一 概述 1． 前言 物流是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展最快的行業(yè)之一，如何實(shí)現(xiàn)高效、無故障的物流運(yùn)輸已經(jīng)成為整個(gè)物流行業(yè)發(fā)展的迫切需要。集裝箱運(yùn)輸碼頭作為國際貨運(yùn)最主要的手段之一，如何提高集裝箱運(yùn)輸效率已成為全球各港口非常關(guān)心的問題。 2． 問題的提出 據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國際上大港口集裝箱運(yùn)輸平均效率為25-27次/小時(shí)，對于HIT、YICT等自動(dòng)化程度高、配套設(shè)施齊全的港口，操作效率最高可達(dá)到35次/小時(shí)，平均操作效率為32-33次/小時(shí)。隨著國際貨運(yùn)總量的急劇增長，對集裝箱碼頭運(yùn)輸效率提出了更高的要求。 海岸吊車是港口集裝箱運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，它的主要作用是將各種規(guī)格不等的集裝箱從貨船上吊裝到集裝箱貨車上，或者將集裝箱貨車上的集裝箱吊裝到貨船上指定位置。目前貨車對位主要采用人工對位方式，即有專人站在車道上，對某類型貨車或海岸吊某位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)對位，在確定的標(biāo)準(zhǔn)位置擺放標(biāo)志桿，在貨柜長度和岸吊位置不變的情況下，以此標(biāo)志桿來進(jìn)行集裝箱對位。但是，當(dāng)海岸吊的位置發(fā)生變化，或者貨柜長度發(fā)生變化時(shí)，需要重新進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)對位，導(dǎo)致岸吊操作效率很低。 3． 現(xiàn)存的解決方案 針對港口貨車對位存在的問題，已經(jīng)有幾種解決方案，以下做簡單說明： （1） 3D掃描方案 利用3D掃描頭將貨柜的立體形狀掃描后處理，判斷貨柜位置，控制貨車停到準(zhǔn)確位置，優(yōu)點(diǎn)：不管岸吊位置如何變化，或貨柜大小發(fā)生變化，掃描系統(tǒng)都可以自動(dòng)檢測新的位置，無需人為參與；缺點(diǎn)：一套系統(tǒng)至少需要3個(gè)掃描頭一起工作，但3D的掃描頭價(jià)格昂貴，不適合大量安裝。 （2） 雪糕筒方案 利用安裝在車道一側(cè)一個(gè)小車的光線發(fā)生器發(fā)出一束光線，小車通過光線的反射與否，控制貨車停到準(zhǔn)確位置；優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉，對位精度高；缺點(diǎn)：岸吊位置或貨柜大小發(fā)生變化，就需要重新確定一次標(biāo)準(zhǔn)中點(diǎn)，影響工作效率。 （3） 激光線掃描方案 采用2D掃描頭，在一定高度對貨柜進(jìn)行切面掃描，以此判斷貨柜位置，控制貨車停到準(zhǔn)確位置；優(yōu)點(diǎn)：不管岸吊位置如何變化，或貨柜大小發(fā)生變化，掃描系統(tǒng)都可以自動(dòng)檢測新的位置，無需人為參與，價(jià)格適中；缺點(diǎn)：對不同車道的掃描時(shí)，需要人工切換。 二 測量原理 1． 激光線掃描測量原理 激光掃描頭工作時(shí)，在如上圖的范圍內(nèi)每隔0.25度發(fā)射一條光線，并接收光線的反射信息，每掃描一輪，就將這一輪的反射信息創(chuàng)建一組以掃描頭為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)，并將該坐標(biāo)信息發(fā)送給控制器；控制器接收并處理這些數(shù)據(jù)后，就可以控制貨車停到正確位置了。 三 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1． 數(shù)據(jù)采集與傳輸 激光掃描頭與掃描控制器之間通過高速RS422通訊實(shí)現(xiàn)連接，通訊速率達(dá)到115.2kbps。 激光掃描頭每隔0.25度發(fā)射一條光線，并接收光線的反射結(jié)果計(jì)算出一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如此每個(gè)掃描周期可以得到400個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如果將這些點(diǎn)放在一個(gè)合適的直角坐標(biāo)系中，我們就可以看到一個(gè)貨柜車的近似形狀，可以看到貨柜的頂點(diǎn)，車頭等，控制器可以將這些關(guān)鍵點(diǎn)提取出來用以計(jì)算。 