摘要:介绍了上海港研发并应用的全自动散货抓斗卸船机、全自动散货装船机和全自动斗轮堆取料机的关键技术与实现原理，包括远距离物料轮廓检测技术、适用于散货船舶与散货堆场的装卸设备自动控制技术、智能辅助决策、计算机网络等先进技术，以及这些技术与装备的集成应用和一体化控制的实现。该项技术的研究成功，使我国实现了港口散货的高效自动装卸及堆场作业，实现了港口散货作业的管理与控制一体化，为建设全自动散货码头奠定了基础。
关键词:港口 散货 自动控制 设备 研究 开发
1.背景
随着经济全球化的发展，散货特别是矿石以及煤炭的海运量也在不断增长。2007年，中国港口完成干散货吞吐量35.65亿吨，比2006年增长13.5%。预计在未来3年内，中国港口的干散货吞吐量增长可达13%。上海港吞吐量中干散货比重已超过40%，并呈不断上升的趋势。
目前，国内外港口散货装卸大部分采用靠人工操作的装卸设备，作业效率与作业安全性完全取决于司机的熟练程度。也有部分码头采用了具有半自动控制功能的装卸设备，即主要控制参数由人工辅助设定完成，以达到比较高的工作效率和工作可靠性。
为了适应港口散货装卸设备的专业化、大型化、高效化发展趋势，世界各国都在大力研究、应用信息化、自动化和智能化技术来建设和改造散货码头，研制新型散货装卸与输送设备，研究新型散货作业管理与控制系统，从而提高港口企业的核心竞争力。
本文介绍了上海国际港务(集团)股份有限公司近期联合上海港机重工、ABB(中国)有限公司、上海交通大学等单位研制开发的全自动散货抓斗卸船机、全自动散货装船机和全自动斗轮堆取料机的研究和开发情况。这项研究涉及到远距物料轮廓检测、计算机网络、自动控制、智能辅助决策、抓斗防摇、路径规划、视频监控、装备远程监控等多项关键技术，为实现上海港散货的高效自动化装卸、堆放与远程监控开创了成功的先例。
2 .港口散货全自动装卸装备
2.1全自动散货抓斗卸船机
现有卸船机的作业方式有两种:手动方式和半自动方式。手动卸船方式效率完全取决于司机的熟练程度，容易引起抓斗的摇摆，受人为因素影响较大，作业效率不稳定。半自动作业方式有两个缺点:一方面，需要司机不断手动设定和更新作业参数，作业适应能力不强，且存在较大的安全风险。特别是由于船舱内物料的变化以及涨落潮的影响，船身会产生倾斜或上浮，这时采用半自动方式卸船就存在抓斗撞船的危险。另一方面，由于舱内散货物料分布的不规则，为了尽量达到满斗，避免空抓、少抓以及埋斗等现象，司机在启动自动循环时，仍然需要手动设定下一个循环船舱上方的返程点，自动操作和司机手动调整很难协调。
全自动散货抓斗卸船机(图1)在现有手动和半自动卸船机的基础上，增加了船舱位置扫描设备及物料分布扫描设备，即目标位置扫描系统(TPS)，实现船舱位置和物料分布的自动检测，完全取代司机的手动设置和操作，实现整舱的连续自动卸船功能，从而达到提高作业效率和安全性能的目的。
在卸船机自动化方案中，利用一个TPS传感器实现了船舱位置检测、物料分布检测和返程点检测三个主要功能。在司机室平台前方安装TPS。卸船作业时，司机室首先运动到作业船舱的中心上方，此时TPS扫描窗正对水面，使TPS的扫描范围覆盖整个作业船舱。
全自动散货抓斗卸船机利用激光测距检测技术，实现了多个目标的自动检测与识别:自动识别船舶所在的位置、船舱的位置、舱口和舱底的高度，以及船舱内的物料种类及其分布情况。
1)船舱的位置、舱口和舱底的高度确定卸船作业区域的边界。作业区域恰当与否直接关系到卸船过程的安全性。一方面，船舱位置、舱口和舱底的高度不准确，容易发生抓斗碰撞事故。另一方面，如果出于安全考虑缩小作业区域，又会降低卸船的效率。
2)船舱内物料的种类及分布是确定卸船策略的根据，同时，系统需要根据物料的高度确定抓斗的抓取位置。不正确的物料高度判断会导致抓斗不满、空抓以及埋斗现象，将降低作业效率、导致操作中断甚至引起安全事故。
