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，門座式起重機(jī)（簡稱門機(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。門機(jī)設(shè)計上由倆主要結(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；而底部的支承結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)移動作用，調(diào)整物體的位置。在門機(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)的操作員手動控制，極大地增加了勞動強(qiáng)度，作業(yè)效率也難以得到保障，也會帶來潛在的安全隱患。隨著港口處理能力的持續(xù)增長，單一操作模式不足以滿足現(xiàn)代港口作業(yè)的需求，現(xiàn)實中亟需采用多個設(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，門機(jī)自動化與智能化升級愈發(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)競爭力。得益于自動化、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。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，也為門機(jī)的準(zhǔn)確定位、三維空間建模和自動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、三維視覺重構(gòu)、路徑優(yōu)化到機(jī)器協(xié)同操作以及用戶交互等多個層面，提出了一套綜合的門機(jī)操作方案，以期為門機(jī)的智能化進(jìn)程奠定基礎(chǔ)。

1、門機(jī)的智能升級轉(zhuǎn)型分析

針對裝卸作業(yè)的不同階段和門機(jī)的特殊性能，門機(jī)的智能升級可分為全自動和半自動操作兩種形式。貨艙滿載時，全自動模式啟動，進(jìn)行自動化抓取和釋放，設(shè)備與周圍環(huán)境之間會保持安全距離。相對來說，清倉階段采用半自動模式，操作員手動指定作業(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)手動操控已顯不足。智能化升級的挑戰(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)同等問題，技術(shù)升級時，需以下面幾個要點為依托實施：

• 精確監(jiān)測、檢測位置：門機(jī)具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，實施精確的位置監(jiān)測是優(yōu)化控制的先決條件
• 三維空間建模與路徑規(guī)劃：采用高級建模技術(shù)，為門機(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，改善實時響應(yīng)能力，操作員能及時、準(zhǔn)確地控制設(shè)備。

2、門機(jī)精準(zhǔn)定位及檢測技術(shù)

2.1起升機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位

提升組件主要負(fù)責(zé)物品的垂直運輸，包括動力源、傳遞機(jī)制、吊掛設(shè)備、制動系統(tǒng)、保護(hù)裝置及其他輔助工具，該組件的性能決定了門機(jī)的整體工作效率。為優(yōu)化門機(jī)提升系統(tǒng)，可引入一種高級的多圈絕對值編碼器，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)運動過程中理想的位置檢測工具。將這種編碼器安置在門機(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，可雙重校驗位置信息，使吊鉤定位更準(zhǔn)確。設(shè)定起始點，在自動化操作過程中精確追蹤吊鉤位置。數(shù)據(jù)相互驗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證過程，因此在該系統(tǒng)中增設(shè)了一種絕對值編碼器，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，輔以絕對編碼器的數(shù)值核對，可將測量位置與實際位置之間的定位精度控制在±100mm范圍內(nèi)。變幅過程中還需控制起重機(jī)吊具，避免調(diào)幅時產(chǎn)生過大的反向擺動，因此需要精確調(diào)節(jié)變幅速度，減少擺動幅度。

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)動裝置，該機(jī)制可使起重機(jī)轉(zhuǎn)動部件相對于靜止部件進(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)，即使在移動機(jī)構(gòu)停止時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)用可以實現(xiàn)360度水平旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)依靠驅(qū)動兩個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。在系統(tǒng)中添加一個從動齒輪，安裝在附近行星齒輪旁，保持與行星齒輪的同步轉(zhuǎn)動。在從動齒輪軸上安裝一個多圈絕對值編碼器，于系統(tǒng)中增設(shè)兩個電感式接近開關(guān)，固定在兩個行星齒輪附近，兩個開關(guān)在旋轉(zhuǎn)平臺上的安裝位置形成180度水平角。在適當(dāng)位置安裝單一感應(yīng)塊，使每個接近開關(guān)能夠檢測到的位置分別是+90°和-90°,旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)至特定角度時，相應(yīng)的接近開關(guān)會被觸發(fā)，這些開關(guān)會基于反饋給旋轉(zhuǎn)角度編碼器賦值，利用兩個開關(guān)之間的相互關(guān)系核驗數(shù)值，使測量位置與實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)速過快而導(dǎo)致吊具抓斗因離心力產(chǎn)生的擺動，減少因離心力導(dǎo)致的抓斗擺動。

