) .檢驗差分數據的正確性，如正確執行(7);否則執行(8)。(7) .將差分數據通過8570無線電腦的C0M1串口傳給GPS接收機。(8) .清除無效的差分數據，返回(3)。3. 移動站處理系統主程序流程圖(見圖6)(1) .在Windows98/2000系統啟動並將D-sf運行後，引導RTG-AP運行。(2) . RTG-AP進行初始化工作。(3) . RTG-AP引導啟動TEKTERM運行。(4) .運行RTG動態模擬和畫面顯示處理模塊。(5) .判斷有作業操作進行嗎？如有執行(6);如沒有執行(7)。(6) .執行作業操作處理模塊。(7) .判斷RTG的大車走行了嗎？如有執行(8);如沒有執行(9)。(8) .執行大車走行處理模塊。(9) .判斷是否退出操作？如是結束本程序運行否則返回(5)。4. RTG動態模擬和畫面顯示處理模塊(見圖7)
(1) .該模塊啟動運行。(2) .檢測GPS運行狀態。(3) .接收DGPS定位數據，並進行定位處理。(4) .向數據處理中心A讀取本RTG所在場地的貨櫃堆存數據。(5) .繪製並顯示RTG所在常鳥瞰圖。(6) .繪製並顯示GPS、 RTG的狀態信息欄。(7) .繪製並顯示RTG垂直面的模擬作業圖。(8) .繪製並顯示GPS的作業指令信息欄和GPS的精確定位信息。(9) .判斷是否結束運行？如是則結束本程序運行；否則返回(2)。 5.作業操作處理模塊(見圖8)(1〉.本模塊啟動運行。(2) .實際進行作業操作輸入。(3) .獲取作業操作指令信息，並顯示在GPS的作業指令信息欄中。(4) .調用RTG動態模擬和畫面顯示處理模塊。(5) .判斷RTG轉鎖機構是否處於受控狀態？如是執行(6):否則執行恥。(6) .判斷當前RTG的吊具位置是否等於指令源位置？如是執行(8);否則 執行(7)。(7) .通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出信號禁止RTG的 轉鎖機構動作，並返回(6)。(8) .通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出信號允許RTG的 轉鎖機構動作(閉鎖)。(9) .判斷吊具是否在水平面上移動並大於半個箱位的距離U.22米)？ 如移動距離小於等於半個箱位，返回(8);否則進入下一步操作。鵬.通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出信號禁止RTG轉 鎖機構動作。0D.判斷現吊具位置是否等於作業指令的目標位置？如是進入下一步操 作；否則返回鵬。03.通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出信號允許RTG轉 鎖機構動作。進入下一步操作。
微.判斷是否開鎖並水平移動大於半個箱位？如是則執行腸；否則返回 到肪。a仏判斷是否完成閉鎖至開鎖動作？如是進入下--歩操作否則執行ao。 腸.發送本次作業完成確認信息給erp-ap，進入下一歩。 鵬.結束作業操作處理。6. 大車走行處理模塊(見圖9)(1) .本模塊啟動運行。(2) .接收中心處理系統a,大車走行信息。(3) .判斷有否碰撞警報發生？如有進入下一歩；否則執行鵬。(4) .在8570顯示器上顯示防碰撞報警圖形。(5) .是否進入限速臨界區收到限速指令？如是則執行(6);否則執行(9)。(6) .通過8570無線終端com2串口給多功能控制器發出rtg大車限速信 號，有多功能控制器控制大車限速運行。(7) . rtg的大車處於限速走行狀態。(8) .判斷rtg大車走行停止否？如沒有停止，執行下一歩；否則執行鵬。(9) .判斷防碰撞報審取消否？如取消了，執行下一步；否則返回(4)。 鵬.判斷rtg大車走行停止否？如沒有停止，執行下一步否則執行a0。 (id.判斷rtg駛出本場區了嗎？如是則執行下一歩；否則返回w。03.判斷rtg進入新場區了嗎？如否則執行下一步；進入新場執行a9。 肌判斷rtg90度轉向了嗎？如是則執行下一步；否則執行肪。 cm).執行90度轉向處理，然後返回肪。 05).調用rtg動態模擬畫面顯示處理，然後返回鵬。鵬.大車走行處理結束。7. rtg-ap初始化處理模塊(見圖io)(1) .本模塊啟動運行。(2) .對變量、工作區進行初始化，申請佔用8570無線終端的c0m1、 com2 埠。(3) .向中心處理系統a，進行登錄。(4) .接收gps定位信息。