3)在实际卸船过程中，船舶的位置会随着水流、风力而发生变化，船舶的高度会随着潮水的涨落而变化，舱内物料的分布随着卸船作业的进行而发生变化，散货的流动、胡塌也会引起舱内物料分布的变化。船舶位置和物料分布的变化没有固定的规律可循，抓斗返程点位置的确定取决于系统自动识别目标的精度。
自动卸船系统工作流程如下:
1)TPS对船舱进行扫描，进行边缘辨识，计算出舱口尺寸和位置，与码头中央控制室的处于卸船任务中的船舶数据进行比对;
2)当抓斗处于不遮挡TPS视线位置时，TPS扫描船舱内料堆，取得堆形数据，经过处理后确定取料点;
3)自动化系统由选定的卸船策略指导，根据舱口和实时堆形的数据，进行大机移动和抓斗移动、起降等控制，实现自动卸船作业;
4)待作业达到设定的安全阔值时(由检测到的料堆轮廓计算出料堆高度已经达到最小安全值，或者总卸料重量达到设定比例)，停止自动化卸船作业，切换为人工操作，进行清仓作业;
5)作业过程中，当系统自动运行时，在现阶段，从码头作业安全性考虑，需要司机脚踩自动运行踏板开关。一旦出现需要人工干预的情况，司机放开脚踏板，卸船机立即停止所有动作，切换为人工作业。
全自动散货抓斗卸船机实现了整舱自动卸船，具有简化操作、安全性能好、效率高的优点，极大地减轻了司机的劳动强度。
2.2全自动散货装船机
目前装船作业均采用人工操作方式，装船作业的范围以及装船机的各机构运动均由司机通过操作台控制。当前装船工艺主要问题是，装船机的司机室位于卸船机的臂架正上方，在作业过程中视线被挡，司机无法观测到溜筒的落料情况以及臂架正下方的物料分布情况，难以观测到船体倾斜情况，难以准确定位溜筒。因此在散货装船作业时，需在船上另外设置一名观测人员，与司机对话交流，配合实现装船作业。
全自动散货装船机具有船舱检测功能、流量检测功能、物料检测功能和视频监视功能，能够根据不同的船型和连续作业时货物的物料面，自动、高效地规划装船路径，同时还能减少物料转接点的扬尘、振动和噪音，确保装船作业能均匀平稳地完成，实现散货自动装船的目标。
在全自动散货装船机上，采用传感器检测船舱相对装船机的位置以及舱内物料的实际分布，是进行准确定位、实现均匀配载、提高装船作业效率的必要条件。根据装船作业的流程和装船机的结构特点，自动装船系统以两台垂直安装的激光雷达(图2)作为检测设备，对作业船舱与料堆进行检测、识别与处理，并控制溜筒和大车运动，进行自动装船。
在全自动散货装船机均匀配载的前提下，为了提高装船作业的效率，完成自动化装船作业，需要根据通过皮带的物料流量及时地调整资船机各机构的运动。因此，实时准确的流量检测与装船作业的效率和安全密切相关。流量控制主要有两种方法，一种是利用安装臂架皮带机上的皮带电流秤进行控制。实践证明，空载时皮带机电流的波动会导致流量计算误差较大;另一种方法是利用地面皮带转运站处对应该装船机的皮带秤进行控制，该皮带秤的读数经过延时处理后，就是溜筒处的物料流量，经实践证明此方法测量误差较小。
自动装船系统有机地结合了这两种方法，根据码头现场的设计和装船作业的特点，采用码头中央控制室皮带称重与装船机皮带电流检测相结合的流量检测方案。
自动装船系统工作流程如下:
1)司机启动激光雷达自动检测系统后，激光雷达系统对船舱进行扫描，进行边缘辨识，计算出舱口尺寸和位置，与码头中央控制室的处于装船任务中的船舶数据进行比对，经人工确认数据正确;
2)自动检测系统扫描船舱内料堆，取得堆形数据，司机设定一系列放料点后，启动自动装船系统;
3)自动化系统根据确认后的舱口和堆形的数据，进行大机移动和溜筒移动、起降等自动装船作业动作控制;
4)作业过程中，雷达系统间歇扫描料堆，更新轮廓数据;
5)当放料点物料达到内部设定载荷后，大车自动移动到下一放料点继续放料装船;