2.4門式起重機(jī)的精確定位能力

門式起重機(jī)的運行機(jī)構(gòu)允許整個機(jī)器沿軌道水平移動，以便調(diào)節(jié)作業(yè)點，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)由三個主要部分構(gòu)成：承載機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(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)動機(jī)構(gòu)則包括電動機(jī)、減速機(jī)、傳動鏈和制動器等，主要用來推動門式起重機(jī)在軌道上的移動，其中渦輪蝸輪減速機(jī)與開放式齒輪傳動是常見的配合模式。在這個系統(tǒng)中，我們還可以加裝一個閑置輪來提高精確度，其尾端裝有絕對值編碼器，通過計算閑置輪的轉(zhuǎn)動半徑來測定移動距離。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)致距離測量出現(xiàn)誤差。為了在特定區(qū)域精準(zhǔn)定位門機(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)入讀寫設(shè)備的磁場時，由于接收到射頻信號，會發(fā)送出存儲在芯片中的數(shù)據(jù)；然后讀寫設(shè)備接收并解碼這些信號，將其傳送給系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理，最終系統(tǒng)會根據(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，并利用這些信息對門機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。利用碼頭上的預(yù)埋載體和磁釘讀寫傳感器，可以反向解算編碼器的定位值并計算行走的距離。這樣的方法可以校正編碼器讀數(shù)，確保測量的位置信息與實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)建一個三維激光掃描模型系統(tǒng)是智能化提升的起始點，當(dāng)前，采用適宜的探測手段測定、構(gòu)建現(xiàn)實物理信息模型，為遠(yuǎn)程操控和自動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)實際需要。依托激光距離測量原理，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，據(jù)此測算出與物體的距離，明確物體的空間定位，獲取三維點云數(shù)據(jù)。激光掃描的數(shù)據(jù)自動化程度高、精準(zhǔn)度高，達(dá)到毫米級，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)建起門機(jī)自動化控制的整體空間模型，監(jiān)測模擬軌跡中是否存在不完整操作和潛在的安全風(fēng)險。

3.2可視化系統(tǒng)

可視化系統(tǒng)在自動化控制系統(tǒng)中等同于操控人員的“視覺”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)控畫面對現(xiàn)場情況進(jìn)行觀察，在這一系統(tǒng)運行中，需重點控制視頻監(jiān)控的可靠性，保障遠(yuǎn)控室視頻監(jiān)控畫面具有較好的清晰度和流暢性。

3.3生成最優(yōu)運行軌跡

制定最優(yōu)運行軌跡可為門機(jī)提供一條無障礙且最短距離的運行路徑，其中的核心問題是如何確定起重機(jī)的最優(yōu)行進(jìn)路線，如何縮短裝載時間并降低能源消耗。所謂最優(yōu)路徑，是指在考慮起點、終點、環(huán)境障礙及運動學(xué)、環(huán)境及時間限制的前提下，規(guī)劃出一條避開障礙物、滿足動作約束的軌跡?，F(xiàn)行技術(shù)中，最優(yōu)軌跡一般依托于實際工作環(huán)境求解，該方案根據(jù)前述三維建模系統(tǒng)所建立的實際工作場景，設(shè)定求解區(qū)域，依據(jù)物體特定的標(biāo)志和定位點建立模型解空間，將實際物體路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)化為點位路徑規(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)運動軌跡。最優(yōu)運行軌跡應(yīng)保證連續(xù)性和完整性，但在整個工作空間構(gòu)建解空間會消耗大量計算時間。該方案對實際空間進(jìn)行劃分，分離了有無障礙物的區(qū)域，排除環(huán)境中無關(guān)障礙物所占空間，減少無效解的計算量，因此可有效縮短計算時間。

4、結(jié)語

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