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随着港口集装箱运输的不断发展，港口对设备机械化和自动化的要求越来越高。龙门吊是港口重要的集装箱作业机械设备，其作业效率直接影响堆场效率和集卡效率，进而对港口效率及成本产生影响。本文针对集装箱码头堆场龙门吊普遍存在的装卸效率低、运行能耗高、劳动强度大、安全隐患多等问题，设计基于集装箱码头操作系统的龙门吊自动装卸系统，以提升龙门吊装卸效率，推进港口集装箱运输发展。
1 龙门吊集装箱作业现状
1.1 存在的问题
普通轮胎式龙门吊有8个承重轮，其中主动轮2个，柴油机侧的主动轮为前轮，电气房侧的主动轮为后轮；轮胎吊的整个框架和轮胎部分称为大车，大车一般情况下左右行驶；顶部横梁上的部分称为小车，司机室在小车下方，司机室下方是起升吊具。
传统龙门吊作业主要依靠司机控制大车行走，通过司机获取、执行和确认装卸指令来实现集装箱装卸操作。在装卸集装箱过程中，龙门吊司机凭经验判断龙门吊下方摆放集装箱的高度，根据作业指令驾驶机械运动并操作吊具来核对和完成作业指令。整个作业过程完全依赖人工操作，要求龙门吊司机注意力高度集中，严格执行操作规程，驾驶龙门吊按特定轨迹运动。上述龙门吊作业方式严重制约码头生产效率，大大增加能耗，已成为现代化码头快速发展的主要瓶颈。
1.2 技术瓶颈
目前业内提高龙门吊装卸效率的研究和技术应用主要针对轮胎吊大车纠偏、大车防碰撞和装卸过程防“打保龄”，涉及图像处理、全球定位系统、激光测距及超声波等技术，这些技术的应用受诸多因素制约。
1.2.1 图像处理技术
图像处理需要对大量数据进行二维信息处理，数字信号处理器处理复杂的图像特别是室外环境图像具有一定延时性；此外，受雨雾天气、图像采集设备被污染、道路标识线被雨水或灰尘掩盖等因素的影响，图像处理准确性有待提高。
1.2.2 纠偏技术
（1）利用全球定位系统进行差分放大技术纠偏。该技术方案的原理是将堆场建立成数字堆场，通过测量数字轨道的坐标来实现大车纠偏。大车行驶时，系统实时检测左右轮胎轨迹与数字轨道的偏差，根据偏差和当前速度要求以及大车的运动趋势得出下一阶段大车前后驱动电动机的转速，实现纠偏功能。该技术方案的应用需要在堆场建造全球定位系统基准站和移动站，在龙门吊上安装差分接收天线等，并在地面安装电台或局域网等支持设备，设备投资较大，技术要求较高。此外，龙门吊“油改电”后，龙门吊上方的滑触线缆和供电塔对全球定位系统信号存在一定遮挡和干扰，难以实现精确定位。
（2）利用红外线或光电技术进行测距纠偏。该技术方案对反射体要求较高，需要有较强的反射光才能工作，且受外部光线影响较大，难以对设备准确定位。
（3）利用超声波技术进行测距纠偏。该技术方案原理如下：传感器通电后周期性地发出脉冲信号，脉冲信号遇到物体后产生反射，反射声波强度由物体与感应头之间的距离决定，达到一定强度的反射声波信号被接收后转换为电信号输出；配套的温度感应和补偿电路能够调整因温度变化引起的工作距离变化量，使超声波传感器功能不受天气变化的影响，准确区分噪波与反射声波。不过，由于超声波以面波的形式投向目标环境，如果周围环境复杂，超声波产生的反射、干涉、叠加和共振会严重影响探测准确性，难以满足设备使用要求。
1.2.3 防“打保龄”技术
运用激光测距技术研制的龙门吊防“打保龄”装置虽然实现对小车自动运行的控制，但未与装卸流程信息和调度指令相集成；运用全球定位系统技术开发的龙门吊防“打保龄”系统完全依赖码头操作系统，堆场集装箱堆放三维模型的建立要求码头系统数据与现场堆放数据完全吻合。
2 龙门吊自动装卸系统设计
2.1 系统目标
龙门吊自动装卸系统需要实现以下功能：利用机器视觉系统自动获取到达装卸位置的集卡及集装箱身份标识信息，由码头操作系统根据标识将装卸位置指令发送给信息处理系统；机械运动控制系统依据激光扫描系统探测区域堆放集装箱的情况及装卸位置指令，优化装卸运动轨迹并控制机械运行，实现龙门吊自动装卸控制。龙门吊自动装卸系统建成后，集卡到达龙门吊装卸位置下方后的数据获取、与码头操作系统的信息交互、转堆和收发箱指令执行及确认、小车装卸运动轨迹优化、运动过程驾驶控制等一系列原来由龙门吊司机操作的环节全部实现自动化，从而实现集装箱装卸高效节能、安全可靠，有利于码头操作系统功能的升级、扩展和优化。