6)当作业达到设定的安全阈值时(雷达系统检测到料堆轮廓已经达到最大安全值，或者总装船重量达到设定比例)，停止自动化装船作业，切换为人工操作，进行填舱作业。
全自动散货装船机实现了装船作业的自动化，有利于提高作业效率和质量，降低司机的劳动强度。
2.3全自动斗轮堆取料机
当前散货堆取料工艺主要存在三方面问题:
1)作业要求高。在堆料作业中，为了有效利用堆场空间，提高堆存能力，要求料堆堆面高且平整二在原料作业中，为了减少推土机清料作业量，要求斗轮机尽量接近料堆底部取料。一旦司机对高度估计不准，斗轮容易铲到地面，酿成事故。
2)在堆取料作业中，司机需时刻关注各机构位置的运行状态，劳动强度很大。
3)影响流程效率。散货码头最常见的装船、卸船工艺都需要斗轮堆取料机进行联动作业。在装船机、卸船机大型化的前提下，斗轮堆取料机往往成为散货码头作业的瓶颈。
目前国外港口，如墨西哥、德国、日本等诸多港口已经开始应用散货堆场自动化系统，ABB(中国)曾在宝钢马迹山港二期工程进行过斗轮堆取料机自动化操作模式的试验。
我们研究的全自动斗轮堆取料机，根据实时检测作业时物料面的变化，按照堆取的智能路径规划，实现物料的自动堆取。
安装在斗轮机顶部的TPS系统作为检测装置，对堆场的料堆进行实时扫描、三维重建并计算料堆参数，控制斗轮机进行自动堆取料作业。
TPS的安装位置位于堆取料机竖梁顶部中央，与悬臂对齐。TPS安装在角度可调节的支架上，通过拉杆调节安装角度。支架通过饺链饺接或焊接固定在堆取料机竖梁顶部中央，扫描窗口对准悬臂，并与水平方向成一定倾角。在竖梁顶部设置一个检修平台，供调试和检修使用。
调整悬臂的俯仰和回转角度，使斗轮抬到最高位置，悬臂对准要扫描的料堆，大车沿轨道匀速经过料堆，TPS完成一次完整的扫描，获得完整的料堆数据。将扫描数据输入数据库，产生一个新的料堆信息模型，或更新旧的信息模型。
TPS采用了二维高速扫描系统，X、Y方向上的扫描范围均为-300~+300。每次扫描覆盖的区域如图3(a)所示。大车经过料堆时，每隔一定的扫描间距，TPS进行一次扫描，最大间距根据TPS安装的高度设定，扫描路径如图3(b)所示。
TPS扫描得到的料堆数据是一定区域内的轮廓点的三维坐标。当堆取料机大车移动一定距离后，TPS再次进行区域扫描。这样前后两个区域存在一定的重叠，此时需要对两批数据进行坐标匹配。在此采用全局坐标匹配的算法:以堆取料机大车轨道一个端点为全局坐标原点，大车移动时的当前位置由位置编码器测得，据此位置数据将每个扫描区域的点的局部坐标全部转换成全局坐标。对于重叠区域的数据处理采用覆盖方式，即对于位于同一Z方向上的点，采用后扫描的轮廓点替代先前扫描的轮廓点。此算法的特点是计算量小，因此数据更新非常快。实际作业中的料堆扫描轮廓图如图4所示。
斗轮自动堆取料机工作流程如下:
1)司机设定自动堆取料范围，启动TPS系统。大车自动移动使TPS检测完设定范围内的堆场;
2)TPS系统计算出料堆轮廓和位置，与码头中央控制室的堆场初始料堆数据进行比对;
3)自动化系统根据TPS实时料堆轮廓数据，进行大机移动和斗轮臂架转动、俯仰等自动堆取料作业动作控制;
4)自动作业过程中，TPS系统间歇扫描料堆，取得堆形数据，经过处理后确定堆(取)料点;
5)取料作业中，当作业达到设定的安全阔值时，即由检测到的料堆轮廓计算出的料堆高度已经达到最小安全值时，停止自动化取料作业，切换为人工操作，进行清场作业;
6)堆料作业中，当料堆高度达到设定安全高度时，自动控制大车移动，开始另一堆区的堆料作业。
3 .关键技术
3.1轮廓检测技术
港口散货装卸作业中，作业料堆的堆型分布、最大高度、最小高度等都需要进行实时监视，经过一定规则的计算来确定后续作业的工作参数。利用直尺等常规测量工具无法实现不规则的料堆的高度、体积等参数的测量。目前，这些数据由司机肉眼观测估计，或通过安装摄像机来辅助观察。但人工观测结果会受到司机经验、情绪、天气等多方面因素干扰，精度难以得到保证，司机稍有疏忽或计量精度失准，就很容易产生沉船、翻船、舱壁(底)损毁、堆场地面损坏等事故。
