軌道式集裝箱龍門起重機(以下簡稱“軌道吊”)是集裝箱碼頭堆場的主要裝卸設備，其自動化程度、作業效率是制約碼頭發展的關鍵因素。作為自動化集裝箱碼頭基礎技術之一，軌道吊遠程操控技術的發展一直備受關注，設備制造商和港口企業對軌道吊遠程操控系統的研發從未停止。近年來，隨著自動化集裝箱碼頭技術的發展，傳統集裝箱碼頭管理者為了進一步提高碼頭整體作業效率和優化業務流程，對軌道吊等設備實施智能遠程操控改造;與此同時，物聯網、傳感器檢測、無線通信、遠程控制等技術的成熟為研發先進的軌道吊等設備遠程操控系統提供技術支撐。本文在傳統軌道吊遠程操控技術的基礎上，從定位系統、通信系統、安全防護系統、視頻系統等方面優化設計軌道吊智能遠程操控系統，以期提升軌道吊作業效率、安全性和自動化程度。
1 軌道吊智能遠程操控系統構成
軌道吊智能遠程操控系統主要包括遠程操作系統、視頻系統、通信系統、自動糾偏系統和定位系統等五大子系統，具體作業實現過程如下：首先，在傳統軌道吊的基礎上，通過安裝視頻監控設備、激光掃描儀、服務器和傳感器等輔助裝置，實現軌道吊自動化或半自動化運行;然后，通過人員在遠程操作臺的操作，完成軌道吊作業過程。為了滿足集裝箱碼頭自動化作業要求，軌道吊智能遠程操控系統必須具備高精度自動定位、低延時實時視頻圖像傳輸、高效可靠通信等功能。為此，在傳統軌道吊遠程操控技術的基礎上，從設備通信、定位、安全防護等方面優化軌道吊遠程操控系統，通過采用光纖通信、格雷母線大車定位、智能視頻避障以及吊具智能防搖等技術，進一步提升軌道吊遠程操控系統的自動化和智能化水平。軌道吊智能遠程操控系統結構如圖1所示。
2 軌道吊智能遠程操控系統優化設計
2.1 定位系統優化設計
定位系統是軌道吊智能遠程操控系統的重要組成部分。定位系統功能包括大車定位和小車定位，其中，大車定位主要采用以下方式：一是全球定位系統(global positioning system，GPS)定位方式，該定位方式的定位偏差較大，且易受環境干擾，無法滿足實時定位和高精度定位要求;二是磁釘定位方式，該定位方式要求碼頭安裝定位磁釘，從而使得定位范圍受限。本項目采用格雷母線定位系統實現大車定位。格雷母線位置檢測元件包括地址編碼發射器、地址編碼接收器、格雷母線和天線箱，檢測原理如圖2所示。格雷母線位移傳感器通過格雷母線與天線箱之間的電磁耦合通信，同時檢測天線箱在格雷母線長度方向上的位置。
格雷母線位置檢測分為地上檢測和車上檢測：在地上檢測方式下，地址編碼發射器和天線箱安裝在移動站，地址編碼接收器安裝在固定站，通過天線箱發射地址信號，并在固定站完成地址檢測;在車上檢測方式下，地址編碼發射器安裝在固定站，天線箱和地址編碼接收器安裝在移動站，通過格雷母線芯線發射地址信號，并由移動站直接檢測地址。一般情況下，根據軌道吊控制系統的需求來選擇地上檢測或車上檢測方式。格雷母線定位系統的定位精度達到毫米級，且抗干擾能力強，可實時反饋定位信息。以軌道吊大車自動定位為例，GPS的定位誤差為100 mm，而格雷母線定位系統的定位誤差僅15 mm。
2.2 通信系統優化設計
軌道吊智能遠程操控通信系統主要用于遠程控制室與軌道吊之間的控制、視頻、音頻等信號傳輸，必須滿足數據傳輸的高安全性、低延時、寬帶寬等要求。傳統軌道吊遠程操控通信系統多采用漏波通信技術方案，雖然該方案具有安裝方便、靈活性較高等優點，但存在傳輸帶寬較窄的缺點。隨著遠程操控系統視頻圖像傳輸量的增加和傳輸實時性要求的提高，漏波通信方式已無法滿足應用要求。鑒于此，有必要采用通信容量大、傳輸帶寬較寬的通信技術方案替代漏波通信技術方案，以提升遠程控制室與軌道吊之間視頻、控制等信號的傳輸效率。
試驗證明，光纖通信技術方案在信號傳輸的安全性和實時性方面具有明顯優勢，能夠滿足作業現場遠程操控數據傳輸要求。鑒于此，軌道吊智能遠程操控通信系統采用光纖通信技術方案。碼頭生產管理系統發布的作業指令通過起重機遠程監控系統傳輸到可編程邏輯控制器(programmable logic con-troller，PLC)。遠程操作臺發出的指令通過PLC發送至軌道吊控制器，軌道吊控制器與單機PLC交互完成指令傳輸。如圖3所示：激光傳感器通過用戶數據報協議(user datagram protocol，UDP)接口實現與PLC通信，旋轉云臺通過RS485接口實現與PLC通信，PLC通過DP接口實現與單機PLC通信。
2.3 安全防護系統優化設計
(1)大車防撞 本項目對安全防護系統的大車防撞裝置和功能實施以下優化設計：第一，為了保障大車防撞監測的可靠性，采用雙雷達監測方式，從而縮小監測盲區;第二，增加大車視頻避障系統(見圖4)，即通過安裝在軌道吊大車下橫梁端部的雙目攝像機，監測大車運行方向的人、車等障礙物，并與單機PLC聯動，實現軌道吊自動減速和停車;第三，實現本地采集、分析、存儲軌道吊運行方向的視頻信號并通過光纖傳輸至中控室，結合軌道吊控制器傳送的實時運動軌跡數據，建立立體相機模型，形成三維空間數據，實現障礙物監測報警以及減速和制動控制信號回傳，從而提升大車防撞保護安全性。
(2)堆場防護 在集裝箱堆場防護方面，以往多采用光柵監測防護方式，存在一定監測盲區，給碼頭作業埋下安全隱患。本項目采用堆場物理隔離方式，對遠控作業堆場實施整體封閉防護，只留拖車通行道路，從而縮小監測盲區，提升軌道吊作業安全性。
2.4 視頻系統優化設計
軌道吊遠程操控離不開視頻系統輔助。首先，高清全數字視頻采集系統通過光纖傳輸方式將軌道吊司機作業所需的視頻畫面傳送至中控室;然后，畫面分割處理系統合理呈現實時視頻畫面，并通過可變焦攝像機智能跟蹤起升吊具位置，使司機能清晰地觀察吊具和集裝箱運行情況。為了實現高清視頻系統對軌道吊作業區域的全覆蓋，在軌道吊作業現場布置15個攝像頭(見圖5)。軌道吊司機在視頻系統的輔助下能夠在中控室遠程觀察堆場作業情況，實現對集卡、堆場內集裝箱和集卡交換區的監控作業。
3 結束語
軌道吊智能遠程操控系統是碼頭裝卸設備自動化發展的重要組成部分，其集通信技術、控制技術、圖像采集與處理技術、傳感檢測技術等于一體，能夠實現軌道吊自動化作業。軌道吊智能遠程操控系統是在傳統軌道吊遠程操控系統的基礎上，通過對定位系統、通信系統、安全防護系統和視頻系統等子系統的優化設計而形成的，其應用有助于提升軌道吊作業安全性和作業效率，從而推動我國集裝箱碼頭裝卸設備自動化水平再上新臺階。
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