一 概述 1． 前言 物流是現代社會發展最快的行業之一，如何實現高效、無故障的物流運輸已經成為整個物流行業發展的迫切需要。集裝箱運輸碼頭作為國際貨運最主要的手段之一，如何提高集裝箱運輸效率已成為全球各港口非常關心的問題。 2． 問題的提出 據統計，目前國際上大港口集裝箱運輸平均效率為25-27次/小時，對于HIT、YICT等自動化程度高、配套設施齊全的港口，操作效率最高可達到35次/小時，平均操作效率為32-33次/小時。隨著國際貨運總量的急劇增長，對集裝箱碼頭運輸效率提出了更高的要求。 海岸吊車是港口集裝箱運輸的主要設備，它的主要作用是將各種規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行標準對位，在確定的標準位置擺放標志桿，在貨柜長度和岸吊位置不變的情況下，以此標志桿來進行集裝箱對位。但是，當海岸吊的位置發生變化，或者貨柜長度發生變化時，需要重新進行標準對位，導致岸吊操作效率很低。 3． 現存的解決方案 針對港口貨車對位存在的問題，已經有幾種解決方案，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，控制貨車停到準確位置，優點：不管岸吊位置如何變化，或貨柜大小發生變化，掃描系統都可以自動檢測新的位置，無需人為參與；缺點：一套系統至少需要3個掃描頭一起工作，但3D的掃描頭價格昂貴，不適合大量安裝。 （2） 雪糕筒方案 利用安裝在車道一側一個小車的光線發生器發出一束光線，小車通過光線的反射與否，控制貨車停到準確位置；優點：價格低廉，對位精度高；缺點：岸吊位置或貨柜大小發生變化，就需要重新確定一次標準中點，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行切面掃描，以此判斷貨柜位置，控制貨車停到準確位置；優點：不管岸吊位置如何變化，或貨柜大小發生變化，掃描系統都可以自動檢測新的位置，無需人為參與，價格適中；缺點：對不同車道的掃描時，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，在如上圖的范圍內每隔0.25度發射一條光線，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建一組以掃描頭為原點的直角坐標，并將該坐標信息發送給控制器；控制器接收并處理這些數據后，就可以控制貨車停到正確位置了。 三 系統結構 1． 數據采集與傳輸 激光掃描頭與掃描控制器之間通過高速RS422通訊實現連接，通訊速率達到115.2kbps。 激光掃描頭每隔0.25度發射一條光線，并接收光線的反射結果計算出一個坐標點，如此每個掃描周期可以得到400個坐標點，如果將這些點放在一個合適的直角坐標系中，我們就可以看到一個貨柜車的近似形狀，可以看到貨柜的頂點，車頭等，控制器可以將這些關鍵點提取出來用以計算。 2． 數據處理、分析與控制 掃描控制器接收激光掃描頭發送的信息后，經過控制器內置的坐標系轉換算法、數據濾波處理算法等將這些數據信息轉換為一幅關于貨車切面的圖形以及貨車關于參考位置的距離，和預先設定的貨車停車距離進行比較，判斷貨車位置。 3． 系統控制 由于激光掃描器每次掃描的結果都會有一定的誤差，因此控制器接收激光掃描器數據計算出的結果并不能直接作為控制輸出，必須送到PLC進行累計消除誤差，同時PLC還要判斷貨柜車是否已接近停止點，已控制指示燈的閃爍，令司機可以提前減速停車。 4． 操作與顯示 最終的結果會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，告訴貨車司機如何控制貨車停到正確位置，通過方向燈的閃爍，告訴司機貨車離正確位置的距離。 四 功能實現 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時發送給位置控制器分析，通過控制器內置的控制軟件計算貨柜車當前位置，同時控制信號燈的亮滅，貨柜車司機通過觀察信號燈的信號，實現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，根據水平滑動軌道將掃描器移動到貨車所在車道后，對貨車位置進行連續掃描。掃描器特點：戶外安裝，防護等級IP67；測量精度高達0.25級。 激光掃描器 軟件結構介紹： 數據處理與控制，由C＋＋編寫，程序可分為主程序模塊、數據處理模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸出模塊；系統工作時，主程序模塊先通過通訊將激光掃描頭數據采集回來并存儲，調用數據處理模塊分析數據，計算出貨柜車的長度和當前位置，再調用數字量輸出模塊和模擬量輸出模塊將結果輸出， 軟件可實現的功能： 1、 定位一個車道上單個20ft的貨柜； 2、 定位一個車道上單個40ft的貨柜； 3、 定位一個車道上單個45ft的貨柜； 4、 定位一個車道上單個48ft的貨柜； 5、 定位一個車道上兩個20ft的貨柜（指在同一貨柜車上的兩個20ft貨柜）； 6、 分辨同一貨柜車上的兩個20ft貨柜，并定位距貨柜車駕駛室較近的20ft貨柜。 7、 定位一個車道上兩個20ft的貨柜時，將計算兩個貨柜總長度。 控制流程 這里以圖1三車道舉例說明，當貨柜車進入第三車道,檢驗員會將安裝在檢驗員室內的掃描控制開關切換到三號車道，這個信號被送到PLC，PLC依靠此信息令處于三車道的3號激光掃描頭進入工作狀態，此時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行處理，控制器處理完相關信息后，控制指示燈的亮滅，貨柜車司機則通過觀察指示燈的亮滅來控制貨柜車的進退，最終將貨柜車停到正確的位置。 五 使用效果 測量次數 車道 貨車類型 貨車數量 準確率 人工對位效率 自動對位效率 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 成功應用實例 1． 香港HIT碼頭 HIT在碼頭14號安裝了該套系統，系統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，系統共使用了六個激光掃描器，以下是現場設備的圖例： 控制柜內 激光掃描頭 圖6 每個車道上方都安裝有一個激光掃描頭 圖7 方向指示燈