(5) . GPS初始定位。(6) .結束初始化。8.啟動TEKTERM模塊(見圖ll)(1) .啟動運行TEKTERM通訊仿真程序。(2) .啟動ERP-AP，即啟動COSMOS碼頭操作管理軟體，調出用戶登錄界 面。(3) .進行用戶登錄操作。(4) . TEKTERM啟動完畢。三.堆場裝卸機械三維實時可視化操作人機界面移動站三維實時可視化操作人機界面可直觀三維生產場景，達到視覺與空間 協調一致，滿足司機可視化操作。人機界面設計分四部分(見圖13):1. 上部分左側窗口是應用程式窗口，顯示貨櫃操作指令，該指令來自中 心調度。2. 上部分右側窗口是應用程式窗口，顯示當前貨櫃操作指令，該指令來 自中心調度；裝卸機械實時作業過程(包括貨櫃實時信息、裝卸機械 作業過程實時信息)側視圖。3. 中間部分窗口顯示貨櫃作業偏差、GPS狀態，RTG狀態和其他功能下拉 菜單等GPS移動站狀態參數。4. 下部分窗口顯示裝卸機械作業過程(包括堆場地理信息(GIS)、裝卸機 械實時位置信息、堆場貨櫃信息)俯視圖。本發明的優點 本發明在世界上首次提出1、 "依據作業指令位置信息-貨櫃GPS定位信息，控制吊具轉鎖機構(裝 置)技術途徑，實現堆場貨櫃碼放位置的精確定位，確保貨櫃堆碼精度《 20CM,準確率100%。"；2、 使用俯視圖、側視圖用兩個二維實時動態圖形描述三維空間堆場貨櫃 生產過程，實現堆場裝卸機械司機三維實時可視化操作，達到視覺空間(堆場、 貨櫃、裝卸機械)效果與現實操作協調一致。本發明是以國際3C貨櫃碼頭生產體系為原型，結合港口堆場貨櫃裝卸 生產過程控制和可視化管理的用戶需求，將計算機、通訊、自動控制、GIS、 GPS 等技術綜合進行設計，從而實現了貨櫃碼頭堆場精細化作業(過程控制、可視 化操作)，確保堆場貨櫃堆碼誤差《20CM，準確率100%。1. 本系統通過控制RTG轉鎖機構的動作，達到保證貨櫃吊放的準確性， 其原理簡單、實現方便、成本低，並且適合各類型(PLC、繼電器等)RTG 使用。2. 本系統雖讀取ERP系統的數據，但不會影響或幹擾原ERP的任何正常運 行，萬一本系統出現故障，只是本系統停止運行，原ERP系統仍可正常 運行。3. 本系統用二個二維動態畫面表示三維實時作業場景，直觀明了，為司機 提供可靠的可視化操作依據。4. 本系統代替RTG司機進行作業完成確認操作可節省RTG司機50%的鍵 盤操作量，使司機有更多的時間專注機車作業操作，提高了工作效率。


圖1是貨櫃碼頭生產過程控制、可視化管理系統總圖；圖2是移動站系統模塊結構圖；圖3是移動站處理系統組成及軟體關聯；圖4是移動站可視化操作人機界面布局圖；圖5是移動站差分軟體模塊圖貨櫃作業過程控制、可視化系統的結構示意圖；圖6是移動站處理系統程序圖之一圖7是移動站處理系統程序圖之二 (RTG動態模擬和畫面顯示處理)圖8是移動站處理系統程序圖之三(作業操作處理)；圖9是移動站處理系統程序圖之四(大車走行處理)；圖10是移動站處理系統程序圖之五(RTG-AP初始化)；圖11是移動站處理系統程序圖之六(啟動TEKTERM);圖12是移動站處理系統程序圖之七圖13是堆場裝卸機械三維實時可視化操作人機界面圖集； 圖14是多功能控制器電路原理圖。
具體實施方式
本貨櫃作業過程控制、可視化系統在天津港貨櫃碼頭有限公司實施，解 決了在本公司3C國內港口貨櫃生產的需求，將全球衛星定位(GPS)、地理信 息(GIS)技術引入港口貨櫃行業。應用計算機、通訊、控制、GIS、 GPS、導 航、多媒體、DLP大屏幕等高科技，實施綜合開發，對港口貨櫃碼頭生產的關 鍵要素船舶、堆場、貨櫃、裝卸機械、閘口進行數據自動採集、精確定位、動 態跟蹤、實現生產過程精細化控制、司機三維可視化操作、調度三維可視化管理。 有效地解決了司機操作的任意性、生產信息的滯後性和特殊自然環境對生產的制 約等問題，"貨櫃碼頭生產過程控制、可視化管理系統"並創建了具有中國特 色的貨櫃碼頭3C2S (Computer、 Co咖unication、 Control、 GPS、 GIS)生產 體系。填補國內空白，綜合技術指標優於國際同類系統，推動我國貨櫃碼頭智 能化管理水平邁上一個新臺階。
權利要求