因此，港口散和 装卸作业中应用料堆轮廓自动检测技术，具有重大的工程价值。同时，自动轮廓检测的应用也是进一步实现卸船机、装船机和斗轮堆取料机等主要装卸作业装备自动化运行的先决条件。有许多先进的检测技术都可用于物料轮廓自动检测，如摄影测量、机器视觉、激光扫描、超声波探测、射线探测等等。而港口物料检测的应用场合决定了合适的检测技术应具有自身的特点。例如，检测集装箱的轮廓时，传感元件安装在龙门起重机上，检测距离约为2~30m。检测大型堆场的物料轮廓时，传感元件通常安装在堆场旁的固定平台上或者大型装卸设备上，检测距离约为5~l00m。大尺寸目标的表面积较大，在保证检测精度的情况下进行高效的轮廓检测，如果采集速度较慢，就难以满足工业应用的实时性要求。由于待检测的目标面积很大，检测到的数据量也异常庞大。为了满足工业应用的实时性，必须采用高效的数据处理算法，以便在短时间内得出处理结果并传输给控制系统以实现自动化作业。对大型料堆进行检测的应用场所通常处于振动、冲击、污染、腐蚀和电磁干扰等恶劣环境中，而港口装卸装备上的检测元件有时必须安装在室外作业，由环境造成的干扰非常显著。检测系统必须具有较强的抗干扰能力，否则将难以顺利实现目标检测任务。
在卸船作业开始前，TPS对船舱进行扫描，测量出舱口四边的位置和高度，产生卸船作业区域的边界。为了保证卸船作业的安全可靠，TPS不断地扫描船舱，将测得的舱口位置和高度与主控制器中保存的数据相比较，如果两者之间的误差超过设定的容许范围，则用测得的数据取代主控制器中的数据，并在司机室显示船舱位置变化的提示。
图5和图6分别为TPS扫描的船舱边缘检测和大车移动检测结果视频图。
在上述检测中，关键的数据处理算法是对二维扫描数据的边缘识别算法。国内外对二维曲线中目标边缘识别的研究已经开展多年，可供参考的算法不胜枚举。在此，考虑到散货卸船作业的自身特点，选用了简单而高效的基于斜率的垂直边缘识别算法，其理由如下:
1)由于散货卸船码头靠泊的多为千吨以上吨位大型船只，船舶大多具有多个船舱，舱口尺寸较大且都为正方形，边缘无其他覆盖物，因此基于数据点斜率的识别算法可以进行准确识别。
2)由于卸船抓斗尺寸很大，作业中通常预设一个较大的抓斗与舱壁间的安全距离，因此对舱口识别精度要求有所降低。一般来说，舱口识别精度在厘米级就完全可满足自动化作业要求。
3.2物料分布检测技术
TPS对作业区域内的物料进行船体横向的二维扫描，获得物料表面轮廓的数据，经过数据预处理后，可以得到物料的二维轮廓曲线。
大车移动一段距离后，可进行下一个料堆横向剖面的扫描，得到另一条二维轮廓曲线。将一个船舱内的多条横向轮廓曲线进行三维重构后，可以得到料堆的三维轮廓曲面。将此曲面以图形的方式显示在司机室的显示屏上，司机可以根据物料的分布情况选择合适的卸船策略。
TPS扫描的数据经预处理后，得到每个点的全局直角坐标，将一条二维轮廓曲线以数组方式进行存储，并依此绘制二维曲线。
三维的料堆轮廓曲面由一条条的二维曲线构成，因为在预处理时对采点采用邻点坐标均值替代法进行了处理，因此此时各条曲线的点数是相同的，可以采用openGL图形库的连续三角形来拼合一个轮廓曲面。
对于曲线上每一点，选取相邻曲线上同编号的点和本曲线上的后续邻点，构成一个三角形。遍历各条曲线各点，绘制一系列共边的三角形，从而拼合成完整的轮廓曲面。
自动卸船作业过程中，下一个循环返程点根据预先选择的卸船策略确定，TPS自动检测返回点的位置，输出到控制器。算法流程如图7所示:
当抓斗处于料斗上方时，TPS沿船体横向对物料进行扫描，测量各点物料的高度。TPS将测量结果发送给主控制器，主控制器将当前抓取点处物料的实际高度与保存的船舱底部高度进行比较。如果两者之差大于预设安全高度值，则可以将当前抓取点作为返程点(由卸船策略确定);否则依据卸船策略计算返程点位置，主控制器向TPS发送返程点测量指令，TPS测量该点的物料高度，作为返程点的起升位置。
为了避免抓斗影响，物料分布检测和返程点检测在抓斗返回料斗上方时进行。考虑抓斗抓取和物料流动、胡塌等不确定性因素的影响，为了确保抓取的效率和安全性，TPS不断地进行物料分布检测和返程点检测，及时更新保存的物料数据。
3.3卸船策略优化
根据物料的种类和分布，卸船机司机可以选择不同的卸船策略。不同的卸船策略代表着根据不同卸船需求的卸船路径选取的模式，各个卸船策略均符合自动化系统的安全规则，即卸船到料堆达到一定安全高度时停止自动卸船，转为人工操作进行清舱作业。
3.3.1定点卸船
司机根据物料分布的图形显示，在显示屏上指定抓取位置，系统自动控制大车、小车运动到指定点进行抓取。这种方式需要司机每次选取取料点，因此效率较低，此策略类似于司机的传统目测人工作业模式。此策略常用于卸船即将结束而大量物料分布在舱壁部位的情况，或者用于不适于用其他卸船策略的场合。
3.3.2平衡卸船
当船舱内物料密度较大时，如果卸船时总在靠近舱壁的位置抓取，使得料堆童心大幅偏移，将会使船体侧倾度增大。因此在卸船过程中，应尽可能保持舱内料堆重心位于船体纵轴线附近，以保持船身平衡，防止船身倾覆。此策略常用于舱内物料较多但分布不均匀的情况，此时，系统自动计算保持船身平衡的返程点，省却了定点卸船策略下司机的反复交互操作。
平衡卸船策略的思想就是根据TPS检测到的物料分布，自动计算防止料堆重心大幅偏移的最佳下次取料点。该策略算法流程见图8。
3.3.3连续卸船
根据TPS检测到的物料分布，按照优化的抓取路径进行卸船。起升、小车、大车这三大主要机构的步进顺序为先起升，后小车，最后大车。此策略适用于舱内物料较多且堆面较平整的场合，此时系统自动步进至返程点，在抓斗作业线上连续进行卸料。
连续卸船的抓取路径规划过程包括:
1)卸船作业从船舱一端的内侧开始，根据不同船型、不同物料种类设定不同的n值，抓斗在起始位置连续抓取n次;
2)小车前进一个步距，继续按照同样的方式抓取，直至到达船舱外侧;
3)大车前进一个步距，小车从船舱内侧开始，继续上述抓取过程，直至整个船舱卸空。3.4装船路径规划技术
全自动装船方式下，可以对装船作业进行平衡装船模式优化，堆料作业点将在司机的选择下由系统自动规划，以提高装船质量和效率，同时保证装船作业的安全性。
在船舱扫描完成后，司机开始选择装船点的排数(1~3排)，循环次数和自动作业装载量。若选择装载3排，装船机将从船头至船艇(或从船艇至船头，与码头中央控制室系统给定信号有关)顺序装船，按照司机习惯和船舱大小自动选择料堆间距以及艏艉料堆与船舱边缘的间距;以船身平衡为主要依据，结合司机习惯进行堆料。
图9中矩形代表船舱，圆形代表堆料点位置，数字代表堆料点序号，1为第一个堆料位置，依次类推。根据以往的装船经验，在1排和2排的装船模式中，各个料堆的重量都是相等的，而在3排模式中，内、外两排的料堆较小，中间料堆较大。
循环次数是指在计算好的料堆位置上完成堆料的次数，默认是一次堆完;若遇到较大吨位的自动装船载荷(8000吨以上)，循环次数设为2或3将更有利于保持作业过程中的船身平衡。装船载荷是指自动装船的载荷总量，司机可以选择整个装船任务的10%~100%作为自动装船载荷，以10%为步进值设置。
4.自动化装备运行情况
本项目从2007年2月开始调试，经不断完善和改进，到目前为止各自动化装备和系统，运行状况良好。从2008年1月至6月，三台自动化装卸装备作业总吨位55.21万吨。具体情况见表1:
表1 自动化装备运行情况简表