2.2 系统功能模块
（1）作业指令流获取模块 该功能模块负责采集码头操作系统的生产调度数据（包括作业类型、箱号、箱型、作业箱区等），并将其转换为龙门吊自动装卸系统能够识别的数据流。
（2）机器视觉模块 该功能模块负责对龙门吊下方装卸区域的集卡进行实时动态视频跟踪和视频过滤图像捕捉，实现车辆自动对位和车号识别，并跟踪起升中集装箱运动轨迹的逐帧或间隔帧处理，通过获取箱号位置视频图像帧识别箱号（见图1）。
图1 龙门吊自动装卸系统机器视觉模块工作流程
（3）龙门吊电控模块 该功能模块是龙门吊自动装卸执行系统，采用富士F70S控制系统。
（4）作业箱区轮廓模块 该功能模块采用激光扫描测距装置测算箱区码放数据，以便满足龙门吊20英尺集装箱与40英尺集装箱切换作业的要求。
2.3 系统结构
如图2所示，龙门吊自动装卸系统采用多层架构设计形式，以满足码头操作部、工程部及其他各部门的特定需求。
图2 龙门吊自动装卸系统结构
（1）物理设备层 编码器通过以太网通信工业总线与车载终端连接；激光防撞器通过串口与车载终端连接，自定义通信协议；可编程逻辑控制器通过以太网交换机RS2模块与系统连接，自定义协议；全球定位系统客户通过网络与系统通信；反向代理服务器用户通过传输控制协议和网络协议与系统通信，自定义协议。
（2）逻辑控制层 系统在逻辑控制层对采集的各种数据进行归化处理，并将处理后的数据记录在本地结构化查询语言数据库中。
（3）远程服务器 远程服务器通过中间件与防“打保龄”系统连接，并把数据保存在后台结构化查询语言数据库服务器中。
（4）业务层 用户通过个人计算机访问远程服务器，定制各种报表并查询数据。
3 结束语
龙门吊自动装卸系统已在上海国际港务（集团）股份有限公司振东集装箱码头分公司完成测试，结果显示该系统达到预期目标，表明龙门吊自动装卸系统是可行且安全的，对码头降低人力资源成本、提高龙门吊出勤率以及优化生产作业系统具有积极意义。
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2013-09-09）
1 龙门吊集装箱作业现状
1.1 存在的问题
普通轮胎式龙门吊有8个承重轮，其中主动轮2个，柴油机侧的主动轮为前轮，电气房侧的主动轮为后轮；轮胎吊的整个框架和轮胎部分称为大车，大车一般情况下左右行驶；顶部横梁上的部分称为小车，司机室在小车下方，司机室下方是起升吊具。
传统龙门吊作业主要依靠司机控制大车行走，通过司机获取、执行和确认装卸指令来实现集装箱装卸操作。在装卸集装箱过程中，龙门吊司机凭经验判断龙门吊下方摆放集装箱的高度，根据作业指令驾驶机械运动并操作吊具来核对和完成作业指令。整个作业过程完全依赖人工操作，要求龙门吊司机注意力高度集中，严格执行操作规程，驾驶龙门吊按特定轨迹运动。上述龙门吊作业方式严重制约码头生产效率，大大增加能耗，已成为现代化码头快速发展的主要瓶颈。
1.2 技术瓶颈
目前业内提高龙门吊装卸效率的研究和技术应用主要针对轮胎吊大车纠偏、大车防碰撞和装卸过程防“打保龄”，涉及图像处理、全球定位系统、激光测距及超声波等技术，这些技术的应用受诸多因素制约。
1.2.1 图像处理技术
图像处理需要对大量数据进行二维信息处理，数字信号处理器处理复杂的图像特别是室外环境图像具有一定延时性；此外，受雨雾天气、图像采集设备被污染、道路标识线被雨水或灰尘掩盖等因素的影响，图像处理准确性有待提高。
1.2.2 纠偏技术
（1）利用全球定位系统进行差分放大技术纠偏。该技术方案的原理是将堆场建立成数字堆场，通过测量数字轨道的坐标来实现大车纠偏。大车行驶时，系统实时检测左右轮胎轨迹与数字轨道的偏差，根据偏差和当前速度要求以及大车的运动趋势得出下一阶段大车前后驱动电动机的转速，实现纠偏功能。该技术方案的应用需要在堆场建造全球定位系统基准站和移动站，在龙门吊上安装差分接收天线等，并在地面安装电台或局域网等支持设备，设备投资较大，技术要求较高。此外，龙门吊“油改电”后，龙门吊上方的滑触线缆和供电塔对全球定位系统信号存在一定遮挡和干扰，难以实现精确定位。