1. 一種貨櫃碼頭生產過程控制、可視化系統，其特徵在於它是一個移動站系統由硬體系統組成B-1.GPS衛星接收天線；B-2.GPS接收機；B-3.8570車載機和移動站處理系統；B-4.多功能控制器的控制電路；B-5.RTG機車及控制電路等組成；移動站系統控制連接流程的特徵是B-1將接收的GPS衛星信號傳給B-2，B-3將通過無線計算機網絡接收到A發來的差分信號傳給B-2，經B-2處理後將GPS精確定位信息再傳回B-3，B-3再根據無線計算機網接收到E發來的生產作業指令、B-2的GPS精確定位信息和GIS信息來判斷B-3當前的位置是否符合生產作業指令的要求並通過圖形畫面方式顯示給B-3上的司機；當符合生產指令的要求時向B-4發出允許轉鎖機構動作的信號，B-4將該信號轉換為控制轉鎖機構動作的信號傳給B-5，由B-5來控制輪胎吊(RTG)的轉鎖機構動作，將貨櫃吊放到生產作業指令所要求的位置後方可進行轉鎖動作，完成一次作業；否則當司機的操作不符合生產作業指令的要求時，B-3向B-4發出禁止轉鎖機構動作信號，通過B-4來控制B-5禁止RTG轉鎖機構動作，以使RTG司機不能進行吊放貨櫃，直到RTG司機操作符合生產指令的要求時，才能完成吊放貨櫃的操作作業；從而保證了每個貨櫃的吊放位置，都符合E發來生產作業指令的要求，保證了碼頭堆場中每個貨櫃的堆碼位置與E中資料庫中的數據完全一致。
2、根據權利要求1所述的貨櫃作業過程控制、可視化系統，其特徵在於 其程序軟體為1. 8570移動站處理系統(RTG-AP〉是在Windows 98/2000作業系統、2.4GHz Wireless LAN系統下運行，通過TEKTERM通訊仿真軟體(簡稱TEKTERM)、 COSMOS碼頭操作 管理軟體(簡稱ERP-AP)獲取生產作業指令，與-一差分數接收軟體將從中心站系 統收到差分數傳給GPS接收機後一-GPS接收機傳回的精確定位數據、GIS信息進行 比較處理後，向B-4多功能控制器發出控制轉鎖信息，由B-4控制B-5 (RTG)的 轉鎖機構，進行吊放貨櫃的操作2. 差分數接收軟體(D-sf)程序流程圖(1) . Windows98/2000系統啟動後引導D-sf運行；(2) . D-sf進行初始化工作；(3) .判斷本程序是否結束運行，如是則結束運行否則進入下一步；(4) .判斷是否有差分數發來，如有進入下一步；否則返回到(3); (5) .接收差分數據；(6) .檢驗差分數據的正確性，如正確執行(7);否則執行(8);(7) .將差分數據通過8570無線電腦的C0M1串口傳給GPS接收機；(8) .清除無效的差分數據，返回(3);
3. 移動站處理系統主程序流程圖(1) .在Windows98/2000系統啟動並將D-sf運行後，引導RTG-AP運行；(2) . RTG-AP進行初始化工作(3) . RTG-AP引導啟動TEKTERM運行；(4) .運行RTG動態模擬和畫面顯示處理模塊；(5) .判斷有作業操作進行嗎？如有執行(6):如沒有執行(7);(6) .執行作業操作處理模塊；(7) .判斷RTG的大車走行了嗎？如有執行(8):如沒有執行(9);(8) .執行大車走行處理模塊；(9) .判斷是否退出操作？如是結束本程序運行否則返回(5);
4. RTG動態模擬和畫面顯示處理模塊(1) .該模塊啟動運行；(2) .檢測GPS運行狀態(3) .接收DGPS定位數據，並進行定位處理；(4) .向數據處理中心A讀取本RTG所在場地的貨櫃堆存數據；(5) .繪製並顯示RTG所在常鳥瞰圖；(6) .繪製並顯示GPS、 RTG的狀態信息欄；(7) .繪製並顯示RTG垂直面的模擬作業圖(8) .繪製並顯示GPS的作業指令信息欄和GPS的精確定位信息；(9) .判斷是否結束運行？如是則結束本程序運行；否則返回(2):5. 作業操作處理模塊(1) .本模塊啟動運行；(2) .實際進行作業操作輸入；(3) .獲取作業操作指令信息，並顯示在GPS的作業指令信息欄中(4) .調用RTG動態模擬和畫面顯示處理模塊；(5) .判斷RTG轉鎖機構是否處於受控狀態？如是執行(6);否則執行(U);(6) .判斷當前RTG的吊具位置是否等於指令源位置？如是執行(8);否則執行(7);(7) .通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出信號禁止RTG的轉鎖機構 動作，並返回(6);(8) .通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出信號允許RTG的轉鎖機構 動作--閉鎖；(9) .