2． 數(shù)據(jù)處理、分析與控制 掃描控制器接收激光掃描頭發(fā)送的信息后，經(jīng)過控制器內(nèi)置的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法、數(shù)據(jù)濾波處理算法等將這些數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一幅關(guān)于貨車切面的圖形以及貨車關(guān)于參考位置的距離，和預(yù)先設(shè)定的貨車停車距離進(jìn)行比較，判斷貨車位置。 3． 系統(tǒng)控制 由于激光掃描器每次掃描的結(jié)果都會(huì)有一定的誤差，因此控制器接收激光掃描器數(shù)據(jù)計(jì)算出的結(jié)果并不能直接作為控制輸出，必須送到PLC進(jìn)行累計(jì)消除誤差，同時(shí)PLC還要判斷貨柜車是否已接近停止點(diǎn)，已控制指示燈的閃爍，令司機(jī)可以提前減速停車。 4． 操作與顯示 最終的結(jié)果會(huì)顯示到安裝在岸吊上的指示燈上，指示燈通過亮滅不同的方向燈，告訴貨車司機(jī)如何控制貨車停到正確位置，通過方向燈的閃爍，告訴司機(jī)貨車離正確位置的距離。 四 功能實(shí)現(xiàn) 通過安裝在岸吊上的激光測量裝置不斷測量貨柜車的位置信息并實(shí)時(shí)發(fā)送給位置控制器分析，通過控制器內(nèi)置的控制軟件計(jì)算貨柜車當(dāng)前位置，同時(shí)控制信號燈的亮滅，貨柜車司機(jī)通過觀察信號燈的信號，實(shí)現(xiàn)在無人指揮的情況下自行定位貨柜車，提高貨柜車定位效率。 1．相關(guān)硬件 （1） 激光掃描器：安裝在海岸吊距離地面約20米的高度，水平安裝，根據(jù)水平滑動(dòng)軌道將掃描器移動(dòng)到貨車所在車道后，對貨車位置進(jìn)行連續(xù)掃描。掃描器特點(diǎn)：戶外安裝，防護(hù)等級IP67；測量精度高達(dá)0.25級。 激光掃描器 軟件結(jié)構(gòu)介紹： 數(shù)據(jù)處理與控制，由C＋＋編寫，程序可分為主程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸出模塊；系統(tǒng)工作時(shí)，主程序模塊先通過通訊將激光掃描頭數(shù)據(jù)采集回來并存儲，調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊分析數(shù)據(jù)，計(jì)算出貨柜車的長度和當(dāng)前位置，再調(diào)用數(shù)字量輸出模塊和模擬量輸出模塊將結(jié)果輸出， 軟件可實(shí)現(xiàn)的功能： 1、 定位一個(gè)車道上單個(gè)20ft的貨柜； 2、 定位一個(gè)車道上單個(gè)40ft的貨柜； 3、 定位一個(gè)車道上單個(gè)45ft的貨柜； 4、 定位一個(gè)車道上單個(gè)48ft的貨柜； 5、 定位一個(gè)車道上兩個(gè)20ft的貨柜（指在同一貨柜車上的兩個(gè)20ft貨柜）； 6、 分辨同一貨柜車上的兩個(gè)20ft貨柜，并定位距貨柜車駕駛室較近的20ft貨柜。 7、 定位一個(gè)車道上兩個(gè)20ft的貨柜時(shí)，將計(jì)算兩個(gè)貨柜總長度。 控制流程 這里以圖1三車道舉例說明，當(dāng)貨柜車進(jìn)入第三車道,檢驗(yàn)員會(huì)將安裝在檢驗(yàn)員室內(nèi)的掃描控制開關(guān)切換到三號車道，這個(gè)信號被送到PLC，PLC依靠此信息令處于三車道的3號激光掃描頭進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)3號激光掃描頭就開始不斷將它掃描到的信息傳送到控制器進(jìn)行處理，控制器處理完相關(guān)信息后，控制指示燈的亮滅，貨柜車司機(jī)則通過觀察指示燈的亮滅來控制貨柜車的進(jìn)退，最終將貨柜車停到正確的位置。 五 使用效果 測量次數(shù) 車道 貨車類型 貨車數(shù)量 準(zhǔn)確率 人工對位效率 自動(dòng)對位效率 備注 第一次 第四車道 40ft 32 100% 貨柜高8.6ft 第二次 第四車道 40ft 16 100% 貨柜高9.6ft 第三次 第四車道 20ft 70 98.67% 貨柜高8.6ft 六 成功應(yīng)用實(shí)例 1． 香港HIT碼頭 HIT在碼頭14號安裝了該套系統(tǒng)，系統(tǒng)共使用了兩套激光掃描器。 2． 深圳YICT碼頭 YICT在碼頭21號岸吊安裝了該套系統(tǒng)，系統(tǒng)共使用了六個(gè)激光掃描器，以下是現(xiàn)場設(shè)備的圖例： 控制柜內(nèi) 激光掃描頭 圖6 每個(gè)車道上方都安裝有一個(gè)激光掃描頭 圖7 方向指示燈