（2）利用红外线或光电技术进行测距纠偏。该技术方案对反射体要求较高，需要有较强的反射光才能工作，且受外部光线影响较大，难以对设备准确定位。
（3）利用超声波技术进行测距纠偏。该技术方案原理如下：传感器通电后周期性地发出脉冲信号，脉冲信号遇到物体后产生反射，反射声波强度由物体与感应头之间的距离决定，达到一定强度的反射声波信号被接收后转换为电信号输出；配套的温度感应和补偿电路能够调整因温度变化引起的工作距离变化量，使超声波传感器功能不受天气变化的影响，准确区分噪波与反射声波。不过，由于超声波以面波的形式投向目标环境，如果周围环境复杂，超声波产生的反射、干涉、叠加和共振会严重影响探测准确性，难以满足设备使用要求。
1.2.3 防“打保龄”技术
运用激光测距技术研制的龙门吊防“打保龄”装置虽然实现对小车自动运行的控制，但未与装卸流程信息和调度指令相集成；运用全球定位系统技术开发的龙门吊防“打保龄”系统完全依赖码头操作系统，堆场集装箱堆放三维模型的建立要求码头系统数据与现场堆放数据完全吻合。
2 龙门吊自动装卸系统设计
2.1 系统目标
龙门吊自动装卸系统需要实现以下功能：利用机器视觉系统自动获取到达装卸位置的集卡及集装箱身份标识信息，由码头操作系统根据标识将装卸位置指令发送给信息处理系统；机械运动控制系统依据激光扫描系统探测区域堆放集装箱的情况及装卸位置指令，优化装卸运动轨迹并控制机械运行，实现龙门吊自动装卸控制。龙门吊自动装卸系统建成后，集卡到达龙门吊装卸位置下方后的数据获取、与码头操作系统的信息交互、转堆和收发箱指令执行及确认、小车装卸运动轨迹优化、运动过程驾驶控制等一系列原来由龙门吊司机操作的环节全部实现自动化，从而实现集装箱装卸高效节能、安全可靠，有利于码头操作系统功能的升级、扩展和优化。
2.2 系统功能模块
（1）作业指令流获取模块 该功能模块负责采集码头操作系统的生产调度数据（包括作业类型、箱号、箱型、作业箱区等），并将其转换为龙门吊自动装卸系统能够识别的数据流。
（2）机器视觉模块 该功能模块负责对龙门吊下方装卸区域的集卡进行实时动态视频跟踪和视频过滤图像捕捉，实现车辆自动对位和车号识别，并跟踪起升中集装箱运动轨迹的逐帧或间隔帧处理，通过获取箱号位置视频图像帧识别箱号（见图1）。
图1 龙门吊自动装卸系统机器视觉模块工作流程
（3）龙门吊电控模块 该功能模块是龙门吊自动装卸执行系统，采用富士F70S控制系统。
（4）作业箱区轮廓模块 该功能模块采用激光扫描测距装置测算箱区码放数据，以便满足龙门吊20英尺集装箱与40英尺集装箱切换作业的要求。
2.3 系统结构
如图2所示，龙门吊自动装卸系统采用多层架构设计形式，以满足码头操作部、工程部及其他各部门的特定需求。
图2 龙门吊自动装卸系统结构
（1）物理设备层 编码器通过以太网通信工业总线与车载终端连接；激光防撞器通过串口与车载终端连接，自定义通信协议；可编程逻辑控制器通过以太网交换机RS2模块与系统连接，自定义协议；全球定位系统客户通过网络与系统通信；反向代理服务器用户通过传输控制协议和网络协议与系统通信，自定义协议。
（2）逻辑控制层 系统在逻辑控制层对采集的各种数据进行归化处理，并将处理后的数据记录在本地结构化查询语言数据库中。
（3）远程服务器 远程服务器通过中间件与防“打保龄”系统连接，并把数据保存在后台结构化查询语言数据库服务器中。
（4）业务层 用户通过个人计算机访问远程服务器，定制各种报表并查询数据。
3 结束语
龙门吊自动装卸系统已在上海国际港务（集团）股份有限公司振东集装箱码头分公司完成测试，结果显示该系统达到预期目标，表明龙门吊自动装卸系统是可行且安全的，对码头降低人力资源成本、提高龙门吊出勤率以及优化生产作业系统具有积极意义。
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2013-09-09）