判斷吊具是否在水平面上移動並大於半個箱位的距離1.22米？如移動距離小 於等於半個箱位，返回(8);否則進入下一步操作鵬.通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出信號禁止RTG轉鎖機構動 作；(11).判斷現吊具位置是否等於作業指令的目標位置？如是進入下一步操作；否則 返回鵬；通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出信號允許RTG轉鎖機構動 作；進入下一步操作；鵬.判斷是否開鎖並水平移動大於半個箱位？如是則執行(15):否則返回到似； (14).判斷是否完成閉鎖至開鎖動作？如是進入下一歩操作；否則執行鵬；05).發送本次作業完成確認信息給ERP-AP,進入下一歩；鵬.結束作業操作處理； 6.大車走行處理模塊(1) .本模塊啟動運行；(2) .接收中心處理系統A，大車走行信息；(3) .判斷有否碰撞警報發生？如有進入下一步否則執行鵬；(4) .在8570顯示器上顯示防碰撞報警圖形；(5) .是否進入限速臨界區收到限速指令？如是則執行(6);否則執行(9):(6) .通過8570無線終端COM2串口給多功能控制器發出RTG大車限速信號，有多 功能控制器控制大車限速運行；(7) . RTG的大車處於限速走行狀態；(8) .判斷RTG大車走行停止否？如沒有停止，執行下一歩；否則執行鵬；(9) .判斷防碰撞報警取消否？如取消了，執行下一歩；否則返回(4);鵬.判斷RTG大車走行停止否？如沒有停止，執行下一步；否則執行O位； OD.判斷RTG駛出本場區了嗎？如是則執行下一步；否則返回側 似.判斷RTG進入新場區了嗎？如否則執行下一歩；進入新場執行05); (13).判斷RTG90度轉向了嗎？如是則執行下一步；否則執行肪；a仏執行9o度轉向處理，然後返回az):腸.調用RTG動態模擬畫面顯示處理，然後返回卿； a .大車走行處理結束；7. RTG-AP初始化處理模塊(1) .本模塊啟動運行；(2) .對變量、工作區進行初始化，申請佔用8570無線終端的C0M1、 C0M2埠；(3) .向中心處理系統A，進行登錄；(4) .接收GPS定位信息(5) . GPS初始定位；(6) .結束初始化；8. 啟動TEKTERM模塊(1) .啟動運行TEKTERM通訊仿真程序；(2) .啟動ERP-AP，即啟動COSMOS碼頭操作管理軟體，調出用戶登錄界面；(3) .進行用戶登錄操作；(4) . TEKTERM啟動完畢。3、根據權利要求1所述的貨櫃作業過程控制、可視化系統，其特徵在於堆場裝卸機 械三維實時可視化操作人機界面；移動站三維實時可視化操作人機界面可直觀三維生產場景，達到視覺與空間協調一致， 滿足司機可視化操作；人機界面設計分四部分1. 上部分左側窗口是應用程式窗口，顯示貨櫃操作指令，該指令來自中心調度；2. 上部分右側窗口是應用程式窗口，顯示當前貨櫃操作指令，該指令來自中心調度; 裝卸機械實時作業過程:包括貨櫃實時信息、裝卸機械作業過程實時信息側視圖;3. 中間部分窗口顯示貨櫃作業偏差、GPS狀態，RTG狀態和其他功能下拉菜單等GPS 移動站狀態參數；4. 下部分窗口顯示裝卸機械作業過程包括堆場地理信息GIS、裝卸機械實時位置信 息、堆場貨櫃信息俯視圖。
全文摘要
本發明是「貨櫃碼頭生產過程控制、可視化管理系統」中的一個子系統實現的。移動站系統是由B-1.GPS衛星接收天線；B-2.GPS接收機；B-3.8570車載機和移動站處理系統；B-4.多功能控制器(控制電路)；B-5.RTG機車及控制電路等組成。並由移動站系統控制流程計算機軟體運行。本系統通過控制RTG轉鎖機構的動作，達到保證貨櫃吊放的100％準確、定位精度≤20CM，其原理簡單、實現方便、成本低，適合各類型(PLC、繼電器等)RTG使用；通過控制RTG大車行走機構的動作，達到RTG堆場行走安全；通過RTG生產信息自動跟蹤、自動採集、自動反饋，可優化工藝、縮短工藝銜接時間、增加機車重載率、提高作業效率、降低運營成本。
文檔編號B66C13/18GK101209801SQ20061013059
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者劉振鵬 申請人:天津港貨櫃碼頭有限公司